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微型断路器的技术突破

来源:电子工程世界  点击:次  时间:2012/9/18 11:27:55
    选择性配合和后备配合
选择性配合和后备配合在各种杂志文献中已经谈得很多了,这里仅从应用的角度谈几个观点:
1) “配合”是指至少两个上下级过流保护装置之间的保护协调,不考虑另一方的配合是不存在的。
2) 选择性配合和后备保护实施的手段不同。如果仅从改变上级过流保护装置(断路器为例)的特性看:
A) 通常用延迟上级断路器的动作以等待下级断路器动作,从而获得较好选择性配合
B) 通常用加快上级断路器的动作以限制短路能量,从而为下级断路器提供后备保护
当然,改善上下级选择性配合的手段并非局限于动作时间配合,还可基于电流配合、能量配合、逻辑
控制等手段。当然,最好断路器本身就能为其他过流保护装置提供良好的选择性和后备保护。
3) 要求选择性配合的目的是减小故障停电范围;要求后备配合的目的是降低投资成本。
4) 从两种配合不同的目的和不同的实施手段看,两种配合之间是存在冲突的。
注: 低压过流保护装置以断路器为主, 下文中如果没有说明,用断路器指代过流保护装置。
终端配电连续性现状
从终端配电现状看,电缆敷设和设备安装的专业化程度不高,但用电设备的分布范围广,乱拉乱接的情况比较普遍;非专业用户多,超载现象普遍,过载或短路故障概率很高。尤其在负载高峰时段,供电部门忙于应付各类跳闸停电事故。又因为终端配电很少考虑选择性配合,单一短路故障可能造成整个楼层或楼宇停电,这又使供电部门的故障定位和恢复供电工作雪上加霜。
从电气设计角度看,在一般住宅单元的内部,对于电击伤害的防护也存在误区,有的设计者只考虑在住宅总开关处安装一个剩余电流保护电器,或者整个住宅单元只用一个回路供电,或未考虑上下级断路器的动作时间差等,这些都可能产生因短路或接地故障造成全屋停电,包括安全系统停电失效、冰箱和维生系统(鱼缸)停电,网络中断(路由器失电)等。
在一般住宅单元的外部,设计人员可能未考虑供电侧过流保护装置的选择性配合。用户入户侧安装有进户熔断器或断路器,但属于供电部门的管辖范围。如果这些过流保护装置因选择性配合不佳而误动作(下级断路器已经切断故障),显然也是不必要地增加了供电部门出勤检修工作量,并大大增加了故障断电时间。
选择性配合的研究途径
因终端配电中选择性配合日趋重要,本文主要讨论选择性配合。一般而言,研究选择性配合有两种研究途径,但它们互相支持,配合使用:
A) 通过研究上下层断路器间的配合,寻找提高选择性的方法
B) 通过研究断路器本身结构的改进,寻找提高选择性的方法
配电变压器的低压侧往往有三或四层配电(常用电压220/380V,IEC电压标准230/400V), 在第一或第二配电层, 设计者会视用户要求考虑选择性配合,但所关联的断路器数量不多,分布集中,往往可选智能化断路器满足选择性配合要求;但选择性设定复杂,并需要专业人员管理。在这些场合,往往采用 A) 研究途径。
第三或第四层属终端配电,因成本原因很少考虑选择性或供电连续性。此层的负载分散复杂,用户也非专业人员。需要一个成本合理、实施简单的方案来保证日益增长的供电连续性要求。在这些场合,我们往往采用 B) 研究途径,即研发新一代断路器来满足选择性要求。
早在2004年,在中国智能建筑技术情报网、中国建筑设计研究院和ABB中国有限公司组办的“中国智能建筑青岛电气沙龙”交流会上, ABB德国的高级专家Mr. Bernd Siedelhofer先生介绍了S700 带选择性的过电流保护断路器的结构、原理和应用。与会专家对ABB具有全选择性功能的S700 SMCB作了积极的肯定,并强调在国内的终端配电中应提高选择性配合要求,而ABB的 S700 SMCB的成熟应用是个很好的借鉴。
终端电器提高选择性配合能力的困惑
按照IEC60898/GB10963技术标准,终端配电用微型断路器(MCB)一般是需要快速动作的,以尽快切断短路故障。换言之,它不需要按照IEC60947/GB14048的规定,承受“额定短时耐受电流Icw”,所以同电流等级的MCB体积远小于MCCB的体积。
如果期望提高上下级MCB的选择性配合能力,则需要提升上级MCB承受短路电流的时间,以让下级MCB迅速切除故障区域的短路电流;同时,为了保证“祖父级(Grandfather)”的短路保护装置不至因短路电流过大、时间过长而误动作,也需要控制上级MCB的限流特性和动作时间。换言之,带选择性的过电流保护断路器SMCB应要解决多级保护器件之间的选择性问题。ABB研发的 S700/S750 SMCB在技术上获得成功突破,解决了“熊和鱼掌不可兼得”的难题。
