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低压断路器选型若干问题的讨论

来源:中国工业电器网  点击:次  时间:2012/10/18 10:25:16
    

 编者按: 

  随着电气技术的发展,低压断路器的性能日益提高,已逐步实现了智能化、模块化和小型化,提高了配电系统的可靠性和安全性。但在使用低压断路器的过程中也存在一些容易忽视的问题,这些问题可能会造成断路器安装使用不合理或错误,不仅不能发挥其控制、测量与保护作用,反而存在一定的安全隐患,既降低了设备运行的可靠性,又对使用人员的人身安全构成威胁,同时也会造成一定的经济损失。如何合理地选择、使用低压断路器值得电气设计人员关注。 

  本期“面对面”栏目邀请部分供电技术人员和专家,将围绕低压断路器通用选型原则和整定原则、低压断路器选型的级间配合以及安装方式等问题发表各自观点,希望能对配电系统设计与选型工作有所促进。 

  焦点议题 

  通用选型原则和整定原则 
  低压断路器选型的级间配合 
  低压断路器的安装方式 

  特约嘉宾(排名不分先后) 
  聂玉安 教授级高工/山东省建筑设计研究院电气总工 
  程开嘉 教授级高工/北京中联环建文建筑设计公司 电气总工 
  王殿光 高级工程师/海格电气公司 市场技术支持总工程师 
  王卫国 高级工程师/浙江天正电气股份有限公司 技术中心主任 

  焦点议题 通用选型原则和整定原则 

  必须通过认真的计算和校验合理选择 聂玉安/ 教授级高工 山东省建筑设计研究院电气总工

  低压断路器在设计选型时,需要考虑的通用性原则主要有:①根据低压配电系统的负载性质、故障类别和对线路保护的要求,来确定选用的断路器类型,并符合国家现行的有关标准。②断路器的额定电压、额定频率应与所在回路的标称电压及标称频率相适应。③断路器的额定电流不应小于所在回路的负载计算电流。④断路器应适应所在场所的环境条件。⑤断路器应满足短路条件下的动稳定和热稳定要求。用于断开短路电流时,应满足短路条件下的通断能力。 

  低压断路器应根据不同故障类别和具体工程要求,选择相适应的保护形式。其整定原则一般来说主要包括:①断路器在正常使用中和用电设备正常起动时,所装设的保护不应动作。②断路器的最根本任务就是起到保护作用,必须在规定的时间内能有效地切断故障电路,满足规范最基本的要求。③低压配电系统各级断路器的保护动作特性应能彼此协调配合,要有选择性的动作,即发生故障时,应使靠近故障点的断路器保护首先切断,而其靠近电源侧的上一级保护不应动作,尽可能地缩小断电范围。 

  在低压配电系统中,主要设计任务就是合理地选择保护电器,根据断路器的整定原则要求,通过正确的整定其参数来实现各种保护功能,但这些整定原则又可能相互发生矛盾。例如:断路器额定电流或整定电流大小受到整定原则第①和第②项的限定,而保护动作时间的快慢又受到整定原则第②和第③项的制约,所以必须经过准确的计算和认真的校验,协调相互之间的矛盾,实现对立的统一,以符合规范规定的动作特性、动作时间和有选择性保护的有关要求。 

  从制造标准谈低压断路器选用原则 王殿光/ 高级工程师 海格电气公司市场技术支持总工程师 

  低压断路器进行设计选型时,首先要遵照国家标准中对于电气设计的规范如GB 50054—1995《低压配电设计规范》及手册类如《工业与民用配电设计手册》等。海格电气作为低压断路器制造商,希望换个角度谈这个话题。 

  低压断路器的制造是以国家标准GB14048—2(等同IEC 60947—2) 《低压开关设备和控制设备低压断路器》以及GB10963(等同IEC 60898)《家用及类似场所用过电流保护断路器》为依据的,当设计师选用了我们的产品后,实际上就是承认了上述的两个国家产品标准。从这个角度看的话,设计师了解一下这两个标准非常有必要,简单介绍几点容易忽略的问题: 

