熔断器与断路器在低压配电系统中应用的比较_谢炜

关键词 Keywords 熔断器 低压配电系统 选择性 分断能力 供配电 Power Distribution 16 建筑电气 2013 年第 32 卷第 2 期 熔断器与断路器在低压配电系统中 应用的比较 熔断器及其开关作为重要的电气保护电器 在国内往 往认为趋于淘汰 将其同断路器在低压配电系统中的应用 进行比较 由此可知熔断器及其开关并不是淘汰产品 介 绍熔断器及其开关在德国低压配电系统的应用 希望广大 电气技术人员对熔断器及其开关有个客观的认识 谢炜 苏州广厦建筑设计院 现在不少人认为从低压配电系统到 高压供电系统 熔断器都将被断路器取 代 但仔细观察一下 就会发现熔断器 的使用比比皆是 首先家用电器中的保 护电器基本是熔断器 如微波炉等 其 次 对于软起动器等这样的电力电子设 备的保护电器几乎都选用熔断器 即便 是在高压供电系统 熔断器依然有重要 的位置 断路器也没有取代熔断器 例 如 1998 年法国世界杯足球决赛的法兰 西体育场 其 20 kV 供电系统采用的就 是熔断器和负荷开关的组合 低压熔断器及其开关与低压断路 器在低压配电系统中的比较 低压配电系统的保护究竟采用熔断 器及其开关 还是采用断路器 很多人 不是很清楚 为了容易分析比较起见 可以从以下几方面进行 使用维护方便 性 短路防护 过载防护 选择性及可 靠性 需要说明只有将熔断器与开关配合 起来 与断路器进行比较才是公平的 故本文以适用在配电系统的 NH gG 型 熔断器及其开关来进行阐述 NH 是指 高分断能力的低压熔断器的统称 NH gG 型熔断器则称高分断 HRC 熔 断器 1 使用维护方便性 在低压配电终端 电气故障会由过载 或其他原因 诸如产品的连接方式不当 而引起 微型断路器可在过载后再合闸 其操作简便 适于家用或类似家用保护 因此选用小型断路器作为保护电器比较合 适 而对熔断器开关则必须更换熔断器后 才能重新投入使用 有时会发生一时没有 合适的熔断器进行更换的情况 对于由专业人士维护的低压配电系统 和普通低压柜而言 断路器则没有这些优 势了 首先这些场所故障发生不频繁 其 次发生故障后不检查就直接合上断路器会 有很大的危险 尤其是短路故障 熔断器 在发生不同故障时 其状态也不同 为判 断事故原因提供了依据 2 短路防护 一般 NH gG 型熔断器具有 100 kA 以 上的分断能力 大大超过大多数断路器 而普通断路器的分断能力在25 35 kA 如 果增加分断能力 则价格成倍增加 熔断 器限流作用很强 断路器也难以相提并论 当故障电流还没来得及达到最高值时电路 就已经被熔断器所切断 因此它能够为电 气设备 电缆及电动机等提供安全保护 避免它们在短路时遭受电动力和热效应的 损坏 可大大降低短路电流对系统所产生 的动稳定 热稳定要求 断路器是机械器 件 它的断路时间受脱扣机构的惯性影响 它的灭弧系统采用了空气式金属栅片灭弧 室 其缺点是灭弧室中除电弧能量损耗 外 还有栅片中的电阻阻碍了热量的散 发 这些都是断路器分断能力低于熔断 器的原因 一些 新型 断路器利用故 熔断器与断路器在低压配电系统中应用的比较Power Distribution 供配电 www eage com cn 2013 年 1 月下 建筑电气 17 障时产生的能量来提高分断速度 但这样做会损 害它们在故障程度低时的分断特性 总的来说断 路器不如熔断器的限流特性好 切断故障电流的 速度也不如熔断器快 熔断器与断路器的特性比 较如图 1 所示 此外 在工作电压为 400 V 500 V 和 690 V 时 熔断器分断能力几乎不受影响 而这方面断 路器就相形见绌了 当工作电压较高时 大多数 断路器的分断能力会显著下降 通常 在电压为 690 V 时的分断能力要比在400 V 时小30 以某 品牌塑壳式断路器为例 