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供配电设计中低压断路器的选型探讨

2022-03-26冉敏敏

家园·电力与科技 2022年2期
关键词:供配电系统

冉敏敏

摘要:在众多开关电器中,低压断路器越来越多的应用在供配电系统中,它不仅可以接通和断开正常的工作电流和过载电流,还可以在故障情况下能快速地分断短路电流,实现对线路和电气设备的有效保护,保证了电力系统的安全稳定运行。在供配电设计中,合理选择低压断路器,是确保电力系统安全稳定运行置关重要的一环。本文将对如何合理选择低压断路器展开论述,对供配电设计初学人员提供参考。

关键词:低压断路器;供配电系统;合理选择

引言

随着科学技术的不断发展,我国低压断路器经历了四代的发展演变过程,从最开始的体型庞大的刀开关逐渐发展为现在的结构紧凑、功能强大的模块化、智能化和小型化的低压断路器,结构和性能日趋完善和优良,广泛地应用于农业、工业和建筑业等各个领域,其可靠性和安全性的高低直接影响是否能保障电力系统和电气设备的正常运行。如果没有选择合适的低压断路器,当配电线路发生短路故障时,低压断路器因没有及时断开故障电流,轻则引起线路和电气设备烧毁等情况,重则引发电气火灾,造成人员伤亡事故,不仅给用户带来重大的经济损失,还会对使用者的人身安全带来一定的威胁。因此,在供配电设计中,如何科学合理地选择低压断路器的类型及参数,是每个设计人员必备的一项技能。本文将分别详细介绍在配电线路中和电动机回路中低压断路器的选择方法。

低压断路器的种类

低压断路器的种类较多,大致分类如下:按灭弧介质来分,有真空式和空气式;按保护特性来分,有非选择型和选择型;按外观结构来分,有塑料外壳式和开启式;按动作速度来分,有一般型和快速型;按使用场合来分,有配电型和电动机保护型。

配电线路中低压断路器的选择

1.低压断路器的类型选择

应用在配电线路中的低压断路器有非选择型和选择型两种类型,它们的区别是:两者均具有短路瞬时保护和过载长延时保护,唯一不同的是后者还具有短路短延时的保护特性。具体选择哪种类型的低压断路器还应根据配电系统的配电方式来选择。低压配电系统的配电方式有树干式、放射式、链式、混合式等几种。对于树干式或混合式的配电线路,线路的干线很长,线路中的保护电器较多,当发生线路故障时,为了尽可能地使停电范围缩小,这就使得离配电线路首端越近的保护电器,就越要求其具有选择性,故常常选择选择型低压断路器。对于直接连接在配电线路最末端的电器设备,当发生短路时,必须快速地将故障电流切除,故通常选用非选择型低压断路器来实现对电器设备的保护。

2.低压断路器参数选择

在选择低压断路器的参数时,首先要考虑的是所选用的断路器的额定电压应该和所在线路的标称电压相同,断路器的额定频率也要和系统的标称频率相符。其次线路的计算电流要小于所选断路器的额定电流。需要注意的是,这里说的额定电流,是指断路器的脱扣器可长期允许流过的最大电流。低压断路器的参数中还有一个壳架电流,是指相同的壳体能装下的脱扣器的最大额定电流,这两者要区分开来。以上基本参数选定后,我们还要校验低压断路器短路接通能力、短路分断能力以及动作的灵敏性,绝大多数设计者都忽略了这一步。按短路时线路上出现的冲击电流来校验低压断路器的额定短路接通能力,要求断路器能短时耐受的最大预期峰值电流大于短路全电流的最大瞬时值。断路器的分断能力则是按线路的最大短路电流的有效值来进行校验的,要求线路中可能出现的最大短路电流应小于断路器的额定短路分断能力。按线路的最小短路电流来校验低压断路器动作的灵敏性,要求线路的最小短路电流不应小于断路器短路整定短路电流的1.3倍。

3.低压断路器参数整定

圖1为低压断路器三段式保护特性图,图中Iset1为过载长延时保护电流整定值,Iset2为短路短延时保护电流整定值,Iset3为短路瞬时保护电流整定值。以上各个参数的整定应按以下原则进行设置:

(1)过载长延时保护电流整定值Iset1的设置。从图1中可知,正常运行时,断路器过载长延时保护不应动作,故Iset1应大于或等于线路所带负荷的计算电流Ij,且小于或等于连接导体的载流量Iz,即Ij≤Iset1≤Iz。

(2)短路短延时保护电流整定值Iset2的设置。当线路中最大一台电动机启动时,在此台电动机启动时间内,线路上会出现很大的尖峰电流,此尖峰电流包括这台电动机的启动电流IstM1和线路上其他的负荷电流IC。为保证线路的正常运行,断路器应该在电动机启动时间内应躲过此尖峰电流而不动作,故Iset2≥K2[IstM1+IC],K2为断路器短延时脱扣器的可靠系数,取1.2。

(3)短路瞬时保护电流整定值Iset3的设置。电动机在启动过程中,启动电流的周期分量是不变的,而非周期分量是随时间慢慢衰减的,因此在电动机刚启动的瞬间,是要考虑电流的非周期分量的,即应按启动全电流考虑。当线路中最大一台电动机启动的瞬间会出现很大的尖峰电流,此尖峰电流包括这台电动机启动时的全电流I’stM1和线路上其他的负荷电流IC。此时为了保证线路的正常运行,在这台电动机启动的瞬间,断路器的瞬时保护不应该动作,即Iset3≥K3[I’stM1+IC],K3为断路器瞬时脱扣器的可靠系数,取1.2。

在平时的设计中,经验丰富的设计者们往往直接根据断路器的额定电流Ie来进行各参数设置,如:过载长延时保护整定值Iset1按(0.9~1.1)*Ie设置,其保护动作时间按15s设置;短路短延时保护整定值Iset2按(3~5)*Ie设置,其保护动作时间可按0.1s、0.2s或 0.4s来设置;短路瞬时保护整定值Iset3按(10~15)*Ie设置。

4.低压断路器的级间配合

当低压配电线路中的某一点发生接地、短路等故障时,要求选择性地将故障电流可靠切除,尽可能地将停电范围缩小,这就需要线路中的各级保护电器之间能够相互协调配合。

非选择型和非选择型之间的级间配合

图2中,A为上级断路器,B为下级断路器,两者均为非选择型。其中Iset1.A、Iset3.A分别表示为A断路器的过载长延时保护和短路瞬时保护的整定值;Iset1.B、Iset3.B分别表示为B断路器的过载长延时保护和短路瞬时保护的整定值。当短路故障发生在B断路器后的任意一点时,流过故障点的短路电流为Id。当Id<1000A时,此时Iset3.A、Iset3.B均大于Id,故A、B断路器的瞬时保护均不动作,不能将故障电流切除,即不满足保护灵敏性的要求。当1000A2000A时,此时Id>Iset3.A(Iset3.B),故A、B断路器的瞬时保护均动作,此时将停电范围扩大了,即不满足选择性要求。综上所述,上下级均为非选择型断路器的这种配合方式只有局部选择性动作,故在设计中不推荐采用。

选择型和非选择型的级间配合

图3中,A为上级断路器,为选择型;B为下级断路器,为非选择型。其中Iset1.A、Iset2.A、Iset3.A分别表示A断路器的过载长延时保护、短路短延时保护和短路瞬时保护的整定值;Iset1.B、Iset3.B分别表示B断路器的过载长延时保护和短路瞬时保护的整定值。当短路故障发生在B断路器后的任意一点时,流过故障点的短路电流为Id。当Id>3000A时,B断路器瞬时动作,而A断路器的Iset3.A=15000远大于3000A,故断路器A不会发生瞬时动作;而又因A断路器的Iset2.A=3900A>3000A,当下级断路器B故障瞬时未动作时,此时上级断路器A的短延时动作,进一步将故障范围缩小在一定范围。综上所述,此种配电方式符合配电系统保护的要求,但前提条件是各参数必须设置正确。

低压断路器级间动作电流和动作时间的配合

当配电线路发生故障时,为保证线路上的低压断路器不发生误动作,要求上下级低压断路器的动作电流之比不应小于1.1,当装设在不同电压等级上的低压断路器的级间配合,应将配合电流归算到同一电压等级。此外,上下级低压断路器保护动作时间也应有一定的时间差。通常情况下,上下级低压断路器的短路短延时保护之间的动作时间差设置为0.5s,长延时保护之间、短路短延时与长延时保护之间的动作时间差设置为0.5~0.7s。

