低压断路器脱扣器的选择

翁 国 璋

[ABB(中国)有限公司 南京分公司, 江苏 南京 210005]

0 引 言

脱扣器是低压断路器的大脑,负责收集处理来自断路器的各种信息,借助其强大的处理器,对采集到的电流、电压、温度等信号经过分析、计算、转换后,借助于各式显示器实现交互。断路器是对配电线路、用电设备进行各种保护、检测的电气元器件,配置的脱扣器最基本的保护功能有过载保护L、短延时短路保护S、瞬时短路保护I、接地故障保护G,简称为三段保护或四段保护;测量功能根据脱扣器的规格不同,能分别实现对电流、电压、功率因数、有功/无功功率、电能、谐波等测量;可选通信功能根据用户的需求情况实现后台监控等。

1 基本保护功能的参数及曲线

分别用In、I1/t1、I2/t2、I3、I4/t4来表示脱扣器的额定电流及过载保护L、短延时短路保护S、瞬时短路保护I、接地故障保护G的电流及其对应的脱扣时间整定植。

1.1 万能式断路器的整定范围(不同的品牌器件会有所差异)及整定方式

整定范围包括过载保护L、短延时短路保护S、瞬时短路保护I、接地故障保护G的电流及脱扣时间,简明三段LSI保护的脱扣器脱扣保护曲线如图1所示。

图1 简明三段LSI保护的脱扣器脱扣保护曲线

整定方式有模拟式和数字式两种。模拟式整定方式是通过脱扣器面板上的拨码开关或旋钮进行有级的整定,其步距较大(如0.02In);而数字式整定方式则是在彩色触摸屏显示器上整定或通过大的液晶显示器再配合几个按键进行设置。这时脱扣器面板因少诸多整定用旋钮后显得非常简洁,其调节步距可达0.001In,因此调节精度大幅度提高。

3种模拟整定式脱扣器外观如图2所示。

3种数字整定式脱扣器外观如图3所示。

1.2 脱扣保护的时间-电流关系式及简明脱扣保护曲线

脱扣保护的时间-电流关系式一般有两种:t=K/I2或t=K。

图2 3种模拟整定式脱扣器外观

图3 3种数字整定式脱扣器外观

由图1可知哪些参数是可调的,带双箭头的曲线代表该保护功能的参数带有可调整能力。下面会进一步利用该简明脱扣保护曲线图对具体的脱扣器进行说明。

1.3 塑壳断路器的脱扣器参数及整定范围

低压抽出式开关柜中使用的塑壳断路器因需要在开关面板上装设操作机构以实现在门上对开关的合分操作,所以很少选择在开关本体上带显示器的脱扣器,一般都是采用拨码开关或旋钮开关来实现各种参数的整定。

各品牌塑壳断路器配LSI保护脱扣器的参数及整定范围如表1所示。

表1中,ABB脱扣器Ekip LSI(用于250 A及以下的XT塑壳断路器)及PR222DS/P-LSI(用于250 A以上的Tmax塑壳断路器)除了可以通过面板上的拨码开关实现手动设置外,还可以分别通过Ekip T&P单元附件及PR010/T测试设置单元实现电子式设置。

1.4 脱扣器的保护特性曲线说明

查看各元器件厂家的脱扣器参数表时,会发现过载保护L(或S保护)的参数栏中给出反时限的时间-电流保护式t=K/I2,那么在实际应用中怎么理解保护特性曲线?

表1 各品牌塑壳断路器配LSI保护脱扣器的参数及整定范围

按GB 50054—2011《低压配电设计规范》[1]第6.2.3条的要求,为了考察绝缘导体的热稳定性,应按其截面积校验,且应符合下列规定:

t≤k2S2/I2=K/I2

式中:t——保护电器自动切断电流的动作时间,s;

I——通过保护电器的预期故障电流或短路电流(交流方均根值),A;

