低压配电系统熔断器保护计算机程序设计毕业论文.doc

低压配电系统熔断器保护计算机程序设计 摘要 在电力系统飞速发展的当代 为了保证供电系统运行的安全性 可靠性 经济性 大大降低供电系统在运行中可能出现的各种故障和不正常运行状态 在供电系统中安装 各种不同类型的电器保护装置是十分必要的 其中熔断器保护就是其中一种比较重要的 保护 所以对熔断器保护的研究也是有着很大的理论和实际意义的 论文首先介绍了低压配电系统熔断器保护的基本概念和相关原理 接着介绍了关于 熔断器的选型和校验等方面的详细计算过程 在此基础上 论文叙述了低压配电系统熔 断器保护计算机程序设计的问题 再根据计算原理给出了设计流程 并用 VC 语言对上 述原理进行了编程 利用编写的计算程序进行实例计算 通过实例验证程序的正确性 实用性 同时也将手工计算的结果与其进行比较 实例计算初步表明 论文讨论的熔断 器保护程序设计流程和程序代码基本可行 关键词关键词 低压配电系统 熔断器保护 计算机程序设计 The Systematic Fuse Box of The Low voltage Distribution Protects Computer Programming ABSTRACT Contemporary ones that developed at full speed in the power system in order to guarantee security dependability economy that the electric power system operates reduce various troubles and abnormal operation states that the electric power system may appear in operating greatly it is very essential to install the electric apparatuses protectors of different types in the electric power system among them it is one of these kind of more important protection that the fuse box is protected So there are a very great theory and actual meaning in the research that the fuse box protects The thesis has introduced basic conception and relevant principles that the systematic fuse box of the low voltage distribution protects at first detailed computational process in respects such as selecting type and check up about the fuse box etc that then has recommended On this basis the thesis has narrated the question of protecting computer programming of systematic fuse box of the low voltage distribution and then according to calculating the principle provides the procedure of designing and has carried on programming to principle described above in VC language Utilize the calculation procedure written to calculate the embodiment verify the exactness practicability of the procedure through the embodiment Compare instead of going on the result that calculates by hand at the same time Embodiment calculate indicate fuse box that thesis discuss protect procedure of designing program and procedure code basically feasible tentatively Key Words The systematic fuse box of the low voltage distribution protects computer programming 目 录 摘要 ABSTRACT 第一章 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 熔断器保护的现状 1 1 3 本论文的主要工作 3 第二章 