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断路器分断能力的选择和应用

3.0 2024-10-19 0 0 18.31KB 9 页 6库币 海报
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一、线路预期短路电流的计算来选择断路器的分断能力。
精确的线路预期短路电流的计算是一项极其繁琐的工作。因此便
有一些误差不很大而工程上可以被接受的简捷计算方法：
(1)、对于 10/0.4kV 电压等级的变压器，可以考虑高压侧的短路
容量为无穷大(10kV 侧的短路容量一般为 200~400MVA 甚至更大，
因此按无穷大来考虑，其误差不足 10%)。(2)、GB50054-95《低
压配电设计规范》的 2.1.2 条规定：“当短路点附近所接电动机
的额定电流之和超过短路电流的 1%时，应计入电动机反馈电流的
影响”，若短路电流为 30kA，取其 1%，应是 300A，电动机的总功
率约在 150kW，且是同时启动使用时此时计入的反馈电流应是
6.5∑In。(3)、变压器的阻抗电压 Uk 表示变压器副边短接(路)，
当副边达到其额定电流时，原边电压为其额定电压的百分值。因
此当原边电压为额定电压时，副边电流就是它的预期短路电流。
(4)、变压器的副边额定电流 Ite=Ste/(1.732*Ue)式中 Ste 为变
压器的容量(kVA)，Ue 为副边额定电压(空载电压)，在 10/0.4kV
时 Ue=0.4kV 因此简单计算变压器的副边额定电流应是变压器容量
×(1.44～1.50)。(5)、按(3)对 Uk 的定义，副边的短路电流(三
相短路)为 I(3)对 Uk 的定义，副边的短路电流(三相短路)为
I(3)=Ite/Uk，此值为交流有效值。(6)、在相同的变压器容量下，
若两相间短路，则 I(2)=1.732I(3)/2=0.866I(3)(7)、以上计算
均是变压器出线端短路时的电流值，这是最严重的短路事故。如
果短路点离变压器有一定的距离，则需考虑线路阻抗，因此短路
电流将减小。
例如 SL7 系列变压器(配导线为三芯铝线电缆)，容量为 200kVA，
变压器出线端短路时，三相短路电流 I(3)为 7210A。短路点离变
压器的距离为 100m 时，短路电流 I(3)降为 4740A；当变压器容
量为 100kVA 时其出线端的短路电流为 3616A。离变压器的距离
为 100m 处短路时，短路电流为 2440A。远离 100m 时短路电流
分别为 0m 的 65.74%和 67.47%。所以，用户在设计时，应计算
安装处(线路)的额定电流和该处可能出现的最大短路电流。并按以
下原则选择断路器：断路器的额定电流 In≥线路的额定电流 IL；
断路器的额定短路分断能力≥线路的预期短路电流。因此，在选择
断路器上，不必把余量放得过大，以免造成浪费。
二、断路器的极限短路分断能力和运行短路分断能力。
国际电工委员会的 IEC947-2 和我国等效采用 IEC 的 GB4048.2《低
压开关设备和控制设备低压断路器》标准，对断路器极限短路
分断能力和运行短路分断能力作了如下的定义：
断路器的额定极限短路分断能力(Icu)：
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
电流能力的分断能力；
断路器的额定运行短路分断能力(Ics)：
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。极限短路分断能力 Icu 的试验程序为 o-t-
co，具体试验是：把线路的电流调整到预期的短路电流值(例如
380V，50kA)，而试验按钮未合，被试断路器处于合闸位置，按下
试验按钮，断路器通过 50kA 短路电流，断路器立即开断(OPEN 简
称 O)并熄灭电弧，断路器应完好，且能再合闸。t 为间歇时间(休
息时间)，一般为 3min，此时线路处于热备状态，断路器再进行一
次接通(CLOSE 简称 C)和紧接着的开断(O)(接通试验是考核断路器
在峰值电流下的电动和热稳定性和动、静触头因弹跳的磨损)。此
程序即为 CO。断路器能完全分断，熄灭电弧，并无超出规定的损
伤，就认定它的极限分断能力试验成功。断路器的运行短路分断
能力(Ics)的试验程序为 o-t-co-t-co，它比Icu 的试验程序多了
一次co。经过试验，断路器能完全分断、熄灭电弧，并无超出规
定的损伤，就认定它的额定进行短路分断能力试验通过。Icu 和
Ics 短路分断试验后，还要进行耐压、保护特性复校等试验。由于
运行短路分断后，还要承载额定电流，所以 Ics 短路试验后还需
