DQZHAN訊：低壓斷路器設(shè)計(jì)選型常見(jiàn)問(wèn)題剖析
內(nèi)容簡(jiǎn)介：針對(duì)在電氣設(shè)計(jì)中低壓斷路器選型比較常見(jiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，結(jié)合電氣規(guī)范及功能要求詳細(xì)說(shuō)明斷路器各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定，并對(duì)斷路器技術(shù)的發(fā)展提出一些新的觀點(diǎn)和構(gòu)思。
低壓斷路器設(shè)計(jì)選型是我們低壓電氣設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中需熟練掌握的一項(xiàng)基本的技術(shù)技能。低壓斷路器按使用類別分為A、B兩類。A類為非選擇性;B類為選擇性(帶短延時(shí)功能)。按設(shè)計(jì)形式分為開(kāi)啟式(原萬(wàn)能式或框架式)和塑料外殼式或模壓外殼式。按動(dòng)作速度分為一般型和快速型(限流型斷路器)，按用途可分為配電用、電動(dòng)機(jī)保護(hù)用、漏電型斷路器等。每一類型都有其特點(diǎn)，相應(yīng)其參數(shù)選擇亦有不同。而在實(shí)際工作當(dāng)中，由于斷路器選型不當(dāng)或標(biāo)注不全往往會(huì)給設(shè)備成套、安裝及日后的正常使用帶來(lái)很多問(wèn)題及隱患，根據(jù)近幾年來(lái)的工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，低壓斷路器設(shè)計(jì)選型常見(jiàn)問(wèn)題主要存在以下兩個(gè)方面：一.
低壓斷路器選型標(biāo)注不全;二.低壓斷路器設(shè)計(jì)選型考慮問(wèn)題不**，很多必要的步驟未考慮。
一.低壓斷路器選型標(biāo)注不全
我們以一個(gè)比較有代表性的塑殼斷路器(國(guó)產(chǎn)CM1)標(biāo)注作為范例：CM1-100HP/33102In80A。從這個(gè)范例標(biāo)注中我們可以明確該斷路器殼架等級(jí)電流為100A，額定極限分?jǐn)嗄芰楦叻謹(jǐn)嘈?H),帶電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)(P),極數(shù)為三極，脫扣方式及附件為熱動(dòng)-電磁(復(fù)式)脫扣并帶分勵(lì)脫扣，電動(dòng)機(jī)保護(hù)用，額定電流為80A，這就是這個(gè)范例給我們帶來(lái)的全部信息。在我們的設(shè)計(jì)圖紙中，斷路器殼架等級(jí)電流、極數(shù)及額定電流的選擇比較容易，一般不會(huì)有遺漏，比較容易發(fā)生問(wèn)題的是額定極限分?jǐn)嗄芰?、脫扣方式及附件、配電用途的?biāo)注。
1.額定極限分?jǐn)嗄芰?ICU)：
額定極限分?jǐn)嗄芰CU：制造廠按相應(yīng)的額定工作電壓規(guī)定斷路器在規(guī)定的條件下應(yīng)能分?jǐn)嗟臉O限短路分?jǐn)嗄芰χ?用預(yù)期分?jǐn)嚯娏鞅硎?在交流情況下用交流分量有效值表示)。額定分?jǐn)鄻O限能力按樣本資料分為基本型(C)、標(biāo)準(zhǔn)型(L)、較高分?jǐn)嘈?M)、高分?jǐn)嘈?H),
具體選擇哪種形式主要根據(jù)短路電流計(jì)算來(lái)確定，在設(shè)計(jì)中應(yīng)避免兩件事：一是不標(biāo)明分?jǐn)嗄芰?，二是不進(jìn)行短路電流計(jì)算而盲目選型。不標(biāo)明斷路器分?jǐn)嗄芰褪菍⒎謹(jǐn)嗄芰Φ倪x擇權(quán)交給了配套廠家，而廠家通常是憑經(jīng)驗(yàn)選型或選擇低分?jǐn)嗄芰Φ臄嗦菲鲝亩?jié)省造價(jià)，這樣就會(huì)造成有些斷路器的分?jǐn)嗄芰_(dá)不到具體工程要求從而造成隱患。不進(jìn)行短路電流計(jì)算,就無(wú)法對(duì)分?jǐn)嗄芰Φ倪x擇作出準(zhǔn)確的判斷，為保險(xiǎn)起見(jiàn)設(shè)計(jì)人員通常選擇較高分?jǐn)嘈突蚋叻謹(jǐn)嘈偷臄嗦菲?，這樣做表面上沒(méi)有什么錯(cuò)誤，但對(duì)于一個(gè)完整的電氣工程設(shè)計(jì)是有欠缺的，在一定程度上會(huì)造成工程造價(jià)不合理提高。
2.脫扣方式及附件
通常用于短路保護(hù)和過(guò)載保護(hù)的脫扣器，有以下幾種：
(1)瞬時(shí)脫扣器：即沒(méi)有人為延時(shí)動(dòng)作的脫扣器。此種瞬時(shí)特性的過(guò)電流保護(hù)通常能無(wú)選擇性地迅速切除短路故障。