低压配电熔断器保护基础 4 2 1 引言 4 2 2 熔断器简介 4 2 2 1 熔断器的用途和工作原理 4 2 2 2 熔断器的种类与型号 5 2 2 3 熔断器保护的特点 5 2 2 4 熔断器的主要特性参数 6 2 3 供电系统保护基础 8 第三章 熔断器保护计算 11 3 1 时间 电流特性的计算 11 3 1 1 从起始温度到熔化点的时间的计算 11 3 1 2 熔化期间的时间计算 12 3 1 3 从金属完全熔化到汽化电的时间计算 13 3 1 4 汽化时间计算 14 3 1 5 弧前焦耳积分 14 3 2 熔断器电弧电压计算 15 3 3 熔断器的选择计算与校验 19 3 3 1 熔断器熔体电流的选择 19 3 3 2 熔断器保护灵敏度的检验 23 3 3 3 熔断器的选择与校验 23 3 3 4 前后熔断器之间的选择性配合 24 3 4 计算实例 26 第四章 熔断器保护程序设计 28 4 1 引言 28 4 2 程序设计流程 29 4 3 程序设计 31 4 4 程序实例 34 第五章结语 36 参考文献 37 附录 38 致谢 39 第一章 绪论 1 11 1 引言引言 随着国民经济的不断发展 电力资源的日益紧缺 一个安全 可靠 经济实用的供 电系统也成为了人们目前迫切的需要 由于过负荷和短路引起的过电流频繁影响供电系 统的安全运行 供电系统对过电流保护的要求也变得越来越高 同时也被系统设计人员 普遍关注 供电系统在运行中可能出现各种故障和不正常运行状态 它们可能会使得系 统或其中一部分的正常工作遭到破坏 并造成对用户少送电或电能质量变坏到不能容许 的程度 甚至造成人身伤亡和电气设备损坏 随着社会的进步经济的发展 社会对电力 需求不断的增加 加速了供电系统的迅速发展 系统结构的日趋复杂化 同时使得供电 系统的安全运行受到极大威胁 故障和不正常运行状态会频繁的影响供电系统的正常运 行 熔断器保护也是一个非常重要的保护之一 熔断器是现代电力 电子通信设备中不 可缺少的保护元件 随着科学技术进步 设备系统的容量不断增大 电路的保护要求越 来越高 要求熔断器能在电路出现任何短路故障时 均能准确 快速 可靠地切断 确 保电路和设备的安全 快速熔断器的出现更是满足了技术拓展 设备更新 电路改进与 发展的需要 它具有功率损耗小 熔断速度快 特性稳定 体积小 工艺先进等优点 是现代电力 电子通信设备设计中安全保护首选器件 我们必须掌握其参数 特性 更 好地在实际工作中灵活采用 为了提高熔断器保护计算的自动化程度和工作效率 开发 相关的应用程序已势在必行 采用计算机程序解算熔断器保护计算问题不仅能够保证计 算结果有更高的精确性 可靠度 而且能够大大提高计算速度 这也正是本课题程序设 计所要继续追求的目标 应用计算机进行各项计算已经成是电力系统发展的方向 本课 题计划开发的熔断器的选型和校验的计算程序 正是通过将熔断器保护的理论计算方法 与计算机编程相结合 实现熔断器保护计算的简化 解决以往繁琐的问题 而且我将通 过实例证明本程序的确能够方便的解决这一问题 1 21 2 熔断器保护的现状熔断器保护的现状 低压配电系统中熔断器是起安全保护作用的一种电器 熔断器广泛应用于 电网保护和用电设备保护 当电网或用电设备发生短路故障或过载时 可自动切断电路 避免电器设备损坏 防止事故蔓延 熔断器由绝缘底座 或支持件 触头 熔体等组成 熔体是熔断器的主要工作部分 熔体相当于串联在电路中的一段特殊的导线 当电路发生短路或过载时 电流过大 熔体 因过热而熔化 从而切断电路 熔体常做成丝状 栅状或片状 熔体材料具有相对熔点 低 特性稳定 易于熔断的特点 一般采用铅锡合金 镀银铜片 锌 银等金属 在熔体熔断切断电路的过程中会产生电弧 为了安全有效地熄灭电弧 一般均将熔 体安装在熔断器壳体内 采取措施 快速熄灭电弧 熔断器具有结构简单 使用方便 价格低廉等优点 在低压系统中广泛被应用 熔断器作用 在电路中主要起短路保护 由熔体和安装熔体的熔管或熔座等部分组成 1 电流保护形式 过载延时保护 短路瞬时保护 过载一般是指l 5倍额定电流以下的 过电流 短路则是指超过几倍额定电流以上的过电流 2 熔体 既是感测元件又是执行元件 安装在被保护的电路中 熔体是有低熔点的金属 材料 铅 锡 铜 银及其合金 丝状 带壮 片壮 3 熔管 安装熔体 熔断器对中国而言是一项外来技术 在1980年代以前 经历了30年的全面仿苏生产期 中国的熔断器产业普遍兴起 从无到有的形成了全国布局和系列化产品阵容 但技术标准 滞后 生产水平一般 产业基础薄弱 1980 1995年是15年左右的新旧交替时期 改革开放 后欧美熔断器随国外设备的引进而大量涌入 促动中国熔断器开始了新一轮渐进式改型换 代 1996年至今 德国西门子公司 德国EFEN公司 BUSSMANN FERRAZ等大型专业熔断器 制造商都已进入中国市场 中国要想有自己的熔断器研究生产体系还是要经过很大的努 力 在研究过程中需要用计算程序化 计算程序化可以节约提高计算速度 计算机计算 的速度是人工计算的速度的几十倍以上 从而将设计人员从繁琐的计算的中解脱出来 大大提高效率 目前随着供电系统的不断发展和结构的日益复杂化 熔断器保护计算也 变得 日益复杂化 工作量极大增加 为了提高线路保护计算的自动化程度和工作效率 迫切 