低压配电电器的选择与使用

1、低压配电电器的选择与使用张尚斌ABB公司首席技术官(CTO)彼得.坦尔维希(Peter Terwiesch)指出：成功的技术创新基于以下三个基本能力：了解客户需求的能力，提供满足客户需求最新技术的能力，和客户一起探索未来应用的能力。要提供一个让客户满意的技术方案，首先要深入了解用户需求，然后结合最新技术根据用户需求的层次提供安全、可靠、经济合理的解决方案是我们推广新技术和开发新产品的基础。作为提供集成解决方案的成套产品，更侧重于第一、三基本能力的技术支持。基于以上观点，下面讨论低压配电电器产品的选择与使用。1、低压配电系统概述1.1、50Hz交流低压设备的额定电压和系统标称电压1电气设备和电子

2、设备分供电设备和受电设备两大类，受电设备的额定电注：压也是系统的标称电压。2表中斜线之上为相电压，之下为线电压。带“+”为只用于电压互感器、继电器等控制系统的电压；带“*”只限于矿井下、热工仪表和机床控制系统的电压；带“*” 只限于煤矿井下和其他特殊场合使用的电压。1.2、带电导体系统的分类带电导体指正常通过工作电流的导体，包括相线和中性线（N,PEN），但不包括PE。带电导体系统根据带电导体的相数和根数分类，我国带电导体系统型式为三相四线制、三相三线制和单相两线制，有时也有两相三线制（见下图）；IEC标准还有单相三线制和两相五线制。1.3、接地系统的分类接地系统的分类是根据是电源点对地关系和

3、负荷侧电气装置外露可导电部分对地关系。电气装置是指所有的电气设备及其间相互连接的线路的组合。外露可导电部分是指电气设备的金属外壳、线路的金属支架、套管及电缆的金属铠装。接地系统的型式有TN 、TT、IT三种系统。其中TN按N和PE的组合情况 2分为TN-C,TN-S,TN-C-S三种系统。（详见GB14050-2008系统接地的型式及安全技术要求）。2、低压配电系统的接线型式2.1、常用低压电力配电系统接线及有关说明2.2、常用低压照明配电系统接线及有关说明2.2.1照明网络一般采用220V/380V三相四线制中性点直接接地系统，灯用电压一般为220V。安全电压限值有两档：正常环境50V，潮湿

4、环境24V，安全电压 4不应超过此值。我国常用于正常环境的手提行灯电压36V，在狭窄不便工作场所为12V。特别潮湿、高温、有导电灰尘或导电地面的场所，容易触的固定式或移动式照明设备可选24V。2.2.2照明系统中每一单相分支回路电流不宜超过16A，光源数不超过25个。大型建筑组合灯具每一单相回路电流不宜超过25A，光源数不超过60个。连接高强度放电灯的单相电流不应超过30A。当插座为单回路时，用于计算机低压插座备用超过5个（组），并应采用A型剩余电流动作保护装置。（JGJ16-2008民用建筑电气设计规范）2.2.3常用低压照明配电系统接线及有关说明2.3、应急电源系统典型接线（JGJ16-2

5、008民用建筑电气设计规范）应急电源根据允许中断供电的时间分别选择： 1快速自动启动的应急发电机组，允许中断供电的时间为1530s。 2带有自动投入装置的独立于正常电源的专用馈电线路，允许中断供电的时间大于电源切换时间。3不间断电源装置（UPS），允许中断供电的时间为毫秒级。 4应急电源装置（EPS），允许中断供电的时间为毫秒级的应急照明。3、低压配电电器的选择与使用3.1、电压电器的选择（JGJ16-2008民用建筑电气设计规范）3.1.1、基本要求：（1）电器的额定电压、额定频率与所在回路标称电压及标称频率相适应；电器的额定电流不小于所在回路的计算电流；电器应适应所在场所的环境条件；电器应

6、满足短路条件下的动稳定与热稳定的要求（用于断开短路电流的电器，应满足短路条件下的通断能力）。（2）在TN-C系统中，严禁断开PEN导体，不得装设断开PEN导体的电器。（3）三相四线制系统中四级开关的选用，应符合下列规定：a、保证电压转换的功能性开关电器应作用于所有带电导体，且不得使这些电源并联；b、TN-C-S、TN- S系统的电源转换开关，应采用切断相导体和中性导体的四级开关；c、正常电源与备用发电机之间，其电源转换开关应采用四级开关； d、TT系统的电源进线开关应采用四级开关；e、IT系统中当有中性导体时应采用四级开关。（4）自动转换开关电器（ATSE）的选用应符合下列规定：a、根据配电系

