低压配电线路过载保护公式的理解与应用

盛 小 伟

(中国中轻国际工程有限公司, 北京 100026)

低压配电线路过载保护公式的理解与应用

盛 小 伟

(中国中轻国际工程有限公司, 北京 100026)

通过对低压配电线路过载保护的公式的含义进行解读,指出出现持续的过电流而又小于可靠动作电流的情况下,过载电流公式不能提供完全的过载保护,不适用于电子式脱扣器的断路器。提出了电子式脱扣器和热脱扣器的断路器作为过载保护电器时能够提供完全过载保护的基本公式。

低压配电线路; 低压断路器; 过载保护; 热脱扣器; 电子式脱扣器

0 引 言

国际电工委员会(IEC)标准对过载保护的一般要求为:保护电器应在流经回路导体的过载电流引起的温升对绝缘、接头、端子和导体周围的物料造成损害之前,分断过载电流。同时,IEC及国家标准均给出了关于低压线路过载保护的两个基本公式,表明导线与保护电器之间配合关系,做到让电气设计人员有据可依,但对过载保护的两个基本公式如何理解,令许多电气设计人员困惑[1-2]。

本文对低压配电线路过载保护的公式进行探讨,并针对电子式脱扣器和热磁脱扣器的不同动作特性,讨论断路器提供完全过载保护时导线的选择。

1 过载保护的两个基本公式的理解

GB 16895.5—2012/IEC 60364-4-43:2008《低压电气装置 安全防护 过电流保护》中条款433.1关于过载保护的规定如下:防止电缆过负荷保护电器的工作特性应满足以下两个条件:

IB≤In≤IZ

(1)

I2≤1.45IZ

(2)

式中:IB——回路的设计电流;

IZ——电缆的持续载流量;

In——保护电器的额定电流;

I2——保证保护电器在约定时间内可靠动作的电流。

对于可调的保护电器,额定电流In为给定的整定电流。IB为通过线导体的设计电流,或为3次谐波含量大的情况下通过中性导体的持续电流。保证保护电器可靠动作的电流I2应由电器生产厂家提供或由产品标准给出。

在某些情况下,按照条款433.1所装设的保护不能保证起到保护作用,如出现持续的过电流而又小于I2的情况。在这种情况下,宜考虑选择具有较大截面积的电缆。

式(1)、式(2)的说明图示如图1所示。

需要注意的是,图1表示出的仅是约定动作电流I2大于导体载流量IZ的位置关系,对于某些情况下(存在I2

式(1)、式(2)明确了防止过载保护电器与绝缘导体(电缆或电线)载流量之间的配合关系。

图 1 式(1)、式(2)的说明图示

由式(1)可知,在选用保护电器和电缆(或电线)时需遵循的顺序。通过计算电流选择保护电器,然后根据保护电器的额定电流选择电缆截面。

式(2)中,1.45IZ的含义是指最大允许的、时间上受到限制的过载电流,此时会出现短时的超过持续极限温度,但还不至于引起降低绝缘性能。1.45IZ表征的是绝缘导体的一种特性,即导体可以在受到限制的时间(称作导体1.45IZ过载电流的安全时间)内承受1.45IZ的过载电流而其绝缘性能不降低。这是因为材料热容的存在,导线发热与散热有一个过渡过程,在不超过(或短时超过)导线持续极限温度且不造成导线绝缘性能降低的情况下,允许短时通过的电流比长期连续负荷时通过的电流大得多。IEC通过试验测试了导线绝缘不会变劣的过载电流值与持续时间的配合关系,结合保护电器的动作特性,最终确定导线承受的过载电流为1.45IZ[2]。

式(2)包含两层含义:① 保护电器的可靠动作电流不大于1.45IZ;② 导体1.45IZ过载电流的安全时间不小于保护电器可靠动作的约定时间。导体1.45IZ过载电流的安全时间需要通过试验给出。

当保护电器为低压断路器(万能式断路器和塑壳断路器)时,根据GB 14048.2—2008《低压开关设备和控制设备 断路器》第7.2.1.2.4条,其过电流脱扣器的反时限动作特性规定的约定动作电流和约定动作时间如表1所示。

当保护电器为家用及类似场所用断路器(小型断路器或小型模数式断路器)时,GB 10963.1—2005《电气附件 家用及类似场所用过电流保护断路器 用于交流的断路器》第8.6.2.1～8.6.2.3条规定:

表1 反时限过电流断开脱扣器在基准温度下的

注: 当In≤63 A时,约定时间为1 h。

(1) 对于额定电流≤63 A的断路器,其约定时间为1 h;对于额定电流>63 A的断路器,其约定时间为2 h 。

(2) 断路器的约定不脱扣电流Int是其额定电流的1.13倍。

(3) 断路器的约定脱扣电流It是其额定电流的1.45倍。

当保护电器为断路器时,按照式(1)选择的断路器的工作特性是满足式(2)的,根据断路器过载保护动作的约定时间为2 h(In>63 A)和1 h(In≤63 A),可推断出导体1.45IZ过载电流的安全时间≥2 h(导体载流量IZ>63 A)和≥1 h(导体载流量IZ≤63 A)。若考虑到将多根载流量IZ≤63 A的导体并联接入大于63A的断路器回路中使用,则载流量IZ≤63 A的导体1.45IZ过载电流的安全时间也不小于2 h,因此导体1.45IZ过载电流的安全时间≥2 h。

当保护电器为熔断器时,根据GB 13539.1—2008《低压熔断器 基本要求》规定,低压熔断器的约定时间和约定电流如表2所示[1]。

表2 gG和gM熔断体的约定时间和约定电流

注:Inf为约定不熔断电流,指在规定时间(约定时间)内熔断体能承载而不熔化的规定电流值;If为约定熔断电流,指在规定时间(约定时间)内引起熔断体熔断的规定电流值。

由表2可见,熔断体的约定熔断电流为1.6In,熔断体的额定电流和导线的载流量满足式(1)时,则式(2)不一定成立。针对这种情况,GB 13539.1—2008第8.4.3.5条中表19验证熔断器能够提供过载保护时导线与熔体配合的试验结果,试验连接导体选择的是PVC绝缘铜导线。因此,在实际工程运用中,根据熔断体的额定电流,只要选择导线的截面积不小于GB 13539.1—2008第8.4.3.5条中表19给出值即可。

2 不起保护作用的情况

条款433.1注明在某些情况下,装设的保护可能不保证起到保护作用,如出现持续的过电流而又小于I2的情况。在这种情况下,宜考虑选择具有较大截面积的电缆。通常低压断路器配置的过载脱扣器有热脱扣器和电子式脱扣器两种,家用及类似场所用断路器配置热脱扣器。以下分析这两种脱扣器的过载保护特性不起保护作用的情况。

2.1 热脱扣器

热脱扣器动作原理是利用过电流时双金属片受热变形推动脱扣机构动作,从而实现断路器跳闸,其时间-电流特性曲线具有反时限特性。热磁脱扣器的时间-电流特性曲线如图2所示,上部为热脱扣器的反时限特性曲线。

图2 导线和保护装置基准值的原则

图2中,I1为约定不脱扣电流;I2为约定脱扣电流;I3为容差极限值;I4为电磁式瞬时过电流脱扣器(短路脱扣器)的保持电流(短路保护的不动作电流);I5为电磁式瞬时过电流脱扣器(短路脱扣器)的脱扣电流(短路保护的动作电流)。

(1) 过载电流Iol≥I2时,断路器能够为线路提供过载保护。过载保护有两种情况:① 线路通过大于I2的短时过载电流(如周期性变化负载),还不至于损伤导线绝缘,断路器不切断线路,设备正常运行;② 过载电流大于I2,且持续时间较长,对导线的绝缘造成伤害。这种情况下,断路器会在过载电流对导线绝缘造成损害前及时切断线路。

(2) 当过载电流Iol2 h时,一旦过载持续时间超过导体温度,升高到足以使其绝缘性能下降的某一极限时间,而断路器又因Iol

2.2 电子式脱扣器

电子式脱扣器的工作原理是利用电子元件构成的电路对回路电流采样,通过控制处理单元进行分析、计算,并发出控制指令,最后由执行机构驱动断路器分断。电子式脱扣器的断路器属于可调保护电器,其过载保护的动作值(又称长延时过电流动作值)及延时动作时间是可调的,其值称作整定电流和整定时间。根据条款433.1,式(1)中的额定电流In是给定的整定电流,而整定电流就是断路器可靠动作的电流I2,故式(1)可改写为

IB≤I2≤IZ

(3)

按照式(3)选择导线截面,断路器动作时导线不会过载,从而无需采用式(2)来验证断路器的动作特性。

由上述分析可知,对于电子式脱扣器的断路器,按照式(3)选择导线是安全的,断路器可以提供完全的过载保护。

3 持续过电流小于I2情况下导线的选择

持续过载电流小于I2情况下,配置热脱扣器断路器不能够提供完全的过载保护。出现这种情况一般是由于线路在后期的运行中负荷增加,导致线路的实际运行电流超过设计值,而配电线路的保护电器及导线又未及时根据负荷增加而调整。例如住宅建筑中,家用电器随着生活水平的提高而不断增加;商业建筑中,商铺因经营业态的改变而增加用电负荷。

