关于低压断路器分断能力的详解分析

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　　关于低压断路器分断能力的几个概念 极限短路分断能力(Icu)，是指在一定的试验参数(电压、短路电流、功率因数) 条件下，经一定的试验程序，能够接通、分断的短路电流，经此通断后，不再继 续承载其额 定电流的分断能力。它的试验程序为 0—t(线”为分断， t 为间歇时间，一般为 3min，“C0”表示接通后立即分断)。试检后要验证脱扣 特性和工频耐压。 运行短路分断能力(Ics)，是指在一定的试验参数(电压、短路电流和功率因 数) 条件下，经一定的试验程序，能够接通、分断的短路电流，经此通断后，还 要继续承载其额 定电流的分断能力，它的试验程序为 0—t（线—t (线。 短时耐受电流(Icw),是指在一定的电压、短路电流、功率因数下，忍受 0.0 5、0.1、0.25、0.5 或 1s 而断路器不允许脱扣的能力，Icw 是在短延时脱扣时 ， 对断路器的电动稳定性和热稳定性的考核指标 选择断路器的一个重要原则是断路器的短路分断能力≥线路的预期 短路电流，这个断路器的短路分断能力通常是指它的极限短路分断能力。 低压断路器的电流参数 摘要： 本文分析低压断路器的各个电流参数的概念，提出选择低压断路器时就标 定的电流参数和标定方法。 断路器是配电系统中主要的保护电器之一，也是功能最完善的保护电器，其主要 作用是作为短路、过载、接地故障、失压以及欠电压保护。根据不同需要，断路 器可配备不同的继电器或脱扣器。脱扣器是断路器总体的一个组成部分，而继电 器，则通过与断路器操作机构相连的欠电压脱扣器、分励脱器来控制断路器。低 压断路器一般由脱扣器来完成其保护功能。 标明低压断路器电流特性的参数很多，容易混淆不清。在设计文件中，常常在标 明断路器的电流值时，不说明电流值的意义，给定货造成混乱。要完整准确的选 择断路器，清楚地标定断路器的各个电流参数是必要的。 1 断路器的额定电流参数 国标《低压开关设备和控制设备 低压断路器》GBl4048.2—94(等效采用 IEC947 —2)对断路器的额定电流使用两个概念，断路器的额定电流 1n 和断路器壳架等 级额定电流 1nm，并给出如下定义： ——断路器的额定电流 1n，是指脱扣器能长期通过的电流，也就是脱扣器额定 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。 ——断路器壳架等级额定电流 lnm，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。 国标 GBl4048.2—94 中对断路器额定电流的定义与我们通常所说的概念有些不 同。当我们提及“断路器额定电流”这一概念时，通常是指“断路器壳架等级额 定电流”而不是“脱扣器额定电流”。例如当我们选择一只 DZ20Y—100／3300 —80A 型断路器时， 通常我们简单地说其额定电流为 100A，脱扣器的额定电流为 80A。多数低压断路器供应商所提供的产品资料中，也一般不提“断路器壳架等 级额定电流”这一复杂的说法，而只给出“断路器额定电流”这一参数，其实就 是“断路器额定电流”作为“断路器壳架等级额定电流”的一种简称，似乎较为 合适。也许标准中对额定电流的定义与平时使用的不一致是导致混乱的原因之 一。 “断路器壳架等级额定电流” 是标明断路器的框架通流能力的参数，主要由主触 头的通流能力决定， 它也决定了所能安装的脱扣器的最大额定电流值。在选择断 路器时，此参数是不可缺少的。 2 过电流脱扣器的电流参数 断路器的脱扣器型式有过电流脱扣器、欠电压脱扣器、分励脱扣器等。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。 过电流脱扣器最为常用。 过电流脱扣器其动作电流整定值可以是固定的或是可调的， 调节时通常利用旋钮 或是调节杠杆。电磁式过流脱扣器既可以是固定的，也可以是可调的，而电子式 过流脱扣器通常总是可调的。 过电流脱扣器按安装方式又可分为固定安装式或模块化安装式。 固定安装式脱扣 器和断路器壳体加工为一体，一旦出厂，其脱扣器额定电流不可调节，如 DZ20 型； 而模块化安装式脱扣作为断路器的一个安装模块， 可随时调换， 灵活性很强， 如 MerlinGerin 公司的 NS 型。 标明过电流脱扣器的电流有以下几个参数： ——脱扣器额定电流 1n，指脱扣器能长期通过的最大电流。 ——长延时过载脱扣器动作电流整定值 Ir，固定式脱扣器其 1r=In，可调式脱扣 器其 Ir 为脱扣器额定电流 1n 的倍数，如 1r=0.4～1×1n。 ——短延时电磁脱扣器动作电流整定值 Im，为过载脱扣器动作电流整定值 Ir 的 倍数，倍数固定或可调，如 Im=2～10×Ir。对不可调式可在其中选择一适当的 整定值。 ——瞬时电磁脱扣器动作电流额定值 Im′，为脱扣器额定电流 In 的倍数，倍数 固定或可调，如 Im′=1.5～11×In。对不可调式可在其中选择一适当的整定值。 3 断路器的短路特性电流参数 3.1 额定短路分断能力 Icn 断路器的额定短路分断能力 Icn 应采用 Icu、Ics 表示，在具体产品标准中确定。 3.2 额定极限短路分断能力 Icu 额定极限短路分断能力 Icu 是断路器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。要按规定的试验程序 o—t—c o 动作之后，不考虑断路器继续承载它的额定电流。 o—表示分断操作； co—表示接通操作后紧接着分断操作； t—表示两个相继操作之间的时间间隔，一般不小于 3min。 3.3 额定运行短路分断能力 Ics 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。在按 规定的试验程序 o—t—co—t—co 动作之后， 断路器应有继续承载它的额定电流 的能力。 对于额定短路分断能力大于 1500A 的小型断路器，国标《家用及类似场所用断路 器》GBl0963(等效采用 IECB98)规定应进行额定极限短路分断能力 Icu 和额定运 行短路分断能力 Ics 试验。当 Icu≤6000A 时，Icu=Ics，故只需作 Ics 试验。所 以标明短路分断能力为 4500A、6000A 的小型断路器，其 Icu=Ics=Icn，故一般 只提及其额定短路分断能力 Icn 值。 3.4 额定短时耐受电流 Icw 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间承受的电流值。 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。 4 标定断路器的电流参数 断路器的短路电流参数 Icu、Ics、Icw 在选定断路器时需考虑，断路器型号和壳 架等级额定电流 Inm 选定后就已确定，故不需另外标明；而断路器的额定电流参 数和所选脱扣器的电流参数需根据实际情况标明清楚。 4.1 小型断路器 MCB(Miniature CircuitBreaker) 对于将塑壳和过电流脱扣器加工为一体的小型断路器 MCB 而言，如 MerlinGerin 公司的 C45N 系列、ABB 公司的 S230 系列、奇胜公司的 E4CB 系列、国产 DZXl9 系列等，一般产品资料中只提供“断路器额定电流”一个值，此参数具有断路器 壳架等级额定电流 Inm、脱扣器额定电流 In、长延时过载脱器动作电流整定值 I r 三重含义，也即 Inm=In=Ir，而瞬时电磁脱扣器动作电流额定值 Im′一般为固 定值。因此在选择小型断路器时，只需给出一个电流值即可，不会产生歧义。 4.2 塑壳式断路器 MCCB(MouldedCaseCircult—Breaker) 塑壳式断路器产品种类繁多，标定其电流比较复杂。如国产 DZ20 系列、ABB 公 司的 SACEModul 系列、MerlinGerin 公司的 CompactNS 系列均为常用的塑壳式断 路器。 当断路器配装固定式的过流脱扣器时，脱扣器额定电流 In 和长延时过载脱扣器 动作电流整定值 Ir 相同，即 In=Ir，如 DZ20 系列、TC 系列、H 系列断路器属此 种情况。此时需要标定两个电流值，断路器壳架等级额定电流 Inm、脱扣器额定 电流 In(或长延时过载脱扣器动作电流整定值 Ir)。瞬时脱扣器动作电流整定值 Im′为固定值，一般不需标明。 当断路器配装可调模块式的过流脱扣器时，脱扣器的各个电流均需明确标定，首 先标明断路器壳架等级额定电流 Inm，然后标明所选择的脱扣器型号和脱扣器的 各个电流整定值。 如当选择 MerlinGerin 公司的 CompactNS 系列断路器时，需给 出如下完整参数。 NSl00H 型， Imm=100A， 配 STR22SE—40A 型电子脱扣器， In=40A， Ir=0.8In(32A)， Im=5Ir (160a)，Im′≤11In(固定值)。 4.3 框架式断路器 ACB(AirCircuitBreaker) 框架式断路器功能完善，多配装可调模块式过流脱扣器，如较 ME、DWl5、DWXl5 型、MerlinGerin 公司的 Masterpact 系列、ABB 公司的 ASCE－Megamax－F 系列 等。