DQZHAN訊：低壓斷路器設計選型常見問題剖析
內(nèi)容簡介：針對在電氣設計中低壓斷路器選型比較常見的問題進行分析，結合電氣規(guī)范及功能要求詳細說明斷路器各項參數(shù)的設定，并對斷路器技術的發(fā)展提出一些新的觀點和構思。
低壓斷路器設計選型是我們低壓電氣設計人員在設計中需熟練掌握的一項基本的技術技能。低壓斷路器按使用類別分為A、B兩類。A類為非選擇性;B類為選擇性(帶短延時功能)。按設計形式分為開啟式(原萬能式或框架式)和塑料外殼式或模壓外殼式。按動作速度分為一般型和快速型(限流型斷路器)，按用途可分為配電用、電動機保護用、漏電型斷路器等。每一類型都有其特點，相應其參數(shù)選擇亦有不同。而在實際工作當中，由于斷路器選型不當或標注不全往往會給設備成套、安裝及日后的正常使用帶來很多問題及隱患，根據(jù)近幾年來的工作經(jīng)驗總結，低壓斷路器設計選型常見問題主要存在以下兩個方面：一.
低壓斷路器選型標注不全;二.低壓斷路器設計選型考慮問題不**，很多必要的步驟未考慮。
一.低壓斷路器選型標注不全
我們以一個比較有代表性的塑殼斷路器(國產(chǎn)CM1)標注作為范例：CM1-100HP/33102In80A。從這個范例標注中我們可以明確該斷路器殼架等級電流為100A，額定極限分斷能力為高分斷型(H),帶電動操作機構(P),極數(shù)為三極，脫扣方式及附件為熱動-電磁(復式)脫扣并帶分勵脫扣，電動機保護用，額定電流為80A，這就是這個范例給我們帶來的全部信息。在我們的設計圖紙中，斷路器殼架等級電流、極數(shù)及額定電流的選擇比較容易，一般不會有遺漏，比較容易發(fā)生問題的是額定極限分斷能力、脫扣方式及附件、配電用途的標注。
1.額定極限分斷能力(ICU)：
額定極限分斷能力ICU：制造廠按相應的額定工作電壓規(guī)定斷路器在規(guī)定的條件下應能分斷的極限短路分斷能力值,用預期分斷電流表示(在交流情況下用交流分量有效值表示)。額定分斷極限能力按樣本資料分為基本型(C)、標準型(L)、較高分斷型(M)、高分斷型(H),
具體選擇哪種形式主要根據(jù)短路電流計算來確定，在設計中應避免兩件事：一是不標明分斷能力，二是不進行短路電流計算而盲目選型。不標明斷路器分斷能力就是將分斷能力的選擇權交給了配套廠家，而廠家通常是憑經(jīng)驗選型或選擇低分斷能力的斷路器從而節(jié)省造價，這樣就會造成有些斷路器的分斷能力達不到具體工程要求從而造成隱患。不進行短路電流計算,就無法對分斷能力的選擇作出準確的判斷，為保險起見設計人員通常選擇較高分斷型或高分斷型的斷路器，這樣做表面上沒有什么錯誤，但對于一個完整的電氣工程設計是有欠缺的，在一定程度上會造成工程造價不合理提高。
2.脫扣方式及附件
通常用于短路保護和過載保護的脫扣器，有以下幾種：
(1)瞬時脫扣器：即沒有人為延時動作的脫扣器。此種瞬時特性的過電流保護通常能無選擇性地迅速切除短路故障。
(2)三段保護特性脫扣器：具有長延時、短延時及瞬時脫扣器的過電流保護，是較完整的保護方式，瞬時脫扣器的整定值，其動作時間約為0.02秒;Izd2為短延時脫扣器整定值，其動作時間約為0.1~0.4秒;Izd1為長延時脫扣器整定值，其動作時間可以不小于10秒鐘。
一般瞬時脫扣器用作短路保護;短延時脫扣器可作短路保護，也可作過載保護;長延時脫扣器只作過載保護。根據(jù)需要可以組合成二段保護(瞬時脫扣加短延時脫扣，或者瞬時脫扣加長延時脫扣)，也可有一段保護(瞬時脫扣或短延時脫扣)。
(3)復式脫扣器：斷路器中的電磁脫扣器加上熱脫扣器合稱復式脫扣器。電磁脫扣具有瞬