7、统的要求，选择高可靠性的ATSE电器，特性应满足现行GB/T14048.11的相关规定。b、ATSE转换的动作时间，应满足负荷允许的最大断电时间要求；c、当采用PC级自动转换开关电器时，应能耐受回路的预期短路电流，其ATSE的额定电流不应小于回路计算电流的125%；d、当采用CB级ATSE为消防负荷供电时，应采用仅具短路保护的断路器组成的ATSE，其保护选择性应与上下级保护电器相配合；e、所选用的ATSE宜具有检修隔离功能；当ATSE本体没有检修隔离功能时，设计上应采取隔离措施；f、ATSE的切换时间应与供配电系统继电保护时间相配合，并应避免连续切换； g、ATSE为大容量电动机负荷供电时，应

8、适当调整转换时间，在先断后合的转 10换过程中保证安全可靠切换。 3.1.2、低压配电线路保护(1)短路保护：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造成分断该短路电流。 短路保护电器应满足两个条件：a、分断能力不应小于导体安装处的预期短路电流，但下列情况除外： 上级以装有所需分断能力的保护电器，则下级保护电器分断能力允许小于预期短路电流。此时，改上下级保护特性必须配合，使得通过下级保护电器的能量不能超过其能够承受的能力。在某些情况下还应考虑其他特性，如下级保护电器能够承受的电动力和电弧能量等。这些保护特性配合的具体要求应从该保护电器的制造厂取得。b、应在短路电流使达

9、到导体极限温升之前分断该短路电流。当短路持续时间不大于5s时，导体从正常运行的允许最高温度上升到极限温度所持续的时间t可近似地用下式计算：k2S2It或StI2kS绝缘导体的线芯截面，mm2；I预期短路电流有效值（均方根值），A；t在已达到允许最高持续工作温度的导体内，短路电流持续作用的时间，s； k计算系数，取决于导体的物理特性。常用绝缘导体k值见下表：21短路时间小于0.1s时，应校验k2S2I2t （It保护电器使用上式适用范围：的允通能量），以保证保护电器在分断短路电流之前，导体应能承受包括非周期2短路时间大于5s时，分量在内的短路电流热作用。校验时应计入散热的影响。当保护电器为断路器

10、时，被保护线路末端的短路电流不应小断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍。(GB50054-2011低压配电设计规范)(2)过负荷保护(GB50054-2011低压配电设计规范)过负荷保护电器的动作特性，应符合IBInIZ , I2 1.45IZIB回路计算电流In熔断器熔体额定电流、断路器额定电流或整定电流；IZ导体允许持续载流量；I2保证保护电器可靠动作的电流。当保护电器为断路器时，I2为约定时间内的约定动作电流；当熔断器时，I2为约定时间内的约定熔断电流。（3）接地故障保护当发生带电导体与外部可导电部分、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故障电路，以

11、防止人身间接电击事故或电气火灾等事故。不同类型接地方式对接地故障保护的要求：（GB14050-2008系统接地的型式及安全技术要求）（GB50054-2011低压配电设计规范）a、 TN系统中配电线路的间接接触防护电器的动作特性，应符合：Zs IaU0Zs接地故障回路的阻抗（）。U0相导体对地标称电压（V）。Ia保证间接接触保护电器在规定时间内切断故障回路的动作电流（A）。 b、TT系统中，配电线路的间接接触防护电器的动作特性，应符合：RA Ia50V RA外露可导电部分的接地电阻和保护导体电阻之和（）。TT系统中，间接接触防护的保护电器切断故障回路的动作电流：当采用熔断器时，应为保证熔断器在

12、5s内切断故障回路的电流；采用断路器时，为断路器瞬时切断故障回路的电流；采用剩余电流保护器时，应为额定剩余动作电流。c、在IT系统的配电线路中，当发生第一次接地故障时，发出报警信号，且故障电流应符合：RA Id50VId相导体和外露导电部分间发生第一次接地故障时的故障电流（A），此值应计及泄漏电流和电气装置全部接地阻抗值的影响。注（设计手册）：1当灵敏度符合要求时，采用短路保护兼TN系统接地保护方式的选择：2零序电流保护；3剩余电流保护。 作接地故障保护；采用带接地故障保护的断路器，接地故障保护分为零序电流保护和剩余电流保护。I、零序电流保护。通常在断路器后的三个相线上各装一只电流互感器（TA

