低压配电系统断路器优化分析总结

彭 卫 民

(中建三局集团有限公司工程总承包公司, 湖北 武汉 430000)

0 引 言

在目前的双碳战略背景和满足使用需求、安全性以及其他规定的前提下,合理的节约能带来较大的经济效益,减少碳排放,符合国家基本战略。本文通过对一般民用及工业建筑230/400 V低压配电系统断路器的的参数进行解析,并提出改进建议。

1 塑壳断路器的相关参数解析及优化

1.1 断路器参数解析

以常熟开关厂(简称:常熟)CM3-400M/3300/315A型号为例,解析各数据的含义。

400—400 A,断路器壳架电流。M—分断能力代号。3300—第一个数字,代表3极断路器;第二个数字3,代表脱扣器方式,3表示脱扣器为热动/电磁脱扣器;若为2表达电磁脱扣器;最后二个数字00,代表内部附件代码,其中00表示无附件。315A—断路器额定电流。

1.2 合理选择断路器的额定电流

1.2.1 理论分析

采用断路器作为导体的过负荷保护电器时,须满足公式要求

Ic≤Iset1≤Iz

式中:Ic——回路计算电流;

Iset1——长延时过电流脱扣器整定电流;

Iz——导体允许持续载流量。

对于固定式整定电流脱扣器的断路器而言,其断路器长延时过电流脱扣器整定电流就是其额定电流,既Iset1=In。因此对于固定式整定电流脱扣器断路器,满足Ic≤In≤Iz[1]即可。一般设计过程中选择断路器的额定电流会在计算电流Ic乘一个系数,建议取1.1[2](参考《全国民用建筑工程设计技术措施-电气》2009版 式5.5.3-5)。

1.2.2 效益对比分析

施耐德电气(中国)iC65N-C型系列小型断路器对比如表1所示,由表可见小型断路器的额定电流的降低对断路器造价影响不是很大。但是降低塑壳断路器的额定电流,有时可以使所保护的线缆降低1～2个等级的截面,能带来显著效益。

1.2.3 案例简析

B1-APEZ(B)消防动力配电总箱系统图如图1所示,线路的计算电流Ic=210.2 A,按1.1倍率考虑则为231.22 A,断路器的额定电流可以选250 A,选315 A是偏大的。仅从过负荷保护角度出发,断路器可以优化为CM3-250M/3200I-250A,若上口采用同级断路器,此时不考虑其他因素,进线电缆可以改为WDZN-YJY-4×150+1×70。

表1 施耐德电气(中国)iC65N-C型系列小型断路器对比

1.3 合理选择塑壳断路器壳架电流

一般满足断路器壳架电流In大于等于其额定电流IN即可;某些设计中选用塑壳断路器时,断路器的壳架电流会比额定电流大1～2的等级,是出于后期增容改造的考虑,若不考虑后期增容,壳架电流可以等于额定电流。常熟开关CM3系列不同壳架电流三相交流塑壳断路器价格如表2所示。

表2 常熟CM3系列不同壳架电流三相交流塑壳断路器价格

如图1中表示的W1～W8回路保护断路器的壳架电流均可以从100 A优化成63 A,CM3-100M单台价格450元,CM3-63M单台价格370元,每台价格可以节约80元,该单个配电箱按此思路可以节约资金640元。

1.4 合理选择断路器的分断能力

1.4.1 理论分析

(1) 常熟CM3系列断路器额定极限短路分断能力如表3所示。

表3 常熟CM3系列断路器额定极限短路分断能力

(2) 变压器0.4 kV低压出口处短路电流参考19DX101-1《建筑电气常用数据》表15.7,低压铜芯交联聚乙烯短路电流值参考19DX101-1《建筑电气常用数据》表15.8[3]。以1 250 kVA容量、阻抗电压百分数为6%的变压器为例,16 mm2～240 mm2截面超过40 m线路长度后,对称三相稳态短路电流下降至22 kA以下,低压塑壳断路器若选择CM3系列,此处及后段均可选择C型分断能力断路器。

