低压断路器脱扣电流的整定计算

摘要：文章介紹了低压断路器的选择要求，并结合实际案例，解析了断路器过电流脱扣器整定值的计算过程。对计算过程中显现的可操作性疑义问题，结合对现行规范、标准的理解提出建议，以便合理选择低压断路器脱扣器，对供配电系统设计人员具有一定的参考价值。

关键词：低压断路器；反时限过电流脱扣器；定时限过电流脱扣器；瞬动脱扣器；供配电系统 文献标识码：A

中图分类号：TM561 文章编号：1009-2374（2016）02-0110-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.054

低压断路器具有体积小、机构紧凑、安装方便等特点，被广泛应用于配电线路及电动机保护领域。随着电气技术的不断发展，低压断路器性能也得到日益完善和提高，现已逐步实现智能化、模块化和小型化，与此同时，低压断路器的可靠性和安全性均得到很大提高。但在使用低压断路器的过程中应合理选型，避免因断路器选型不当造成其不能发挥应有的保护作用，使配电系统在运行中存在一定安全隐患，对使用人员的人身安全构成一定威胁。

1 低压断路器简介

1.1 低压断路器分类

低压断路器（以下简称断路器）按使用类别可分为A类（非选择型）和B类（选择型）；按设计型式可分为万能式（或框架式）断路器、塑料外壳式断路器及微型断路器；按用途可分为配电用断路器、电动机保护用断路器和漏电断路器，其他分类不再列举。

1.2 断路器过电流脱扣器

1.2.1 断路器过电流脱扣器主要包括长延时脱扣器（反时限特性）、短延时脱扣器（根据不同的动作电流，呈现反时限和定时限特性）、瞬动脱扣器。

1.2.2 反时限过电流断开脱扣器在基准温度下，在约定不脱扣电流，即电流整定值的1.05倍时，脱扣器的各相极同时通电，断路器从冷态开始，在小于约定时间内不应发生脱扣；在约定时间结束后，立即使电流上升至电流整定值的1.3倍，即达到约定脱扣电流，断路器在小于约定时间内脱扣。

1.2.3 瞬时或定时限过电流脱扣器在达到电流整定值时应瞬时（固有动作时间）或在规定时间内动作。其电流脱扣器整定值有±10%的准确度。

1.3 断路器的选择应符合的要求

断路器的额定电压应与所在回路的标称电压相适应；断路器的额定频率应与所在回路的标称频率相适应；断路器的额定电流不应小于所在回路的负荷计算电流；断路器应满足短路条件下的动、热稳定要求，用于分断短路电流时，应满足在短路条件下分断能力的要求。

1.4 断路器的选择性配合

各级保护电器之间的动作选择性分为以下三种：

1.4.1 完全选择性。故障点的所有故障电流值，从过载到金属性短路故障电流，均由故障点最近的上一级断路器切断。

1.4.2 部分选择性。在全短路故障电流情况下，不能满足完全选择性，但可能在某一较低故障值（选择性极限值）以下具有选择性。

1.4.3 无选择性。当故障发生时，无法实现选择性，可能出现越级跳闸或同时动作。《低压配电设计规范》规定，配电线路采用的上下级保护电器，其动作应具有选择性；各级之间应能协调配合。但对于非重要负荷的保护电器，可采用无选择性跳闸。

2 各种过电流脱扣器的整定计算

断路器的实际动作时间还可以根据厂家提供的时间-电流特性曲线直接查取。确定实际动作时间非常重要，可以实现正常工作时不动作、躲过尖峰电流、完成热稳定校验、满足断路器动作的选择性等用途。

2.1.5 消防配电线路的过负荷保护。根据《民用建筑电气设计规范》（JGJ16-2008）规定，消防配电线路应设过负荷及短路保护，其过负荷保护应动作于信号，不动作于脱扣。工程设计中，消防配电线路采用电磁脱扣器（仅有瞬动脱扣器），其过负荷保护功能应借助其他设备实现：（1）采用过载时只报警不脱扣的特殊断路器，在过载时可提供一个无源信号触点，从而驱动报警装置；（2）利用数显表的报警功能，在实际电流超过设定电流时提供报警信号。此时应采用三相表并配合三相CT。如使用单相表，无法检测另外两相的故障；（3）电动机可使用热继电器提供过载保护，通过其过载信号触点驱动报警装置。