需要开发相关的应用程序 例如在熔断器保护计算中 由于零序电流保护的结构 工作 原理简单 动作迅速 保护范围稳定 受过渡电阻影响较小 因此被广泛的应用 但零 序电流整定计算复杂 给整定工作提出了更高要求 现有零序电流整定计算方法计算量 大 计算耗时 为了提高整定计算速度和计算效率 减少数据处理的复杂性 因此在现有零 序电流整定方法的基础上 进一步研究优化线路零序电流整定计算方法措施 以减少整定 计算的工作量及整定计算的盲目性 增加对整定计算程序开发的实用性 相比传统手工 计算的速度和效率都将大大提高 总而言之 电子计算机在熔断器选型和校验计算方面的广泛应用 给快速进行熔断 器计算 设计 方案比较和选择最佳方案提供了方便的条件 这种趋势正在进一步地转 化成现实 相信在不久的将来 计算机技术将得到更普遍的应用 我们也将从中受益匪 浅 1 31 3 本论文的主要工作本论文的主要工作 本课题的主要任务是对低压配电系统熔断器保护计算进行程序化 本课题是在很好 的掌握低压配电系统熔断器保护的相关知识的情况下 对熔断器的选型和校验等用程序 来进行计算 传统的计算方法过程冗长 工作量大 容易出错 而在熟练掌握计算流程 之后 用通用性强的程序语言实现 具有准确性好 可靠性高的特点 本文介绍了低压配电系统熔断器保护方面的基础知识 然后详细介绍了根据已知的 参数对熔断器进行选型和校验计算过程 并对该计算的程序设计问题进行了详细的讨论 研究 本文的主要工作如下 1 形成低压配电系统熔断器保护计算的手工计算过程 2 将手工计算过程用流程图形式表示出来 3 结合计算实例完成低压配电系统熔断器保护计算的程序设计流程图 4 编制计算 C 程序 并进行调试 5 对低压配电系统熔断器保护进行实例计算 本程序设计将采用Visual C 6 0进行程序编辑 通过论文中选用的计算方法进行低压 配电系统熔断器保护的相关计算 第二章 低压配电熔断器保护基础 2 12 1 引言引言 保护电器在低压配电系统中占有重要地位 在配电线路发生故障时切断故障电路的 器件主要是低压熔断器和低压断路器 如果设计中整定不正确 将导致不能在要求的时 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 为了正确选择和整定电器参数 首先要了解保护电器的主要性能 同时要熟知国家 标准 低压配电设计规范 GB 50054 95 的有关规定 从而进一步知道按照配电 系统的状况和计算的故障电流值 短路电流和接地故障电流等 正确整定保护电器的参 数 以保证满足上述规范的规定 即在规定的时间之内可靠切断故障 或发出报警 同 时要求有选择地切断故障 即只切断发生故障的一段电路 而不切断上级配电线路 配电系统中使用的熔断器应符合国家标准 低压熔断器第 部 基本要求 GB 13539 1 2002 等同采用 IEC 60269 1 1998 和 低压熔断器 第 2 部分 专职人员 使用的熔断器的补充要求 GB T 13539 2 2002 等同采用 TEC60269 2 之 1995 年 1 号及 2001 年 2 号修正件 低压熔断器 第 2 部分 专职人员使用的熔断器的补充要求 第 1 5 篇 标准化熔断器示例 GB T 13539 6 2002 等同采用 IEC 60269 2 1 2000 2 22 2 熔断器简介熔断器简介 2 2 1 熔断器的用途和工作原理 熔断器是当电流超过规定值一定时间后 以它本身产生的热量使熔体熔化而分断电 路的保护电器 他是集感应 比较与执行与一体的最简单且性能优异的保护电器 在低 压配电线路中作短路和过载保护之用 当电网或用电设备发生过载或短路时 它能自身 熔化分断电路 避免由于过电流的热效应及电动力引起对电网和用电设备的损坏 并组 织事故蔓延 熔断器的最大特点是结构简单 体积小 重量轻 使用维护方便 价格低廉 具有 很大的经济意义 又由于它的可靠性高 故无论在强电系统或弱电系统中都 获得广泛应用 熔断器是一种结构简单 使用方便 价格低廉的保护电器 他主要由熔体和安熔体 的导电零件组成 此外还有绝缘座和绝缘管等 使用时 熔体与被保护的电路串联 当 电路为正常负载电流时 熔体的温度较低 如果电路中发生过载或短路故障时 电路电 流增大 熔体发热 当熔体温度升高到熔点时 便自行熔断 分断故障电路 达到保护 电路和设备的目的 2 2 2 熔断器的种类与型号 熔断器的结构可以分为开启式 半封闭式和封闭式三大类 封闭式又分为无填料管 式 有填料管式和有填料螺旋式等 具体型号是 RM 系列为无填料封闭管式 RL1 系列 为有填料螺旋式 RT 系列为有填料封闭管式 RC 系列为半封闭管插入式 RS 系列为快速 熔断器 熔断器型号大体上由 7 部分组成 1 2 3 4 5 6 7 1 名称 用一个拼音字母表示 R 代表熔断器 2 型式 用一个拼音字母表示 C 磁插式 M 无填料管式 T 有填料密封管式 L 螺旋式 S 快速熔断式 Z 自复式 3 设计代号 用 1 至 2 位数表示 4 派生代号 用一个字母表示 5 熔断器 底座或管 的额定电流 单位 A 对 RS 系列为额定电压 V 6 熔体额定电流 A 对 RM 系列为额定电压 对 RT 系列为接线方式 Q 底座 板前接线 H 板后接线 M 母线式 C 插入式 7 对 RT0 系列为熔体额定电流 例如 