3.1 解决措施

对于热脱扣器的断路器,要避免持续时间超过断路器的约定动作时间而又小于I2的过电流对导线绝缘造成损害,有效的办法就是选用较大截面的导线。按照式(3)来选择导线,使导线载流量不小于I2,从而保证断路器动作时导线不过载。

对于热脱扣器,其可靠动作电流(约定动作电流)I2和约定动作时间是固定的,不可调。配置热脱扣器的低压断路器,如配置热脱扣器的塑壳断路器,其约定动作电流I2为1.3倍额定电流(1.3In),需按照式(4)选择导线载流量:

IZ≥1.3In

(4)

家用及类似场所用断路器,如小型断路器,其约定动作电流为1.45倍额定电流(1.45In),需按照式(5)选择导线载流量:

IZ≥1.45In

(5)

3.2 计算实例

以下实例均是考虑后期有过载可能的情况下,比较断路器配置电子式脱扣器与热脱扣器以及配置热脱扣器的塑壳断路器和小型断路器过载保护时导线的选择。

例1:计算电流IB=210 A,分别计算断路器配置热磁脱扣器和电子脱扣器过载可靠动作值和导线截面的选择。

(1) 配置热磁脱扣器,断路器的额定电流In=250 A,则过载可靠动作电流I2=1.3In=

325 A。参考国家建筑标准设计图集04DX101-1《建筑电气常用数据》,选用YJV-120 mm2的电缆在空气中敷设,环境温度为30 ℃,其载流量为IZ=346 A,满足IZ≥1.3In。

(2) 配置电子脱扣器,电子脱扣器额定电流In=250 A,过载可靠动作电流(过载长延时动作电流)I2=1.0In=250 A,时间整定为30 s,则选用YJV-95 mm2的电缆在空气中敷设,环境温度为30 ℃,其载流量为IZ=298 A,满足IZ≥I2。

例2:计算电流IB=35 A,分别计算选用塑壳断路器和小型断路器时导线截面的选择。

(1) 选用塑壳断路器时,断路器的额定电流In=40 A,则过载可靠动作电流I2=1.3In=52 A。参考国家建筑标准设计图集04DX101-1《建筑电气常用数据》,选用YJV-6 mm2的电缆在空气中敷设,环境温度为30 ℃,其载流量为IZ=54 A>52 A,满足IZ≥1.3In。

(2) 选用小型断路器时,断路器的额定电流In=40 A,则过载可靠动作电流I2=1.45In=1.45×40=58 A,选用YJV-10 mm2的电缆在空气中敷设,环境温度为30 ℃,其载流量为IZ=75 A>58 A,满足IZ≥1.45In。

4 结 语

(1) 由过载保护两个基本公式可知,导体1.45IZ过载电流的安全时间不小于断路器的动作约定时间,且不小于2 h。

(2) 配置热脱扣器的断路器,对于持续时间超过断路器保护动作约定时间而又小于I2的过电流,按照过载保护的两个基本公式可能不保证起到保护作用,即式(1)、式(2)不能起到完全的过载保护。如要提供完全过载保护,则按照式(1)与式(4)(对于热脱扣器的低压断路器)或按照式(1)与式(5)(对于家庭及类似场所用断路器)选择导线 。

(3) 配置电子式脱扣器的断路器,过载保护的基本公式可改写为IB≤I2≤IZ,且能够提供完全的过载保护。

[1] 贺湘琨.怎样理解低压配电线路过载保护的两个基本公式[J].建筑电气,2010,29(4):182-185.

[2] 王厚余.对IEC标准低压线路过载保护公式调查的回顾[J].建筑电气,2011,30(1):3-6.

[3] Günter G.Seip.电气安装技术手册[M].2版.胡明忠,胡沫非,译.北京:中国建筑工业出版社,2002.

Understanding and Application of Overload Protection Formulas for Low Voltage Distribution Line

SHENGXiaowei

(China BCEL International Engineering Co., Ltd., Beijing 100026, China)

This paper explained the meaning of the overload protection formulas for low voltage distribution lines,and points out the cases that formulas may not ensure overload protection when sustained overload current is less thanI2,are not suitable to the circuit breaker with electronic tripping device.Formulas for the circuit breaker with electronic tripping device or with thermal overload release are given,overload protection according with those formulas is ensured.

low voltage distribution circuit; low voltage circuit breaker; overload protection; thermal overload release; electronic tripping device

盛小伟(1974—),男,教授级高级工程师,从事建筑电气供电可靠性及电气防火方面的研究。

TU 852

A

1674-8417(2015)07-0034-04

2015-05-08