低压断路器的选择、整定、校验与应用

高 三 阳

(深圳市市政设计研究院有限公司, 广东 深圳 518029)

0 引 言

断路器是指能够接通、承载和分断正常回路条件下的电流,并能接通、在规定的时间内承载和分断异常回路条件(包括短路条件)下的电流的开关装置[1-3]。本文介绍了不同使用场合的低压断路器参数的整定及低压断路器分断能力、灵敏度的校验。

1 断路器的分类

断路器的分类:按使用类别,分为A类非选择型、B类选择型;按设计形式,分为万能断路器、塑壳断路器、小型断路器、直流断路器等;按操作机构的控制方法,分为人力操作断路器、电动操作断路器等;按是否具备隔离功能,分为适合隔离断路器、不适合隔离断路器;按安装方式,分为固定式断路器、插入式断路器、抽屉式断路器。

2 低压断路器的选择

2.1 按正常工作条件选择

(1) 电压。断路器的电压应与回路所在电压相适应。

(2) 电流。断路器的额定电流应大于所在回路的计算电流,小于所在回路线路的载流量。

(3) 频率。断路器的额定频率应符合所在回路的标称频率。

2.2 按保护选择性选择

(1) 过电流选择性。两个串联的过电流保护电器的过电流配合。在下级保护电器保护范围内发生过电流故障时,上下级保护电器均检测到过电流信号,下级保护电器先于上级保护电器动作的过程[4-6]。

(2) 全选择性。在两台串联的过电流保护装置的情况下,负荷侧的保护装置实行保护时而不导致另一台保护装置动作的过电流选择性保护。

(3) 局部选择性。在两台串联的过电流保护装置的情况下,负荷侧的保护装置在给定的过电流值及以下实行保护时而不导致另一台保护装置动作的过电流选择性保护。

选择性的原则是最靠近故障点的保护电器先动作,远离故障点的保护电器后动作。当最靠近故障点的保护电器将故障切除时,配电系统的其他保护电器仍然正常工作,保证配电系统故障点波及的面最小。

2.3 按短路条件选择

对配电系统进行预期短路电流计算,来确定断路器在短路条件下的短时耐受电流(Icw)和额定运行短路分断能力(Ics)。

2.4 按使用环境选择

断路器在正常、化工腐蚀、高原地区、热带地区等环境下的各特性参数会受到相应的影响。因此断路器在不同工作环境下,需要适应断路器参与配电系统的构建。例如,热带地区,周围空气温度相对较高,正常和短路条件下,断路器的散热就会有很大偏差,被保护线路的I2t电缆绝缘特性也会受到影响,会对断路器的选择产生影响。

3 低压断路器的整定

3.1 配电线路保护的低压断路器的整定

(1) 低压断路器的额定电流整定Irt:

IrQ≥Irt≥Ic

(1)

式中:IrQ——断路器壳架等级的额定电流(塑壳式或开启式中所能装的最大过电流脱扣器的额定电流),A;

Irt——反时限过电流脱扣器的额定电流,A;

Ic——线路的计算负荷电流,A。

(2) 反时限过电流脱扣器的整定Iset1:

Iz≥Iset1≥Ic

(2)

式中:Iz——导体允许的持续载流量,A;

Ic——线路的计算负荷电流,A。

(3) 定时限过电流脱扣器的整定Iset2:

Iset2≥Kset2[IstM1+Ic(n-1)]

(3)

式中:Kset2——定时限过电流脱扣器的可靠系数,可取1.2;

IstM1——线路最大一台电动机的起动电流,A;

Ic(n-1)——除起动电流最大的一台电动机以外的线路计算负荷电流,A。

定时限过电流脱扣器的整定时间通常有0.1 s(或0.2 s)、0.4 s、0.6 s、0.8 s等,根据需要确定。其整定时间要比下一级任一组熔断器可能出现的最大熔断时间大一个级量,上下级时间级差≥0.1～0.2 s(保证上下级的时间选择性)。

(4) 瞬时过电流脱扣器的整定Iset3:

(4)

式中:Kset3——瞬时过电流脱扣器的的可靠系数,可取1.2;

Ic(n-1)——除起动电流最大的一台电动机以外的线路计算负荷电流,A。

为满足各级间的选择性要求,选择低压断路器瞬时脱扣器的电流整定值还应大于下一级保护电器所保护线路的故障电流。非选择性低压断路器瞬时脱扣器的电流整定值在大于回路正常工作时的尖峰电流条件下,尽可能整定得小些。

以施耐德NSX630S Micrologic 5.3 A和6.3 A或6.3E-400 A和630 A配电保护用断路器脱扣曲线为例[7],如图1所示,塑壳断路器壳架等级的额定电流为630 A,由脱扣曲线可知:

① 当I/Ir≤1,即I≤630 A时,随着时间t的增加,I≤630 A且垂直于电流比轴的直线是不会与脱扣曲线相交的,断路器不会脱扣。

② 当1≤I/Ir≤10,即I≥630 A时,随着时间t的增加,I>630 A且垂直于电流比轴的直线会与脱扣曲线相交,电流越大,交点对应的时间越短,这是脱扣器的反时限特性区间,此区间在线路出现短时过载时不至于经常性动作。

③ 当I/Ir>10,即I>6 300 A时,随着时间t的增加,I>6 300 A且垂直于电流比轴的直线会与脱扣曲线相交,电流越大,交点对应的时间保持不变且为恒定值,这是脱扣器的定时限特性区间(也称短延时区间),见图1中,短延时时间可以整定为0.1 s、0.2 s、0.3 s、0.4 s,此区间主要保证上下级断路器之间的选择性。