其工作电压在 400 V 时 分断能力为 50 kA 但工作电压在 690 V 时分断能 力只有 10 kA 正是熔断器的高分断能力 在欧 洲 其常常作为分断能力低的微型断路器或塑壳 式断路器的后备保护 而且熔断器切断短路故障 时无飞弧 3 过载防护 对于电动机系统 是采用热继电器来防护过 载的 而非 aM 型熔断器或断路器 此处断路器的 过载防护功能并不适用 不能以此来说明熔断器 无过载防护功能 况且熔断器类开关可以解决熔 断器缺相的问题 对于额定电流大于 16 A 的 gG 型熔断器的约 定熔断电流为 1 6In 有人认为这样有时难以满足 过载防护公式 I2 1 45IZ 电线电缆截面积就要选 择比整定同样电流的断路器要大 特别指出这是 熔断器的缺点 这个问题要辩证地看 按载流量 选择电缆截面积最小 却带来了将来扩容的麻烦 熔断器及其开关多用在配电干线的电源侧 按经 济电流密度选择电缆截面积 虽工程造价略有增 加 但电缆运行费用降低 建设增加费用在一定 期限内可收回 而且解决了前述扩容麻烦的 问题 需要说明的是 对于过载防护公式 I2 1 45IZ 而言 执行德国 DIN 标准的 gG 类熔断器是能够满 足该公式的 在相关资料专门标注 根据 DIN VDE 0636 补充标准规定 在特殊试验条件下 用 I2 1 45IZ在常规的试验时间内分断 在某公司 熔断器产品样本也有同样的解读 由欧洲 HH NH 回收应用协会出版的 熔断器手册 显示 gG 型熔断器的约定熔断电流为 1 45In 1 4 上下级选择性 对于符合现行国家标准 GB 13539 等同 IEC 60269 的 gG 类熔断器选择性是容易实现的 只 要上级熔断器与下级熔断器的整定电流之比不小 于 1 6 例如一个 gG 型额定电流为 100 A 的熔断 器对于一个 gG 型额定电流为 160 A 的熔断器来 说 保证了完全选择性 甚至有些国外产品 上 级熔断器与下级熔断器整定电流之比可以做到 供配电 Power Distribution 18 建筑电气 2013 年第 32 卷第 2 期 1 25 也能够实现上下级具有完全选择性 上下 级选择性如图 2 所示 对于上下级两个断路器来说 实现同样的功 能就比较困难 从技术上来说 在大多数情况下 能够实现上下级选择性的两个断路器规格之间的 整定电流比值比熔断器之间的比值要大得多 如 此一来增大各级电器元件的电流等级 会使电缆 电线截面积加大 而且上下级两个断路器还必须 是同一制造商 生产的同一代产品 特别需要指出的是 只要是符合现行国家标 准 GB 13539 的 gG 型熔断器 即便上下级熔断器 不是同一品牌也不会改变选择性 这是产品标准 所规定的 工程标准要求低压配电线路采用的上下级保 护电器 其动作应具有选择性 各级之间应能协 调配合 但实际工程多选择非选择性断路器 并 不能实现上下级的选择性 如果选用选择性断路 器 1 个动辄就上万元人民币 与熔断器及开关共 两三千元人民币相比 费用太高 为此我国相关 电气专家呼吁广大电气从业人员应重视这一问题 为何不考虑选用熔断器及其开关呢 5 可靠性 熔断器的基本工作原理是在线路中连接熔丝 仅一个过电流就可使熔丝熔断以保护线路中其他 装置 熔断器是静态保护装置 整个产品是密闭 的 即使是在最繁杂的环境而且没有维修和保养 的条件下 熔断器也可对电路进行长效且可靠的 保护 熔断器的反应是按照物理规律和能量学原 理进行的 不存在老化问题 因此只要电路出现 故障 熔断器总能够断开 熔断器及其开关在技 术设计上的简便性和其功能的物理原理保证了在 时间上的可靠性 相反 断路器的复杂机构在长时间使用后其 可靠性会受影响 断路器在分断电流的过程中 全部为机械动作 电磁脱扣动作 很容易产生机 械磨损和机械位移 造成运行不可靠及不稳定 而且断路器每跳闸一次 