RM10 600 表示额定电流 600A 设计序号为 10 的无填料封闭管式熔断器 2 2 3 熔断器保护的特点 1 除自复式熔断器外 所有熔断器都是靠熔体熔断 熔体被破坏 来起保护作用 的 因此 熔体熔断后无法重复使用 必须更换熔体才能再次投入使用 更换熔体需要 时间 有些情况下这部利于及时恢复用电 2 熔断器靠电流热效应工作 而熔体的热量与通过熔体电流的平方级及持 续时间成正比 所以熔断时间的长短与熔断电流的大小呈反时限特性 即电流超过熔体 额定电流的倍数越大 熔断地越快 流过短路电流时 立即爆断 而运行电流值等于熔 体额定电流时 熔体不会熔断 3 由于熔体制造工艺及周围散热条件出入较大 用熔断器作为严格的过载保护比 较困难 当然用于电阻性负载不很严格的过载还是可以的 但它更胜任短路保护 用熔 断器和热继电器配合使用时 熔断器作为短路保护 热继电器作为过载保护 这是应用 最广泛最合理的饱和方案 由于目前新产品的出现 有些熔断器也能胜任过载保护的任 务了 2 2 4 熔断器的主要特性参数 1 熔断器的基本特性 熔断器的基本特性是时间 电流特性 又称保护特性 它是指熔断器的熔断时间与 流过电流的关系曲线 也称熔断特性或安秒特性 流过熔体的电流越大 熔断时间越短 保护特性曲线是反时限特性曲线 如图 2 1 所示 熔断器可以用来保护电缆 电动机 半导体器件以及其他电气设备 不同的保护对 象 在过载时他们允许的通电时间特性是不同的 图 2 2 示出了他们的过载允许通电时 间的相对特性 为了使熔断器的时间 电流特性与被保护元件的允许通过时间 电流特性相配合 不同用途的熔断器在设计时应使它们的时间 电流特性尽量接近并低于被保护元件允许 的时间 电流特性 时间如图 2 2 中虚线所示 t O IRI 允 许 通 电 时 间 电流 电缆 电动机 半导体 器件 图 2 1 熔断器的保护特性曲线 图 2 2 不同保护对象允许的时间 电流特性 t 熔断时间 I 流过熔断器的电流 2 熔断器的主要技术参数 熔断器除时间 电流特性外 其他主要技术参数有 1 额定电压 额定电压指熔断器分断前能长期承受的电压 2 额定电流 额定电流指熔断器在长期工作制下 各部件温升不超过规定值时所能 承载的电流 3 额定短路分断能力 熔断器在规定的使用条件 线路压力 功率因数或时间常数 下 熔断器所能分断 的预期电流 对交流而言为有效值 熔断器按分断电流的情况 可分为限流式和非限流式两大类 当电路发生短路时 电路 阻抗主要为电感阻抗 故短路电流的增长均有一个暂态过程 所谓非限流熔断器是指短 路电流达到最大值后才将电路分断的熔断器 图 2 3 b 所示为非限流熔断器分断直流 电路时的电流和电压波形 极限分断能力以电流最大值表示 图 2 3 a 所示为非限流 熔断器分断交流电路时的电流和电压波形 电流波形中的暂态分量已经消失 电弧在电 流过零瞬间熄灭 则分断能力以稳态分量幅值或有效值表示 限流的熔断器在短路电流 还未达到最大值时 就将电流分断 如图 2 4 a 和 b 所示 图中实线表示实际分断 电流曲线 虚线表示预期短路电流曲线 实际分断电流小于预期短路电流的最大值 预 期短路电流是指用一个阻抗可以忽略不计的导线代替电路时 电路内可能流过的短路电 流 有限流 i a 交流电路 2500A 220V 510V b 直接电路 图 2 3 非限流熔断器的开断过程 作用的熔断器 其分断能力在直流电路中庸预期短路电流最大值表示 在交流电路中用 预期短路电流第一个波峰的幅值表示 也称预期短路电流峰值 i 250A u a 交流电路 i1400A 2000A 800V110V u b 直流电路 图 2 4 限流熔断器的开断过程 4 截断电流特性 截断电流特性是指在规定的使用条件下 表示截断电流与预期电流的关系特性 在 交流情况下 截断电流值是任何非对称情况下所能达到的最大值 在直流情况下截断电 压是指在规定的时间常数情况下所能达到的最大值 5 弧前 弧前焦耳积分 熔断 熔断焦耳积分 2 I t 2 I t 表示被熔断器所保护的电路中的 1电阻上所释放的焦耳能 2 I t 2 32 3 供电系统保护基础供电系统保护基础 供电系统要求正常地不间断地对用电负荷供电 以保证生产和生活的正常进行 因 此供电系统必须达到以下基本要求 1 安全 在电能的供应 分配和使用中 不应发生人身事故和设备事故 2 可靠 应满足电能用户对供电可靠性即连续供电的要求 3 优质 应满足电能用户对电压和频率等质量的要求 4 经济 供电系统的投资要少 运行费用要低 并尽可能地节约电能和减少有色 金属耗量 然而由于各种原因 系统在运行中也难免会出现各种各样的故障和不正常运行状态 线路故障供电系统中电气设备最为严重的故障之一 大多数线路故障都是过负荷和各种 短路 包括相间短路和接地短路 引起的过电流故障 其中短路故障是最常见的 短路 是指不同电位的导电部分包括导电部分对地之间的低阻性短接 在系统短路后 会出现 比正常电流大得多的短路电流 并且会产生很大的电动力和很高的温度 而使故障元件 和短路电路中的其他元件受到损害和破坏 甚至引发火灾事故 同时电路的电压骤降 也会严重影响电气设备的正常运行等等 由此可见 短路的后果是十分严重的 因此必 须尽力设法消除可能引起短路的一切因素 在电气故障情况下 为防止因间接接触带电体而导致人身电击 