2.2 短延时脱扣器的短路保护整定计算

案例分析：某低压配电房发生短路事故，短路点位于分支母线处，即分支回路断路器电源侧。断路器智能控制器保留的技术数据：分断电流18.67kA，动作时间0.5s。断路器出厂数据：型号CW2-2500/3P，In=2500A；额定极限短路分断能力Icu=85kA/AC400V；额定运行短路分断能力Ics=85kA/AC400V；额定短时耐受电流Icw=65kA/AC400V；长延时脱扣器Ir1=1.0In，t1=15s；短延时脱扣器Ir2=8.0In，t2=0.4s，瞬动脱扣器Ir3=12Ir1，接地故障保护位于OFF位置。要求判断该断路器是否在规定时间内切除故障线路。

额定极限短路分断能力Icu>Ik。首先计算动作电流倍数：18.67*1000/2500=7.468倍，未达到预设的短延时脱扣电流倍数（8倍），查产品样本，应根据I2T2=（8Ir1）2t2校验。T2=（8*1*2500）2*0.4/（18.67*1000）2=0.459s。根据厂家样本，动作时间允差为±15%，则断路器允许动作时间为（0.459*1.15）s=0.528s。本案例断路器动作时间0.5s在此时间范围内切除故障线路。

I′stM1——线路中最大一台电动机的全启动电流，A，包括周期分量和非周期分量，其值可取电动机启动电流IstM1的2倍

Ijs（n-1）——除启动电流最大的一台电动机以外的线路计算负载电流，A

如果没有人为的延时环节，瞬动脱扣器一旦启动，必将触发后继动作，分闸在所难免。启动冲击电流在1/4周期（0.005s）即达峰值，瞬动原件是否启动仅取决于电磁力的大小，与后继的断路器机械动作固有时间无关。因此，为防止断路器在电动机启动时误动作，其瞬动脱扣器的动作电流应躲过启动电流峰值或至少高于第一半波有效值。

2.3.3 瞬动脱扣器用于电动机的短路保护。

第一，断路器瞬动脱扣器动作电流与长延时脱扣器动作电流之比（以下简称瞬动电流倍数）宜为14倍左右或10～20倍可调。

第二，仅用于短路保护时，即在另行装设过载保护电器（如热继电器等）的常见情况下，宜采用只带瞬动脱扣器的断路器或把长延时脱扣器作为后备过电流保护。

第三，兼作过载保护时，即在没有其他过载保护电器的情况下，断路器应设瞬动脱扣器和长延时脱扣器，且必须为电动机保护型。

第四，兼作低电压保护时，即不另装接触器或起动器的情况下，断路器应装有低电压脱扣器。

第五，断路器的各种附件应根据电动机的控制要求装设。

第六，瞬动脱扣器的整定电流应为电动机启动电流的2～2.5倍，本文取2.2倍。

第七，长延时脱扣器用作后备保护时，其整定电流应按满足相应的瞬动脱扣整定电流为电动机起动电流2.2倍的条件确定。

第八，长延时脱扣器用作电动机过载保护时，其整定电流应接近但不小于电动机的额定电流，且在7.2倍整定电流下的动作时间应大于电动机的启动时间。同时，相应的瞬动脱扣器应满足第六条的要求，否则应另设过载保护电器，而不得随意加大长延时脱扣器的整定电流。

2.4 断路器接地故障保护的整定计算

《低压配电设计规范》规定，相线对地标称电压为220V的TN系统配电线路的接地故障保护，其切断故障回路的时间应符合下列规定：（1）配电线路或仅供给固定式电气设备用电的末端线路，不宜大于5s；（2）供给手握式电气设备和移动式设备的末端线路或插座回路，不应大于0.4s。

以下介绍TN、TT及IT系统发生接地故障时断路器脱扣器的选择及整定方法。

案例分析：某回路由低配室放射供电，变压器容量1000kVA，Uk=6%，出线开关QF1（Ir1=50A），配线YJV-5x16，线路末端下级断路器采用A类微断QF2（MCB-C32/1P，Ir1=32A，Ir3=10Ir1=320A）。设QF2前端A点发生接地故障，QF2后端B点发生接地故障，试对QF1进行接地故障保护整定计算。

第一种情况：线路长100m，A点发生单相接地故障时，查得Id=0.61kA，则根据式（9），Ir3≤（0.61*1000）Ir1/（1.3*50）=9.38Ir1，取整后Ir3=9，则Ir3=9*50A=450A。

