电气火灾自动保护型断路器的设计

中国石油大学 华东 现代远程教育 毕业设计 论文 题 目 电气火灾自动保护型断路器的 设计 学习中心 重庆信息工程专修学院奥鹏学习中心 年级专业 0409 级电气工程及自动化 学生姓名 杜 金 峰 学 号 0451480058 指导教师 韩 亚 军 职 称 讲 师 导师单位 重庆信息工程专修学院 中国石油大学 华东 远程与继续学院 论文完成时间 2008 年 4 月 20 日 中国石油大学 华东 现代远程教育 毕业设计 论文 任务书 发给学员 杜 金 峰 1 设计 论文 题目 电气火灾自动保护型断路器的设计 2 学生完成设计 论文 期限 年 月 日至 年 月 日 3 设计 论文 课题要求 论文要内容鲜明 文字流畅 阐述清楚 严格 围绕题目述写 逻辑性思维强 内容理论联系实际 涉及他人观点 对 本设计有全面的论证 设计原理 计算 电路 格式严格按照学校规定 排序 如有不熟悉的知识点 向指导老师请教 并参考大量的书籍 努 力做好本设计 4 实验 上机 调研 部分要求内容 在学校规定的时间内 利用所 学的电路设计软件 PROTEL EDA PSPICE 等 画好所需的电路图 用 Microsoft word 2003 排版论文版面和图象处理软件加工文中图表 5 文献查阅要求 1 周政新 何学仪 电子设计自动化实践与训练 M 北京 中国民 航出版社 1998 2 李震梅 等 模拟电子技术课程设计的 CAD 实现 J 电气电子教 学学报 1999 3 吴道悌 王建华 电动学实验 M 北京 高等教育出版社 1995 4 汤蕴谬 电机学 北京 机械工业出版社 2001 6 发 出 日 期 年 月 日 7 学员完成日期 年 月 日 指导教师签名 学生 签 名 i 摘摘 要要 电气火灾事故是人类面对的严重的灾害事故 其发生不可预测 可 以说是对人类造成损失最大的灾害之一 对于众多的普通民用建筑 如工厂 学校 医院 商场和各种大众 娱乐场所 通过采取有效的措施 尽可能防止火灾的发生 即使万一发 生火灾 也能尽量减少火灾造成的损失 同时 在发生火灾的现场最常 用的手段 应能立即切断电源 以防对灭火人员发生电击后二次伤害事 故 这是人们一直在努力寻找的途径 如能采用既经济 实用 又便于 普及推广的简便方法 对火灾灾害进行预防 监测和进行自动保护 它 将能对防火工作提供有力的帮助 与之相应的国标在消防和住宅建筑 方面也有新的防火标准 业已修订完成 近期也将相继颁布 这对火灾 防范工作从设计 安装到运行管理都制订了全面的系统规范 电气火灾 自动保护型断路器和电气火灾监控系统将为我国电气火灾预防 减少电 气火灾的频发程度 为安全用电以及保护国家和人民生命财产发挥更积 极的作用 关键词 关键词 电气火灾 自动保护型断路器 ii 目目 录录 摘 要 i 目 录 ii 第 1 章 工作原理及其应用 1 1 1 断路器的作用 1 1 2 工作原理及其应用 1 1 3 电气火灾的特点 2 第 2 章 主要功能 4 2 1 普通开关功能 4 2 2 火灾自动保护功能 4 2 3 过载保护功能 4 2 4 短路保护功能 4 2 5 剩余电流保护功能 4 第 3 章 适用场所 8 3 1 按使用类别分 8 3 2 按使用方式分 8 3 3 按极数分 8 3 4 按瞬时脱扣电流分 9 第 4 章 正确应用防电气火灾的断路器 10 第 5 章 设计选型中应考虑的主要问题 11 5 1 额定电流配置 11 5 2 短路电流选择 11 5 3 允许最大剩余电流 额定剩余动作电流 的确定 