S——截面积,mm2;

k——系数,如交联聚乙烯绝缘的铜芯导体,k取143,聚氯乙烯绝缘的铜芯导线,k取115(或103,适用于S>300 mm2)。

通过上面推断公式,脱扣器的反时限时间-电流保护式t=K/I2很好地模拟该验证式,以实现对保护线路的可靠保护。

以ABB XT2塑壳断路器配Ekip LS/I脱扣器为例来进一步说明。XT2塑壳断路器配Ekip LS/I脱扣器的脱扣曲线如图4所示。

图4 XT2塑壳断路器配Ekip LS/I脱扣器的脱扣曲线

图4中,特性曲线上斜四边形的上下斜边分别代表过载保护L的长延时整定时间t1在36 s或12 s时的动作曲线,如上面计算中I1=In,t1设定为12 s时的动作曲线就是与标示线有交点的下面那条动作曲线。当I1整定到0.4In时,动作曲线就下移至下面的斜四边形上,此时t1设定在12 s时,6I1=6×0.4In=2.4In,可以看到对应的动作时间为3 s,与前述I1整定在In时的动作时间相同。

那t1可设定为12 s或36 s,又有什么意义?导线可能会选择不同的绝缘材料,如选择交联聚乙烯绝缘的铜芯导体或聚氯乙烯绝缘的铜芯导线,根据导线的热稳定性校验式t≤k2S2/I2=K/I2,对应k取值分别为143或115,在同样截面积(二者的允许载流量也不同)的情况下,K值就会不同,如此在同样的预期故障电流作用下,交联聚乙烯绝缘的铜芯导体允许的动作时间t值就要比聚氯乙烯绝缘的铜芯导线允许的动作时间t值大,所以在选用热容量值高的电缆时,t1值就可以整定在36 s的位置上,就能充分发挥导线的载流能力。所以,建议塑壳断路器配置的脱扣器过载电流保护L要带可调的t1。

当被保护回路的电流大于短延时短路保护S的整定电流I2时,动作曲线转移,因为该脱扣器的t2值(t=K)只有2档即0.1 s或0.2 s的定时限,所以S曲线的下面就落在10-1s,即0.1 s或0.2 s的水平线上。

另外,从图4中也可以看出,当预期故障电流大到2 kA时,脱扣器将在10-2s即10 ms左右动作,实现瞬时短路保护I的功能。

下面介绍配电线路保护的电流设置及热稳定性校验例。设电缆为截面积S=35 mm2的三芯电缆(铜芯),分别选择1 kV聚氯乙烯(无钢铠护套,最高工作温度70 ℃)/交联聚乙烯(最高工作温度90 ℃)绝缘电缆,空气中敷设时允许载流量(环境温度40 ℃)查GB 50217—2007《电力工程电缆设计规范》[2]的附录C可知,允许载流量分别为105 A/150 A。

根据配电线路的过负荷保护公式:

Ic≤I1≤Iz,Idz≤1.45Iz

式中:Ic——回路的计算电流;

Iz——导体允许持续载流量;

Idz——保证保护电器可靠动作的电流。

据此分别整定塑壳断路器的过载保护电流I1值为100/150 A(In选160 A的XT2N160 配Ekip LS/I 160 3P的开关),依据XT2配Ekip LS/I的脱扣曲线,可把L的时间t1整定在12/36 s(3I1=300/450 A时),因不同绝缘材料电缆的最高持续工作温度(热容量)不一样,所以当选用交联聚乙烯绝缘电缆时,可设置t1为较大值36 s。

用三段LSI的简明脱扣曲线表示各品牌塑壳断路器的脱扣曲线,如图5～图8所示。

图5 ABB Ekip LS/I及Ekip LSI脱扣器的简明脱扣曲线

由XT2塑壳断路器配Ekip LS/I脱扣器的脱扣曲线可见,各型号脱扣器之间的差别主要体现在过载保护L的时间参数t1、短延时短路保护S的时间参数t2及瞬时短路保护I的电流I3能否可调上,如Ekip LS/I与Mic2比较,I1和I2都能调节,I3固定不可调,但前者的t1和t2均可调,而后者的t1和t2则固定不可调。ETU20仅能对t2做出调节。