增加一项温升的复测试验。Icu 和 Ics 短路或实际考核的条件不同，
后者比前者更严格、更困难，因此 IEC947-2 和 GB14048.2 确定
Icu 有四个或三个值，分别是 25%、50%、75%和 100%Icu(对 A 类断
路器，即塑壳式)或50%、75%、100%Icu(对 B 类断路器，即万能式
或称框架式)。断路器的制造厂所确定的 Ics 值，凡符合上述标准
规定的 Icu 百分值都是有效的、合格的产品。
万能式(框架式)断路器，
绝大部分(不是所有规格)都具有过载长延时、短路短延时和短路
瞬动的三段保护功能，能实现选择性保护，因此大多数主干线(包
括变压器的出线端)都采用它作主(保护)开关，而塑壳式断路器一
般不具备短路短延时功能(仅有过载长延时和短路瞬动二段保护)，
不能作选择性保护，它们只能使用于支路。由于使用(适用)的情
况不同，IEC92《船舶电气》建议：具有三段保护的万能式断路器，
偏重于它的运行短路分断能力值，而大量使用于分支线塑壳断路
器确保它有足够的极限短路能力值。我们对此的理解是：主干线
切除故障电流后更换断路器要慎重，主干线停电要影响一大片用
户，所以发生短路故障时要求两个CO，而且要求继续承载一段时
间的额定电流，而在支路，经过极限短路电流的分断和再次的合、
分后，已完成其使命，它不再承载额定电流，可以更换新的(停电
的影响较小)。但是，无论是万能式或塑壳式断路器，都有必须具
备 Icu 和 Ics 这两个重要的技术指标。只有 Ics 值在两类断路器上
表现略有不同，塑壳式的最小允许 Ics 可以是 25%Icu，万能式最
小允许 Ics 是 50%的，Ics=Icu 的断路器是很少的，即使万能式也
少有 Ics=100%Icu 的。（国外有一种采用旋转双分断(点)技术的
塑壳式断路器，它的限流性能极好，分断能力的裕度很大，可做
到 Ics=Icu，但价格很高）。我国的 DW45 智能型万能式断路器的
Ics 为 62.5%～65%Icu，国际上，ABB 公司的F 系列，施耐德的 M
系列也不过是 70%左右，而塑壳式断路器，国内各种新型号，Ics
大抵在 50%～75%Icu 之间。有些断路器应用的设计人员，按其所
计算的线路预期短路电流选择断路器时，以断路器的额定运行短
路分断能力来衡量，由此判定某种断路器（此断路器的极限短路
能力大于线路预期短路电流，而运行短路分断能力则低于计算电
流）为不合格。这是一个误解。
例如一台容量为 1600kVA 的变压器，其副边的额定电流为
2312A，阻抗电压百分数 Uk 取 6%，最大预期短路电流应为
38.5kA，作保护用的断路器额定短路分断能力应是 40kA，若选
DW15 -2500Y 的 2500A 或 DW45 - 3200 的 2500A 作主开关是
能胜任的。由于现代的动力中心的变压器与配电柜相距很近，甚
至安装在一起，因此即使是支路，额定电流在 100A，它的预期短
路电流也是很大的。因此，也要求线路中的塑壳断路器的短路分
断能力应达到 380V、40kA。有文章断定某一新型塑壳式断路器
（壳架等级电流 160A，Icu380V、50kA，Ics380V、35kA）不
能选用，理由是它的 Ics 仅 35kA，小于线路预期电流 38.5kA。
这是一种误解。该型号断路器使用于支路，即使通过支路的短路
电流为 38.5kA，但此断路器 Icu 大 50kA，完全可以胜任。因此
判断塑壳式断路器能否胜任某一线路保护开关，是看它的 Icu 能否
大于线路的预期短路电流。而它的 Ics 即使小一点，也无碍于它的
作用的发挥。因为短路事故多种多样，例如两相短路（其短路电
流为三相短路值的二分之根号三），或者离电源较远的地方，如
50m、100m，即使是三相短路，由于阻抗的原因，三相短路时，
事故电流大约是 50%～60%的三相最大预期值。
三、断路器的电气间隙与爬电距离。
确定电器产品的电气间隙，必须依据低压系统的绝缘配合，而绝
缘配合则是建立在瞬时过电压被限制在规定的冲击耐受电压，而
系统中的电器或设备产生的瞬时过电压也必须低于电源系统规定
的冲击电压。因此：
(1)电器的额定绝缘电压应≥电源系统的额定电压 (2)电器的额定冲
击耐受电压应≥电源系统的额定冲击耐受电压 (3)电器产生的瞬态
过电压应≤电源系统的额定冲击耐受电压。
基于以上三原则，电器的额定冲击耐受电压(优先值)Uimp 就与电
源系统的额定电压所确定的相对地电压的最大值和电器的安装类
别(过电压类别)等有很大的关系：相对地电压值越大，安装类别
越高【分为 I(信号水平级)、Ⅱ(负载水平级)、Ⅲ(配电水平级)、
Ⅳ(电源水平级)】，额定冲击电压就越大。例如相对地电压为