(2)三段保護(hù)特性脫扣器：具有長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)及瞬時(shí)脫扣器的過(guò)電流保護(hù)，是較完整的保護(hù)方式，瞬時(shí)脫扣器的整定值，其動(dòng)作時(shí)間約為0.02秒;Izd2為短延時(shí)脫扣器整定值，其動(dòng)作時(shí)間約為0.1~0.4秒;Izd1為長(zhǎng)延時(shí)脫扣器整定值，其動(dòng)作時(shí)間可以不小于10秒鐘。
一般瞬時(shí)脫扣器用作短路保護(hù);短延時(shí)脫扣器可作短路保護(hù)，也可作過(guò)載保護(hù);長(zhǎng)延時(shí)脫扣器只作過(guò)載保護(hù)。根據(jù)需要可以組合成二段保護(hù)(瞬時(shí)脫扣加短延時(shí)脫扣，或者瞬時(shí)脫扣加長(zhǎng)延時(shí)脫扣)，也可有一段保護(hù)(瞬時(shí)脫扣或短延時(shí)脫扣)。
(3)復(fù)式脫扣器：斷路器中的電磁脫扣器加上熱脫扣器合稱復(fù)式脫扣器。電磁脫扣具有瞬
時(shí)特性，可保護(hù)短路。熱脫扣器具有長(zhǎng)延時(shí)特性，可保護(hù)負(fù)載，故復(fù)式脫扣器具有二段保護(hù)特性。
通常的配電用途斷路器都是選擇熱動(dòng)-電磁(復(fù)式)脫扣，而在一些電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)型協(xié)調(diào)配合中可選用電磁脫扣和熱繼電器保護(hù)電動(dòng)機(jī)。
斷路器的附件通常有報(bào)警觸頭、分勵(lì)脫扣器、輔助觸頭、欠電壓脫扣器，具體選用附件需根據(jù)工程需要確定，這里強(qiáng)調(diào)的是分勵(lì)脫扣器控制電源的選擇，通常分勵(lì)脫扣器默認(rèn)的的電源規(guī)格為AC230V、400V，但如果控制電源為DC24V,例如：用于消防聯(lián)動(dòng);則圖紙斷路器標(biāo)注應(yīng)標(biāo)明分勵(lì)脫扣器脫扣電壓采用DC.24V，否則一旦訂貨，由于分勵(lì)脫扣器電源規(guī)格與控制電源不匹配，安裝時(shí)施工人員需在現(xiàn)場(chǎng)另外增加一個(gè)DC24V中間繼電器并增加一路交流控制電源，給安裝造成了不必要的難度。
3.保護(hù)用途
斷路器一般分為配電用及保護(hù)電動(dòng)機(jī)用，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常容易忽略的是電動(dòng)機(jī)保護(hù)用斷路器忘記標(biāo)注，通常斷路器選型默認(rèn)為配電型，由于配電用斷路器過(guò)電流脫扣器瞬動(dòng)倍數(shù)比保護(hù)電動(dòng)機(jī)用斷路器低，這樣一旦電動(dòng)機(jī)保護(hù)用斷路器選用了配電型，就有可能造成斷路器的瞬時(shí)整定電流不能躲過(guò)線路的正常工作啟動(dòng)電流，從而造成頻繁跳閘，無(wú)法正常啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
二.低壓斷路器設(shè)計(jì)選型考慮問(wèn)題不**
低壓斷路器的選擇應(yīng)同時(shí)滿足下面各項(xiàng)要求：
1.保證在正常工作條件下不應(yīng)切斷電路。
(1)正常工作時(shí)不切斷:Izd1≥Ijs;Ijs：計(jì)算電流
由線路的計(jì)算電流來(lái)決定斷路器的額定電流，這是低壓斷路器設(shè)計(jì)選型*基本的一個(gè)步驟，很多設(shè)計(jì)者在完成這一步驟后就萬(wàn)事大吉了，實(shí)際上還有很多問(wèn)題和步驟應(yīng)該在設(shè)計(jì)中予以充分考慮。
(2)用電設(shè)備啟動(dòng)時(shí)不切斷電路(按單臺(tái)或配電線路中*大一臺(tái)籠型電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)):
配電用斷路器的瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流應(yīng)躲過(guò)配電線路的尖峰電流。根據(jù)中國(guó)航天工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院等編《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第三版)：P116-(11-6)公式：
即Izd3≥1.2[IqM1+Ijs(n-1)]