11 5 4 断路器设计中必须考虑的问题 12 第 6 章 不宜用 A 型断路器的场合 14 第 7 章 断路器的选择 15 第 8 章 结论 16 iii 致 谢 17 参考文献 18 1 第第 1 1 章章 工作原理及其应用工作原理及其应用 1 11 1 断路器的作用断路器的作用 断路器的作用是切断和接通负荷电路 以及切断故障电路 防止事 故扩大 保证安全运行 而高压断路器要开断 1500V 电流为 1500 2000A 的电弧 这些电弧可拉长至 2m 仍然继续燃烧不熄灭 故灭弧是 高压断路器必须解决的问题 吹弧熄弧的原理主要是冷却电弧减弱热游离 另一方面通过吹弧拉 长电弧加强带电粒子的复合和扩散 同时把弧隙中的带电粒子吹散 迅 速恢复介质的绝缘强度 断路器一般由触头系统 灭弧系统 操作机构 脱扣器 外壳等构 成 当短路时 大电流 一般 10 至 12 倍 产生的磁场克服反力弹簧 脱扣器拉动操作机构动作 开关瞬时跳闸 当过载时 电流变大 发热 量加剧 双金属片变形到一定程度推动机构动作 电流越大 动作时间 越短 现在有电子型的 使用互感器采集各相电流大小 与设定值比 较 当电流异常时微处理器发出信号 使电子脱扣器带动操作机构动作 1 21 2 工作原理及其应用工作原理及其应用 电气火灾自动保护功能型断路器是在现行普通剩余电流断路器的基 础上 配置一个具有与外界温度呈同步单调变化的感温元件 热敏电阻 断路器内部有相应的电子电路相配合 当外界环境温度异常升高 超过 了一定正常温度值后 这个温度值范围定义为额定动作温度 电子线 路自动驱动电气火灾自动保护型断路器的主触头脱扣器 将断路器负载 侧线路分断 防止负载侧的线路和设备因电气火灾使绝缘损坏 造成进 一步的短路事故发生 电气火灾自动保护功能型断路器在规定温度范围 的下限以下 不论时间多长 都不会导致电气火灾自动保护功能型断路 2 器动作 即为额定不动作温度 额定不动作温度保证了电气火灾自动保 护型断路器不致因正常环境温度升高或意外热源的偶然影响而产生误动 作 确保其工作的可靠性 由此可知 电气火灾自动保护型断路器要达到对火灾作出正确的反 应 最主要的是在安装时 要保证电气火灾自动保护型断路器上的热敏 元件 即火灾感测探头 能直接感测到需要进行监测空间的温度变化 探头正前方不得有影响温度直接对其进行辐射传递的物体 如果电气火 灾自动保护型断路器安装在照明箱内 而被监测区域的温度变化 不能 被断路器上的火灾感温探头直接监测到 则达不到实现火灾自动保护的 作用 1 31 3 电气火灾的特点电气火灾的特点 过去普遍认为 电气间短路引起的火灾大多由带电导体间的短路所 造成 由于短路电流大 可用带短路保护的断路器和熔断器来防止 实 际情况并非如此 因大多数的短路火灾是由接地短路故障产生的电弧或 电火花所引起 前者短路电流以千安计 金属线芯产生高温以至炽热 绝缘被剧烈氧化而自燃 火灾危险甚大 但金属性短路产生的大短路电 流 能使断路器瞬时动作切断电源 火灾往往得以避免 后者因短路电 流受阻抗影响 电弧长时间延续 而电弧引起的局部温度可高达 3000 4000 很容易烤燃附近可燃物质引起火灾 又由于接地故障 引起的短路电流较小 不足以使一般断路器动作跳闸切断电源 所以电 弧性短路引起火灾危险远大于金属性短路 在接地故障回路全为金属导 体的 TN C S 系统 其导电性能不良失去接地保护并不影响电气设备的 使用 故工作中不易发现 但一旦发生接地故障 由于短路电流小 不 能使断路器动作 而导致上述电弧性短路的发生 至于 TT 系统 