13、），取三只TA二次电流矢量和乘以变比，即零序电流IN=IU+IV+IW。零序电流保护的整定值Iset0必须大于正常运行时PEN中流过的三相最大不平衡电流、谐波电流、正常泄漏之和；而在方式接地故障时必须动作。建议零序电流保护的整定值Iset0按下面两时确定Iset02.0IN，IN(G)1.3Iset0 ；IN(G)为发生接地故障时检测的零序故障电流。13 配电干线正常运行时的零序电流IN通常不超过计算电流Ic的20%25%，零序电流保护的整定值Iset0可整定在断路器长延时脱扣电流Iset1的50%60%为宜，同时必须满足IN(G)1.3Iset0的要求。零序电流保护适用于TN-C、TN-C-

14、S、TN-S系统，但不适用谐波较大的配电线路。II、保护。通常在断路器后的三个相线和中性线上各装一只电流互感器（TA），取四只TA二次电流矢量和，或采用专用的剩余电流互感器，乘以变比，即剩余电流IPE=IU+IV+IW+IN。为避免误动作，断路器剩余电流保护的整定值Iset4应大于正常运行时线路和设备泄漏电流总和的2.54倍，同时，断路器接地故障保护的整定值还应符合接地故障电流IPE(G)1.3Iset4。剩余电流保护适用于TN-S系统，但不适用TN-C系统。 其他电气设备的保护讨论内容较多，略去暂不讨论。3.1.3、变压器保护10（6）KV变电所短路容量一般为150200MVA，35/0.3

15、8 KV直降变电所短路容量一般为650750MVA。（ABB配电电器保护变压器短路容量按750MVA计算）变压器LV端低阻抗故障时流过的短路电流Ik（A）： Ik=Ur ；Ur(ZNe+tZt)是变压器的额定电压（V）；ZteN是电网的短路阻抗（）,Zt是变压器短路阻抗；根据变压器额定容量（Sr（VA）和阻抗电压百分比（uk%），该阻抗为：uk%Ur2Zt=。考虑到电源侧电网短路容量为无穷大（ZNet=0），短路电流公式变100Sr为：Ik=Ur=(Zt)Ur100Sr=uk%Ur2uk%Ur()100Sr。为保护MV/LV变压器的LV侧，选择断路14器时应考虑：被保护变压器LV侧的额定电流（

16、该数值是断路器额定电流的参考值和保护的设定值）；保护安装处的最大短路电流（该数值确定断路器的最小分断能力（Icu或Ics）。单台变压器的MV/LV装置，计算LV侧额定电流Ir（A）的公式为：Ir=1000Sr。Sr为变压器额定容量（KVA），Ur20变压器额定LV端空载电压（V）。3Ur20变压器LV端的全压三相短路电流（A）（假定电网电力功率为无穷大）：Ik=100Ir。uk%为变压器的阻抗电压。保护断路器必须具有：InIr；Icu(Ics)Ik。 uk%3.1.4、低压配电电器的保护配合分析讨论用于保护某一区域的特定装置之间的配合的目的：（1）随时确保人员和装置的安全；（2）识别并快速切除

17、受故障影响的区域，减小停电范围；（3）减少故障对电网中其他完好部分的影响（如电压降，旋转电机失稳）；（4）在影响区域减小部件所受应力及损坏；（5）确保高品质电压供电的连续性；（6）确保在负责断开电路的保护设备发生故障时，具有足够的保护措施；（7）给管理人员和系统提供快速恢复供电的必要信息，使对电网其他部分的干扰降至最小。（8）在可靠性、简单性和成本之间实现良好的折中。3.1.4.1过电流配合保护设备配合所采用的策略主要取决于电网相关位置处的额定电流In和短路电流Ik值。通常，配合类型分为：电流选择性；时间（或时间-电流）选择性；能量选择性；后备保护。过电流选择性定义：两个或多个过电流保护装置之

18、间的动作特性配合。在规定的范围内出现过电流时，指定在这个范围内动作的装置动作，而其他装置不动作。（IEC60947-1 def. 2.5.23）全部选择性：是一种过电流选择性，在两台过电流保护装置串联情况下，负载侧的保护装置实行保护时而不导致另一台保护装置动作。（IEC60947-1 def.2.17.2）部分选择性：是一种过电流选择性，在两台过电流保护装置串联情况下，负载侧的保护装置在给定的过电流限制下实行保护时而不导致另一台保护装置动作。（IEC60947-1 def. 2.17.3）该过电流阈值称为“选择性限制电流Is” （IEC60947-1 def. 2.17.4）3.1.4.2过电