時特性，可保護短路。熱脫扣器具有長延時特性，可保護負載，故復式脫扣器具有二段保護特性。
通常的配電用途斷路器都是選擇熱動-電磁(復式)脫扣，而在一些電動機經(jīng)濟型協(xié)調(diào)配合中可選用電磁脫扣和熱繼電器保護電動機。
斷路器的附件通常有報警觸頭、分勵脫扣器、輔助觸頭、欠電壓脫扣器，具體選用附件需根據(jù)工程需要確定，這里強調(diào)的是分勵脫扣器控制電源的選擇，通常分勵脫扣器默認的的電源規(guī)格為AC230V、400V，但如果控制電源為DC24V,例如：用于消防聯(lián)動;則圖紙斷路器標注應標明分勵脫扣器脫扣電壓采用DC.24V，否則一旦訂貨，由于分勵脫扣器電源規(guī)格與控制電源不匹配，安裝時施工人員需在現(xiàn)場另外增加一個DC24V中間繼電器并增加一路交流控制電源，給安裝造成了不必要的難度。
3.保護用途
斷路器一般分為配電用及保護電動機用，設計人員經(jīng)常容易忽略的是電動機保護用斷路器忘記標注，通常斷路器選型默認為配電型，由于配電用斷路器過電流脫扣器瞬動倍數(shù)比保護電動機用斷路器低，這樣一旦電動機保護用斷路器選用了配電型，就有可能造成斷路器的瞬時整定電流不能躲過線路的正常工作啟動電流，從而造成頻繁跳閘，無法正常啟動電動機。
二.低壓斷路器設計選型考慮問題不**
低壓斷路器的選擇應同時滿足下面各項要求：
1.保證在正常工作條件下不應切斷電路。
(1)正常工作時不切斷:Izd1≥Ijs;Ijs：計算電流
由線路的計算電流來決定斷路器的額定電流，這是低壓斷路器設計選型*基本的一個步驟，很多設計者在完成這一步驟后就萬事大吉了，實際上還有很多問題和步驟應該在設計中予以充分考慮。
(2)用電設備啟動時不切斷電路(按單臺或配電線路中*大一臺籠型電動機直接啟動):
配電用斷路器的瞬時過電流脫扣器整定電流應躲過配電線路的尖峰電流。根據(jù)中國航天工業(yè)規(guī)劃設計研究院等編《工業(yè)與民用配電設計手冊》(第三版)：P116-(11-6)公式：
即Izd3≥1.2[IqM1+Ijs(n-1)]
式中Izd3為斷路器的瞬時過電流脫扣器整定電流;IqM1為線路中*大一臺電動機的全啟動電流(A)，其值可取電動機啟動電流的2倍;Ijs(n-1)為除啟動電流*大的一臺電動機以外的線路計算電流(A)。根據(jù)《通用用電設備配電設計規(guī)范》GB50055-93,2.4.4條第3款規(guī)定:瞬動過電流脫扣器或過電流繼電器瞬動元件的整定電流，應取電動機啟動電流的2~2.5倍。
對于單臺電動機，Izd3≥(2~2.5)IqM.;式中：IqM為籠型電動機的啟動電流。
根據(jù)上式，我們可以舉一個簡單的單臺電動機例子來說明低壓斷路器瞬時脫扣器的整定，一臺Y系列(Y160L-415kW，輕載啟動)電動機，啟動電流IqM為212.1A，以塑殼式CM1斷路器選型為例，如整定電流定為32A,選用電動機保護型瞬動倍數(shù)按12倍整定IZd3為384A，Izd3<2IqM=424.2A,不滿足設計要求，如整定電流定為40A按12倍整定為480A，Izd3≥2IqM=424.2A滿足設計要求。
2.發(fā)生接地故障時應保證在規(guī)定時間內(nèi)切斷。
根據(jù)《低壓配電設計規(guī)范》GB50054-95，4.2.3條規(guī)定，當保護電器為符合JB1284-1985《低壓斷路器》的低壓斷路器時，短路電流不應小于低壓斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍。
(1)運用瞬時脫扣器時:Id1≥1.3Izd3.
(2)帶有短延時脫扣器時:Id1≥1.3Izd2.