性能就会降低 必须要 由专业人员进行维护甚至需要更换断路器的触 当反复跳闸后 其保护性能有可能已经难以满足 保护的要求 欧洲相关标准规定 断路器跳闸 5 次 必须强制更换 这也是熔断器在欧洲占大部 分市场份额的原因之一 在高压系统中 断路器 跳闸后 根据电力规程要检修 设备损害严重要 更换 但在低压配电系统中 中国没有标准规定 哪种情况需要更换断路器 熔断器与断路器在低压补偿柜应用上的 对比 如今不少低压电容器厂家采用断路器作为电 容器的防护电器 甚至有的采用微型断路器 那 么低压电容器究竟应该采用什么防护电器 以某 成套企业将熔断器和断路器在低压电容器柜中的 应用比较来说明 2 1 最初采用早期熔断器 电容器柜接线最初采用 刀熔开关 熔断器 接触器 热继电器 电容器 主回路的接线方式 例如在某工程中熔断器的选型为 RM10 35 A RM10 是性能落后的淘汰产品 后来经用户反映 熔断器在使用中暴露出不少问题 如熔管受潮 弹簧拉力随着长时间运行而下降 熔丝熔断后不 能顺利拉出 运行中出现误动作 拒动作和群爆 现象 2 其后采用微型断路器 正是前述采用性能落后的熔断器及其配件存 在的问题 厂家开始用微型断路器替代熔断器 并认为使用微型断路器至少有以下好处 1 三极同时动作 当任何一相发生问题时 三极同时断开 而熔断器则有可能只熔断一只 熔断器与断路器在低压配电系统中应用的比较Power Distribution 供配电 www eage com cn 2013 年 1 月下 建筑电气 19 导致补偿不平衡 2 安装及更换方便 熔断器安装时底座下必 须垫绝缘垫 绝缘垫老化后绝缘性能下降 当发 生大电流情况时 熔断器熔座经常碎裂炭化 碎 片又可能引起其他意外 而微型断路器用导轨安 装 装 拆都极方便 于是电容器柜主回路将熔断器改为微型断路 器 其他设备不变 但在实际工程投入运行后 结果不出半年时间 很多电容柜的断路器出现跳 闸后无法合上的新问题 如果开关粘合 事故范 围会扩大 后果更严重 3 如今采用符合现行产品标准的熔断器 成套厂家对电容器补偿运行分析研究后发现 电容器出现故障原因很多 例如因为本身线路出 现短路故障 而线路保护器件没有起到应有的作 用 导致故障扩大 所以从电容器的安全可靠性 及从电力系统的可靠运行的角度来考虑 在电容 补偿柜中对保护器件的短路分断能力和保护动作 时间的要求是很严格的 从这两点来考虑 由上 述分析比较来看 熔断器明显优于断路器 因而 在设计时不应该只注意断路器在维护上比熔断器 方便而忽视了整个电网的安全问题 依照这样的 原则 将电容器柜主回路配置又改回最初的熔断 器接线方式 但在熔断器选型上 选择了质量较 好的产品 如 RT14 NT00 等产品 这些都是符 合现行熔断器产品标准的 在多个工程应用后反 馈 运行良好 熔断器及其开关在德国的应用 20 世纪 70 年代 德国标准中有关配电系统熔 断器的内容就被取消 但后来 NH 熔断器 这里 专指 HRC 以其高水平的技术和产品质量重新应 用于德国的电网 NH 熔断器 DIN 产品标准的主要 章节构成了国际和欧洲熔断器标准的一部分 现 在熔断器及其开关在德国占有非常重要的位置 下面简单介绍熔断器及其开关在德国的应用 1 德国的民用低压配电系统 在德国 民用建筑和小型商业用户主要通过 三相 400 V 的配电网进行供电 配电网主要目标 就是保持电网的持续运行 电网所有元器件的选 用必须做到 性能可靠 便于安装 适应当地环 境 并且应免维护 因此 HRC 熔断器及其开关 在德国被选作低压配电网的保护 隔离和开关设 备 它使得变电所的设计既简单又经济 德国与 其他欧洲国家一样 都采用如图 3 所示安全 经 济和环保的低压配电方案 1 变电所的低压配电柜 变电所用来连接中压和低压电网 其低压配 电柜包括三相母排 该母排馈出多个出线 