其接 地故障回路内串有电源的接地保护和设备外壳的接地保护 两个接地电 阻造成回路本身的阻抗就很大 更易发生电弧性短路 由上可知 接地 3 故障的回路阻抗大 使它易以电弧短路的形式出现 这也是单相接地短 路故障容易导致火灾的一个重要原因 电力线路受机械损伤而发生短路 如当导线与金属管道构件接触而无套管保护时 长期磨擦使绝缘损坏 这种短路多为单相接地故障造成 易发生电弧性短路 通常电气设备绝 缘损坏产生电弧性接地故障的情况还有 导线和电气设备绝缘老化 电 器或电动机的接线端子周围绝缘因长期发热而炭化 电动机过载而发生 匝间短路 电气设备受潮或严重凝露 在电气设备中有导电尘埃沉积等 这类故障会引起接地电弧性短路 并酿成火灾 当线路因过负荷使绝缘 温度超过最高允许工作温度 绝缘老化加速 使绝缘水平降至规定值以 下 如果没有外因触发 短路一般还不会发生 如果有外因触发 如雷 电引起的瞬态过电压 邻近大功率设备的操作过电压以及变电所高电压 侧接地故障引起的暂态过电压等 则在此大幅值过电压冲击下 老化的 绝缘将被击穿而弧光短路 过电压转眼消失 工频短路电弧却能长时间 延续 这是因为电弧的高阻抗限制了短路电流 使断路器不可能动作 这类过电压多出现在带电导体与地之间 所以这种短路也多为单相接地 短路 电气短路以单相接地故障居多 电气火灾的危险则以电弧性接地 为最严重 4 第第 2 2 章章 主要功能主要功能 2 12 1 普通开关功能普通开关功能 正常用电时 对受控线路进行人工闭合和分断操作 2 22 2 火灾自动保护功能火灾自动保护功能 当断路器所在位置 分体型为被探头监测位置 一旦发生火灾 环 境温度异常升高 该断路器的感温探头在感测到所处环境温度达到或超 过整定温度后 自动将受控线路电源切断 防止扩大火灾范围 并为灭 火行动提供电气方面的安全保障 防止灭火人员发生电击后的二次伤害 事故 2 32 3 过载保护功能过载保护功能 当电气火灾自动保护型断路器所控制的线路负荷超过额定值 发生 超载时 断路器将适时自动分断 切断受控线路的电流 防止因其发热 而引起线路火灾 2 42 4 短路保护功能短路保护功能 当电气火灾自动保护断路器所控制的线路发生意外短路事故 该断 路器将在 0 2 s 时间内分断 切断受控线路的电源 防止短路事故引发 火灾事故 2 52 5 剩余电流保护功能剩余电流保护功能 一般的低压断路器主要针对电力线路和设备的过载和短路保护 因 此其额定动作电流较大 而接地故障引起的接地短路电流较小 一般不 足以使断路器动作跳闸 因此低压断路器不能防止因接地故障引起的电 5 气火灾 而只有带剩余电流保护功能的断路器 在过电流断路器不动作 的情况下 能有效地切断故障电路 防止电气火灾 应用剩余电流断路器来防止电气火灾 必须正确选择额定剩余动作 电流 在有火灾危险的场所 要防止故障电流引起火灾 必须在线路中 装设额定剩余动作电流不超过 500 mA 的剩余电流断路器 或装设绝缘 监察装置 在绝缘故障时发出警报 采用额定动作电流不超过 500 mA 的剩余电流断路器 可以在出现 引燃火灾所需的能量前 就发出警报或断开电路排除故障 为防止电弧 性接地故障引起的电气火灾 在线路上装用带剩余电流保护功能的断路 器是一项重要的防火灾措施 其剩余电流保护功能对建筑物的电弧性接 地故障引起的电气火灾进行防范 为切断建筑物内的电弧性大多接地故 障 在电源进线端也应装用剩余电流断路器 GB50096 住宅设计规范 规定了每幢住宅楼的总电源进线断路器 应带有剩余电流保护功能的明 确规定 因多数用户不懂得用电安全知识 