因线路故障导致过 热造成损坏 甚至导致电气火灾 低压配电线路按 GB50054 1995 低压配电设计规范 要求装设短路保护 过负载保护和接地故障保护 用以分断故障电流或发出故障报警信 号 短路保护一般要求保护电器应在短路电流对导体和连接件产生的热效应和机械力造 成危害之前分断该短路电流 过负载保护要求保护电器应在过负载电流引起的导体升温 对导体的绝缘 接头 端子或导体周围的物质造成损害之前分断该过负载电流 同时对 于突然断电比过负载造成的损失更大的线路 其过负载保护应作用于信号而不应作用于 切断电路 接地故障保护要求当发生带电导体与外露可导电部分 装置外可导电部分 PE 线 PEN 线 大地等之间的接地故障时 保护电器必须自动切断该故障电路 以防止 人身间接电击 电气火灾等事故 接地故障保护电器的选择应根据配电系统的接地型式 电气设备使特点及导体截面等确定 低压配电线路上下级保护电器的动作应具有选择性 各级之间应能协调配合 要求在故障时 靠近故障点的保护电器动作 断开故障电路 使停电范围最小 但对于非重要负荷 允许无选择性切断 供电系统对保护装置的基本要求 1 选择性 当供电系统发生故障时 只离故障点最近的保护装置动作 切除故障 而供电系统的其他部分仍然正常运行 保护装置满足这一点要求的动作 称为 选择性 动作 如果供电系统发生故障时 靠近故障点的保护装置不动作 拒动 而离故障点 远的前一级保护装置动作 越级动作 就称为 失去选择性 2 速动性 为了防止故障扩大 减轻其危害程度 并提高电力系统运行的稳定性 因此在系统发生故障时 保护装置应尽快地动作 切除故障 3 可靠性 保护装置在应该动作时 就应该动作 不应该拒动 而不应该动作时 就不应该误动 保护装置的可靠程度 与保护装置的元件质量 接线方案以及安装 整 定和运行维护等多种因素有关 4 灵敏度 灵敏度 sensitivity 或灵敏系数是表征保护装置对其保护区内故 障和不正常工作状态反应能力的一个参数 如果保护装置对其保护区内极轻微的故障都 能及时地反应动作 就说明保护装置的灵敏度高 过电流保护的灵敏度或灵敏系数 用其保护区内在电力系统为最小运行方式时的最 小短路电流与保护装置一次动作电流 即保护装置动作电流换算到一次电路的值 的比 值来表示 第三章 熔断器保护计算 3 13 1 时间时间 电流特性的计算电流特性的计算 熔断器熔体通电后的物理过程分为几个阶段 如图 3 1 所示 y ro q O 熔化 汽 化 a t 0 t b t v t rh t t 电弧 图 3 1 熔体的熔化过程 从起始温度到熔化点的时间 熔化时间 从完全熔化到汽化点的时间 a t 0 t b t 汽化时间 燃弧时间 v t rh t 3 1 1 从起始温度到熔化点的时间的计算 短路与过载的情况稍有不同 电路过载时 升温过程较长 散热不可忽略 电路投 入的电能等于熔体升温吸收的热能和同一时间间隔内散失的热能之和 即 3 1 2 s i RdtCV dPdt 式中 i 电流 A R 熔体电阻 C 熔体比热容 Jkg K V 熔体体积 V 熔体密度 3 kg m 电源功率 W s P 短路时升温时间很短 可以不计散热 按绝热情况处理 熔体的温升对时间 t 的变 化可以用下式表示 3 2 C Vdi Rdt 2 把熔体的体积和电阻用熔体的长度 l 截面积 A 和电阻率来表示 上式可写成 3 2 l CAl didt A 3 移相整理后 可写成 3 22 C Adi dt 4 电阻率与温升的关系为 3 1 q 5 式中 起始温度下熔体材料的电阻率 q m 熔体材料的电阻温度系数 若略去比热容对温度的微量变化 将式 3 5 代入式 3 4 并积分 可得 3 0 2 222 01 00 1 a t q CA C i dtAdInA K 6 式中 10 1 q C KIn 达到熔点时的温升 0 若已知熔体材料的有关参数和熔点 并知道电流 i 的变化 就可计算出从起始温 0 度到熔化温度的时间 q 0 a t 3 1 2 熔化期间的时间计算 设 h 为熔体材料单位体积 单位时间内的熔化潜热 故短路熔化时有如下关 系式 3 0 2 0 t hVi Rdt 7 3 0 2 0 t l h lAi dt A 8 由于金属在熔化温度时 液态金属的电阻率要比固态金属的电阻率大得多 计算时取熔 化期间的平均电阻率为 0 3 0 12 2 11 9 式中 熔化温度时固态金属的电阻率 1 m 熔化温度时液态金属的电阻率 2 m 熔体全部熔化时 式 3 8 可写成 3 0 2 22 2 0 0 t A h i dtk A 10 式中 2 0 h k 可根据上式计算出熔化时间 0 t 3 1 3 从金属完全熔化到汽化电的时间计算 短路时 熔体虽已化成液态 由于时间很短 可以认为仍然保持原有状态 因此 电流流过时对它继续加热 同时熔体的电阻率按液态呈线性变形 即 2 3 2 1 11 式中 液态金属的电阻温度系数 将式 3 11 代入 3 4 可得到一个与式 3 6 相同形式的解 3 2 22 3 0 2 1 b t v A C i dtInA K 12 式中 3 2 1 v C KIn 汽化温度与熔化温度之差 v 0vv C 3 1 4 汽化时间计算 汽化时间系指由液体转化为气体的时间 这个过程要吸收一定的汽化潜热 汽化时 间难以计算 