19、流配合解决方案的优缺点I、电流选择性：主要在终端配电网络中考虑这类配合（额定电流和短路电流值低，连接电缆的阻抗高）。优点：快速；易于实现；价格低廉。缺点：选择性限制水平通常很低；但要提高选择性水平又迫使选用更大规格的设备。II、时间选择性：设置策略为当越接近电源时，逐级增大保护设备的脱扣电流阈值和延时。优点：易于研究和实现；价格相对低廉；根据电源侧设备的Icw，允许极高的选择性水平；有冗余保护功能，可将有效性息发至控制系统。缺点：保护设备（尤其是靠近电源的设备）脱扣时间和流过的能量很高，即使在未受故障影响的区域，也明显涉及安全和部件损坏问题。它只允许在保护链中较低级别处使用限流断路器；其他断路

20、器必须具备在故意延时内，耐受与故障电流相关的热应力和电动应力。必须在各个级别上使用选择性断路器（通常为空气断路器），以确保有足够的短时耐受电流。电源电压的短路电流感应产生的持续干扰会对未受故障影响的区域中引起电子和机电设备故障（电压低于电磁脱扣值）。选择级数取决于电网失稳前可承受的最长时间的限值。III、区域（逻辑）选择性：该类配合通过在电流测量装置之间的对话实现，当确认超出整定的阈值时，正确识别并只断开受故障影响的区域。【该方案解决主要用于高额定电流和高短路电流的系统，该系统对安全和供电连续性有很高要求；特别是作为逻辑选择性示例，通常用于主配电盘、变压器低压出口、发电机组和网状电网中。】优点

21、：减少脱扣时间，提供安全级别；减少由故障引起以及它在电网中引起的干扰所产生的损坏；减少断路器和系统部件上的热应力和电动应力；实现更多的选择性级数；提供冗余保护：当区域选择性发生故障时，由断路器设置的其他保护功能来确保脱扣。也可随着其接近电网馈线的程度对短延时保护增加延时时间。 缺点：成本过高；系统较为复杂（特殊部件、附加接线、辅助电源）。 IV、能量选择性：是一种利用塑壳断路器的限流特性实现的特殊选择性类型。限流断路器“分段时间短得足以阻止短路电流达到预期峰值前分断的断路器” 20（IEC60947-2 def. 2.3）该类配合主要用于额定电流低于1600A的二次和终端配电网络优点：快速分断

22、，随短路电流增大而减少脱扣时间；减少故障（热应力和电动应力）和对电源系统干扰引起的损坏及成本； 选择性水平不在受设备可承受的短时耐受电流Icw值的限制；实现更多的选择性级数；可实现不同限流设备（熔断器、断路器等）之间的配合，即使它们处于保护链的中间位置也无妨。缺点：很难实现规格类似的断路器之间的配合。V、后备保护：两个串接的过电流保护设备间的过电流配合，位于电源侧（通常但不是必须）的保护设备，在有/无另一保护电器的帮助下实现过电流保护，并避免对另一个保护电器过分应力。（IEC60947-1 def. 2.5.24）优点：节省成本的解决方案；脱扣速度极快。缺点：极低的选择性水平；供电质量差，因为

23、至少有两个断路器必须脱扣。3.1.5、低压配电电器的特殊应用探讨3.1.5.1直流电网（1）直流电的主要应用I、应急供电或辅助服务应用直流电作为备用电源，它用蓄电池组提供紧要电源，例如保护设备、应急照明、报警系统、医院和工业设备、数据处理中心等。II、电力牵引直流电动机在调速和单相供电方面的优点有助于在铁路、地下铁路、电车、电梯和公交车辆中广泛应用。III、特殊工业装置一些电解过程设备和对电动设备有特殊要求的应用。（2）计算蓄电池的短路电流蓄电池端子处短路电流数值可由电池制造商提供或用公式计算：IK Umax；Ri式中Umax为最大闪络电压（无载电压）；Ri为电池元件的内部电阻（一通常由制造商

24、提供）。例如，电池为12.84V，内部电阻为0.005时，端子上的短路电流为2568A。（3）选择断路器的原则I、负载电流，根据该电流确定断路器规格和热磁过电流脱扣器的设定；II、系统额定电压，根据该电压确定串接的极数，从而增加设备的分断能力； III、断路器安装点处的预期短路电流，该电流影响断路器的选择； IV、电网类型，更确切地说是接地类型。（4）直流电网类型两个极均与地绝缘；一个极性接地；中点接地。（5）在直流电中使用开关设备I、断路器极的并联（极并联校正系数见下表）如：Tmax T6N800 In800断路器三极并联，最大载流量为：0.8×3×800A1920A。I