又无专业电工进行维护管理 住宅电气火灾发生较多 据近年统计 我国住宅电气火灾占电气火灾总 数的一半以上 所以这一规定是十分必要的 在进线处安装带过载保护 短路保护 剩余电流保护于一体的多功 能低压断路器 不仅可以保护线路 保护设备 而且还可防止因接地故 障引起的电气火灾 当受控线路或用电设备发生绝缘损坏 产生对地故 障或有人员发生单相电击事故 注 相间漏电和电击不能保护 时 电 气火灾自动保护功能型断路器在 0 1 s 家用型 或 0 2 s 工业用型 号 时间内自动切断受控线路电源 避免对人身生命造成危害 并防止 此类剩余电流引起电气火灾的可能性 例 户内高压真空断路器 ZN28 A 12 6 型号定义 图 2 5 使用环境海拔高度 1000 3000m 最高环境温度不高于 40 不低于 10 允许在 30 下运输 相对湿度日平均值不大于 95 月平均值 不大于 90 地震强度不超过 8 度无火灾 爆炸 严重污秽 化学腐蚀及剧烈的震 动的场所 序号项目单位数据 1触头开距mm11 1 2触头行距mm4 1 3三相分闸同期性ms 2 4相间中心距mm250 3 275 5缓冲距行程mm 10 0 3 6平均合闸速度m s0 3 0 4 7 7平均分闸速度m s1 9 1 3 8动静触头允许累积磨损厚度mm3 9各相合闸电回路电阻u 40 30 10三相闸合弹簧ms 2 图 2 5 5 8 第第 3 3 章章 适用场所适用场所 电气火灾自动保护型断路器根据其使用类别 使用方式 所控制线 路的相数以及被控制对象 性质分别按如下情况进行分类 3 13 1 按使用类别分按使用类别分 1 家用及类似场所用 如 HNB47FL 型 额定电流 63 A 代号为 B 适用于家庭住宅 办公室及类似场所 2 工业及类似场所用 如 HNM20FL 型 额定电流 630 A 代号为 M 适用于工厂 商场等用电量较大的场所 3 23 2 按使用方式分按使用方式分 断路器根据其使用方式可分为 A B C 三种类型 其代号和用途见表 1 表 3 1 3 33 3 按极数分按极数分 1 家用型有 1P N 2P 3P 3P N 4P 代号为直接按此标注 分别用于单相 三相和三极四线电路中 2 工业用型有 2300 2P 3300 3P 3N300 3P N 4300 4P 代号为直接按此标注 分别用于单相 三相和三极四线电 9 路中 3 43 4 按瞬时脱扣电流分按瞬时脱扣电流分 1 家用型 照明配电用代号为在额定电流值前加 C 用于一般照明 和电器控制用 电动机保护代号为在额定电流值前加 D 用于电动机短 路保护的场合 2 工业用型 配电用不加特别标志 电动机保护用在脱扣器方式和 附件代号后加 2 用于电动机短路保护的场合 10 第第 4 4 章章 正确应用防电气火灾的断路器正确应用防电气火灾的断路器 电气火灾自动保护功能型断路器是在现行普通剩余电流断路器的 基础上 配置一个具有与外界温度呈同步单调变化的感温元件 热敏 电阻 断路器内部有相应的电子电路相配合 当外界环境温度异常升高 超过了一定正常温度值后 这个温度值范围定义为额定动作温度 电 子线路自动驱动电气火灾自动保护型断路器的主触头脱扣器 将断路器 负载侧线路分断 防止负载侧的线路和设备发生电气火灾 并造成进一 步的短路事故发生 电气火灾自动保护功能型断路器 在规定温度范围 的下限以下 不论时间多长 都不会导致电气火灾自动保护功能型断路 器动作 即为额定不动作温度 额定不动作温度 保证了电气火灾自动 保护型断路器 