低压熔断路器和断路器的比较和应用.doc

毕 业 论 文 第 14 页 共 13页1. 引言“都什么年代了，还使用熔断器！”“熔断器已经过时了！”这话似乎很有道理，但又是一个实际面对的技术问题。真的，近十多年来，无论是工业建筑、民用建筑和户外装置的低压配电系统设计中，使用低压熔断器越来越少，大多数甚至千篇一律地使用低压断路器；与之相对应的是低压配电箱中装设熔断器的也大大减少。在低压配电系统保护电器的应用中，笔者认为这是一个不正确的或不全面的认识。因此，有必要对熔断器和断路器（以下均指低压）进行一些比较和分析，以能更正确、合理地选用这两种保护电器。2. 配电线路保护和保护电器的发展2.1 配电线路保护要求低压配电线路，为了防护在发生故障（如过载、短路和接地故障）时危及人身安全（间接接触导致的电击），或是线路过热而导致损坏甚至引起电气火灾，配电线路应有必要的防护措施，以保护线路安全和用电安全。由于低压配电线路遍布各种建筑以致户外各处，发生故障的几率大，而且有大量非专业人员可能接触，更显得这种防护特别重要。最主要的防护措施就是在各级配电线路装设保护电器，以保证在电路发生故障时，能有效地断开故障电路。这些保护应符合GB50054-95低压配电设计规范的有关规定。为此，各级线路不仅要设置保护电器，还必须要正确整定其参数，以保证在规定的时间内可靠切断故障；还要求应有选择地切断电路，即要求最靠近故障点的保护电器动作，而其上级的保护电器不动作，以使得切断电路的范围最小。2.2 保护电器的类型和发展保护电器主要有两种：一是断路器，二是熔断器。断路器类型很多，从与本文相关的保护特性看，有非选择型和选择型断路器两大类；此外，还有带漏电防护的断路器。这些保护电器各有自身的特点，自然也有其不足之处，应根据配电系统各自的具体条件和要求选用，不能简单的用先进或落后给予评价。在当今世界，特别是一些发达国家，断路器产品和技术发展十分迅速，不断研制出更新型、保护功能更完善的断路器。近十年来，差不多每十年左右更新换代一次，一直到推出功能完善、具有通信模块的智能型断路器，为配电线路防护提供了性能极佳的保护电器。近20 年来，我国电器工业发展十分迅速，断路器产品紧跟国际先进技术潮流，研制了多种智能型断路器，为配电线路提供了更完善的保护功能。但是，在欧美一些发达国家，并没有因为断路器的快速发展而淘汰熔断器，也没有把熔断器视作落后或过时的产品。据知，在德、法等国家如西门子、溯高美等电器公司，不但仍生产熔断器，还继续研制新的产品，技术上也不断进步。从这些方面说明：断路器是先进的保护电器，而熔断器也绝非过时或落后的产品。应该说，两者相辅相成，各有自己的应用范围。3. 熔断器和断路器的比较现就熔断器和断路器的保护性能和其他特点进行比较，断路器则按非选择型和选择型两类分别叙述。3.1 熔断器3.1.1 熔断器的主要优点和特点 （1）选择性好。上下级熔断器的熔断体额定电流只要符合国标和IEC标准规定的过电流选择比为1.6：1 的要求，即上级熔断体额定电流不小于下级的该值的1.6 倍，就视为上下级能有选择性切断故障电流； （2）限流特性好，分断能力高； （3）相对尺寸较小； （4）价格较便宜。3.1.2 熔断器的主要缺点和弱点 （1）故障熔断后必须更换熔断体； （2）保护功能单一，只有一段过电流反时限特性，过载、短路和接地故障都用此防护； （3）发生一相熔断时，对三相电动机将导致两相运转的不良后果，当然可用带发报警信号的熔断器予以弥补，一相熔断可断开三相； （4）不能实现遥控，需要与电动刀开关、开关组合才有可能。3.2 非选择型断路器3.2.1 主要优点和特点 1. 故障断开后，可以手操复位，不必更换元件，除非切断大短路电流后需要维修； 2. 有反时限特性的长延时脱扣器和瞬时电流脱扣器两段保护功能，分别作为过载和短 路防护用，各司其职； 3. 