  1) 用以上两个产品标准制造的低压断路器通俗地说即通用型断路器。我对产品标准中1.1条款适用范围:“对于某些特定用途(例如牵引、轧钢机及船用)的断路器,可做一些必要的特殊规定和补充要求”及附录E“提交制造厂与用户协商的项目”这两条款的认识是,对于某些特殊用途的断路器超出产品标准时,需要用户与制造商共同协商确认断路器的性能及电气参数,来满足用户需求。 

  2) 断路器最重要的功能是在线路故障时提供及时的脱扣保护,设计师十分关心断路器是否能在选定的脱扣电流值发生时确保正确切断故障线路。这就需要了解按照GB 14048—1第6.1.1条款标准制造的断路器出厂时脱扣值整定的环境温度:“周围空气温度不超过+40 ℃,且其24 h内的平均温度值不超过+35 ℃”,当设计师认定的断路器使用环境温度高于上述温度就需要做温度系数调整。断路器制造厂商会在产品样本中提供“温度修正系数”作设计师设计时的参考。 

  3) 根据GB14048—1第6.1.2条款安装地点海拔要求为:“安装地点海拔不超过2 000 m”。如果安装地点超出2 000 m海拔要求,制造商可以根据与用户的协议来特殊制造或设计师根据《工业与民用配电设计手册》等手册指导的方法采取降容使用。 

  4) 按照国家产品标准要求,制造商在产品样本里还提供当多个断路器并联安装时的每个断路器选择修正系数,可供参考。 

  5) 制造商没有提供多根电缆并排敷设时的断路器降容修正系数,但设计师要考虑断路器保护多根电缆并排敷设时过热保护的要求,这已超出标准对制造商的要求。这方面要参考《工业与民用配电设计手册》或类似手册的指导方法对断路器降容使用修正系数。 

  6) 约定的脱扣电流值误差也需提醒设计师注意,见GB 14048—2第7.2.1.2.3条款规定“脱扣电流值±20%的准确度(简述)”。这就是为什么很多设计手册及论述里谈到过两个串联的上下级断路器通过同样负载电流,额定电流In选择时:如果都是同类断路器,上级断路器In要至少大于下级断路器1.6 In倍的关系,才能有选择性脱扣。工程师都能够理解高精度在工业里含义是高成本,如果需要高精度的断路器也需要用户和制造商协商,产品的价格可能也会大幅提高。 

  低压断路器选择的一般原则 王卫国/ 高级工程师 浙江天正电气股份有限公司技术中心主任 

  一般低压断路器选择的通用原则:①低压断路器的额定电压≥线路的额定电压。②低压断路器的额定电流≥线路的计算负载电流。 ③低压断路器的极限通断能力≥线路中最大的短路电流。④线路末端单相对地短路电流≥1.25倍低压断路器瞬时(或短延时)脱扣整定电流。⑤脱扣器的额定电流≥线路的计算电流。⑥欠电压脱扣器的额定电压=线路的额定电压。⑦断路器的分励脱扣器额定电压=控制电源电压。⑧电动传到机构的额定工作电压=控制电源电压。低压断路器的整定原则: 

  1)正常工作和正常起动时,不应切断电路。关于起动时,断路器不动作,以具有代表性的笼型电动机为例,分别按以下要求进行计算和校验。断路器的长延时脱扣器整定电流Ir1,一般可不考虑电动机起动的影响。短延时脱扣器整定电流Ir2应躲开最大一台电动机的起动电流,用下式计算Ir2≥1.1( IL+1.35 KIMm) 式中, IL为线路计算负荷电流,A; K为最大一台电动机的起动电流倍数; IMm为最大一台电动机的额定电流,A。瞬时脱扣器整定电流Ir3应躲过最大一台电动机的全起动电流,用下式计算Ir3≥1.1( IL+K1 KIMm)式中, IL为线路计算负荷电流,A;K1为电动机起动电流的峰值系数, K1=1.7~2; K为最大一台电动机的起动电流倍数; IMm为最大一台电动机的额定电流,A。 
  2)线路故障时,应可靠切断故障电路。 
  3)线路故障时,各级保护电器应该有选择性地切断电路。 

