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浅析断路器的极限短路分断能力
xiao_xiao1 发表于 2009/6/30 14:46:17 432 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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1、不同的负载应选用不同类型的断路器
最常见的负载有配电线路、电动机和家用与类似家用(照明、家用电器等)三大类。以此相对应的便有配电保护型、电动机保护型和家用及类似家用保护型的断路器。这三类断路器的保护性质和保护特性是不相同的。对配电型断路器而言，它有A类和B类之分：A类为非选择型，B类为选择型。所谓选择型是指断路器具有过载长延时、短路短延时和短路瞬时的三段保护特性。万能式(又称框架式)断路器中的DW15系列、DW17(ME)系列、AH系列和DW40、DW45系列中大部分是B型，而DZ5、DZ15、DZ20、TO、TG、CM1、TM30及HSM1等系列和万能式DW15、DW17的某些规格因仅有过载长延时、短路瞬时的二段保护，它们是属于非选择型的A类断路器。选择性保护。
当F点短路时，只有靠近F点的QF2断路器动作，而上方位的QF1断路器不动作，这就是选择性保护(由于QF1不动作，就使未发生故障的QF3、QF4支路保持供电)。
如果QF2和QF1都是A类断路器，则F点发生短路，短路电流值达一定值时，QF1、QF2同时动作，QF1断路器回路及其下的支路全部停电，就不是选择性保护了。
能够实现选择性保护的原因是，QF1为B类断路器，它具有短路短延时性能，当F点短路时，短路电流流过QF2支路，也流过QF1回路，QF2的瞬时动作脱扣器动作(通常它的全分断时间不大于0.02s)，因QF1的短延时，QF1在0.02s内不会动作(它的短延时≥0.1s或0.2、0.3、0.4s)。在QF2动作切断故障线路时，整个系统就恢复了正常。
可见，如果要达到选择性保护的要求，上一级的断路器应选用具有三段保护的B型断路器。对于直接保护电动机的电动机保护型断路器，它只要有过载长延时和短路瞬时的二段保护性能就够了，也就是说它可选择A类断路器(包括塑壳式和万能式)，DZ5、DZ15、TO、TG、GM1、TM30、HSM1及DW15等系列除有配电保护的性能外，它们的630A及以下规格均有保护电动机的功能。
家用和类似场所的保护(过去又称它为导线保护或照明保护)，也是一种小型的A类断路器，其典型产品有C45N、PX200C、HSM8等等。
配电(线路)、电动机和家用等的过电流保护断路器，因保护对象(如变压器、电线电缆、电动机和家用电器等)的承受过载电流的能力(包括电动机的起动电流和起动时间等)有差异，因此，选用的断路器的保护特性也是不同的。
(1)表1为配电保护型断路器的反时限断开特性注：可返回特性：考虑到配电线路内有电动机群，由于电动机仅是其负载的一部分，且一群电动机不会同时起动，故确定为3In(In为断路器的额定电流，In≥IL，IL为线路额定电流)，对断路器进行试验，当试验电流为3In时保持5s(In≤40A时)，8s(40A＜In＜250A时)，12s(In＞250A时)，然后将电流返回至In，断路器应不动作，这就是返回特性。(2)表2为电动机保护型断路器的反时限断开特性注：按电动机负载性质可以选2、4、8、12min之内动作，一般的选2～4min。7.2In也是一种可返回特性，它必须躲过电动机的起动电流(5～7倍In)，Tp为延时时间，按电动机的负载性质可选动作时间Tp为2s＜Tp≤10s、4s＜Tp≤10s、6s＜Tp≤20s和9s＜Tp≤30s，一般选用2s＜Tp≤10s或4s＜Tp≤10s。
(3)配电保护型的瞬动整定电流为10In(误差为±20%),In为400A及以上规格，可以在5In和10In中任选一种(由用户提出，制造厂整定)；电动机保护型的瞬动整定电流为12In,一般设计时In可以等于电动机的额定电流。
(4)表3为家用和类似场所用断路器的过载脱扣特性注：B、C、D型是瞬时脱扣器的型式：B型脱扣电流＞3～5In，C型脱扣电流＞5～10In，D型脱扣电流＞10～50In。用户可根据保护对象的需要，任选它们中的一种。
