论文部分内容阅读
摘要：本文对低压断路器的各种参数及断路器之间的各种配合以及配电时部分保护参数的设置，以及在实际应用时一些注意事项做了简单的探讨。
关键词：低压断路器、配合、整定电流
Abstract: in this paper, the low voltage circuit breaker of various parameters and breakers between all kinds of cooperation and distribution of the parameters set when protecting, and in practical application some attention to a simple discussion.
Keywords: low voltage circuit breaker, cooperate and setting current
中图分类号：TM561文献标识码：A 文章编号：
作为配电系统中常用的保护设备，低压断路器普遍地应用在配电系统中，但在其使用的过程中也存在着许多令电气设计人员关注的问题，比如分段能力的大小和选择性配合等。如果断路器选择及参数的设置存在问题,将导致断路器不能在要求的时间内切断故障电路，从而损坏电线、电缆，甚至扩大事故，或者导致非选择性动作，扩大停电范围。因此,合理地选择与应用低压断路器,将有助于提高配电系统的可靠性、安全性和经济性。下面从低压断路器的技术参数含义谈起，详细的阐述了上下级低压断路器的选择及实际设计中需要注意的问题。
一、低压断路器的技术参数含义
1）断路器额定电流In：是在给定的环境温度条件下承载的最大连续电流而无异常发热保证断路器正常工作的电流，又称脱扣器额定电流。对带可调式脱扣器的断路器则为脱扣器可长期通过的最大电流。
2）断路器壳架等级额定电流Inm：用基本几何尺寸相同和结构相似的框架或塑料外壳中所装的最大脱扣器额定电流表示。
3）断路器短路分断能力Icu：是断路器在规定的试验电压及其它规定条件下的极限短路分断电流之值，它可以用预期短路电流表示。
4）额定运行短路分断能力Ics：是指断路器在规定的试验电压及其它规定条件下的一种比额定极限短路分断电流小的分断电流值，Ics是Icu的一个百分数。
5）额定短时耐受电流Icw：是指断路器在规定的试验条件下短时问承受的电流值。对于交流，此电流值是预期短路电流的周期分量有效值，与额定短时耐受电流有关的时间至少为0.05s。
6) 过电流脱扣器的电流参数
过电流脱扣器还可分为过载脱扣器和短路(电磁)脱扣器，并有长延时、短延时、瞬时之分。
过电流脱扣器的电流有以下几个参数：
(1)脱扣器额定电流In，指脱扣器能长期通过的最大稳定电流。
整定电流：In≥Ir1≥Ic Ic:线路的负荷计算电流 A;
(2)长延时过载脱扣器(反时限脱扣器)动作电流整定值Ir1，固定式脱扣器Ir1=In，可调式脱扣器其Ir1为脱扣器额定电流In的倍数，如Ir1=(0.4～1)×In。
整定电流：Iz≥Ir1≥IcIz：导体的允许持续载流量 A;
(3)短延时电磁脱扣器（定时限脱扣器）动作电流整定值Ir2，为过载脱扣器动作电流整定值Ir1的倍数，倍数固定或可调。最常用的Ir2=(2～5)×Ir1。定时限上下级时间级差不小于0.1~0.2S。定时限脱扣器主要用于保证保护电器动作的选择性。
整定电流应躲过短时间出现的尖峰电流。即
Ir2≥Krel2*[IstM1+Ic(n-1)]
Krel2:定时限过电流脱扣器可靠系数 取1.2；
IstM1:线路中最大一台电动机的启动电流 A；
Ic(n-1) :除启动电流最大的一台电动机以外的线路计算负载电流A；
(4)瞬时电磁脱扣器动作电流额定值Ir3，为长延时过载脱扣器Ir1的倍数，倍数固定或可调，如Ir3= (5～10)×Ir1。
整定电流应躲过配電线路的尖峰电流，即
Ir3≥Krel3*[I’stM1+Ic(n-1)]
Krel2: 瞬时电磁脱扣器可靠系数,取1.2；
:IstM1:线路中最大一台电动机的全启动电流 A，可取启动电流IstM1的2倍；
Ic(n-1) :除启动电流最大的一台电动机以外的线路计算电流 A；
二、上下级低压断路器过电流保护的配合