  这三项要求常常是相互矛盾的,配电系统设计的任务就是要合理地选择保护电器,正确整定其参数,如保护电器额定电流或整定电流大小受到第1)和第2)项的限定,而动作时间的快慢又受到第2)和第3)项的制约,必须仔细计算、校验,协调矛盾,实现对立的统一,以符合规范的要求。 

  焦点议题 低压断路器选型的级间配合 

  上下级间的配合关键在于选择性 聂玉安/ 教授级高工 山东省建筑设计研究院电气总工 

  当采用断路器作为上下级的保护时,其动作应具有选择性,各级之间应相互协调配合。断路器上下级间的选择性配合,必须具有“选择性、快速性和灵敏性”。选择性则与上下两级断路器间的配合有关,而快速性和灵敏性分别与断路器本身特点和线路运行方式有关,可参考生产企业提供的上下级断路器配合选择表整定。若上下级断路器配合得当,则能有选择地将故障回路切除,保证配电系统的其他无故障回路继续正常工作,反之则影响配电系统的可靠性。级联保护是断路器限流特性的具体应用,其主要原理是利用上级断路器的限流作用,在选择下级断路器时可降低其分断能力,既保护可靠,又降低成本。 

  在选用断路器时,应注意对其灵敏度的校验,对于同时具有短延时和瞬时脱扣的选择性断路器,只需要校验短延时过电流脱扣器的动作灵敏度,不必再校验瞬时过电流脱扣器动作的灵敏度。当断路器作为短路保护时,该回路短路电流不应小于其瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3 倍,满足灵敏度的要求,以保证断路器的可靠动作。 


 为使断路器可靠地切断接地故障电路,对于不同的接地型式和电气设备的使用情况,接地故障保护的要求也不同。对TN系统而言,当过电流保护能满足在规定时间内切断接地故障线路的要求时,宜采用过电流保护兼作接地故障保护;在三相四线制配电线路中,当过电流保护不能满足在规定时间内切断接地故障线路且零序电流保护能满足时,宜采用零序电流保护,但其保护整定值应大于配电线路最大不平衡电流;当上述两项保护都不能满足要求时,应采用剩余电流动作断路器。 

  现在的智能型断路器,一般具有区域选择性联锁(ZSI)功能,利用微电子技术使保护更加完善,主要分为短路故障联锁和接地故障联锁,在分级配电系统中起着重要的作用,可以很好地解决断路器级间配合问题,保证动作的灵敏度和选择性。 

  上下级间配合需注意的问题 程开嘉/ 教授级高工 北京中联环建文建筑设计公司电气总工 

  断路器作为上下级保护时,其动作应有选择性,上下级间应相互配合,并注意如下问题: 

  1)断路器的上下级动作为选择性时,应注意电流脱扣器整定值与时间配合,通常上级断路器的过载长延时和短路短延时的整定电流,宜不小于下级断路器整定值的1.3倍,以保证上下级之间的动作选择性。一般情况下第一级断路器(如变压器低压侧进线)宜选用过载长延时、短路短延时(0~0.5 s延时可调)保护特性,不设短路瞬时脱扣器。第二级断路器宜选用过载长延时、短路短延时、短路瞬时及接地故障保护等。母联断路器宜设过载长延时、短路短延时保护。第一级和第二级短路延时,应有一个级差时间,宜不小于0.2 s。 

  2)当上一级为选择型断路器,下一级为非选择型断路器时,上级断路器的短路短延时脱扣器整定电流,应不小于下级断路器短路瞬时脱扣器整定电流的1.3倍;上级断路器瞬时脱扣器整定电流,应大于下级断路器出线端单相短路电流的1.2倍。 