带电操机构时可实现遥控。3.2.2 主要缺点和弱点 1. 上下级非选择型断路器间难以实现选择性切断，故障电流较大时，很容易导致上下级断路器均瞬时断开； 2. 相对价格略高； 3. 部分断路器分断能力较小，如额定电流较小的断路器装设在靠近大容量变压器位置时，会使分断能力不够。现在有高分断能力的产品可以满足，但价较高。3.3 选择型断路器3.3.1 主要优点和特点 （1）具有非选择性断路器上述各项优点； （2）具有多种保护功能，有长延时、瞬时、短延时和接地故障（包括零序电流和剩余电流保护）保护，分别实现过载、断路延时、大短路电流瞬时动作及接地故障防护，保护灵敏度极高，调节各种参数方便，容易满足配电线路各种防护要求。另外，可有级联保护功能，具有更良好的选择性动作性能； （3）现今产品多具有智能特点，除保护功能外，还有电量测量、故障记录，以及通信借口，实现配电装置及系统集中监控管理。3.3.2 主要问题 （1）价格很高，因此只宜在配电线路首端和特别重要场所的分干线使用； （2）尺寸较大。4. 配电线路方面比较 4.1 配电线路特点和对保护电器的要求 （1） 配电系统通常有树干式和放射式两类，还有两者的混合系统。一般树干式系统的干线较长，对保护电器要求较高，往往需要高档保护电器，即选择型断路器。 （2） 配电线路可分为主干线、分干线和末端线路三种。主干线是从变电所低压配电屏引出的馈电线，当为树干式线路，此干线容量很大时，通常使用母干线。 （3） 末端线路是直接连接用电设备，短路或接地故障时，要求尽快甚至瞬时切断电路，无选择性要求。4.2 配电线路故障特点 （1） 短路和接地故障，发生在末端回路多，大约占到90%以上，特别是插座回路更是如此，原因是插头、插座和移动电器及其导线和接头等较容易出故障； （2） 就故障类型而言，接地故障多，相间短路少，前者约占80%90%； （3） 电动机等设备的末端回路，通常是过载多，短路故障较少，电动机的过载约占80%以上，而过载是用热继电器保护的，不会使熔断器、断路器动作。4.3 保护电器选型方案根据前面叙述的电路故障特点和几种保护电器性能的比较，提出保护电器选型方案的建议。本文只论述熔断器和断路器的选型方案，而不涉及保护电器参数的整定。4.3.1 以下位置应选用选择型断路器 （1）变压器低压出线的总开关； （2）变电所低压配电屏引出的母干线，或引出的电流容量较大（如500A 以上）的树干式线路的保护； （3）重要场所的低压配电屏引出的电流容量较大（如300A 以上）的放射式线路保护。4.3.2 以下位置可选用非选择型断路器 （1）末端回路的保护； （2） 靠近末端回路的上一级分干线的保护，当供给用电设备不多，且偶然停电影响不太大时。4.3.3 以下位置宜选用熔断器 （1） 配电线路中间各级分干线的保护； （2） 变电所低压配电屏引出的电流容量较小（如300A 以下）的主干线的保护； （3） 有条件时也可用作电动机末端回路的保护，但此处不宜选用gG型熔断器（即全范围分断、一般用途的熔断器），而应选用aM型熔断器（即部分范围分断、电动机保护用熔断器）。因aM 型熔断器选用的熔断体额定电流比gG 型小得多，有利于提高保护灵敏性，也避免了使上级保护电器选的过大。 （4）保护电器选型综合方案各级线路保护电器选型建议列于表1。表各级线路的保护电器选型建议低压配电屏引出的主干线状况变压器低压出线总开关主干线中间各级分干线末端回路前一级分干线末端回路母干线选选熔熔非选大电流（如300A）以上放射式选选熔熔非选大电流（如300A）以下放射式选选熔熔非选注：1）选选择型断路器，熔熔断器（aM熔为aM型），非选非选择型熔断器; 2）括号中为可选方案.