但也可以得到与上面类似的结果 即 3 22 4 0 v t i dtA k 13 式中 系数 4 k 3 1 5 弧前焦耳积分 熔体的弧前焦耳积分应为上述出现电弧以前几部分之和 即 2 I t 2 i dt 3 22 1234 i dtA kkkk 14 若不计 弧前焦耳积分为 v t 3 1 22222 123 0 t I tI dti dtA kkkA k 15 式中 123 kkkk 10ab tttt 式 3 15 中的 k 值为仅与熔体材料的物理参数有关的常数 A 为熔体的截面积 因 此 在绝热情况下 熔体的弧前焦耳积分仅与熔体的结构尺寸和材料有关 在计算时 铜的 k 值可取为 银可取为 524 10 As mm 524 0 72 10 As mm 上述分析系对均匀截面的熔体 在已知通电电波波形时 可按式 3 15 计算出弧 前时间 由于电流中的非周期分量与电路的合闸相位角 断路时 有关 当然也影响弧前时 间 因此 规定熔断器的弧前时间 电流特性及熔断时间 电流特性中的时间用等效时 间表示 熔断器的熔断时间为弧前时间与燃弧时间之和 E t 3 1 2 0 1 2 t E p i dt t I 16 3 2 2 0 2 2 t E p i dt t I 17 规定上述特性中的电流均用预期电流表示 对交流用有效值 p I 3 23 2 熔断器电弧电压计算熔断器电弧电压计算 熔体熔断切断电路电流时 会出现高于电源电压的过电压 此时电压会导致电路绝缘 破坏 半导体元件损坏等 如果选用更高反向峰值电压的半导体元件 会增加投资费用 因此 过电压峰值不允许超过规定值 u i 0 i O 1 t 2 t t i h u 图 3 2 截流熔断器电流接通与分断过程 图 3 2 为一截流熔断器切断电路时的特性 t 0 时发生短路 时出现截流 截流 1 tt 以后熔断器两端产生电弧电压 时弧熄灭 燃弧时间 h u 2 tt 21rh ttt 短路开始至熔断器切断电路使电流为零的过程 可用叠加原理进行计算 假定短路 电流的 则可以近似地看作电感电路 图 3 3 a 为纯电感电路 电路电流 icos0 1 可看成如图 3 3 b 所示的两独立电路电流和的代数和 即 u i h i 3 uh iii 18 而 u di uL dt h h di uL dt Uhi WL U a i i b 图 3 3 等效电路 式中 熔体熔断后的电弧电压 h u 由式 3 18 得 3 1 h iudtu dt L 19 时 2 tt 3 12 00 0 tt h iudtu dt 20 若短路电流大于额定电流 10 倍以上 燃弧时间 假定为理想情况 燃弧时的电1 rh tms 弧电压为常数 短路瞬间 t 0 发生在电源电压最大值附近 在上述很短时间内 h u m u 可认为电源电压不变 m u 由式 3 20 可知 3 12 1 0 tt h t udtu dt 21 由式 3 21 可知 电弧电压与电源电压之间的关系为 h u m u 11 21 11 h mrh utt uttt 它表明燃弧时间越短 出现的电话电压越高 熔断器的弧前时间内的焦耳积分与熔 断时间内的焦耳的积分的比值越高 出现的电弧电压越高 实际上 电弧电压和电源电压均为变化的 而在截流以后 会出现一个峰值 图 3 4 中的两块影影面积应保持相等 i 0 i O i u O hmax u u t t t 图 3 4 交流开断过程出现的过电压 Hibner 提出了计算等截面熔体电弧过电压峰值的经验公式 根据 maxh u 结果得出以下关系 3 max00 h h l uii A 22 应满足的条件为 2 0 25 2 Li lA 0 50 N iI 式中 电弧电阻率 h m 电弧总长度 mm l A 熔体截面积 2 mm 阶段电流 A 0 i 被石英砂填装的铜或银的单位体积的磁场能量 2 W s mm 额定电流 A N I hl A 若熔断器通以正弦电流 3 2sin p iIt 23 式中 预期电流 p I 对于限流熔断器 值很小时 上式可近似为 2 A k 3 2 p iIt 24 则 3 11 222222 2 1 00 2 2 3 tt pP A ki dtIt dtIt 25 由式 3 24 得 1 1 2 p i t I 代入式 3 25 得 3 1 3iAk 26 式中 时的电流值 A 1 i 1 tt A 熔体截面积 2 mm k 熔体材料的参数 24 As mm 上式应满足条件 1 2 0 2 0 01 t p i dt I T 即 3 2 0 01 2 p A k I 27 式 3 26 中的 恰是过电压表达式中的 截断电流 由式 3 22 3 26 可得 1 i 0 i 出时的电弧电压峰值 1 tt 3 24 max 3 h uA k 28 除应满足式 3 27 条件外 还应满足 243 6 161025 p L A kI l 23 94 pN A kII Wright 与 Beaument 提出了另一种计算电弧电压的方法 3 hi di u tu tLR dt 29 3 hcyzyi un iRuu 30 式中 n 熔体的狭颈数 弧柱电阻 c R 电弧的阳极与阴极的电压降 yzyi uu 因上两式为非线性方程式 采用逐次近似分析方法 可写成 2122121221 222 cc yzyi