  3)当上下级都为非选择型断路器时,应加大上下级断路器的脱扣器整定电流值的级差。上级断路器长延时脱扣器整定电流宜不小于下级断路器长延时脱扣器整定电流2倍;上级断路器的瞬时脱扣器整定电流应不小于下级断路器瞬时脱扣器整定电流的1.4倍。 

  4)当下级断路器出口端短路电流大于上级断路器的瞬时脱扣器整定电流时,下级断路器宜选用限流型断路器,以保证选择性的要求。 

  5)上下级断路器距离很近时,出线端预期短路电流差别很小时,则上级断路器宜选用带有短延时脱扣器,使之延时动作,以保证有选择配合。 

  6)断路器的脱扣器和时限的整定一般可参照下列原则:长延时脱扣器整定电流可按脱扣器额定电流Ie的0.9~1.1倍,时限可按15 s选定。短延时脱扣器整定电流可按脱扣器额定电流Ie的3~5倍选取,时限可按0.1 s、0.2 s和0.4 s选取。瞬时脱扣器整定电流可按脱扣器额定电流Ie的10~15倍选取。 

  需利用选择性表和脱扣曲线图 王殿光/ 高级工程师 海格电气公司市场技术支持总工程师 

  断路器级间配合换成国家产品标准的话是保护的选择性,在产品标准里的定义和要求如下: 

  1)全选择性:GB14048—2/2.17.2在两台串联的过电流保护装置的情况下,负载侧的保护装置实施保护时而不导致另一个保护装置动作的过电流选择性保护。 

  2)局部选择性:GB14048—2/2.17.3 在两台串联的过电流保护装置的情况下,负载侧的保护装置在规定的过电流等级下实行保护时而不引起另一个保护装置动作的过电流选择性保护。该过流限制值称为“选择性极限电流 Is ”。 

  怎样设计一个既经济又可靠动作的配电系统?首先ACB与MCCB及MCB之间的全选择性是容易做到的,因为ACB、MCCB和MCB在产品标准上属于不同使用类别,ACB为B类,MCCB为A类。利用ACB固有的B类短流短延时脱扣性能与A类的MCCB上下级串联就形成所谓的全选择性。困难的是同类断路器上下级之间的保护配合,就不可能有全选择性了,只能有在一定限定下的选择性或局部选择性(有些论述里称不完全选择性)。见国标GB 14048—1第2.5.23过电流选择性“两个或几个串联的过电流保护电器之间动作特性的配合,过电流在规定的范围内时,指定在这个范围内动作的保护电器动作,而其他保护电器不动作”。也就是在短路电流值一定范围内有选择性,出了范围就没有选择性了。这时设计师可以利用制造商产品样本里提供的工具来自己确认选择性过电流范围。一个工具是选择性表,表里将所有可能配对的上下级断路器的选择性极限电流Is值列表,数值单位为kA。设计师可以查表看出,两个上下级断路器的 Is值,超过这个值就没有选择性。另一工具是脱扣曲线图,将两个上下级断路器脱扣曲线在一个坐标下比较,两条曲线的交汇点的电流值就是Is,很容易知道在图上曲线小于Is的电流值都有选择性。 

  现在的断路器普遍具有限流技术,通俗地讲断路器限流技术使实际线路里短路电流达不到其预期的峰值,这样就可以选择分断能力Icu(或Ics)小于预期短路电流值的断路器。由于脱扣时间的缩短,既可延长开关和电缆的使用寿命,也可以降低用在断路器本身的投资,利用上级断路器限流技术做后备保护,下级断路器可以有更经济的选择方案。在这里给设计师推荐一个全选择性保护的新方案:德国海格电气公司在德国生产销售一种B类的选择性主断路器(Selective Main Circuit Breakers,SMCB)。这种SMCB与A类的微型断路器上下级配合可以做到全选择性,从而避开A类断路器选择性盲区。SMCB的国标已经得到中国国家标准管理委员会批准,标准号: GB24350—2009 《家用及类似场所用带选择性的过电流保护断路器》,2010年8月1日生效。 