DIN 43623 6 标准规定这种情况应使用熔断器开关 由此形成了非常紧凑 高效 易安装和布局清晰 的馈出单元结构 进线单元包括一个装有 NH 熔 断器的 gTr 型熔断器开关 gTr 型熔断器在 德国 DIN 标准中特别规定为保护变压器专用 gTr 型熔断器连接装置允许变压器以 120 的额 定电流运行 10 h 以上 这满足了用电设备的长期 高负荷运行 有了这种熔断器产品 能充分利用 变压器的容量 同时还有了过负荷保护 装有 HRC 的熔断器开关用于电缆的短路保护或用来连 接架空线 2 低压配电分支箱 电缆分支箱 CDC 是低压配电网的枢纽 它们也常用来开断和隔离相连的线路 CDC 有着 与变电站低压部分相似的安装结构 熔断器开关 安装在三相母排上 配 HRC 熔断器的开关用于独 立分支的连接和保护 馈出线路必须有短路保护 包括对由线路末端故障引起的短路电流的保护 NH 熔断器开关因对小短路电流和大过负荷电流具 备高开断能力 而在日益发展的电网中起着相当 重要的作用 在很多时候 要在不中断对既有用户供电的 情况下在 CDC 的母排上增加供电回路 NH 熔断 器开关设计成可在母排带电时安全地装卸 因此 供配电 Power Distribution 20 建筑电气 2013 年第 32 卷第 2 期 在还不知道电网的发展情况时 那些回路不必提 前安装 3 末端采用熔断器部分 一般住宅和小商业用户开关不用熔断器 其 线路保护由上级 CDC 内的熔断器实现 根据德国 的电气标准 VDE 0100 732 7 为避免引起火灾 入户线路需安装过热防护 也指热效应防护 这 种强制性的过电流保护和针对由用户安装引起的 故障的保护 由安装在密闭单元内的装有 NH 熔 断器连接装置来实现 电力操作人员可将熔断器 开关从熔断器连接中拿开 这样可将户内线路和 电网隔离 例如 当所在地有过电压故障时 这 样做可使电子设备和家用电器免受损坏 4 德国低压配电方案的优点 应用了 NH 熔断器的低压配电系统 能够构 成高可靠性和绝对免维护的保护 开关和隔离系 统 机械式开关和 MCB 由于价格昂贵 机构发热 和在整个运行期无法做到免维护而无法达到这样 的要求 熔断器的特性曲线与变压器和电缆的特性曲 线接近 保证了变压器在最大负荷的安全运行 尤其是采用专用的变压器保护用熔断器 可使变 压器在 1 2 倍负荷下 安全运行 10 h 在 1 5 倍负 荷下安全运行 2 h 提高安全运行经济指数 20 这对于我国用电负荷在一天中波动极大的情况有 很高的安全和经济价值 由于各级开关选择比率合理 减少了变压器 和各级电器元件的电流等级 减少开关和电缆直 接投资成本 电力损耗减少至少 30 降低运行 功率 从而达到经济节能的目的 有资料表明 在国内的低压配电系统中 整体采用由熔断器及 其装置成本比现行的断路器系统成本低至少 60 SMC 电缆分支箱由于全绝缘 防范了外壳带 电的问题 安全性高 模块化使得施工方便 从 而缩短工期 提高工作效率 CDC 也满足环保要 求 诸多优点见补充说明 2 熔断器及其开关在工业企业中的应用 熔断器及其开关单元安装在低压成套装置内 在集中式配电柜中 为了更好地节省空间和使得 出线回路布局清晰 常选用熔断器开关 如图 4 所示 选用熔断器开关的主要原因之一就是在维护 与修理工作中 配有 NH 熔断器的熔断器开关与 电气回路或设备是隔离的 为避免未经许可操作 上述装置 可在运行位置和试验位置锁住操动机 构 熔断器开关通常都是封闭式结构 但它具有 带操动机构的固定式面板 它适合频繁的投切操 作 甚至无此项操作经验的人员也可通过它投切 电动机 由于抽屉式设计 在母线不停电的情况 下可以更换熔断器开关 这意味着同一配电盘内 的其他设备不会停电 通常 熔断器开关设计成 带固定面板的封闭式结构 具有避免直接接触的 