1.4.2 常熟CM3系列不同分断能力断路器价格对比

常熟CM3系列不同分断能力断路器价格对比如表4所示。

表4 常熟CM3系列不同分断能力断路器价格对比

1.4.3 案例分析

图1所示低压配电箱,其配电变压器容量1 250 kVA,变压器阻抗电压百分数6%,进线电缆相线截面积185 mm2,长度大约100 m左右。查19DX101-1 表15.8,配电箱入口处对称三相稳态短路电流大约为12.45 kA,总断路器和分断路器均可选择C级断路器。依据表4,此配电箱9个断路器若从M级分断能力优化为C级分断能力,可以节约造价1 370元。

1.5 合理选择断路器的极数

1.5.1 规范援引及总结

(1) 剩余电流保护断路器应选用断开所有极的断路器。具体可参考GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》7.5.5及GB 50054—2011《低压配电设计规范》6.4.3。

(2) 住宅建筑套内家居配电箱电源进线应装设断开相线和中性线的开关电器,另江苏省和上海市地区住宅套内家居配电箱的配出回路应断开相线和中性线。具体可参考JGJ 242—2011《住宅建筑电气设计规范》8.4.3、DGJ 32/J 26—2017《江苏省住宅设计标准》10.1.4-8.(11)、DGJ 08-20—2019《电气设计规范》12.4.4-1。

(3) 各种宿舍建筑(公共居住建筑)、老年人照料设施的居住单元配电箱的电源进线开关电器应选断开相线和中性线的电源进线开关电器。具体可参考GB 50099—2011《中小学校建设设计规范》10.3.7-4、JGJ 36—2016《宿舍建筑设计规范》7.3.3-4及JGJ 450—2018《老年人照料设施建筑设计标准》7.3.9及JGJ 310—2013《教育建筑电气设计规范》5.2.7-3。

(4) 爆炸危险性环境1区内单相配电线路应同时断开相线和中性线。具体可参考GB 50058—2014《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》5.4.2。

综上,为保证用电安全,特别是带居住性质的套内场所的配电箱的总开关,必要考虑断中性线,是考虑到这些场所由非专业人士检修维护,安全是首要原则。但是采用断开中性线的方式,会影响供电可靠性,特别是三相干线配电系统中,不应主动考虑选择四极断路器,详细原理不再赘述,具体可以参考《建筑物电气装置600问》[4]第16～17章。

1.5.2 不同极数断路器价格参考

常熟CM3系列和施耐德电气(中国)iC65N-C型系列不同极数断路器价格参考如表5、表6所示。

表5 常熟CM3系列不同极数断路器价格

表6 施耐德电气(中国)iC65N-C型系列不同极数小型断路器价格

由表5、表6所示,断路器断开中性线与否,对断路器造价节约较大,创效百分比范围为26%～59%。

1.5.3 案例解析

某宿舍楼项目套内及上级表箱配电箱系统图如图2所示,按前文分析,这个建筑物宿舍套内进线开关采用断开中性线的2P断路器,但是2AWh02箱W1～W15出线回路的2P断路器可以改为1P断路器。业界有一种观点认为套内配电箱采用断开中性线的断路器,其上一级断路器亦必须采用断开中性线的断路器,这种观点有待商榷。此场景下,本文总结:a.三相配电系统不应设置4P断路器,因为“断零”危害较大;b.单相配电系统可以设置2P断路器,更利用检修安全,亦可设置1P断路器,较为经济节约。居住建筑内套内配电箱会由居住的非专业人士操作,出于安全目的考虑,规范规定须采用断开中性线的断路器,但是上一级断路器是设置在专用房间(如电井、配电间内)或挂锁处理,由专业人士维护、检修,所以规范在此处并没有强行规定须采用断开中性线的断路器,若出于保证供电可靠性和节约造价投资的角度可以用1P断路器。

图2案例为18层宿舍,总建筑面积24 376.14 m2,共有558个房间,以施耐德小型断路器为例,将这558个表箱出线回路断路器优化成单相断路器,可以节约资金约3.5万元。