25、I、热脱扣器特性由于这些热脱扣器的功能基于电流流动引起的热现象，因此直流状态下脱扣特性没有变化。 III、电磁脱扣器特性根据断路器和接线图，电磁脱扣器在直流使用时的脱扣阈值必须乘以下表系数（km）。IV、直流中和电压有关的分断能力(kA)注：（1）最小允许电压为DC24V。 3.1.5.2特定频率电网：400Hz和16Hz通过采用合适的降容系数，标准断路器可用在非50/60 Hz频率（设备在交流状态下满足额定性能的频率）的交流工况下。 （1）400Hz电网在高频率时，要考虑下列情况，设备的性能要重新分级：23I、集肤效应增大和感抗增大直接与频率成正比，引起断路器内正常载流导体或铜部件的过热；I

26、I、磁滞回线加长以及磁饱和值降低引起磁场力在给定电流值时的变化。通常这些变化影响热磁脱扣器和断路器电流分断部件特性。热元件的脱扣阈值（I1）随频率增高而减少，原因是材料传导率下降而相关的热现象增大；一般会降低10%。相反，磁脱扣阈值（I3）随频率增高而增大，建议在实际中使用5 In断路器。（2）16Hz电网 频率为16Hz的单相配电用于电力牵引系统，作为三相50Hz系统及直流系统的另一个选择。在此频率上，无需考虑热脱扣阈值的降容系数，电磁脱扣阈值按下表选校正系数（km）。23233.1.5.3 DC 1000V和AC1000V电网常用于矿井、石化及电力牵引（隧道照明）相关行业。（1）DC 10

27、00V电网（Tmax、SACE Isomax、Emax/E系列）I、与地绝缘的电网接线：3+1极串联；2+2极串联。II、一个极接地的电网接线：4极串联。III、电源中点接地的电网接线：2+2极串联。（故障涉及的及以U/2电压即500V工作）IV、脱扣阈值的校正系数（km）过载保护无需校正。对于上述方法连接的DC 1000V的电磁脱扣阈值，根据交流相应设置，应乘以下列校正系数：（2）AC 1000V电网(Tmax系列塑壳断路器高达AC 1150V)3.1.5.4自动转换开关在电气系统中，一些场合要求电源可靠性极高，因为它们不允许中断运行，停电的风险也不可接受。应急电源必不可少，为此转换开关设备

28、主要用于： ¤宾馆和机场的供电；¤医院中的手术室和主要部门；¤UPS组的供电；数据库、电信系统、计算机房；¤连续加工的工业生产线的电源。ABB提供的解决方案是ATS010：一种基于微处理器技术的自动转换开关系统，允许在主电网中发生下列异常情况时，将电源从正常电源（N电源）切换到应急电源（E电源）：¤过电压和电压降；¤断相；¤相不平衡；¤频率超出设定范围。电网恢复并达到正常参数时，系统重新将电源切换到主电网（N电源）。 ATS010用在两个不同电源连接至同一母线系统但独立工作（“孤独条件”） 26的系统中：第一个电源

29、是正常供电电源，第二个电源是发电机提供的应急电源。此外，处于E电源供电时还可给系统提供一个开关设备（SD）以切换非重要负荷。（1）切换策略（两种策略中，必须为ATS010提供一个辅助电源）策略I、当为断路器电动操作机构提供了一个辅助电源时选择该策略；切换顺序如下：正常电源异常检测；正常电源断路器断开和发电机组启动；待发电机组电压有效后闭合应急断路器。策略II、当直接从电网和发电机组获得断路器辅助附件所需的电源时，必须使用该策略，因为不提供一个安全的辅助电源；在这种情况下，在操作断路器之前，ATS010等待正常电源或应急电源（正常电源或发电机组）的电压。切换顺序如下：正常电源异常检测；发电机组启

30、动；待出现发电机组电压，断开正常电源断路器；闭合发电机组断路器。（2）工作模式提供面板可选择6种工作模式之一：¤试验：该工作模式对发电机组启动非常有用，因为可在不切断正常电源时试验应急电源的状态。¤自动：转换开关逻辑为ON,检查断路器和发电机。当正常电源发生异常时，转换开关从正常电源切换到应急电源，当正常电压重新恢复时，从应急电源切换到正常电源。¤手动：I、正常接通应急电源断路器强制断开，正常电源断路器强制闭合；发电机组停止工作，禁 27止转换开关逻辑。该选择器位置确保应急电源没有闭合，发电机组没有正常运行；当用户希望在应急电源或发电机组上执行维护工作时，该位置非常有用（在这种情况下，建议在断开位置为应急电源断路器安装机械锁）。II、正常-应急关闭（维护）两个断路器（N电源和E电源）均强制处于断开位置。当要断开所有负载的电源时，该位置非常有用，在设备上执行维护（在这种情况下，建议在断开位置为应急电源断路器安装机械锁）。III、发电机组启动已通过正常的输出激活发