S700/S750 SMCB 的功能-选择性+后备保护
SMCB 是“带选择性的过电流保护断路器”英文定义的首字母缩写。
SMCB 的设计目标是:当它和普通断路器配合时,允许采用分断能力低于安装点预期短路电流的负载侧断路器,并保证完全选择性。
当短路发生时,电源侧断路器触头产生短暂分离以达到限流目的,在保护脱扣器尚未动作但下级断路器“确保”已分断时,触头再次接通维持供电。同时电源侧断路器动作机构应有延时功能。
此外,还必须验证SMCB和祖父级(Grandfather)短路保护电器(熔断器)的选择性配合。
显然,需要特别设计的触头系统和脱扣系统,才能实现上述目的。
如果短路发生在下级MCB的负载端,因线路阻抗的原因,其短路电流不可能太大,但这已足够使下级MCB脱扣(C特脱扣特性:5~7 In)。SMCB在此短路电流的电磁力作用下,其主触点会产生斥开限流现象,但不足以使SMCB的脱扣机构脱扣;与此同时,限制电阻R 及其热元件会控制短路电流:既要允许MCB动作又不能使SMCB实质性地脱扣。下级MCB完全切除短路电流后,SMCB主触点回复到闭合位置,继续为其他负载提供电源。万一MCB拒动或不能分断时,选择性热元件使SMCB 在稍加延迟后(<300mS)脱扣。
如果短路发生在SMCB的负载端,其预期短路电流相当大(视短路容量而定),可能达到几十千安水平,此时SMCB可承担其最大分断能力,短路电流电磁力驱动脱扣机构快速分断。
1. 故障前: 正常运行
2. 故障中: 负载端短路, SMCB+MCB限流,MCB动作
3. 故障后: SMCB仍接通(满足选择性), MCB断开
需要强调的是,由于S700/750 特殊结构和限流功能,它不但提升和下级MCB的选择性,也提供了后备保护。经验证,其选择性电流极限值甚至高于下级MCB Icn值。
同理,S700/750 也改善了和祖父级短路保护电器的选择性配合。在合理配置祖父级熔断器时,它和SMCB的选择性电流极限最高可达SMCB的Icn值。
S700/S750 脱扣特性的选择
根据VDE0645/GB24530技术标准,S700/S750推荐使用E脱扣特性,因为它具有相对灵敏的过载保护脱扣曲线,可有效延长电缆的使用寿命和减少电缆过热引起火灾的可能性。另外一个优点是:折衷的短路保护脱扣曲线,既可避免因电缆远端短路电流值不足而被迫放大电缆;也能躲避电机负载的起动电流的干扰而误动作。
在有很高起动电流负载的回路中,也可考虑使用Cs 脱扣特性的SMCB。所幸在一般终端配电回路中,很高起动电流的负载并不常见。
S700/S750 其他性能要求
SMCB主要用于住宅终端MCB前级保护,或既要求选择性又要后备保护的场合,实现选择性+后备保护的目的。在国外, SMCB往往安装在低压用户的进线侧,应符合过电压分类为IV级以保证电路隔离的安全性,这是一般MCB(过电压分类为III级)不能满足的要求。
随着低压电网容量的扩大和预期短路电流的增加,也需要SMCB具有更高的分断能力,如25kA。按照IE
C60439的要求,同一安装点断路器的分断能力不能低于预期短路电流,势必要求同处安装的MCB也要具有高分断能力,从MCB的制造技术和配电系统成本看,这也是难以实现的。但因SMCB可提供后备保护,从而允许使用Icn小于预期短路电流的MCB,为此提供了一个经济合理的方案。
S700/S750 采用了与电压无关的SHU特殊内部结构,它提供的选择性功能非常稳定,不受供电电压波动或干扰影响。另外,它也不含敏感电子部件,电磁兼容性很好。在终端配电中,几乎没有误动的可能。
ABB研发的S700/S750符合污染等级为3级和-25℃~+55℃的安装使用环境,这较之MCB的安装使用环境更为严酷,特别适合中国寒冷和高温地区安装使用,也适合工业环境安装使用。
S700/S750 30年的运行经验
在欧洲,从1982年第一台主断路器S700的诞生至今已有30年运行经验。德国的巴伐利亚是首先指定使用SMCB的州府,据不完全统计,在德国已有300多个公用事业部门指定使用S700,市场安装数量多于一千万台。
因此,德国供电部门早就制订了TAB2000 作为选择性主断路器的技术标准,1996年又颁布了选择性主断路器的国家标准E DIN VDE 0645,2000年由于技术发展修改了这个标准。由于 SMCB广泛被世界各国认可,IEC标准化委员会目前正在考虑为该产品制定相应的IEC标准。
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