在低压配电系统中，如果上一级断路器采用选择性断路器，下一级断路器采用非选择性断路器或选择性断路器，主要是利用短延时脱扣器的延时动作或延时动作时间的不同，以获得选择性。通过上一级断路器的延时动作时，请注意以下几点问题：
1)无论下一级是选择性断路器还是非选择性断路器，上一级断路器的瞬时过电流脱扣器整定电流一般不得小于下一级断路器出线端的最大三相短路电流的1.1倍；
2)如果下一级是非选择性断路器，为防止在下一级断路器所保护回路发生短路电流时，因这一级瞬时动作灵敏度不够，而使上一级短延时过电流脱扣器首先动作，使其失去选择性。一般上一级断路器的短延时过电流脱扣器的整定电流不小于下一级瞬时过电流脱扣器的1.2倍；
（1） 非选择型断路器与非选择型断路器之间的配合
以下图为例说明:
当线路处D于过载状态（大于1.3 In）时，B断路器热动型脱扣器开始启动，而A断路器热动型脱扣器未到达启动电流，A不启动。到达预定脱扣时间（1h或2h）后，B断路器跳闸，A断路器仍然处于闭合状态。上下级断路器长延时脱扣器只要能达到1.3倍，就能实现上下级配合动作。
当线路处于短路状态时，A、B断路器动作情况如图2，A、B断路器理论上只有1/2（上下级断路器均不动作的可能性较小）的几率能配合动作，故不推荐使用。
（2）选择型断路器与非选择型断路器之间的配合
同样对于图1的例子，上级为选择型断路器，下级为非选择型断路器 ，Ir2A≥1.2Ir3B，1.2为可靠系数。在满足动作灵敏性的前提下，Ir3A应整定大些，以免故障电流很大时A,B同时动作，破坏选择性。一般情况下，上下级断路器保护均不动作的情况只在极个别情况下发生（只存在于个别线路较小的线路，由于自身阻抗较大，短路电流较小）。 而作为选择型断路器（一般为框架）的瞬时脱扣电流值（几十千安）远远大于非选择型断路器（几千安），所以一般情况下可以满足选择性。一般来说，只要上级开关额定电流大于下级开关电流的2.5倍，断路器间就可获得完全选择性。即在下级断路器保护区发生故障短路的电流一直大到下级断路器的极限分断电流值的范围内。断路器都能有选择性的切除故障，这就保证了完全选择性。
（3）上级用带接地故障保护的断路器与下级断路器的配合
一些框架断路器带有接地故障保护功能。接地故障保护功能不管是零序保护方式或是使用剩余电流保护方式，整定电流都较小，很难与下级断路器实施配合保护。只有采用剩余电流保护方式时，与下级采用剩余电流保护器的动作保护之间具有良好的选择性。对于采用剩余电流保护的断路器，其配合方式是采用时间级差及漏电电流级差来配合。剩余电流动作保护装置的延时时间的级差为0.25S。对于防范电气火灾而设置的剩余电流最大值不得大于0.5A。
（4）上下级断路器短路能力的配合(级联)
根据《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008第7.6.3条第一款：断路器的分断能力不应小于保护电气安装处的预期短路电流。当供电侧已经装设具有所需的分断能力的其他保护电器时，短路能力可小于预期短路电流，但两个保护电器的特性必须配合。上下侧保护断路器一般必须是同一厂家生产的断路器，因为这些特性配合是基于实验室通过实验验证的，而不同厂家的断路器则无相关的实验数据。
（5）当使用限流断路器时的配合
（注：限流断路器相对于普通断路器来说，内部增设了一个电抗器，能都阻止电流的突然变化）
当上下两级均为断路器串联时，大的短路电流受到了下级限流型断路器的限流。实际的短路电流和持续时间大大地减小。上级断路器脱扣器检测到的电流比没有限流型下级断路器值小得多。使得下级断路器快速跳闸，而上级断路器保持闭合，上下级断路器之间达到保护选择性配合。当上、下两级均采用限流型断路器时，由于上级断路器限流对下级断路器限流的增强作用，提高了下级断路器的分断能力。下级断路器的分断电流比其原所规定的分断电流要大。对于选择性来说，由于级联，提高了选择极限电流值，相应于增大了选择性的准延时，提高了保护选择性。
三、 低压配电系统断路器选择性保护的具体实施要点：
1）精心设计配电系统，合理分配负荷
设计时适当分配负荷，使上下级负荷的比值加大，满足选择性所需的保护器额定电流比的要求。而且比值越大，越容易满足选择性要求。因此在进行配电系统设计时，不要随意分配，而要有意地调整分配负荷，以便给选择性保护提供便利。