i R ni R nuuiiii RLuun t 式中 时间起点的电压 电流 电弧电阻 111c uiR t 时间终点的电压 电流 电弧电阻 222c uiR t 如果能知道电弧的阴极 阳极与弧柱电压降 就可以进行计算 因此 次计算方法 的主要问题是如何选取电弧中各部分的电压降值 一般地 其经验值为 阳极与阴极的 电压降取为 17V 弧柱电压降取为 33V 3 33 3 熔断器的选择计算与校验熔断器的选择计算与校验 3 3 1 熔断器熔体电流的选择 一 保护电力线路的熔断器熔体电流的选择 保护电力线路的熔体电流 应满足下列条件 1 额定电流应不小于线路的计算电流 以使熔体在线路正常运行时 N FE I 30 I 不致熔断 即 3 30N FE II 31 2 熔体额定电流还应躲过线路的尖峰电流 即在线路出现正常尖峰电流 如 N FE I pk I 电动机起动电流 时熔体不致熔断 满足的条件为 3 N FEpk IKI 32 式中 K 为小于 1 的计算系数 对供电给一台电动机的线路熔断器来说 K 应根据熔断器的特性和电动机的启动情况 决定 起动时间在 3s 以下 轻载起动 宜取 K 0 25 0 35 起动时间在 3 8s 重载 起动 宜取 K 0 35 0 5 起动时间超过 8s 或频繁起动 反接制动 宜取 K 0 5 0 6 对供电给多台电动机的线路熔断器来说 此系数应视线路上容量最大的一 台电动机的起动情况 线路尖峰电流与计算电流的比值及熔断器的特性而定 取为 K 0 5 1 如果线路尖峰电流与计算电流的比值接近与 1 则可取 K 1 但必须说明 由 于熔断器类型繁多 特性各异 因此上述有关计算系数 K 的统一取值方法 不一定恰当 故 GB50055 1993 通用用电设备配电设计规范 规定 保护交流电动机的熔断器熔体 额定电流 应大于电动机的额定电流 且其安秒特性曲线计及偏差后略高于电动机起动 电流和起动时间的交点 当电动机频繁起动和制动时 熔体的额定电流应再加大 1 2 级 熔断器保护还应与被保护的线路相配合 使之不致发生因过负荷和短路引起绝缘导 线或电缆过热起燃而熔体不熔断的事故 因此还应满足下列条件 3 N FEOLal IKI 33 式中 为绝缘导线和电缆的允许载流量 为绝缘导线和电缆的允许短时过负荷倍 al I OL K 数 如果熔断器只作短路保护时 对明敷绝缘导线 取 1 5 对穿管绝缘导线和电缆 OL K 取 2 5 如果熔断器不只作短路保护 而且要求作过负荷保护时 例如住宅建筑 重 OL K 要仓库和公共建筑中的照明线路 有可能长时间过负荷的动力线路以及在可燃建筑物构 架上明敷的有延燃性外层的绝缘导线线路等 则应取 1 当25A 时则应取 OL K N FE I 0 85 对有爆炸性气体和粉尘的区域内的线路 应取为 0 8 OL K OL K 如果按式 3 31 和式 3 32 两个条件选择的熔体电流不满足式 3 33 的配合 要求 则应改选熔断器的型号规格 或适当加大导线或电缆的芯线截面 二 保护电力变压器的熔断器熔体电流的选择 保护电力变压器的熔断器熔体额定电流 根据经验 应满足下式要求 N EF I 3 1 N EFN T I 1 5 2 0 I 34 式中为变压器的一次绕组额定电流 1N T I 上式考虑了下列三个因素 1 熔体电流要躲过变压器允许的正常过负荷电流 前面讲过 变压器 油浸式 的 正常过负荷可达 20 30 而在事故情况下变压器 含油浸式和干式 允许短路过负荷 更多 但此时熔断器也不应该熔断 2 熔体电流要躲过来自变压器低压侧的电动机引起的尖峰电流 3 熔体电流还要躲过变压器自身的励磁涌流 变压器的励磁涌流 又称空载合闸电 流 是变压器在空载投入时或者在外部故障切除后突然回复电压时所产生的一次电流 当变压器空载投入或突然恢复电压时 由于变压器铁心中的磁通量不能突变 因 此在变压器加上电压的初瞬间 t 0 时 其铁心中磁通量应维持为零 从而与三相电 路突然短路时所发生的物理过程想类似 铁心中将同时产生两个磁通 如图 3 5 所示 一个是符合磁路欧姆定律的周期分量 与短路电路周期分量相当 另一个是符合楞 p p i 次定律的非周期分量 与短路电流非周期分量相当 这两个磁通分量在 t 0 时的 np np i 大小相等 极性相反 使合成磁通量 0 经半个周期 0 01s 后 达到最大值 与 短路冲击电流相当 这时铁心将严重饱和 励磁电流迅速增大 可达变压器额定电流 sh i 的 8 10 倍 形成类似涌浪的电流 因此这一励磁电流称为励磁涌流 1N T I 由图 3 5 可以看出 励磁电流中含有数值很大的非周期分量 而且衰减较慢 与短 路电流非周期分量相比 因此其波形在过渡过程中相当长一段时间内 都偏向时间轴的 一侧 很明显 熔断器的熔体电流如果不躲过励磁涌流 就可能在变压器空载投入时或 电压突然回复时使熔断器熔断 破坏供电系统的正常运行 图 3 5 变压器空载投入时励磁涌流的变化曲线 表 3 1 列出 1000及以下电力变压器配用 RN1 型和 RW4 型熔断器的规格 供选用kv A 时参考 表 3 1 电力变压器配用的熔断器规格 变压器容量 kv A 1001251602002503154005006308001000 6kV9 61215 419 22430 238 44860 576 