低压断路器分断能力的计算和选择

42 江苏电器 (2007 No.1) 作者简介：申元林( 1 9 6 3 - )，男，江苏苏州人，工程师，长期从事断路器的技术研究工作。 对于在低压线路配电及电动机保护中起重要作 用的低压断路器( 包括万能式断路器和塑壳式断路 器，以下简称断路器) 的选择，必须要在其额定电 压， 额定电流下， 对线路的短路电流进行正确计算， 然后根据所计算的短路电流对断路器进行适当选择。 1 低压断路器额定短路分断能力的选择 选择低压断路器原则： ( 1 ) 断路器的额定电压等 于或略大于线路或电动机的额定工作电压。 ( 2 ) 断路 器的额定电流等于或略大于线路计算负载电流( 或等 于电动机的满负荷电流) 。 ( 3 ) 断路器额定短路分断能 力等于或略大于线路可能再现的最大三相短路电流。 1 . 1 额定短路分断能力的定义与试验 我国等同采用 I E C 6 0 9 4 7 - 2的 G B 1 4 0 4 8 . 2 - 2 0 0 1 低压开关设备和控制设备 低压断路器 标准规定： 额定短路分断能力有两种， 额定极限短路分断能力 I c u和额定运行短路分断能力Ic s， Ic u和Ic s的定义分 别是：I c u按规定的试验程序所规定的条件， 不包 括断路器继续承载其额定电流的分断能力。 I c s按 规定的试验程序所规定的条件， 包括断路器继续承 载其额定电流能力的分断能力。I c u的试验程序是 O C O 。它表示试验线路已调节至断路器要求的短 路电流和功率因数等，控制台按钮按下，短路电流 通过断路器，断路器急速断开( O - o p e n ) 。经此断开 试验，断路器无损，间歇 t = 3 m i n 后，断路器再经 受一次接通( C - c l o s e ) 、 分断试验。 接通试验考核断 路器在峰值电流下的热和机械强度( 峰值电流产生的 电动斥力) ， 经过一次分断， 一次接通、 紧接着分断 试验后，断路器无超过允许的损坏，且能通过试验 后的介电性能、 过载脱扣器验证， 则表明I c u试验合 格。I c s的试验程序为：O C O C O 。Ic s各程序试 验通过后， 还要对断路器的温升、 介电性能( 耐压) 、 过载脱扣器进行验证。此外，标准还规定必须在 1 . 0 5 U e和In( 额定电流) 下进行合分5 % 电寿命次数 的承载额定电流能力的考核。 电寿命次数按断路器 额定电流的大小，为 5 0 0 1 5 0 0 次。按 5 % 计，在 承载额定电流的试验中， 最小为2 5 次， 最大为7 5 次。 由标准的规定可见I c s的考核条件比Ic u严格很多， 鉴 络和工业设备发生短路等故障。 阐述了断路器分断能力的定义与标准， 对额定短路分断能力的选择进行了分 析， 给出了短路电流的计算公式， 分析了额定短路分断能力选择时应注意的问题。 低压断路器分断能力的计算和选择 在额定电压和额定电流下， 正确计算线路的短路电流， 适当选择低压断路器， 可减少配电网 断路器；保护；分断能力 申元林 ( 苏州电器一厂，江苏 苏州 2 1 5 0 0 1 ) 中图分类号：T M 5 6 1 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 7 - 3 1 7 5 - ( 2 0 0 7 ) 0 1 - 0 0 4 2 - 0 3 摘 要： 关键词： Abstract: Under rated voltage and rated current to calculate short circuit current correctly and to select low-voltage circuit break properly may reduce short circuit etc breakdowns to take place in power distribution network and industrial equipment. Description was made for the definition and standard of circuit break breaking capacity, analysis was carried out for selection of rated short circuit breaking capacity, giving out calculation formula of short circuit current, having analyzed that when in selection of rated short circuit breaking capacity, cautions should be paid with attention. Key words: circuit breaker; protection; breaking capacity SHEN Yuan-lin （Suzhou No.1 Electrical Appliances Factory, Suzhou 215001, China） Calculation and Selection of Low-voltage Circuit Breaker Breaking Capacity t tt 低压断路器分断能力的计算和选择 43 江苏电器 (2007 No.1) 于此，国际和我国标准规定I c s分三个或四个等级， 即I c s= 5 0 % 、7 5 % 、1 0 0 % Ic u( 对B 类断路器，即具有 过载长延时、 短路瞬动三段保护功能的断路器) ； 或 I c s= 2 5 % 、5 0 % 、7 5 % 、1 0 0 % Ic u( 对A 类断路器，即仅 有过载长延时， 短路瞬动二段保护功能的断路器) 。 1 . 2 额定短路分断能力的选择 万能式断路器因它的短路分断能力较高， 又有 各种附加功能， 因此大多数用于主干线( 包括变压器 的出线处) 作主保护开关。 其中国产的D W 1 5 系列、 M E ( D W 1 7 )系列、D W 4 5 系列为主流。 D W 1 5 系列、 M E 系列 是典型的二段保护， 其结构为热- 电磁式保护， 热- 电磁式有热继电器、速保护互感器、过载电磁铁组 成， 从而实现了过载长延时和短路瞬时二段保护功 能。D W 4 5 系列为目前使用比较广泛的智能断路器， 它采用了计算机、数字处理、自动控制、传感器和 通信技术等，具有长延时、短延时、瞬时三段保护 ( 可加上接地保护成为四段保护) 。 而塑料外壳式断 路器，一般不具备完善的短路延时功能，选择性较 差，因而多数用于支路。但近年智能型塑壳式断路 器已投放市场，它已有三段保护性能 1 。 对于断路器的额定短路分断能力， 是选择极限 短路分断能力还是选择运行短路分断能力的问题， I E C 9 2 船舶电气 规定： “具有三段保护，作主干线 ( 包括变压器出线端总保护开关) 保护的万能式断路 器偏重于I c s， 而大量使用于分支线路， 且仅有二段 保护的塑料外壳式断路器， 应确保它有足够的I c u” 。 主干线若使用I c u， 则安全切断故障电流后， 必须更 换新的断路器，主干线的停电将影响众多用户，因 此要求I c s大；而对于支路偏重Ic u，一旦故障电流 达到了I c u， 断路器自动切断， 即使更换新断路器时， 影响面要小得多。 塑料外壳式断路器，当其额定电流较小，而距 离电力中心又很近的支路， 它的预期短路电流也会 很大。 因此我国现有不少企业生产的塑壳断路器按 分断能力分成几等。 1 2 5 A 、 1 6 0 A 等小电流规格断路 器的极限短路分断能力也可达 3 5 5 0 k A ，2 5 0 A 、 4 0 0 A 等电流规格的断路器达5 0 6 5 k A ，甚至8 0 8 5 k A 。它们的I c s大致在( 5 0 % 7 5 % ) Ic u；D W 1 5 型、 M E 型万能式断路器，I c s= ( 6 0 % 7 5 % ) Ic u；D W 4 5 型 系列智能型万能式断路器，I c s= ( 6 2 . 5 % 6 5 % ) Ic u。 国外 A B B 公司的 F 系列、施耐德公司的 M 系列万能 式断路器，I c s也不过是7 0 % Ic u。 1 . 3 短路电流的计算 一般设计人员在计算变压器最大预期短路电流 时通常使用I = I 2/ Uk；其中：I 为变压器最大预期短 路电流；I 2为变压器二次侧电流；Uk为变压器的短 路电压比( % ) ， 可查阅制造厂的样本。 国家有关标准 规定U k在4 % 6 % 之间，并规定变压器的容量小于 或等于 6 3 0k V A 时 Uk取 4% ；变压器的容量大于 6 3 0 k V A 时U k取4 . 5 % 。 现以一台6 3 0 k V A 的变压器为例， 其二次侧额定 电流为9 1 0 A ，短路电压比U k取4 % ，二次侧出线处 的短路电流为 4 8 . 1 7k A ；选用 D W 1 5 - 1 0 0 0， I n= 1 0 0 0 A ，其Ic u= 5 0 k A ，Ic s= 4 0 k A ，能满足要求。 再以一台1 6 0 0 k V A 的变压器为例， 其二次侧额 定电流为 2 3 1 2 A ，短路电压比 U k取4 . 5 % ，二次侧 出线处的短路电流为5 1 . 3 7 k A ； 若选用D W 1 5 - 2 5 0 0， I n= 2 5 0 0 A ， 其Ic u= 5 0 k A ， Ic s= 4 0 k A ， 不能满足要求。 