2 部分断路器可以优化成隔离开关

在很多项目中,各级配电箱的进线开关均采用带隔离功能的断路器,比较浪费,且不利于保护级数的有效配合,可以将其优化成隔离开关。某项目层配电箱系统图如图3所示:A1AL1为层配电箱,由首层配电间总配电箱放射式配电引至,进线开关选用NSX250N/TM 225A/3P 型号断路器,可以优化成不带保护功能的隔离开关。

参考05SDX006 P44页[5]、12DX011 P60页[6]及GB 51348—2019 7.1.4-4[7],图3所示配电箱进线开关可以从隔离功能的断路器改为普通隔离开关;一般放射式配电的配电箱受电电器可以采用隔离开关,不必采用带隔离功能的断路器,但是必须注意以下情况必须采用带隔离功能的断路器,不得采用普通隔离开关:

(1) 配电箱的进线电源线路由建筑物外引入时,其受电开关需采用带隔离及保护功能的电器,详见GB 51348—2019-7.1.4-3条规定。

(2) 树干式及链式配电系统的配电回路,各受电端应采用带隔离及保护功能的电器,详见GB 51348—2019-7.1.4-4条规定。

图3中,进线断路器NSX250N/TM 225A/3P价格大约为2 068元,可以优化为施耐德INV-250/3型号隔离开关,价格约为1 147元,单台断路器可以节约造价921元。对于一个项目来说,有几十台、上百台此类的情况,创效还是比较可观的。

3 将塑壳断路器优化为小型断路器

低压断路器按结构大小、用途和所具备的功能分类,一般分为万能式断路器(ACB)、塑壳断路器(MCCB)和小型断路器(MCB)。所以塑壳断路器(MCCB)和小型断路器(MCB)是根据不同的制造标准生产出来的,小型断路器和塑壳断路器对比如表7所示。

表7 小型断路器和塑壳断路器的对比

目前市面上还存在部分断路器,是按GB 14048.2或GB/T 14048.4标准生产,但其外观特征、安装方式和小型断路器一致,价格也相对较低,如ABB品牌S200M系列K、Z特性的断路器,ABB品牌的M200M-K系列,施耐德的iC60LMA系列,正泰品牌DZ47-60M系列等,这些断路器的生产厂家将其归为小型断路器。

3.1 需要重点注意的几个性能参数

低压配电系统中塑壳断路器是否能优化成小型断路器,需要注意小型断路器的以下参数必须满足要求:

(1) 额定电流:依据GB 10963.1[8]生产制造的小型断路器最大额定电流为125 A,另外市场上主流厂家、主流品牌也有最大额定电流为100、63、40、32 A类目的断路器。

(2) 额定电压:依据GB/T 10963.1生产制造的小型断路器额定电压为230/400 V。

(3) 短路电流分断能力:依据GB/T 10963.1生产制造的小型断路器额定极限分断能力最大为25 kA,市面上主流厂家生产的小型断路器的额定短路极限分断能力常见的有10 kA和6 kA,分断能力较小。靠近电源处(变压器处)或干线电缆处低压配电系统的短路电流可能会大于小型断路器的分断能力,所以这些地方不能用小型断路器。

(4) 污染等级。污染等级分为4级,具体规定如下:

无污染或仅有干燥的非导电性污染;

一般情况仅有非导电性污染,但是必须考虑到偶然由于凝露造成短暂的导电性;

有导电性污染,或由于凝露使干燥的非导电性污染变成导电性的。

造成持续性的导电性污染,例如由于导电尘埃或雨雪所造成的污染。

依据GB 10963.1生产制造的小型断路器只适用于污染等级1及2场所,污染等级3只能用塑壳断路器。

(5) 额定耐冲击电压。

GB 10963.1生产制造的小型断路器一般有2.5 kV和4 kV两个等级;依GB 14048.2生产的塑壳断路器一般有6 kV和8 kV两个等级。具体可参考GB/T 16895.10—2010表44.B[10]。按GB 10963.1生产的小型断路器的额定冲击耐受电压为4 kV,部分型号的小型断路器为2.5 kV,此类小型断路器在230/400 V低压配电系统中只能用于直接向终端用电设备配电用的断路器,不能替代配电干线保护用的塑壳断路器。