896 A 1N T I 10 kV 5 87 29 311 614 418 2232936 546 258 6 kV20 2075 3075 4075 5075 75100 1 00 200 150RN1 型 熔断器 N FUN FE II AA 10 kV 20 1520 2050 3050 4050 50100 75100 100 6 kV50 2050 3050 4050 50100 75100 1 00 200 150RW4 型 熔断器 N FUN FE II AA 10 kV 50 1550 2050 3050 4050 50100 75100 100 三 保护电压互感器的熔断器熔体电流的选择 由于电压互感器二次侧的负荷很小 因此保护高压电压互感器的 RN2 型等熔断器的 熔体额定电流一般为 0 5A 3 3 2 熔断器保护灵敏度的检验 为了保证熔断器在其保护区内发生短路故障时可靠地熔断 按规定 熔断器保护的 灵敏度应满足条件 3 mink p N FE I SK I 35 式中 为熔断器保护线路末端在电力系统最小运行方式下的最小短路电流 对 NT 系 mink I 统和 TT 系统为线路末端的单相短路电流或单相接地故障电流 对 IT 系统为线路末端的 亮相短路电流 对保护降压变压器的高压熔断器来说 为低压侧母线的两相短路电流折 算到高压侧之值 为熔断器熔体的额定电流 K 为检验熔断器保护灵敏度的最小比值 N FE I 按 GB50051 1995 低压配电设计规范 规定 如表 3 2 所示 表 3 2 检验熔断器保护灵敏度的最小比值 K 熔体额定电流 A4 1016 3240 6380 200250 500 54 55567 熔断时 间 s 0 4891011 注 表中 K 值是用于符合 IEC 标准的一些新型熔断器如 RT12 RT14 RT15 NT 等型熔断器 对于 老型号熔断器 可取 K 4 7 即近似地按表中熔断时间为 5s 的熔断器取值 3 3 3 熔断器的选择与校验 选择熔断器时应满足下列条件 熔断器的额定电压应不低于保护线路的额定电压 熔断器的额定电流应小于它所安装的的熔体额定电流 熔断器的类型应符合安装条件 户内或户外 及被保护设备对保护的技术要求 熔断器还必须进行短流能力的校验 1 对限流式熔断器 如 RN1 RT0 等 由于它能在短路电流达到冲击值之前完全熄灭 电弧 切除短路故障 因此它只需满足条件 3 3 OC II 36 式中 为熔断器的最大分断电流 为熔断器安装地点的三相次暂态短路电流 OC I 3 I 有效值 在无限大容量系统中 3 3 3 k III 2 对非限流式熔断器 如 RM10 RW4 等 由于它不能在短路电流达到冲击之前切除 短路 应此必须满足条件 3 3 OCsh II 37 式中 为熔断器安装地点的三相短路冲击电流有效值 3 sh I 3 对具有断流能力上下限的熔断器 如 RW4 等跌开式熔断器 其断流能力的上限应 满足以上式 3 37 的条件 而其断流能力的下限应满足条件 3 2 minOCk II 38 式中 为熔断器的最小分断电流 为熔断器保护线路末端的两相短路电流 minOC I 2 k I 为中性点不接地的电力系统而言 3 3 4 前后熔断器之间的选择性配合 前后熔断器之间的选择性配合 就是要求在线路发生故障时 靠近故障点的熔断器 最先熔断 切除故障部分 而使系统的其他部分仍能正常运行 前后熔断器的选择性配合 宜安它们的保护特性曲线 按秒特性曲线 进行校验 如图 3 6 所示配电线路中 假设支线 WL2 的首端 k 点发生三相短路 则三相短路电 流要通过 FU2 和 FU1 但是根据保护选择性的要求 应该是 FU2 的熔点首先熔断 切除 k I 故障线路 WL2 而 FU1 不熔断 干线 WL1 正常运行 但是熔体实际熔断时间与其产品的标 准保护特性曲线所查得的熔断时间可能有的偏差 从最不利的情况考虑 30 50 设 k 点短路时 FU1 的实际熔断时间 比标准保护特性曲线查得的时间大 50 为负偏 1 t 2 t 差 即 而 FU2 的实际熔断时间又比标准特性曲线查得的时间大 50 为正 11 0 5tt 2 t 2 t 偏差 即 这时由图 3b 可以看出 要保证前后熔断器 FU1 和 FU2 的保护选择性 必须满 22 1 5tt 足的条件是 即 因此保证前后熔断器保护选择性的条件为 12 tt 12 0 51 5tt a FU1 的特性 FU2 的特性 b 图 3 6 熔断器保护的选择性配合 3 12 3tt 39 上式说明 在后一熔断器所保护线路的首端发生三相短路时 前一熔断器根据其产 品保护特性曲线得到的熔断时间 至少应为后一熔断器根据其产品保护特性曲线得到的 熔断时间的 3 倍 才能确保前后两熔断器动作的选择性 如果不满 足这一要求时 则应将前一熔断器的熔体电流提高 1 2 级 再进行校验 如果不用熔断器的保护特性曲线来检验选择性 则一般只有前一熔断器的熔体电流 大于后一熔断器的熔体电力 2 3 级以上 才有可能保证动作的选择性 3 43 4 计算实例计算实例 例 3 1 有一台 Y 型电动机 其额定电压为 380V 额定容量为 18 5kW 额定电流为 35 5A 起动电流倍数为 7 现拟采用 BLV 型导线穿焊接钢管敷设 该电动机采用 RT0 型 熔断器