220V，安装类别为Ⅲ时，Uimp 为 4.0kV，要是安装类别为Ⅳ，
Uimp 为 6.0kV。电器产品(例如断路器)的 Uimp 为 6.0kV 污染等级
3 级或4 级，其最小的电气间隙是 5.5mm。DZ20、CM1 系列塑壳断
路器的电气间隙均为 5.5mm(安装类别Ⅲ)，只是用于电源级安装，
如DZ20 系列的 800 以上规格，Uimp 为 8.0kV，电气间隙才提高到
≥8mm。而产品的实际的电气间隙，如 HSM1 系列，Inm(壳架等级
电流)=125A 时，电气间隙为 11mm，160A 为 16mm，250A 为
15mm，400A 为 18.75mm，630 和 800A 均为 300mm，都大于 5.5mm。
关于爬电距离，GB/T14048.1《低压开关设备与控制设备总则》
规定：电器(产品)的最小爬电距离与额定绝缘电压(或实际工作电
压)、电器产品使用场所的污染等级以及产品本身使用的绝缘材料
的性质(绝缘组别)有关。例如：额定绝缘电压为 660(690)V，污染
等级为 3，产品使用的绝缘材料组别为Ⅲ a(175≤cti〈400，CTI
为绝缘材料的漏电起痕指数〉，最小爬电距离为 10mm。上面所提
到塑壳式断路器的爬电距离都大大超过规定的数值。综上所述，
如果电器产品的电气间隙和爬电距离，达到绝缘配合要求，就不
会因为外来过电压或线路设备本身的操作过电压造成设备的介质
电击穿。GB7251.1-1997《低压成套开关设备和控制设备第一部
分：型式试验和部分型式试验成套设备》(等效于 IEC439-1：
1992)，对绝缘配合的要求与 GB/T14048.1 是完全一样的。有一
些成套电器制造厂提出断路器接线用铜排，其相与相之间的(空
气)距离应大于 12mm，有的甚至提出断路器的电气间隙应大于
20mm。这种要求是不合理的，它已经超出了绝缘配合的要求。对
于大电流规格，为了避免在出现短路电流时产生电动斥力，或是
大电流时导体发热，为了增加散热空间，因而适当加宽相间的空
间距离也是可以的。此时无论是达到 12mm 或 20mm，都可由成套电
器制造厂自行解决，或请电器元件厂提供有弯头的接线端子或联
结板(片)来实现。一般断路器出厂时，都提供电源端相间的隔弧
板，以防止电弧喷出时造成相间短路。零飞弧的断路器为防开断
短路电流时有电离分子逸出，也安装这种隔弧板。如果没有隔弧
板，则对裸铜排可包扎绝缘带，其距离应不小于 100mm。
四、四极断路器的应用关
于四极断路器的应用，目前国内还没能对国家标准或规程之类作
硬性的使用要求的规定，虽然地区性四极电器(断路器)的设计规
范已经出台，但安装与不安装四极电器的争论还在进行中，某些
地区的使用近年来出现一窝蜂的趋势，各断路器制造厂也纷纷设
计，制造各种型号的四极断路器投放市场。笔者同意一种意见，
就是用或不用应以是否能确保供电的可靠性、安全性为准，因此
大体上是：
(1)TN-C 系统。TN-C 系统中，N 线与保护线 PE 合二为一(PEN 线)，
考虑安全，任何时候不允许断开 PEN 线，因此绝对禁用四极断路
器；
(2)TT 系统、TN-C-S 系统和TN-S 系统可使用四极断路器，以便在
维修时保障检修者的安全，但是TN-C-S 和 TN-S 系统，断路器的 N
极只能接 N 线，而不能接 PEN 或PE 线；
(3)装设双电源切换的场所，由于系统中所有的中性线(N 线)是通
联的，为了确保被切换的电源开关(断路器)的检修安全，必须采
用四极断路器；
(4)进入住宅的单相总开关，宜选用带N 极的二极断路器(检修时
作隔离器之用)；
(5)用于 380/220V 系统的剩余电流保护器(漏电断路器)，中性线
必须穿越保护器的零序电流互感器(铁心)，防止无中性线的穿过，
使 220V 的负载有泄漏电流而误动作，此时应选用四极或带中性线
的二极剩余电流保护器。
摘要：

一、 线路预期短路电流的计算来选择断路器的分断能力。精确的线路预期短路电流的计算是一项极其繁琐的工作。因此便有一些误差不很大而工程上可以被接受的简捷计算方法：(1)、对于10/0.4kV电压等级的变压器，可以考虑高压侧的短路容量为无穷大(10kV侧的短路容量一般为200~400MVA甚至更大，因此按无穷大来考虑，其误差不足10%)。(2)、GB50054-95《低压配电设计规范》的2.1.2条规定：“当短路点附近所接电动机的额定电流之和超过短路电流的1%时，应计入电动机反馈电流的影响”，若短路电流为30kA，取其1%，应是300A，电动机的总功率约在150kW，且是同时启动使用时此时计入的反馈...

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