标注电流参数时，首先标明断路器壳架等级额定电流 Inm，然后标明选择脱 扣器和脱扣器的各个电流整定值。 断路器一般具有两个反映断路器短路分断能力的参数：其一是额定极限短路分断能力（以 下简称极限分断能力）Icu，其试验顺序是 o-t-co(o 表示分断操作，co 表示接通操作后紧接着 分断操作，t 表示时间间隔，一般为 3min)，在按规定的试验顺序动作后，不考虑断路器继续承 载它的额定电流；其二是额定运行短路分断能力（以下简称运行分断能力）Ics，其试验操作顺 序是 o-t-co-t-co，在按规定的试验顺序动作后，需考虑断路器继续承载它的额定电流。 断路器设计选型中应采用哪一个参数，规范中没有明确的规定，各种手册也没有明确的说 法。大多数手册指出：断路器的额定短路通断能力等于或大于线路中可能出现的最大短路电流， 一般按有效值计算。 具体是极限分断能力还是运行分断能力没有说明。 只有个别手册指明采用极 限分断能力，但是我认为，对于低压进线断路器应采用运行分断能力，理由如下： 1.1 从可靠性方面考虑 采用运行分断能力选择断路器，在断路器开短路电流后，还可以保证断路器承受它的额定 电流，减少断路器出故障的可能性，从而可以提高断路器运行的可靠性。 1.2 从可行性方面考虑 对于新型断路器，运行分断能力一般都较大，都能满足短路电流的要求。表 1 列出了几种 有代表性的新型断路器的运行分断能力。 表1 变压器容量 KVA 400 630 800 1250 1600 2000 变压器额定电流 A 610 960 1200 1900 2432 3040 变压器电路电压 4 4 4.5 4.5 4.5 4 短路电流有效值 KA 13.7 21 23.5 35.2 43.5 66.88 50／ ME 30 50 50／ 50 50／ 50 50／ 80 80／ 80／80 50／ CB11 50 50 50／ 50 50／ 65 65／ 65 65／ 65／65 130／ M Ics/Icw KA DZ20 － － 65 ／65 130 65 130／ 75 130／ 75 130／ 75 130／ 25／ 38／ 38／－ － － － 50／ TM30 75／8 15 15 50／ 25 50／ － － 150／ NS（C） － ／15 150 15 150／ － － － 表中短路电流有效值指变压器 10KV 侧短路容量按 150－200MVA 考虑，在距变压器低 压出线m 母线处发生金属性短路时的短路电流。 CB11 是长征电气十一厂近年推出的框架式 断路器，TM30 是天津低压开关厂最近推出的塑壳式断路器，M、NS（C）为梅兰日兰公司产品。 表中所列的 Ics 和 Icw(短时耐受电流)数值均为各系列断路器中满足变压器容量要求的相应壳架 电流等级断路器的数值。 从表 1 可以看出，对框架式断路器,除 CB11 当变压器为 2000KVA 时，其运行分断能力 略显不足外，其他断路器都能满足要求；对于塑壳式断路器，只要容量满足要求，分断能力一般 没有问题。 对于老型断路器，厂家没有提供运行分断能力这一参数，只有极限分断能力。设计选型中 可按 Ics=Icu50%考虑。这样选择，当断路器的额定电流合适时，其运行分断能力往往不够， 需通过提高断路器的壳架电流等级来满足分断能力的要求。例如对于 800KVA 的变压器，查表 1 可知其额定电流为 1200A，短路电流为 23.5kA，按额定电流可选 DW15－1500 型断路器， 其极限分断能力为 40kA，若按极限分断能力选择，它满足要求；若按运行分断能力选择，则不 满足要求， 需选择更大壳架电流等级的断路器。 如 DW15－2500 型， 其极限分断能力为 60KA。 所以，对于老型断路器，按运行分断能力选择也是可行的。 1.3 从经济性方面考虑 对于老型断路器，按运行分断能力选择，一般需提高断路器的壳架电流等级，以满足分断 能力的要求；对于新型断路器，虽然其运行分断能力较高，一般不需为满足分断能力的要求而提 高断路器壳架电流等级， 但是其价格比同电流等级的老型断路器高。 所以按运行分断能力选择断 路器，一般投资会有所增加。 但是，由于低进线断路器所需数量较少，其引起的投资增加在整个工程投资中所占比例很 小， 而且它的重要性又较高， 它的故障或误动都将造成较大面积的停电， 给生产和生活带来不便， 甚至造成较大经济损失。 所以， 为低压进线断路器的可靠运行增加一点投资， 在经济上是合理的。 另外，新型断路器取代老型断路器是一种必然趋势。当它完全取代老型断路器后，按运行 分断能力选择断路器，将不再存在投资增加问题。到那时，按运行分断能力选择断路器将成为一 种必然的选择。