不致因正常环境温度升高或意外热源的偶然影响而产生 误动作 确保其工作的可靠性 由此可知 电气火灾自动保护型断路器要达到对火灾作出正确的反 应 最主要的是在安装时 要保证电气火灾自动保护型断路器上的热敏 元件 即火灾感测探头 能直接感测到需要进行监测空间的温度变化 探头正前方不得有影响温度直接对其进行辐射传递的物体 如果电气火 灾自动保护型断路器安装在照明箱内 而被监测区域的温度变化 不能 被断路器上的火灾感温探头直接监测到 则达不到实现火灾自动保护作 用 11 第第 5 5 章章 设计选型中应考虑的主要问题设计选型中应考虑的主要问题 电气火灾自动保护功能型断路器的综合防护功能 实施电气保护的 功能都有一定的条件要求 只有选型适当 才能发挥最佳效果 故此 在进行线路配置设计时 重点考虑以下几个方面的参数配置 5 15 1 额定电流配置额定电流配置 在设计电气火灾自动保护型断路器的额定电流时 应选择在线路满 负荷时不超过其额定电流的标称值 选择太小 线路极易进入过载保护 状态 容易造成线路频繁断电 选择太大 线路实际用电负荷即使超过 线路设计额定值很多 也不会进行过载保护 对于预防过负荷引发火灾 的功能将会因此而丧失 5 25 2 短路电流选择短路电流选择 对于短路电流的保护 应视负载的性质进行选配 如果负载是一般 的照明和普通电器设备 其瞬时脱扣电流应选择配电保护型 其保护范 围 家用型为 5 10 In 工业用型号为 10 In 20 而对于负载为以电 动机为主要对象的线路 其瞬时脱扣电流应选用电动机保护型 其保护 值 家用型为 10 50 In 工业用型号为 12 In 20 5 35 3 允许最大剩余电流 额定剩余动作电流 的确定允许最大剩余电流 额定剩余动作电流 的确定 当电气火灾自动保护功能型断路器安装在线路的最末端 且主要功 能用于对人身电击保护时 其额定剩余动作电流值不得超过 30 mA 其 剩余电流动作时间不应超过 0 1 s 而电气火灾自动保护功能型断路器 配置在线路的第一级 两级保护时 或第二级 三级保护时 主要目 的用于对设备接地故障电流进行保护时 其额定剩余动作电流不应超过 500 mA 当线路中的实际剩余电流超过该范围以后 即有可能因该泄漏 12 电流而引发电气火灾 但其额定剩余不动作电流应不小于被保护电气线 路和设备正常运行时泄漏电流最大值的 2 倍 非正常的泄漏电流值不应 作为计算依据 5 5 4 4 断路器设计中必须考虑的问题断路器设计中必须考虑的问题 现在的配电系统要求断路器除了能通断电流实现电路控制和简单的 短路 过载保护外 还要能提供隔离和安全保护功能 特别是在针对人 身 设备安全与配电系统的可靠性方面都提出了新的要求 因此 产品 的开发设计与选购也都重点考虑以下 3 个方面 1 人身安全 2 电气线路与设备的保护 3 可靠的 不间断的电力供应 l 塑壳式断路器的主要特性 1 额定极限短路分断能力 Icu 断蹈器的分断能力指标有两种 额定极限短路分断能力 4U 和额定运 行短路分断能力 Ics Ics 作为一个特性参数 并非只简单考虑断路器 的分断能力 而是作为一种分断指标 即分断几次短路故障后 还能保 证其正常工作 对塑壳式断路器而言 应有足够的 Icu 能够分断短路 电流使开关跳闸 按规定塑壳式断路器的 Ics 只要大于 25 Icu 就算合 格 而目前市场上断路器的 Ics 大多数在 50 75 Icu 之间 所以 对供电要求不高的配电系统 只须考虑 Icu 2 限流分断能力 限流分断能力是指断路器短路跳闸时限制故障电流的能力 断路器 