(6) 脱扣特性。

配电型、电动机保护型塑壳断路器的脱扣特性如表8所示,动作特性详细要求见GB/T 14048.2、GB/T 14048.4的规定。小型断路器的时间电流特性详见GB/T 10963.1—2020表7规定。

断路器的优化选择需考虑其动作特性是否与被保护的设备的的要求相匹配,普通小型断路器的反时限脱扣特性不能满足电动机的过负荷保护要求,其无法为电动机提供有效的过负荷保护。

3.2 实际应用场景及案例

3.2.1 消防配电线路采用小型断路器

许多项目消防动力线路从首端至末端均采用塑壳断路器,其主要观点是因为消防回路断路器需取消过负荷保护,市场上的小型断路器做不到这点,只有塑壳断路器可以做到。目前有一些厂家生产的小型断路器可以做到单磁保护,如ABB的M201M-K1系列、施耐德的IC60LMA系列以及德力西DZ47MA单磁系列微型断路器。

表8 配电型和电动机保护型塑壳断路器的脱扣特性

某项目消防动力配电箱图4所示。项目电房位于负一层,变压器容量为1 000 kVA,阻抗电压百分数为6%,从电房馈线柜至配电箱采用BTLY-3×25+2×16电缆,电缆距离约为110 m,设计院配电箱馈线断路器选用NDM2-125M系列单磁断路器。查19DX101-1 P15-14页可知,1 000 kVA 6%变压器馈线电缆25 mm2的110 m处三相稳态短路电流为2.86 kA,此处3台NDM2-125M/50A/3200断路器可以优化为德力西DZ47MA/50C/3P型号小型断路器。DZ47MA/50C/3P断路器价格为44元/台,NDM2-125M/50A/3200系列断路器为461元/台。

同等品牌、参数小型断路器造价一般比塑壳断路器节约很多,满足条件的情况下使用小型断路器取消塑壳断路器可以带来一些直接的经济效益,另外采用小型断路器取代塑壳断路器可以减小配电箱的尺寸和配电间的面积,间接创造一些其他效益价值。

3.2.2 电动机保护回路采用小型断路器

有些项目电动机的配电回路均采用塑壳断路器,若满足一定要求可以优化为满足要求的小型断路器:

(1) 可以采用单磁式小型断路器仅用于短路保护(需躲开电动机的正常起动电流),和热继电器组合使用,热继电器作为电动机的过载保护。当小型断路器与热继电器组合在一起用于电动机回路时,在短路分断能力和短路保护灵敏度满足的前提下,还需要综合考虑该小型断路器的冲击耐压水平、污染等级水平以及反时限脱扣曲线交叉等因素是否满足安装处的使用要求;依据GB 14048.2设计和验证的单磁式小型断路器,在短路分断能力和保护灵敏度满足的前提下,可以与热继电器组合在一起,用于电动机过载和短路保护。

(2) 采用依据GB/T 14048.2、GB/T 14048.4设计和验证的热磁式小型断路器,在短路分断能力和保护灵敏度满足的前提下,可以用作电动机过载和短路保护。

3.2.3 其他

某项目配电箱系统图如图5所示,该配电箱位于每层电井内,进线总断路器选用NDM2系列塑壳断路器,按前文思路验证,可以修改为满足要求小型断路器。

4 其他降本创效的措施

合理选择塑壳断路器的过电流脱扣器类型很重要。电子脱扣器类别的断路器价格高,但是电子脱扣器更加智能化,目前节能创效已成为用户选择产品的重要因素,电子脱扣单元在提供更为先进的保护功能同时,还能提供各种电力参数的测量功能,并可实现运营管理。热磁脱扣单元造价低,从单纯降低工程造价出发考虑断路器造价因数,可以考虑选用热磁脱扣单元。

5 结 语

本文从实际项目案例出发,分析、归纳了常见断路器优化创效的几种思路,在这过程中同时阐明了一般建筑中低压配电系统断路器的设计选择原则。