2）断路器保护的选择性方式的一般要求：
(1) 根据规范《低压配电设计规范》（GB50054-95）4.1.2条，配电线路采用的保护电气应具有选择性；各级之间应能协调配合。但对于非重要负荷的保护电器；可采用无选择性切断。断路器保护选择性的方式与配电网特性、供电负荷容量及断路器配置等因素有关。
电源端：无论向厂房或民用建筑供电，一般都设置总(主)配电盘。其特点是额定电流大，要求断路器分断能力高。因为是控制总电源，任何分支配出回路发生故障，不应无选择性地切断总电源，必然保证选择性。一般选用具有短路短延时保护的选择性断路器。一般采用框架式的空气断路器(ACB)，或采用具有三段保护功能的塑壳断路器。末端配电：因处于末梢，短路电流一般较小。最末端直接接用电设备的断路器，无需选择性。
(2) 部分配电箱内进线开关尽量采用负荷开关（或隔离开关）。
变压器二次侧至用电设备之间的低压配电级数不宜超过三级。因为低压配电级数太多将给开关的选择性动作整定带来困难。放射式系统配电盘的进线开关采用负荷开关而不采用断路器。负荷开关可接通和分断工作电流和过载电流，它可隔离电源进行设备维护、检修和试验工作。因此它可实现配电盘进线开关所有功能的要求，而避免了因采用断路器而为保证保护配合而抬高了总配出线开关的电流。对于减少系统保护级数，实现保护选择性的配合是非常有利的，也可减少一些费用。
(3) 对于部分脱扣器电流参数及时间可调的断路器，需设置适当的技术参数，确保实现最大范围的选择性。
配电系统的保护选择性是提高连续供电的重要保证。目前实现系统保护选择性配合的条件已有所具备。只要共同努力，所有配电系统保护选择性实现配合，也是可以期待的。本文旨在提出有关间题，引起有关人士关注，进行研究讨论。促使这一技术工作积极取得进展，使配电系统得以完善。
参考文献：
1．《工業与民用配电设计手册》（第三版）中国航空工业规划设计研究院组编
2．《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008
3. 《低压配电设计规范》GB50054-95
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：低压断路器、配合、整定电流
Abstract: in this paper, the low voltage circuit breaker of various parameters and breakers between all kinds of cooperation and distribution of the parameters set when protecting, and in practical application some attention to a simple discussion.
Keywords: low voltage circuit breaker, cooperate and setting current
中图分类号：TM561文献标识码：A 文章编号：
作为配电系统中常用的保护设备，低压断路器普遍地应用在配电系统中，但在其使用的过程中也存在着许多令电气设计人员关注的问题，比如分段能力的大小和选择性配合等。如果断路器选择及参数的设置存在问题,将导致断路器不能在要求的时间内切断故障电路，从而损坏电线、电缆，甚至扩大事故，或者导致非选择性动作，扩大停电范围。因此,合理地选择与应用低压断路器,将有助于提高配电系统的可靠性、安全性和经济性。下面从低压断路器的技术参数含义谈起，详细的阐述了上下级低压断路器的选择及实际设计中需要注意的问题。
一、低压断路器的技术参数含义
1）断路器额定电流In：是在给定的环境温度条件下承载的最大连续电流而无异常发热保证断路器正常工作的电流，又称脱扣器额定电流。对带可调式脱扣器的断路器则为脱扣器可长期通过的最大电流。
2）断路器壳架等级额定电流Inm：用基本几何尺寸相同和结构相似的框架或塑料外壳中所装的最大脱扣器额定电流表示。
3）断路器短路分断能力Icu：是断路器在规定的试验电压及其它规定条件下的极限短路分断电流之值，它可以用预期短路电流表示。
4）额定运行短路分断能力Ics：是指断路器在规定的试验电压及其它规定条件下的一种比额定极限短路分断电流小的分断电流值，Ics是Icu的一个百分数。