四、电动机回路中低压断路器的选择

1.低压断路器的类型选择

用在低压电动机配电回路中的断路器,应采用电动机保护型,其所带保护附件的类型应根据断路器在配电回路中的用途来选择。当除了起短路保护外,还兼作电动机的过载保护时,应选择带有长延时保护和瞬时保护的断路器;当只起短路保护的作用时,则可选择只带瞬时保护的断路器,也可将长延时保护当作过电流后备保护;当兼作低电压保护时,还应选择带有低电压保护的断路器。

2.低压断路的参数选择

所选取的电动机保护型低压断路器的额定电压、额定频率应与电动机的额定电压、额定频率一致,且断路器的额定电流应大于或等于长延时脱扣器的额定电流。

3.低压断路器脱扣器保护电流整定

(1)低压断路器长延时保护整定值Iset1按如下原则选取:

当长延时保护起电动机的过电流保护作用时,应根据电动机的额定电流来设置Iset1,要求Iset1≥,且电动机的启动时间应小于7.2 *Iset1电流下断路器的动作时间。

当长延时保护起电动机的过电流后备保护作用时,首先要满足将2.2倍的电动机启动电流作为断路器瞬时动作电流的条件,再根据此条件来设置Iset1。如笼型电动机直接启动时应符合下式:,为断路器瞬时动作的电流倍数。

(2)低压断路器的短延时保护整定值宜按躲过起动电流周期分量最大有效值选取,且延时不宜小于0.1s。

(3)低压断路器的瞬时保护整定值Iset3按2~2.5倍的电动机启动电流Ist来选取。

四、低压断路器的极数选择

低压断路器在三相配电系统中通常起保护、电气隔离、防电击和控制的作用,极数有三极和四级两种,其主要的区别在于低压四极断路器可以断开中性线,实现电源和电器装置的彻底隔离,从而保证电器检修的安全。电动机回路中的低压断路器选用三极。配电线路中的低压断路器的极数选择,在设计中,通常根据电力系统的接地型式和使用条件来选用不用极数的低压断路器。

配电系统的接地型式分为TN-S、TN-C、TN-C-S、TT、IT系统。在TN-S及TN-C-S的单电源系统中,由于中性线与PE线有一点连接,且系统又有总等电位联结,当在检修中发生单相接地时,如果工作人员不小心触摸到中性线时,由于PE线与中性线电位相同,因而不会发生危险,故低压断路器可选择三极,没有必要选择四极。在TN-C系统中,由于中性线与PE线共用一根PEN线,而PE线是不能断开的,故在TN-C系统中严禁选用四极低压断路器。而在TT系统中,由于中性线没有与PE线和总等电位联结接通,当检修时,有可能因中性线出现电位而造成电击事故,故TT系统的电源进线断路器应选用四极低压断路器。在不引出中性线的IT系统中,应选用三极低压断路器。在引出中性线的IT系统中,中性线上会出现浮动的电位,当因故障相线被断开的同时,必须断开中性线,故此系统中必须选用四极低压断路器。当用在两种不同接地系统间转换的低压断路器,必须采用四极低压断路器。值得注意的是,当选用四极低压断路器时,断路器的第四极应该先接通,后断开。此外,为了避免低压断路器合闸后,第四极没有接通而引发电击事故,低压断路器应该定期维修。

五、结束语

在供配电设计中,我们应该全面理解低压配电保护的各项要求,重视低压断路器在电力系统中对保护线路、电器设备和人身安全所起的重要作用,合理选择低压断路器的类型,正确设置各整定参数,切实保障低压配电系统运行的经济性、安全性和可靠性。

参考文献:

【1】《工业与民用供配电设计手册》第四版[M],北京:中国电力出版社出版。

【2】高昉,《浅谈低压配电系统中断路器选型与整定》[J],工业技术,2013.07。

【3】钱金川,贾文军,《低压断路器的选型与应用》,[J],特别报道,2011年第8期。

【4】王珍娟,《从一次电器事故谈谈四极开关的应用》,[J] ,甘肅科技纵横,2007年第6期。

【5】杨友,《低压断路器级间配合分析》,[J],中国新技术新产品,2016.08。

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