插入式和螺旋式熔断器的结构图：5低压熔断器和断路器的整定及比较 5.1 关于过负载保护 使用断路器时，应利用断路器的长延时过流脱扣器(反时限特性)作过负载保护，其整定值应符合式（1）要求，即Izd1Iz（1）式中，Izd1断路器长延时过流脱扣器的整定电流； Iz导体允许持续载流量. 使用熔断器时，其值应符合式（2）要求，即IrIz（当Ir12时，应符合Ir0.85Iz）（2）式中，Ir熔断器熔体额定电流； Iz导体允许持续载流量. 分析比较，由上两式可以得出，断路器和熔断器作为线路过负载保护器件使用时，要求是相同的。5.2 关于短路保护 按GB500541995中规定，发生短路时，绝缘导体应按式（3）进行热稳定较验，即 SI/K （3）式中，S绝缘导体的线芯截面； I预期短路电流有效值； t短路电流持续时间，取决于保护电器动作时间； K不同绝缘材料的导体的计算系数. 分析比较，可看出，使用断路器时，应使用其瞬时过流脱扣器作短路保护，由于其动作时间（全分断时间）很小，一般都能满足（3）要求；选用熔断器时，属反时限特性，短路电流I越大，则熔断时间t越小，一般也能满足式（3）要求。 只有在大容量变压器的低压配电屏引出馈线时，如选用截面（S）过小，则无论是断路器或熔断器，都将难以符合式（3）要求。5.3 关于接地故障保护 在电路故障中，接地故障所占比例最大，并涉及到人身安全，所以保护电器的装设更显重要。不同保护电路的效果也有较大差别，并且和配电系统接地方式关系极大。以下以TN和TT接地方式为例进行分析。 5.3.1 TN接地方式 用于配电干线保护 按GB500541995中第4.4.7条规定，接地故障时，要求切断故障回路的时间不宜大于5s。不同保护电器的应用分析如下： 采用熔断器：若使用的熔体额定电流Ir在12200A之间，按GB500541995中第4.4.8条规定，接地故障电流Id应符合式（4）要求，即Id（56）Ir （4） 采用非选择型断路器：用其瞬时过流脱扣器作接地故障保护，按GB500541995规定，接地故障电流Id应符合式（5）要求，即Id1.3Izd3（5） 式中，Izd3断路器瞬时过流脱扣器的整定电流通常为非选择断路器的Izd3为Izd1的510倍，代入式（5）得 Id1.3（510）Izd1=（6.513）Izd1（6） 采用选择型断路器：此时，可用短延时过流脱扣器作接地故障保护，则Id应符合式（7）要求，即Id1.3Izd2（7） 式中，Izd2断路器短延时过流脱扣器的整定电流最常用的Izd2值取为Izd1的25倍，代入式（7），得Id1.3（25）Izd1=（2.66.5）Izd1（8） 实际上，现今的选择型断路器都是智能型的，除有短延时外，还可以带接地故障保护功能，其整定值比Izd2还小得多，能够实现更高的动作灵敏性。分析比较：一般情况下，选用熔断器的Ir和断路器的Izd1相等，将式（4）、（6）、（8）相比较，可得出如下结论：采用选择型断路器，要求Id大于（或等于）2.62.5倍Izd1，较容易满足动作灵敏性要求，由于选择型断路器本身带接地故障保护，故其整定值更小。但是选择型断路器价贵，一般仅用于低压配电系统首端或引出的容量很大的馈电干线（630800A及以上）。而实际使用的断路器，绝大多数是非选择型的。熔断器和非选择型断路器比较，前者要求Id大于或等于56倍Ir，其容易满足；后者要求Id大于或等于6.513倍Izd1，当线路长、离变压器较远处，其故障电流Id较小，就难以满足要求了。用于直接启动的笼型电动机末端电路的保护 采用aM型电动机保护用熔断器：其熔体电流选择为Ir(1.01.1)IM，将此式代入式（4）得 Id（56）Ir =（56）（1.01.1）IM（9） =（5.06.6）IM式中，IM笼型电动机额定电流. 