5）额定短时耐受电流Icw：是指断路器在规定的试验条件下短时问承受的电流值。对于交流，此电流值是预期短路电流的周期分量有效值，与额定短时耐受电流有关的时间至少为0.05s。
6) 过电流脱扣器的电流参数
过电流脱扣器还可分为过载脱扣器和短路(电磁)脱扣器，并有长延时、短延时、瞬时之分。
过电流脱扣器的电流有以下几个参数：
(1)脱扣器额定电流In，指脱扣器能长期通过的最大稳定电流。
整定电流：In≥Ir1≥Ic Ic:线路的负荷计算电流 A;
(2)长延时过载脱扣器(反时限脱扣器)动作电流整定值Ir1，固定式脱扣器Ir1=In，可调式脱扣器其Ir1为脱扣器额定电流In的倍数，如Ir1=(0.4～1)×In。
整定电流：Iz≥Ir1≥IcIz：导体的允许持续载流量 A;
(3)短延时电磁脱扣器（定时限脱扣器）动作电流整定值Ir2，为过载脱扣器动作电流整定值Ir1的倍数，倍数固定或可调。最常用的Ir2=(2～5)×Ir1。定时限上下级时间级差不小于0.1~0.2S。定时限脱扣器主要用于保证保护电器动作的选择性。
整定电流应躲过短时间出现的尖峰电流。即
Ir2≥Krel2*[IstM1+Ic(n-1)]
Krel2:定时限过电流脱扣器可靠系数 取1.2；
IstM1:线路中最大一台电动机的启动电流 A；
Ic(n-1) :除启动电流最大的一台电动机以外的线路计算负载电流A；
(4)瞬时电磁脱扣器动作电流额定值Ir3，为长延时过载脱扣器Ir1的倍数，倍数固定或可调，如Ir3= (5～10)×Ir1。
整定电流应躲过配電线路的尖峰电流，即
Ir3≥Krel3*[I’stM1+Ic(n-1)]
Krel2: 瞬时电磁脱扣器可靠系数,取1.2；
:IstM1:线路中最大一台电动机的全启动电流 A，可取启动电流IstM1的2倍；
Ic(n-1) :除启动电流最大的一台电动机以外的线路计算电流 A；
二、上下级低压断路器过电流保护的配合
在低压配电系统中，如果上一级断路器采用选择性断路器，下一级断路器采用非选择性断路器或选择性断路器，主要是利用短延时脱扣器的延时动作或延时动作时间的不同，以获得选择性。通过上一级断路器的延时动作时，请注意以下几点问题：
1)无论下一级是选择性断路器还是非选择性断路器，上一级断路器的瞬时过电流脱扣器整定电流一般不得小于下一级断路器出线端的最大三相短路电流的1.1倍；
2)如果下一级是非选择性断路器，为防止在下一级断路器所保护回路发生短路电流时，因这一级瞬时动作灵敏度不够，而使上一级短延时过电流脱扣器首先动作，使其失去选择性。一般上一级断路器的短延时过电流脱扣器的整定电流不小于下一级瞬时过电流脱扣器的1.2倍；
（1） 非选择型断路器与非选择型断路器之间的配合
以下图为例说明:
当线路处D于过载状态（大于1.3 In）时，B断路器热动型脱扣器开始启动，而A断路器热动型脱扣器未到达启动电流，A不启动。到达预定脱扣时间（1h或2h）后，B断路器跳闸，A断路器仍然处于闭合状态。上下级断路器长延时脱扣器只要能达到1.3倍，就能实现上下级配合动作。
当线路处于短路状态时，A、B断路器动作情况如图2，A、B断路器理论上只有1/2（上下级断路器均不动作的可能性较小）的几率能配合动作，故不推荐使用。
（2）选择型断路器与非选择型断路器之间的配合
同样对于图1的例子，上级为选择型断路器，下级为非选择型断路器 ，Ir2A≥1.2Ir3B，1.2为可靠系数。在满足动作灵敏性的前提下，Ir3A应整定大些，以免故障电流很大时A,B同时动作，破坏选择性。一般情况下，上下级断路器保护均不动作的情况只在极个别情况下发生（只存在于个别线路较小的线路，由于自身阻抗较大，短路电流较小）。 而作为选择型断路器（一般为框架）的瞬时脱扣电流值（几十千安）远远大于非选择型断路器（几千安），所以一般情况下可以满足选择性。一般来说，只要上级开关额定电流大于下级开关电流的2.5倍，断路器间就可获得完全选择性。即在下级断路器保护区发生故障短路的电流一直大到下级断路器的极限分断电流值的范围内。断路器都能有选择性的切除故障，这就保证了完全选择性。
（3）上级用带接地故障保护的断路器与下级断路器的配合