(5)B类断路器的短路短延时特性DW15型断路器：3～10In(Inm为1600A时，Inm为壳架等级电流)，3～6In(Inm为2500A、4000A时)，短延时时间为0.2或0.5s。ME型断路器：3～12In，短延时时间0～0.3s可调。DW45型断路器：0.4～15In，短延时时间0.1、0.2、0.3和0.4s可调。在进行工程设计时，应根据不同的负载对象来选择不同保护特性(如上所述)的断路器，以免因选用不当造成严重后果。在实践中最容易混淆的是电动机负载保护误选为配电保护型或家用保护型。小型断路器(MCB)也有电动机保护型，如天津梅兰日兰的C45AD等，它们的保护特性应符合表2。
2、选择不同类型短路分断能力的断路器来适应不同的线路预期短路电流(当I在相同的情况时)的需要断路器的选用原则是：
断路器的短路分断能力≥线路的预期短路电流。
假设某电源(SL710/0.4kV变压器)的容量为1600kVA，二次电流为2312A，其出线端5m处的短路电流为42.96kA。某一支路的额定电流为125A，由于此支路离变压器很近，如在10m处，则此支路的断路器需要考虑采用HSM1_125H型塑壳式断路器(它的极限短路分断能力为400V、50kA)。但是离变压器50m处，由于汇流排等的电阻和电抗值影响，50m处的短路电流已经降到34.5kA，而100m处，降为28.8kA。对此就可选择HSM1_125M型塑壳式断路器(它的极限短路分断能力为400V、35kA)。现在国内许多断路器生产厂家，对同一壳架等级电流的短路分断能力分为E、S、M、H、L(杭州之江开关厂的HSM1系列)或C、L、M、H(常熟开关厂的CM1系列)或S、H、R、U(天津低压电器公司的TM30系列)等级别。其中，E为经济型，S为标准型，M为中短路分断型，H为高分断型，L为限流型，C为经济型，L为低分断型；M为高分断型，H为超高分断型；S为标准型，H为高分断型，R为限流型，U为超高分断型。以HSM1_125型塑壳断路器为例，E型的极限短路分断能力为400V、15kA，S型为400V、25kA，M型为400V、35kA，H型为400V、50kA。它们的价格也相差很大，如以E型为1，则S型为1.2，M型为1.4，H型为2，即购买一台H型的断路器的钱，可以购买二台E型。用户在设计选用时，不必人为地加上所谓保险系数，以免造成浪费。
3、关于断路器的极限短路分断能力、运行短路分断能力和短时耐受电流
极限短路分断能力(Icu)，是指在一定的试验参数(电压、短路电流、功率因数)条件下，经一定的试验程序，能够接通、分断的短路电流，经此通断后，不再继续承载其额定电流的分断能力。它的试验程序为0—t(线上)C0(“0”为分断，t为间歇时间，一般为3min，“C0”表示接通后立即分断)。试检后要验证脱扣特性和工频耐压。
运行短路分断能力(Ics)，是指在一定的试验参数(电压、短路电流和功率因数)条件下，经一定的试验程序，能够接通、分断的短路电流，经此通断后，还要继续承载其额定电流的分断能力，它的试验程序为0—t（线上）C0—t(线上)C0。
短时耐受电流(Icw),是指在一定的电压、短路电流、功率因数下，忍受0.05、0.1、0.25、0.5或1s而断路器不允许脱扣的能力，Icw是在短延时脱扣时，对断路器的电动稳定性和热稳定性的考核指标，它是针对B类断路器的，通常Icw的最小值是：当In≤2500A时，它为12In或5kA，而In＞2500A时，它为30kA(DW45_2000的Icw为400V、50kA，DW45_3200的Icw为400V、65kA)。
运行短路分断能力的试验条件极为苛刻(一次分断、二次通断)，由于试后它还要继续承载额定电流(其次数为寿命数的5%)，因此它不单要验证脱扣特性、工频耐压，还要验证温升。IEC947_2(以及1997新版IEC60947_2)和我国国家标准GB140482规定，Ics可以是极限短路分断能力Icu数值的25%、50%、75%和100%(B类断路器为50%、75%和100%，B类无25%是鉴于它多数是用于主干线保护之故)。
上文提到的选择断路器的一个重要原则是断路器的短路分断能力≥线路的预期短路电流，这个断路器的短路分断能力通常是指它的极限短路分断能力。
无论A类或B类断路器，它们的运行短路分断能力绝大多数是小于它的极限短路分断能力Icu的。A类：DZ20系列Ics＝50%～77%Icu，CM1系列Ics＝58%～72%Icu，TM30系列Ics＝50%～75%Icu，(个别产品Ics＝Icu)。