④ 当电流I超过定时限特性区间进入瞬时脱扣区间时,断路器的脱扣时间突变至极其短,此区间也成为能量脱扣区间。图1中,瞬时脱扣时间<10 ms。此区间I2tR会瞬间释放出大量的热,如不以最短的时间断开,电缆的绝缘会迅速损坏。

图1 配电保护用断路器脱扣曲线

3.2 照明线路保护的低压断路器过电流脱扣器的整定

(1) 反时限过电流脱扣器整定值Iset1:

Iset1≥Kset1Ic

(5)

式中:Ic——照明线路的计算负荷电流,A;

Kset1——可靠系数。

(2) 瞬时过电流脱扣器整定值Iset3:

Iset3≥Kset3Ic

(6)

式中:Ic——照明线路的计算负荷电流,A;

Kset3——可靠系数。

可靠系数值如表1所示。

照明线路保护的低压断路器一般不整定短延时。因照明线路一般为末端线路,为保证照明设备承受过电流的时间最短,保证设备不损坏,发生短路故障时,希望以最短时间切断照明线路,所以通常不整定短延时[8]。

表1 可靠系数

3.3 电动机保护的低压断路器额定电流及脱扣器的整定值

(1) 过电流脱扣器的额定电流和可调范围应根据整定电流选择;断路器的额定电流应不小于长延时脱扣器的额定电流。

(2) 瞬时过电流脱扣器的整定值Iset3:

Iset3=Kset3Ist

(7)

式中:Kset3——瞬时过电流脱扣器的的可靠系数,一般取2.0～2.5;

Ist——电动机的起动电流,A。

(3) 用作后备保护的长延时脱扣器的整定值Iset4:

(8)

式中:Ksd——断路器的瞬动电流倍数。

(4) 用作过载保护的长延时脱扣器的整定值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起动时间。

以施耐德NSX630S Micrologic 6.3E-M-320A和500 A电动机保护用断路器脱扣曲线为例,如图2所示,曲线含义和配电保护用断路器类似,只是瞬动电流倍数不同,同时需要考虑电动机的起动时间,保证电动机的起动电流-时间特性曲线始终在断路器脱扣曲线的下方。

图2 保护用断路器脱扣曲线

4 低压断路器的校验

(1) 按短路电流校验低压断路器的分断能力:

Ics≥Ib3

(9)

若满足式(9)有困难时,至少应保证

Icu≥Ib3

(10)

式中:Ics——断路器在规定的工作条件下应能分断的额定运行短路分断能力值,用预期分断电流表示,相当于额定极限短路分断能力规定的百分数的一档,并化整到最接近的整数,kA;

Ib3——被保护线路最大三相短路电流有效值,kA;

Icu——断路器在规定的工作条件下应能分断的额定极限短路分断能力值,用预期分断电流表示(在交流情况下用交流分量的有效值表示),kA。

(2) 按短路电流校验低压断路器动作的灵敏性:

Idmin≥KrelIset3或Idmin≥KrelIset2

(11)

式中:Idmin——被保护线路末端最小接地故障电流,A;

Iset3——低压断路器瞬时过电流脱扣器的整定值,A;

Iset2——低压断路器定时限过电流脱扣器的整定值,A;

Krel——低压断路器瞬时或定时限过电流脱扣器动作可靠系数,均取1.3。

5 低压断路器的应用

低压断路器应用(一)如图3所示,线路末端负载为荧光灯照明负载,有功功率Pc=10 kW,功率因数取0.9,不考虑需要系数的影响。导线采用ZR-BV-5×10,穿SC32的焊接钢管,断路器QF1出线端最大三相短路电流有效值为5 kA。

图3低压断路器应用(一)

断路器QF1选型整定校验过程如下:

(1) 由Pc=10 kW,cosφ=0.9,可计算得出线路计算电流Ic=16.88 A。

(2) 查文献[1],导线ZR-BV-5×10穿SC32焊接钢管载流量为32 A。

(3) 选型整定。QF1采用小型断路器,脱扣器可靠系数取1.0时,反时限过电流脱扣器整定值为16.88 A≤Iset1≤32 A,Iset1取20 A、25 A均可;瞬时过电流脱扣器整定值为Iset3≥(4～7)Ic,当Kset3取4时,Iset3≥67.52 A。

(4) 校验。① QF1在保证发生多次短路后,断路器不出现损坏现象,则QF1的额定运行短路分断能力Ics必须大于5 kA;② QF1灵敏度校验,Idmin≥Iset3=67.52 A,当线路末端最小接地故障电流不满足此式的要求时,则需要调整Iset3或瞬时多电流脱扣器的可靠系数。

低压断路器应用(二)如图4所示,线路末端负载为电动机负载,有功功率Pc=10 kW,功率因数cosφ取0.8,电动机起动电流Ist为190 A,导线采用ZR-BV-5×10,穿SC32焊接钢管。

图4低压断路器应用(二)

断路器QF2选型整定校验过程如下:

(1) 由Pc=10 kW,cosφ=0.8,可计算得出线路计算电流Ic=18.99 A。

(2) 查文献[1],导线ZR-BV-5×10穿SC32焊接钢管载流量为32 A。

(3) 选择整定。QF2采用电动机保护专用断路器,瞬时过电流脱扣器可靠系数取2.2时,

反时限过电流脱扣器整定值为18.99 A≤Iset1≤32 A,Iset1可取25 A;瞬时过电流脱扣器整定值为Iset3≥2.2Ist=418 A,Iset3可取500 A;用作后备保护的长延时脱扣器整定值(Ksd=10)为Iset4≥2.2×190/10 A=41.8 A,Iset4可取50 A。

6 结 语

分析了不同使用场合的低压断路器参数的整定及低压断路器分断能力、灵敏度校验,结合厂家断路器,进行更详细和深入的探究,可为低压断路器的选型提供参考。