采用gG型一般用途熔断器：其熔体电流Ir通常取为IM的1.32.5倍，代入式（4）得 Id（56）Ir =（56）（1.32.5）IM（10） =（6.515）IM采用非选择型断路器：其瞬时过流脱扣器Izd3一般应取为IM的1215倍，代入式（5）得 Id1.3Izd3 =1.3（1215）IM（11） =（15.619.5）IM采用选择型断路器：分析同前，较容易满足要求。分析比较：选择型断路器容易满足要求，但一般说末端电路不必采用。除此之外，比较式（9）、（10）和（11）可知，采用熔断器比非选择型断路器更好，特别是采用aM型熔断器比gG型更佳。 5.3.2TT接地方式 TT接地方式的接地故障电流很小，不能使用非选择型断路器，通常也不能使用熔断器作接地故障保护，而应采用剩余电流动作断路器。这是断路器的优势。5.4 不同保护电器的选择性分析和比较5.4.1 采用熔断器保护 按低压熔断器基本要求（GB135392002）的规定，上下级熔断体的过电流选择比为1.6：1，其选择性可以得到保证，这是产品标准给予的。由于熔断器的反时限特性，其制造的动作误差又较小，只要上级熔断器与下级熔断器额定电流之比等于或大于1.6，就具有选择性，这是熔断器优于非选择型断路器的主要特点。5.4.2 采用非选择型断路器保护 这种断路器是利用其瞬时过电流脱扣器作短路和接地故障保护，当下级断路器所保护的线路发生的故障电流较大、超过上级断路器的瞬时脱扣器整定电流时，则上下级断路器都会瞬时脱扣，而没有延时。虽然有一个毫秒级的分断时间，这只是机械动作时间和灭弧时间。下级快速脱扣，上级断路器也不可返回。这是非选择型断路器的重要弱点。也因此定名为非选择型。5.4.3 上级采用选择型断路器 这种断路器的最大特性是具有短延时过电流脱扣器，因此故障时动作有延时，不论下级用断路器还是用熔断器，只要在配电系统设计中，正确、合理地整定短延时动作电流（Izd2）和延时时间，就能实现选择性动作。5.4.4 分析和比较（1）选择型断路器有延时，功能多，能很好地实现选择性动作，但价格较贵。一般用于低压配电首端和电流在630800A及以上的馈电线路。（2）熔断器具有良好的选择性，简单易行，价格低，宜作为配电系统中间各级配电干线的保护。（3）非选择型断路器可用于末端回路保护，也可用靠近末端的、负荷不重要、断电后影响不很大的线路保护作用。5.5分断能力的比较 现代的保护电器，不论是熔断器，还是断路器，都具有足够高的分断能力，能够满足各种低压配电系统的需要；而且有不同大小的额定分断电流值的产品，以适应不同条件的应用要求。变电所低压配电屏引出馈线的保护电器容量较小（如额定电流100A以下），又要求有高分断能力时，熔断器较容易，价格较低，而断路器要选用较高或高分断能力的产品，则价格明显高得多。在这种情况下，熔断器明显优于断路器。总 结1正确认识熔断器在配电线路保护的作用和地位，熔断器和断路器各有其特点，在不同条件下发挥作用。 2努力提高熔断器产品水平。由于对熔断器应用的一些不正确理解和其他原因，近年来该产品市场不景气，一些企业技术进步较少。希望能按新的IEC 标准和新修订国标，必要时引进国外先进技术，生产更高水平、更多品种的产品，如aM 系列熔断器等产品。 低压配电成套装置和配电箱，应有一定数量的熔断器方案，以供配电设计人员和用户选用。按照两类保护电器的特点，分析在配电系统不同部位应用时，应主要根据文章关于选择性分析和比较的意见实施。 .不论何种保护电器，均应满足动作灵敏性要求，参见本文关于国标中保护要求的分析和比较意见。TN接地形式当故障电流（Id）较小时，熔断器略显优越；TT接地形式，一般不能用熔断器更不能用非选择型断路器，应使用剩余电流动作断路器。致 谢通过本次写毕业论文，使我深深的体会到了知识的价值，体会到了理论和实际结合的重要性，只有掌握更丰富的知识才能在现实生活中力于不败之地，才能