  SMCB工作原理是:当短路电流发生时,上级断路器(即SMCB)的主电路触头产生短暂分离以达到限流目的,通过本体内的旁路系统续流,在保护脱扣器尚未动作的情况下,下级断路器MCB已“确保”分断短路电流后,SMCB的主触头再次接通,旁路系统断开。 

  焦点议题 低压断路器的安装方式 

  安装方式应符合GB 14048—2相关规定 王卫国/ 高级工程师 浙江天正电气股份有限公司技术中心主任 GB 14048—2《低压开关设备和控制设备 第2部分:断路器》中定义低压断路器的安装方式分:固定式、插入式和抽屉式。 

  1)固定式:用安装螺钉将断路器固定在成套装置安装板上。因更换断路器时必须先拆除连接导线,故断路器更换时间长,且麻烦。 

  2)插入式:主要适用于塑料外壳式断路器,分为板前接线和板后接线。在成套装置的安装板上,先安装一个断路器的安装座(安装座上有6个插头,断路器的连接板上也有6个插座)。使用时,先将断路器直接插进安装座、然后用安装螺钉将断路器固定在安装座上。若需要更换断路器,先拆下安装螺钉然后拔出,更换上即可。因更换时不需要拆除连接导线,故比固定式要快,且方便。插入式在插入和拔出时需要一定的外力。一般用于壳架电流不超400 A的断路器。

  3)抽屉式:主要适用于万能式断路器和壳架电流400 A以上的塑料外壳式断路器。断路器轻轻地放置在安装台上,用一根摇杆插入安装台的孔内,作顺时针转动,在涡轮蜗杆啮合下,断路器渐渐的与安装台的接线座紧密接触;如果取出,就将摇杆逆时针转动。抽屉式有接触、分开和隔离(断路器不带电)三位置,插入式只有接触、分开两位置,所以抽屉式更换断路器时比插入式更安全可靠。 

  不管哪种安装方式都在产品型式试验和生产过程中进行了验证,符合GB 14048—2要求。在满足规定的使用条件下,断路器都能正常工作。 

  根据操作经验选择安装方式 程开嘉/ 教授级高工 北京中联环建文建筑设计公司电气总工 

  我们在设计上所选用的断路器是由开关厂家已把断路器装配在开关柜内或配电箱内的成套产品,对于断路器是垂直安装,还是侧卧式安装方式,设计上没有太大的意见,只需使用单位运行操作人员根据操作经验,在产品订货时提出断路器的安装要求。假如设计上选用抽屉式开关柜断路器一般是侧卧式安装,一边(左边)进线接到断路器母线上,而另一边(右边)出线接负载线路上。需要考虑的问题是若抽屉式断路器所接的用电负荷容量大,就需要考虑散热,断路器热脱扣器的温度据厂家介绍一般在30 ℃条件下整定的,若环境温度超过此数值应考虑修系数,或隔一格另供一出线用,避免受温升相互影响。 

  需注意断路器进线安装方向 王殿光/ 高级工程师 海格电气公司市场技术支持总工程师 

  设计师不太关注断路器的安装问题,这个话题盘厂工程师更感兴趣,当然断路器的正确安装肯定对今后实现设计师的设想和稳定运行时间关系很大。提给设计师的建议是,断路器进线安装方向对断路器运行有一定影响。断路器体积和重量越大,由于重力作用对分断能力的影响就越大。断路器设计时,定触头在断路器上部,动触头放在中部,脱扣部分放在下部,这样消弧罩、主接触点也布置在靠开关上部,所以上进线可以减少端子的发热对脱扣曲线的热传导影响。具有剩余电流保护动作功能的MCCB严禁下部进线,在我们产品样本里有相关说明。下进线情况下,漏电保护功能会丧失。

 

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