第二种情况：线路长100m，B点发生单相接地故障时，由于A、B点仅相隔QF2，其阻抗可忽略不计，则QF1整定计算同上。

此两种情况下，QF1的Ir3=450A，QF2的Ir3=320A，450/320=1.406倍，可满足选择性要求的1.3或1.4倍。

第三种情况，线路长140m，查得Id=0.44kA，则根据式（9），Ir3≤（0.44*1000）Ir1/（1.3*50）=6.77Ir1，取整后Ir3=6，则Ir3=6*50A=300A。此时若B点发生单相接地故障，上下级断路器已不具选择性。

第四种情况：条件同第三种情况，但QF2所保护的设备为15kW鼠笼式电动机。按电动机保护整定计算，Ir3≥2.2*7*15/0.8/0.38/1.732A=438.72A，QF2选用D型断路器，即Ir1=32A，Ir3=14Ir1=14*32A=448A，而QF1的Ir3=300A。此时电动机启动，必将越级跳闸。

第二，提高TN系统接地故障电流Id的措施：选用D，yn11变压器，其零序阻抗比Y，yn0变压器小很多，Id明显增大；增大电缆截面以降低阻抗，此方案不适用于裸干线及架空线等电抗较大的线路；改变线路结构，如改裸干线及架空线为封闭母线或电缆，以降低阻抗。

当变压器容量较小时，配电线路较长而保护电器的整定电流不能满足灵敏度系数的要求时，可减少配电级数，以减小整定电流。

第三，当采用短路保护兼做接地故障保护，不能满足其灵敏度要求或不能满足选择性要求时，还可采用带接地故障保护的断路器。

零序电流保护：检测零序电流通常在断路器后三个相线上各装设一只电流互感器（也可在中性线上安装一个零序互感器），取3只互感器的矢量和乘以变比，即零序电流：IN=IL1+IL2+IL3。

剩余电流保护：检测剩余电流通常在断路器后三個相线及中性线上各装设一只电流互感器（或采用专用剩余电流互感器），取4只互感器二次侧电流的向量和乘以变比，即剩余电流：IPE=IN+IL1+IL2+IL3。为避免误动作，断路器采用剩余电流保护时，其接地故障电流整定值应躲过正常运行时线路和设备的泄露电流，通常取泄露电流总和的2.5～4倍。剩余电流保护整定值可在满足Id≥1.3Ir4的前提下尽可能选大一些，甚至可选断路器允许的IΔn最大值。剩余电流保护适用于TN-S系统，但不适用于TN-C系统。

2.4.2 TT系统。TT接地系统常用于工业与民用建筑的照明、动力混合供电的三相四线配电系统，三相不平衡电流较大。发生单相接地时，Id回路阻抗包括相线阻抗、PE线阻抗、负载侧接地电阻、电源侧接地电阻、接触阻抗等。由于负载侧接地电阻和电源侧接地电阻值一般均比较大，TT系统的故障环路阻抗大，产生的单相接地故障电流远小于不平衡电流，所以TT系统不能采用短路保护兼做接地故障保护，也不能采用零序电流保护。TT系统采用剩余电流保护的整定计算同TN系统。

2.4.3 IT系统。三种系统中，IT系统接地故障电流最小，用于对供电可靠性要求较高、对单相接地不需要立即切断的供电回路。发生接地故障时，需发出绝缘破坏信号。目前最典型的IT系统就是10kV配电系统，采用中性点不接地或经高电阻接地的运行方式（小电流接地系统）。该系统最大的优点是发生单相接地故障时，不破坏系统电压的对称性，且故障电流值较小，不影响对用户的连续供电。电力系统供电规程规定，发生接地故障时，可带故障运行1～2小时。

3 结语

在使用断路器作为保护电器时，只有正确分析负载性质、结合断路器保护特性选择断路器，才能有效切除事故回路，保证供配电系统的可靠运行。除了技术上的必要性和可靠性，还要兼顾经济上的可行性和实用性，才能使断路器的选择满足合理性要求。

参考文献

[1]中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册（第三版）[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.低压配电设计规范（GB 50054-2011）[S].北京：中国计划出版社，2012.

作者简介：杨家（1980-），男，四川达州人，成都基准方中建筑设计有限公司电气工程师，研究方向：民用建筑电气工程设计。

（责任编辑：黄银芳）