(3)當帶有零序保護時:Id1≥1.3Izd0(一般用于主干線).
式中:Id1為單相接地故障電流，Izd0為斷路器零序保護整定電流.
(4)當采用剩余電流保護時:Id1≥1.3IzdG(一般用于主干線).
式中IzdG為斷路器剩余電流保護整定電流.
由于單相接地短路電流較小，斷路器的瞬時脫扣器一般較難滿足要求，可用其長延時脫扣器作后備保護，必要時可加裝零序保護裝置，或在中性線上加裝電流互感器-電流繼電器，或采用漏電繼電器等方法以分斷斷路器。
3.保護電器應保證在導體達到過載溫度前切斷。
(1)過負載保護:根據(jù)《低壓配電設計規(guī)范》GB50054-95，4.3.4條規(guī)定，過負載保護電器的動作特性應滿足下列條件：
Ijs≤Izd1≤Iz.式中Iz為電纜或?qū)w載流量.
(2)短路熱穩(wěn)定校驗:
a.根據(jù)《低壓配電設計規(guī)范》GB50054-95，4.2.2條第1款規(guī)定，當短路持續(xù)時間不大于5s時,絕緣導體的熱穩(wěn)定應按下式校驗：
S≥I√t/K;式中：S為絕緣導體的線芯截面，mm2;A為短路電流有效值，均方根值A;t在已達到*高持續(xù)工作溫度的導體內(nèi)短路電流持續(xù)作用的時間，秒;K為不同絕緣的計算系數(shù)。
b.根據(jù)《低壓配電設計規(guī)范》GB50054-95，4.2.2條第3規(guī)定，短路持續(xù)時間小于0.1S時，應計入短路電流非周期分量的影響;本規(guī)范“條文”解釋：按下式效驗：(K.S)2≥I.2t。
4.按線路的*大短路電流來校驗低壓斷路器的短路分斷能力。
本條的核心是短路電流的計算，由于很多工程設計周期過短或外部條件不明確，設計人員往往來不及進行詳細的短路電流計算而憑經(jīng)驗確定斷路器短路分斷能力或不分地點場合盲目選擇高分斷能力的斷路器，這些都會影響電氣工程的設計質(zhì)量并造成工程造價不合理提高。尤其是大量工程施工方不按設計圖紙選定斷路器訂貨，設計人員在驗收時如果不仔細核對或者對各配電區(qū)域短路電流沒有一個基本概念，就很容易出現(xiàn)問題，讓不合格的斷路器投入運行從而造成隱患。現(xiàn)在很多工程變壓器容量較大，在民用建筑中1600kVA、2000kVA甚至2500kVA的變壓器大量選用，線路的短路電流也相應增大，因此在離變壓器較近的配電箱，箱內(nèi)斷路器的短路分斷能力的選擇更應詳細計算，我們可以舉例說明。設定變壓器容量為1600kVA(Uk%=6)，距配電室25m處有一配電箱，進線電纜為YJV-4X70+1X35，經(jīng)查表該配電箱處三相短路電流為Ik1=18.52kA，單相短路電流Id1=8.06kA，根據(jù)計算結果，以CM1斷路器為例該配電箱選擇額定運行短路分斷能力Ics=35kA可滿足設計要求，這一般不會有問題，但*容易犯錯誤的是單相斷路器的選定，以C65系列小型斷路器為例，由于設計慣性很多圖紙都以C65N(6kA)接單相回路，而本例單相短路電流Id1=8.06kA，所以應選用C65H(10KA)或C65L(15kA)。如配電箱距配電室50m，進線電纜同樣為YJV-4X70+1X35,
根據(jù)中國航天工業(yè)規(guī)劃設計研究院等編《工業(yè)與民用配電設計手冊》(第三版)查表計算單相短路電流Id1=4.33kA，單相斷路器選用C65N(6kA)是符合設計要求的。
5.保護電器上下級之間應有選擇性動作。