图6 ABB PR221DS-LS/I及PR222DS/P-LSI脱扣器的简明脱扣曲线

图7 西门子ETU20及ETU40脱扣器的简明脱扣曲线

图8 施耐德Mic2及Mic5脱扣器的简明脱扣曲线

如果需要对LSI三段保护的各个参数进行调整,就要选用图5(b)～图8(b)各品牌器件的脱扣器型号。

2 万能式断路器的一些特别保护功能

下面以ABB Emax2万能式断路器的脱扣器为例进行说明。Emax2配有3款脱扣器,分别为Ekip Dip、Ekip Touch、Ekip Hi-Touch,简称为Ekip D、Ekip T、Ekip H脱扣器,这里仅介绍后两种脱扣器,Ekip T(Ekip H是其高端版)脱扣器显示器选用大屏幕高分辨率彩色触摸屏,所以通过触屏操作就可以实现各种参数的设置、各种参数的查看等,与现在的智能手机很相似,其上一代产品是Emax配的PR122/P脱扣器,显示器选用一款大屏幕的背光图形显示器,参数的设置需要通过屏幕右边的上下键、回车键及ESC等4个键配合操作。Ekip T还是一款模块化设计的脱扣器,根据实际需要可以添加不同的模块(如测量和保护模块、通信模块等),实现各种参数的测量、保护及通信功能。

ABB Emax2万能式断路器用T&H脱扣器的测量保护功能如表2所示,可以看出只是后缀字母的差别,其功能差别很大。

表2 ABB Emax2万能式断路器用T&H脱扣器的测量保护功能

备注:“O”——具有该功能,“X”——不具有该功能。

脱扣器具有很多功能,所以选择一款适合项目需求的产品显得尤为重要。因为功能选项多,器件价格必然提高,同时如果各品牌器件之间的功能不同档,也无法在同档次的品牌器件间形成良好的竞争格局,获得性价比最高的产品,以达到降低工程造价的目的。

表2中所列的特别保护功能如“双重设置保护功能”,脱扣器可存储 2组参数设置(适用于所有保护功能)。如果需要,可通过外部控制指令用第二组参数(setB)代替默认参数(setA)。这个指令一般当电网配置被改变时发出,如当电网系统中的紧急电源投入使用,引起负载能力和短路水平改变。

所以,一般情况下选用Ekip T脱扣器就能满足工程上的绝大多数需求。Ekip H脱扣器只有在很复杂的配电系统(如大型电厂)才会使用,而且因Ekip H非常强大功能,价格比较贵。

3 脱扣器选择要点

万能式断路器(可结合表2选择)选择的要点如下:

(1) 最基本的保护需要几段保护,是三段LSI还是四段LSIG保护？

(2) 脱扣器的显示器需要液晶式大屏幕显示器？

(3) 需要脱扣器测量显示哪些参数？仅测量显示电流吗(如果考虑到设计时,已设计多功能仪表)？

(4) 是否需要过欠电压、低频高频、逆功率、相序等保护功能？

(5) 需要通信功能？

(6) 参数的设置是采用模拟式(拨码开关或旋钮开关)调节,还是采取数字式调节设定方式？

(7) 需要选用触摸屏、采取触摸操作进行参数设置(应是发展的方向)？

塑壳断路器(可结合表1选择)选择的要点如下:

(1) 最基本的保护需要几段保护,是三段LSI还是四段LSIG保护？

(2) 过载保护功能L的电流整定值I1可调,同时需要具备延时时间t1可调功能(t1最少应该要有2档可调,以适应配线电缆的变化)？

(3) 短延时短路保护功能S的电流整定值I2可调,同时需要具备延时时间t2的调整功能？

(4) 瞬时短路保护功能I的电流整定值I3需要可调？

(5) 需要实现通信功能？

(6) 需要远程控制开关合分闸(配电操作机构)？

4 结 语

断路器的造价除了受额定电流、额定电压、额定极限短路分断能力Icu、额定运行短路分断能力Ics、极数(这些参数在具体的项目中根据供电的需求及供电方案基本都是确定的)、机械及电气寿命等参数的影响外,最大的影响因素应是脱扣器性能,因此根据工程的具体需求,选择一款合适且性价比高的产品显得极为重要。