发生短路时 触头快速打开产生电弧 相当于在线路中串入 1 个迅速增 加的电弧电阻 从而限制了故障电流的增加 断路器断开时间越少 Ics 就越接近 Icu 限流效果就越好 也可大大降低短路电流引起的电 磁效应 电动效应和热效应对断路器和用电设备的不良影响 延长断路 13 器的使用寿命 3 短路保护 短路保护就是短路瞬时跳闸 要注意在负荷变化后及时调整保护的 整定值 防止整定值过小频繁跳闸影响供电质量 或整定值过大使线路 和设备得不到有效保护 4 过载延时保护 过载延时保护是指负荷电流超过设备的限定范围有烧毁设备的危险 保护装置能在一定时间内切断电源 过载有个热量积累的过程 保护动 作不需要过于迅速 对于短时过电流 保护不应该动作 5 隔离功能 隔离功能就是要求断路器断开后的泄漏电流不致对人身和设备产生 危害 多次短路跳闸后开关性能下降 泄漏电流会增大 对人体而言 30mA 以下为安全漏电电流 而在恶劣的环境中 超过 300mA 的泄漏电 流持续 2 小时以上 就可能使绝缘损坏发生相地短路进而引发火灾 6 漏电保护 漏电器有热磁式和电子式 2 种 相比而言电子式漏电器具有体积小 精度高 灵敏度高的优点 但其抗干扰能力较差 目前电子式漏电保护 器占据主流 当漏电电流达到整定值时 执行电路接收零序电流互感器 二次侧的感应电压信号 驱动转换触点输出漏电保护信号 使脱扣器切 断电源 14 第第 6 6 章章 不宜用不宜用 A A 型断路器的场合型断路器的场合 下列情况不宜采用 A 型室内型电气火灾自动保护型断路器 1 电气火灾自动保护功能型断路器的安装位置在照明箱内 而照 明箱有活动罩盖盖住了电气火灾自动保护型断路器的手柄所处表面板 阻碍了火灾监测探头对被监测空间的温度感应 2 当需要对可能发生火灾的场所进行监测的位置 距断路器安装 位置较远 即使发生了火灾 也只有当火情发展到很严重时 火灾监测 探头才能感测到该温度的变化 3 当被监测的场所呈现为陕长而又有弯道的环境 对于上述情况 必须采用 C 型 分体型 电气火灾自动保护型断路器 将其分体的火灾监测探头用导线延伸 安装在需要进行火灾监测的部位 的最近位置 必要时可订购多探头断路器进行多点监测 以达到在火灾 刚发生时 即能马上对线路进行保护性分断动作 而不至于等火情发展 到很严重时才进行反应 以达到早期预防和保护的效果 15 第第 7 7 章章 断路器的选择断路器的选择 断路器的选择必须按正常的工作条件进行选择 并且按断路情况校 验其热稳定和动稳定 此外 还应考虑电器安装地点的环境条件 当气 温 风速 温度 污秽等级 海拔高度 地震烈度和覆冰厚度等环境条 件超过一般电器使用条件时 应采取有效措施 对高压断路器有以下几个方面的要求 这些要求在断路器的基 本技术参数上得到体现 1 断路器在额定条件下 额定电压 额定电流 可以长期工作 2 应有足够的开断能力 并保证有足够的热稳定和动稳定 开断电 流 额定关合电流 极限通过电流 热稳定电流 3 具有尽可能短的开断时间 这对减少电网的故障时间 减轻故障 设备的损害 提高系统稳定性都是有利的 4 结构简单 价格低廉 体积小 重量轻 便于安装 16 第第 8 8 章章 结论结论 GB 13955 2005 剩余电流动作保护装置安装和运行 是修订后的最 新国家标准版本 标准进一步明确 剩余电流动作保护装置 包括 各 类带剩余电流动作保护功能的断路器 移动式剩余电流动作保护装量和 剩余电流动作的电气火灾监控系统 剩余电流动作继电器及其组合电器 等 电气火灾自动保护型断路器将电击保护 电气火灾预防