B类：DW15系列Ics＝60%左右的Icu，(个别的如630AIcs＝Icu，但短路分断能力仅400V时30kA)，DW45系列Ics＝62.5%～80%Icu。
不管是A类或B类断路器，只要它的Ics符合IEC947_2(或GB14048.2)标准规定的Icu百分比值都是合格产品。
用户在设计选用时只要符合断路器的极限短路分断能力≥线路预期短路电流就能满足要求了，对线路本身来说，例如上面举例的变压器容量为1600kVA的线路，可能出现的短路电流约为43kA,它是仅计算离变压器距离为5m，且??的(短路电流因此比实际情况偏大)。这种短路的机率极小。在选用断路器时，只要它的极限短路分断能力＞43kA，譬如50kA就足够了。经过“0”一次、“C0”一次就完成了它的使命，必须更换新的断路器，而运行短路分断能力，例如为50%的Icu，也达到25kA，它既可以实现一次分断，二次通断(在25kA短路电流时)故障电流然后还要承载其额定电流，任务是非常艰巨的。有些使用者认定要按断路器的运行短路分断能力(Ics)≥线路预期短路电流来设计，其实是一种误解，也是不必要的。
有些制造厂的样本里宣传，它的产品Ics=Icu，如确实，说明它的Icu指标有裕度，如不确实，说明它有水份，不可全信，而且Ics=Icu的断路器，其售价要高很多，不合算。
国外几十年来盛行一种级联(cascade)保护(也称后备保护)，如图2所选QF2断路器的极限短路分断能力小于其线路的预期短路分断能力(例如线路额定电流为250A，而预期短路电流为50kA)，则QF2选择的是HSM1_250S断路器(Icu为400V、35kA)，当F处出现线路短路(短路电流达50kA)时，由QF1(设QF1处的额定电流为400A，QF1选HSM1_400H，其Icu为400V、65kA)和QF2一起分断，QF2仅承受一部分短路电流的分断，其余部分由QF1承担)，而对QF2处线路绝大部分小于35kA的故障电流，就由QF2来承担。这种级联保护也有一定的条件，譬如邻近的支路不是重要负载(因为一旦QF1跳闸QF3回路也停电)，同时QF1的瞬动整定值与QF2的瞬定值也要协调等，这种级联保护主要目的也是为了节约投资。
应提到的是，所有断路器的短路分断能力(无论是Icu还是Ics)都是周期分量有效值。在短路试验中的“C0”的C(close接通)的电流是峰值电流Ich。在试验站进行短路分断试验时，电压、短路电流(有效值)和功率因数(cos)已调整好，它的接通电流也就被确定了。接通电流试验(“C”试验)，是以峰值电流来考核触头和其他导电体承受的电动斥力和热稳定性的能力，有什么样的有效值电流(分断电流)，在其相应的功率因数下，便有什么样的峰值电流，使用者毋须去考虑峰值电流这个参数。表4
峰值电流(冲击电流)ich＝kch(根号)2Ic，Ic为周期分量有效值，kch为冲击系数1＜kch＜2，kch×2为峰值系数。
4、四极断路器的选用
对于下列情况，有必要选用四极断路器：1)有双电源切换要求的系统必须选用四极断路器，以满足整个系统的维护、测试和检修时的隔离需要；2)住宅每户单相总开关应选用带N极的二极开关(可用四极断路器)；3)剩余电流动作保护器(漏电开关)，必须保证所保护的回路中的一切带电导线断开，因此，对具有剩余电流动作保护要求的回路，均应选用带N极(如四极)的漏电断路器。
目前，国内市场供应的四极塑料外壳式断路器有六种型式：1)断路器的N极不带过电流脱扣器，N极与其他三个相线极一起合分电路；2)断路器的N极不带过电流脱扣器，N极始终接通，不与其他三个相线极一起断开；3)断路器N极带过电流脱扣器，N极与其他三个相线极一起合分电路；4)断路器的N极带过电流脱扣器，N极始终接通，不与其他三个相线极一起断开；5)断路器的N极装设中性线断线保护器，N极与其他三个相线极一起合分电路；6)断路器的N极装设中性线断线保护器，N极始终接通，不与其他三个相线极一起断开。1)和2)型式适用于中性线电流不超过相线电流的25%的正常状态(变压器联结组标号为Yyno)，其中2)型适用于TN_C系统(PEN线不允许断开)；3)和4)型式适用于三相负载不平衡，且负载中有大量电子设备(谐波成份很大)，导致N线的电流等于或大于相线电流，N线过载而无法借助三个相线的过电流脱扣器的动作来切断过载故障的情况；4)型适合TN_C系统；5)和6)型式适合于在中性线断线时，切断三相及中线以保护单相设备避免损毁和间接触电事故的发生，6)型适合于TN_C系统。