一些框架断路器带有接地故障保护功能。接地故障保护功能不管是零序保护方式或是使用剩余电流保护方式，整定电流都较小，很难与下级断路器实施配合保护。只有采用剩余电流保护方式时，与下级采用剩余电流保护器的动作保护之间具有良好的选择性。对于采用剩余电流保护的断路器，其配合方式是采用时间级差及漏电电流级差来配合。剩余电流动作保护装置的延时时间的级差为0.25S。对于防范电气火灾而设置的剩余电流最大值不得大于0.5A。
（4）上下级断路器短路能力的配合(级联)
根据《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008第7.6.3条第一款：断路器的分断能力不应小于保护电气安装处的预期短路电流。当供电侧已经装设具有所需的分断能力的其他保护电器时，短路能力可小于预期短路电流，但两个保护电器的特性必须配合。上下侧保护断路器一般必须是同一厂家生产的断路器，因为这些特性配合是基于实验室通过实验验证的，而不同厂家的断路器则无相关的实验数据。
（5）当使用限流断路器时的配合
（注：限流断路器相对于普通断路器来说，内部增设了一个电抗器，能都阻止电流的突然变化）
当上下两级均为断路器串联时，大的短路电流受到了下级限流型断路器的限流。实际的短路电流和持续时间大大地减小。上级断路器脱扣器检测到的电流比没有限流型下级断路器值小得多。使得下级断路器快速跳闸，而上级断路器保持闭合，上下级断路器之间达到保护选择性配合。当上、下两级均采用限流型断路器时，由于上级断路器限流对下级断路器限流的增强作用，提高了下级断路器的分断能力。下级断路器的分断电流比其原所规定的分断电流要大。对于选择性来说，由于级联，提高了选择极限电流值，相应于增大了选择性的准延时，提高了保护选择性。
三、 低压配电系统断路器选择性保护的具体实施要点：
1）精心设计配电系统，合理分配负荷
设计时适当分配负荷，使上下级负荷的比值加大，满足选择性所需的保护器额定电流比的要求。而且比值越大，越容易满足选择性要求。因此在进行配电系统设计时，不要随意分配，而要有意地调整分配负荷，以便给选择性保护提供便利。
2）断路器保护的选择性方式的一般要求：
(1) 根据规范《低压配电设计规范》（GB50054-95）4.1.2条，配电线路采用的保护电气应具有选择性；各级之间应能协调配合。但对于非重要负荷的保护电器；可采用无选择性切断。断路器保护选择性的方式与配电网特性、供电负荷容量及断路器配置等因素有关。
电源端：无论向厂房或民用建筑供电，一般都设置总(主)配电盘。其特点是额定电流大，要求断路器分断能力高。因为是控制总电源，任何分支配出回路发生故障，不应无选择性地切断总电源，必然保证选择性。一般选用具有短路短延时保护的选择性断路器。一般采用框架式的空气断路器(ACB)，或采用具有三段保护功能的塑壳断路器。末端配电：因处于末梢，短路电流一般较小。最末端直接接用电设备的断路器，无需选择性。
(2) 部分配电箱内进线开关尽量采用负荷开关（或隔离开关）。
变压器二次侧至用电设备之间的低压配电级数不宜超过三级。因为低压配电级数太多将给开关的选择性动作整定带来困难。放射式系统配电盘的进线开关采用负荷开关而不采用断路器。负荷开关可接通和分断工作电流和过载电流，它可隔离电源进行设备维护、检修和试验工作。因此它可实现配电盘进线开关所有功能的要求，而避免了因采用断路器而为保证保护配合而抬高了总配出线开关的电流。对于减少系统保护级数，实现保护选择性的配合是非常有利的，也可减少一些费用。
(3) 对于部分脱扣器电流参数及时间可调的断路器，需设置适当的技术参数，确保实现最大范围的选择性。
配电系统的保护选择性是提高连续供电的重要保证。目前实现系统保护选择性配合的条件已有所具备。只要共同努力，所有配电系统保护选择性实现配合，也是可以期待的。本文旨在提出有关间题，引起有关人士关注，进行研究讨论。促使这一技术工作积极取得进展，使配电系统得以完善。
参考文献：
1．《工業与民用配电设计手册》（第三版）中国航空工业规划设计研究院组编
2．《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008
3. 《低压配电设计规范》GB50054-95
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。