式中Izd3為斷路器的瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流;IqM1為線路中*大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的全啟動(dòng)電流(A)，其值可取電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的2倍;Ijs(n-1)為除啟動(dòng)電流*大的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)以外的線路計(jì)算電流(A)。根據(jù)《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50055-93,2.4.4條第3款規(guī)定:瞬動(dòng)過(guò)電流脫扣器或過(guò)電流繼電器瞬動(dòng)元件的整定電流，應(yīng)取電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的2~2.5倍。
對(duì)于單臺(tái)電動(dòng)機(jī)，Izd3≥(2~2.5)IqM.;式中：IqM為籠型電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。
根據(jù)上式，我們可以舉一個(gè)簡(jiǎn)單的單臺(tái)電動(dòng)機(jī)例子來(lái)說(shuō)明低壓斷路器瞬時(shí)脫扣器的整定，一臺(tái)Y系列(Y160L-415kW，輕載啟動(dòng))電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)電流IqM為212.1A，以塑殼式CM1斷路器選型為例，如整定電流定為32A,選用電動(dòng)機(jī)保護(hù)型瞬動(dòng)倍數(shù)按12倍整定IZd3為384A，Izd3<2IqM=424.2A,不滿足設(shè)計(jì)要求，如整定電流定為40A按12倍整定為480A，Izd3≥2IqM=424.2A滿足設(shè)計(jì)要求。
2.發(fā)生接地故障時(shí)應(yīng)保證在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷。
根據(jù)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50054-95，4.2.3條規(guī)定，當(dāng)保護(hù)電器為符合JB1284-1985《低壓斷路器》的低壓斷路器時(shí)，短路電流不應(yīng)小于低壓斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流的1.3倍。
(1)運(yùn)用瞬時(shí)脫扣器時(shí):Id1≥1.3Izd3.
(2)帶有短延時(shí)脫扣器時(shí):Id1≥1.3Izd2.
(3)當(dāng)帶有零序保護(hù)時(shí):Id1≥1.3Izd0(一般用于主干線).
式中:Id1為單相接地故障電流，Izd0為斷路器零序保護(hù)整定電流.
(4)當(dāng)采用剩余電流保護(hù)時(shí):Id1≥1.3IzdG(一般用于主干線).
式中IzdG為斷路器剩余電流保護(hù)整定電流.
由于單相接地短路電流較小，斷路器的瞬時(shí)脫扣器一般較難滿足要求，可用其長(zhǎng)延時(shí)脫扣器作后備保護(hù)，必要時(shí)可加裝零序保護(hù)裝置，或在中性線上加裝電流互感器-電流繼電器，或采用漏電繼電器等方法以分?jǐn)鄶嗦菲鳌?
3.保護(hù)電器應(yīng)保證在導(dǎo)體達(dá)到過(guò)載溫度前切斷。
(1)過(guò)負(fù)載保護(hù):根據(jù)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50054-95，4.3.4條規(guī)定，過(guò)負(fù)載保護(hù)電器的動(dòng)作特性應(yīng)滿足下列條件：
Ijs≤Izd1≤Iz.式中Iz為電纜或?qū)w載流量.
(2)短路熱穩(wěn)定校驗(yàn):
a.根據(jù)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50054-95，4.2.2條第1款規(guī)定，當(dāng)短路持續(xù)時(shí)間不大于5s時(shí),絕緣導(dǎo)體的熱穩(wěn)定應(yīng)按下式校驗(yàn)：
S≥I√t/K;式中：S為絕緣導(dǎo)體的線芯截面，mm2;A為短路電流有效值，均方根值A(chǔ);t在已達(dá)到*高持續(xù)工作溫度的導(dǎo)體內(nèi)短路電流持續(xù)作用的時(shí)間，秒;K為不同絕緣的計(jì)算系數(shù)。
b.根據(jù)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50054-95，4.2.2條第3規(guī)定，短路持續(xù)時(shí)間小于0.1S時(shí)，應(yīng)計(jì)入短路電流非周期分量的影響;本規(guī)范“條文”解釋：按下式效驗(yàn)：(K.S)2≥I.2t。
4.按線路的*大短路電流來(lái)校驗(yàn)低壓斷路器的短路分?jǐn)嗄芰Α?