最低防护等级 IP2X 和典型的 IP3X 在工业企业的配电装置中 常需要从远方监 控熔断器的动作情况 这是为了快速识别故障线 路或设备 以便立即采取适当的措施 由此 集 成的熔断器单元装备有电子式或电子 机械式的 熔断器动作显示设备 该显示设备通过一个微型 开关显示某个熔断器是否动作 还可用其他的微 型开关来显示开关或熔断器当前的位置信息 3 补充说明 按照国家标准 GB 14048 3 2008 等同 IEC 60947 3 2005 低压熔断器与其组合开关的分 类如下表所示 熔断器与断路器在低压配电系统中应用的比较Power Distribution 供配电 www eage com cn 2013 年 1 月下 建筑电气 21 4 熔断器可接在电器的任一侧或接在电器触头间 的固定位置 直列式 也称条形 熔断器开关 多用在民 用配电系统 而隔离开关熔断器组多用在工业企 业 许多国外企业在国内都有这些产品的销售 如美尔森集团 原 MSCHNEIDER 公司 ABB 公 司 Schneider 以及 JEAN MULLER 公司等 与熔 断器有关的标准是 GB 14048 3 2008 等同 IEC 60947 3 2005 而在该标准表型式试验表中 规定与熔断器有关的额定短时耐受电流 Icw 和 额定短路接通电流 Icm 可以不试验 条形隔离 开关熔断器组在大多数情况下是水平放置的 连 接到垂直的汇流排上 比垂直安装可以更好地利 用空间 当在固定式低压配电柜水平安装时 可 以安装 20 甚至 30 多个 如图 5 所示 采用 SMC 增强聚酯替代传统的金属电缆分支 箱在欧美等国大量普及 由于其抗老化强度高 不易锈蚀 全绝缘免接地安全性高 阻燃性好 不含卤素和磷等有害物质及材料环保可再循环等 特点 已经成为欧美等国低压配电系统中首选产 品 尤其是室外 同时 由于 SMC 电缆分支箱结 构模块化设计 可实现现场组装 现场施工方便 而且可灵活拆卸 耐高温 防凝露及密封性能好 还可防止电缆箱被人为破坏 虽然 SMC 电缆分支箱价格比金属 CDC 价格 高 但普通钢板使用寿命为 3 年 不锈钢使用寿 命为 10 年 与 SMC 的 30 年使用寿命相比差距甚 大 且其安全免维护 孰优孰劣一目了然 其应 用的场所如图 6 和图 7 所示 目前在中国市场 ABB 公司和美尔森集团的 SMC 电缆分支箱比较 常见 防范熔断器缺相运行及其他 使用熔断器时 故障可能导致一相熔断 形 成缺相运行 这是熔断器常被 质疑 的方面 其实只要与熔断器配合的开关或其他设备具有防 缺相功能就可以了 对于应用在低压配电系统的 熔断器开关 现在主要是采用两种方式来实现 1 采用带熔断撞击器 俗称撞针 的熔断体 熔断体熔断后 撞击器弹出时释放的能量应 足以直接或间接 通过套机械联动机构 带动微 动开关 行程开关或辅助开关 一般在产品设计 供配电 Power Distribution 22 建筑电气 2013 年第 32 卷第 2 期 时就须考虑和完成 否则难以在定型后再进行结 构上的改动 熔断器的熔断指示对 NH 熔断器来 说是必不可少的组成部分 大部分企业的熔断器 只有在上端有熔断指示 而有些企业能够生产出 具有双重指示功能的熔断器 第二指示器在熔断 器正面中央 熔断指示非常醒目 采用本方式除 了使熔断器开关的结构略为复杂外 由于零部件 特别是各制造厂熔断体的尺寸差异 尽管可能都 在其合格范围内 当用户更换熔断体以后 熔断 器动作的可靠性可能会降低 即下一次熔断体熔 断后 撞击器可能没能够带动辅助触头动作 如 图 8 所示 可以看得比较清楚 DDMM 是具有熔 断器缺相检测功能的熔断指示触头附件 由于采 用了带撞针的熔断器 DDMM 可以检测熔断器是 否熔断 事实上 当熔断器熔断时 其撞针会弹 出并驱动安装于开关上的辅助触头动作