改选 D W 4 5 - 3 2 0 0型，I n= 2 5 0 0 A ，其 Ic u= 1 0 0 k A ， I c s= 6 5 k A ， 能满足要求。 因为有D W 4 5 这种规格的断 路器， 就尽量满足它作为变压器主保护开关对于I c s 的要求，而且符合I E C 9 2 的有关规定。 ( 注：支路各 点预期短路电流， 应分别根据回路阻抗计算得出) 。 1 . 4 额定短路分断能力选择时应注意的问题 1 )有人认为某一新型塑壳式断路器( 壳架电流为 1 6 0 A 、I c u为3 8 0 V ，5 0 k A ，Ic s为3 8 0 V 、3 5 k A ) 不能 选用， 因为设定的预期短路电流为3 8 . 5 k A ， 而断路 器的I c s仅为3 5 k A ，无法满足要求。其实这是一个 误解。该断路器使用于支路，即使因为支路接近于 变压器， 而变压器的预期短路电流可达3 8 . 3 5 k A ， 但 该断路器的I c u达5 0 k A ，完全可切断变压器二次侧 短路流入此支路的电流( 就算达到3 8 . 3 5 k A ) 。断路 器切断此短路电流后， 确需要换新的， 但因是支路， 影响面并不大，若塑壳断路器的接线是插入式，拔 出旧的插上新的即可。 线路发生短路故障， 绝大部分发生在支路里( 主 干线发生大的短路事故应视为灾难性的) ， 在这些故 障中，两相接地故障( 通常是相邻的两相) 占 7 . 8 % ( 两相短路接地与两相短路之和) ，其短路值不大， 则较小些的I c s已经完全能满足需要。 单相短路电流 与断路器的瞬动整定电流( 配电保护型断路器瞬动整 定电流通常为1 0 1 2 倍I n) 之比，必须大于或等于 1 . 2 1 . 2 5 。 如果线路很长， 建议再安装电路末端保 护用小型断路器( 如D Z 4 7 型) ， 因为它的瞬时整定值 低压断路器分断能力的计算和选择 44 江苏电器 (2007 No.1) 有 3 5 倍I n和5 1 0 倍In等类型。或采用智能型 塑壳断路器， 它的瞬动电流有( 1 . 5 、 2 、 4 、 6 、 8 、 1 0 、 1 2 倍) I n，其整定电流值用户可以自行调节。 2 )还有人认为壳架电流为 1 6 0 A 的塑壳式断路 器，I c s仅3 8 0 V 、3 5 k A ，不能满足预期短路电流大 于3 5 k A 的线路故障电流的保护， 因此要选高一级的 断路器。例如原选断路器为 I n= 1 6 0 A ，现选壳架等 级电流I n m为2 5 0 A 。In m为2 5 0 A 规格包含了1 6 0 A 额 定电流当然可用，2 5 0 A 规格的I c u为3 8 0 V 、6 5 k A ， I c s为3 8 0 V 、 4 5 k A ， 即使取Ic s作为断路器的额定短 路分断电流，也大于线路的预期短路电流。当然 2 5 0 A 规格断路器价格比1 6 0 A 高，体积比1 6 0 A 大。 I n m为2 5 0 A 规格的额定电流尚有2 0 0 、 2 2 5 、 2 5 0 A 等 几种， 如果不问额定电流， 只认I c s而选用大于或很 大于1 6 0 A 的额定电流则是错误的。 按过载和短路保 护标准，当过载电流达1 . 3 I n时，断路器应在2 h 内 动作；短路瞬动值是1 0 1 2 倍I n，现若取2 5 0 A 规 格断路器的 I n= 2 0 0 A ，2 0 0 1 . 3 = 2 6 0 A ，它大于 1 6 0 1 . 3 = 2 08 A ；瞬动值I n= 2 0 0 A 时为 2 0 0 0 2 4 0 0 A ，而I n= 1 6 0 A 时为1 6 0 0 1 9 2 0 A 。这样就会 使1 6 0 A 线路在过载和短路时不动作， 丧失了保护功 能。 2 结语 传统的低压断路器检测和保护功能多由电磁元 件完成。 其动作时间长， 保护精度低， 整定困难。 随 着信息技术通信技术和计算机网络技术的进步和 应用领域不断扩大， 对电器产品提出了可通信要求， 以实现智能化电器与中央控制设备之间的双向数据 通信。所以，智能断路器将是今后的发展方向 2 。 参考文献 1 章永孚，万绍尤，程玉彪，等. 万能断路器用控制 器软硬件设计 J . 低压电器，1 9 9 8 ( 6 ) . 2 何瑞华. 我国低压电器新世纪发展策略探讨 J . 低压电器，2 0 0 0 ( 1 ) . 修稿日期：2 0 0 6 - 1 2 - 0 8 ( 上接第1 8 页) 2 结论 1 )运用A N S Y S 软件对3 5 k V 电磁式电压互感器内 部电磁场进行仿真计算和分析， 可以在样机制作前， 精确掌握电器产品的性能，减少重复样机制作，降 低实验费用。 2 )在电压互感器初步设计的基础上， 对设计变 量进行优化，可以进一步改善内部磁场的分布，使 线圈结构得到优化。 优化后的产品成本低，