本條的核心是短路電流的計(jì)算，由于很多工程設(shè)計(jì)周期過(guò)短或外部條件不明確，設(shè)計(jì)人員往往來(lái)不及進(jìn)行詳細(xì)的短路電流計(jì)算而憑經(jīng)驗(yàn)確定斷路器短路分?jǐn)嗄芰虿环值攸c(diǎn)場(chǎng)合盲目選擇高分?jǐn)嗄芰Φ臄嗦菲?，這些都會(huì)影響電氣工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量并造成工程造價(jià)不合理提高。尤其是大量工程施工方不按設(shè)計(jì)圖紙選定斷路器訂貨，設(shè)計(jì)人員在驗(yàn)收時(shí)如果不仔細(xì)核對(duì)或者對(duì)各配電區(qū)域短路電流沒(méi)有一個(gè)基本概念，就很容易出現(xiàn)問(wèn)題，讓不合格的斷路器投入運(yùn)行從而造成隱患。現(xiàn)在很多工程變壓器容量較大，在民用建筑中1600kVA、2000kVA甚至2500kVA的變壓器大量選用，線路的短路電流也相應(yīng)增大，因此在離變壓器較近的配電箱，箱內(nèi)斷路器的短路分?jǐn)嗄芰Φ倪x擇更應(yīng)詳細(xì)計(jì)算，我們可以舉例說(shuō)明。設(shè)定變壓器容量為1600kVA(Uk%=6)，距配電室25m處有一配電箱，進(jìn)線電纜為YJV-4X70+1X35，經(jīng)查表該配電箱處三相短路電流為Ik1=18.52kA，單相短路電流Id1=8.06kA，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，以CM1斷路器為例該配電箱選擇額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰cs=35kA可滿足設(shè)計(jì)要求，這一般不會(huì)有問(wèn)題，但*容易犯錯(cuò)誤的是單相斷路器的選定，以C65系列小型斷路器為例，由于設(shè)計(jì)慣性很多圖紙都以C65N(6kA)接單相回路，而本例單相短路電流Id1=8.06kA，所以應(yīng)選用C65H(10KA)或C65L(15kA)。如配電箱距配電室50m，進(jìn)線電纜同樣為YJV-4X70+1X35,
根據(jù)中國(guó)航天工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院等編《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第三版)查表計(jì)算單相短路電流Id1=4.33kA，單相斷路器選用C65N(6kA)是符合設(shè)計(jì)要求的。
5.保護(hù)電器上下級(jí)之間應(yīng)有選擇性動(dòng)作。
根據(jù)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50054-95，4.1.2條規(guī)定，“配電線路采用的上下級(jí)保護(hù)電器，其動(dòng)作應(yīng)具有選擇性;各級(jí)之間應(yīng)能協(xié)調(diào)配和。但對(duì)于非重要負(fù)荷的保護(hù)電器，可采用無(wú)選擇性切斷”。按本規(guī)范“條文”解釋，以往由于我國(guó)保護(hù)電器的性能較差，在低壓配電系統(tǒng)中要做到選擇性保護(hù)是有困難的。目前低壓電器發(fā)展較快，熔斷器、斷路器的更新?lián)Q代產(chǎn)品的特性已有很大的改善。例如按新標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的熔斷器(NT型等)選擇比為1：16，具有三段保護(hù)的斷路器也能大量生產(chǎn)，目前配電系統(tǒng)要做到選擇性已具有一定條件。但是考慮到低壓配電系統(tǒng)量大面廣，低壓配電系統(tǒng)要做到完善的選擇性還有困難。結(jié)合我國(guó)國(guó)情，低壓配電系統(tǒng)只要部分滿足保護(hù)選擇性就可以了。即保證重要負(fù)荷不間斷供電，對(duì)于非重要負(fù)荷允許無(wú)選擇性切斷。