根據(jù)《低壓配電設計規(guī)范》GB50054-95，4.1.2條規(guī)定，“配電線路采用的上下級保護電器，其動作應具有選擇性;各級之間應能協(xié)調(diào)配和。但對于非重要負荷的保護電器，可采用無選擇性切斷”。按本規(guī)范“條文”解釋，以往由于我國保護電器的性能較差，在低壓配電系統(tǒng)中要做到選擇性保護是有困難的。目前低壓電器發(fā)展較快，熔斷器、斷路器的更新?lián)Q代產(chǎn)品的特性已有很大的改善。例如按新標準生產(chǎn)的熔斷器(NT型等)選擇比為1：16，具有三段保護的斷路器也能大量生產(chǎn)，目前配電系統(tǒng)要做到選擇性已具有一定條件。但是考慮到低壓配電系統(tǒng)量大面廣，低壓配電系統(tǒng)要做到完善的選擇性還有困難。結合我國國情，低壓配電系統(tǒng)只要部分滿足保護選擇性就可以了。即保證重要負荷不間斷供電，對于非重要負荷允許無選擇性切斷。
長期以來，設計人員習慣了對配電系統(tǒng)的保護選擇性問題不作深究，斷路器選擇性保護對設計者來說一直是一個沒有很好解決的難題，在一些工程回訪中，故障點發(fā)生短路越級跳閘的現(xiàn)象屢有發(fā)生，但變壓器主進線斷路器越級跳閘是應該**避免的。從一些斷路器選擇性保護的技術資料及文獻來看，設計者應著眼于以下幾個方面。
(1)上級不宜選用非選擇型斷路器，因這種情況屬無選擇性。特別是首端應有選擇性動作。
(2)上下級的選擇性配合，應用上下級斷路器的特性曲線配合選擇比較準確，只要上下級斷路器特性曲線不相交即可，當無斷路器特性資料時，可以用上下級的可靠系數(shù)選用。根據(jù)中國航天工業(yè)規(guī)劃設計研究院等編《工業(yè)與民用配電設計手冊》-P650公式(11-21)，
上級用選擇型斷路器(一般用于主干線)應按以下要求整定：
a.Izd2(上)≥1.2Izd3(下)或Izd2(上)≥1.2Izd2(下)
b.當帶有短延時脫扣器時,Izd3不宜太小，一般為：
Izd3=(12~15)Izd1.
(3)優(yōu)先保證變壓器主進線斷路器的選擇性保護并兼顧配電柜出線斷路器的選擇性保護。主進線斷路器與各饋出線的保護電器都裝在低壓配電屏內(nèi),距離不過幾米,在此范圍內(nèi)發(fā)生短路和接地故障的概率很小,如經(jīng)計算主進線斷路器瞬動電流小于下級開關的短路電流，可采取主保護不設瞬動脫扣器而只設長延時及短延時整定電流，以避免故障時主斷路器無選擇性動作。并保證斷路器長(短)延時整定電流大于下級斷路器長(短)延時整定電流的1.2倍，短延時整定電流大于下級斷路器瞬時整定電流的1.2倍。
(4)對于非選擇型斷路器，一般用于二級及三級配電出線回路中，比較可靠的選擇方法是通過一些廠家的保護選擇性配合表或通過上下級斷路器的特性曲線配合選擇來實現(xiàn)，但這也有很多局限性，只有少數(shù)合資廠家提供了斷路器選擇性配合表，除選擇型斷路器外，大多數(shù)廠家都未提供斷路器保護選擇性的配合數(shù)據(jù)，從目前斷路器發(fā)展的技術及工藝水平看非選擇型斷路器的選擇性配合保護還不能完全實現(xiàn)。
三.低壓斷路器選擇程序
1.根據(jù)計算電流Ijs初步選擇Izd1。
2.根據(jù)用電設備啟動條件校驗短路器，確定Izd1及Izd3。
3.按過負載條件選擇導線截面。
4.按短路保護要求校驗導體熱穩(wěn)定。
5.計算保護電器處三相短路電流和所保護線路末端的接地故障電流Id。
6.校驗接地故障時，保護低壓斷路器動作的靈敏性。
7.校驗低壓斷路器的分斷能力。
8.分析上下級低壓斷路器選擇性要求。
9.以上各步驟，如達不到規(guī)定要求，應調(diào)整參數(shù)或采取其它措施。
低壓斷路器的選型是一項比較繁瑣的工作，本文所列舉的例子雖然涵蓋了斷路器選型的一些基本要素，但限于篇幅還有很多內(nèi)容沒有深入討論，需要我們在今后的設計工作中不斷的研究和細化。
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