長(zhǎng)期以來(lái)，設(shè)計(jì)人員習(xí)慣了對(duì)配電系統(tǒng)的保護(hù)選擇性問(wèn)題不作深究，斷路器選擇性保護(hù)對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)一直是一個(gè)沒(méi)有很好解決的難題，在一些工程回訪中，故障點(diǎn)發(fā)生短路越級(jí)跳閘的現(xiàn)象屢有發(fā)生，但變壓器主進(jìn)線斷路器越級(jí)跳閘是應(yīng)該**避免的。從一些斷路器選擇性保護(hù)的技術(shù)資料及文獻(xiàn)來(lái)看，設(shè)計(jì)者應(yīng)著眼于以下幾個(gè)方面。
(1)上級(jí)不宜選用非選擇型斷路器，因這種情況屬無(wú)選擇性。特別是首端應(yīng)有選擇性動(dòng)作。
(2)上下級(jí)的選擇性配合，應(yīng)用上下級(jí)斷路器的特性曲線配合選擇比較準(zhǔn)確，只要上下級(jí)斷路器特性曲線不相交即可，當(dāng)無(wú)斷路器特性資料時(shí)，可以用上下級(jí)的可靠系數(shù)選用。根據(jù)中國(guó)航天工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院等編《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》-P650公式(11-21)，
上級(jí)用選擇型斷路器(一般用于主干線)應(yīng)按以下要求整定：
a.Izd2(上)≥1.2Izd3(下)或Izd2(上)≥1.2Izd2(下)
b.當(dāng)帶有短延時(shí)脫扣器時(shí),Izd3不宜太小，一般為：
Izd3=(12~15)Izd1.
(3)優(yōu)先保證變壓器主進(jìn)線斷路器的選擇性保護(hù)并兼顧配電柜出線斷路器的選擇性保護(hù)。主進(jìn)線斷路器與各饋出線的保護(hù)電器都裝在低壓配電屏內(nèi),距離不過(guò)幾米,在此范圍內(nèi)發(fā)生短路和接地故障的概率很小,如經(jīng)計(jì)算主進(jìn)線斷路器瞬動(dòng)電流小于下級(jí)開(kāi)關(guān)的短路電流，可采取主保護(hù)不設(shè)瞬動(dòng)脫扣器而只設(shè)長(zhǎng)延時(shí)及短延時(shí)整定電流，以避免故障時(shí)主斷路器無(wú)選擇性動(dòng)作。并保證斷路器長(zhǎng)(短)延時(shí)整定電流大于下級(jí)斷路器長(zhǎng)(短)延時(shí)整定電流的1.2倍，短延時(shí)整定電流大于下級(jí)斷路器瞬時(shí)整定電流的1.2倍。
(4)對(duì)于非選擇型斷路器，一般用于二級(jí)及三級(jí)配電出線回路中，比較可靠的選擇方法是通過(guò)一些廠家的保護(hù)選擇性配合表或通過(guò)上下級(jí)斷路器的特性曲線配合選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這也有很多局限性，只有少數(shù)合資廠家提供了斷路器選擇性配合表，除選擇型斷路器外，大多數(shù)廠家都未提供斷路器保護(hù)選擇性的配合數(shù)據(jù)，從目前斷路器發(fā)展的技術(shù)及工藝水平看非選擇型斷路器的選擇性配合保護(hù)還不能完全實(shí)現(xiàn)。
三.低壓斷路器選擇程序
1.根據(jù)計(jì)算電流Ijs初步選擇Izd1。
2.根據(jù)用電設(shè)備啟動(dòng)條件校驗(yàn)短路器，確定Izd1及Izd3。
3.按過(guò)負(fù)載條件選擇導(dǎo)線截面。
4.按短路保護(hù)要求校驗(yàn)導(dǎo)體熱穩(wěn)定。
5.計(jì)算保護(hù)電器處三相短路電流和所保護(hù)線路末端的接地故障電流Id。
6.校驗(yàn)接地故障時(shí)，保護(hù)低壓斷路器動(dòng)作的靈敏性。
7.校驗(yàn)低壓斷路器的分?jǐn)嗄芰Α?
8.分析上下級(jí)低壓斷路器選擇性要求。
9.以上各步驟，如達(dá)不到規(guī)定要求，應(yīng)調(diào)整參數(shù)或采取其它措施。
低壓斷路器的選型是一項(xiàng)比較繁瑣的工作，本文所列舉的例子雖然涵蓋了斷路器選型的一些基本要素，但限于篇幅還有很多內(nèi)容沒(méi)有深入討論，需要我們?cè)诮窈蟮脑O(shè)計(jì)工作中不斷的研究和細(xì)化。
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