断路器的选择

断路器的选择 1 断路器概念   断路器是控制电流通断的设备，主要用于对线路及设备的保护，当电路中出现过载、短路、欠压等故障时，能迅速切断电源，保护线路、负载及相关设备的安全。 2 断路器类型　   断路器按结构型式，可分为塑壳式和框架式两大类。作为进线开关，一般选择框架式断路器，框架断路器具有模块化结构、智能化过电流保护功能、选择性保护精度高、供电可靠性强，零飞弧距离等特点，同时带有开放式通讯接口，可进行遥测、遥控，能够满足控制中心和自动化系统的要求。但是框架式断路器有体积大、价格高、接触防护较差等弱点，所以作为进线断路器，它并不是最佳选择。塑壳式断路器有体积小，安装紧凑、外形美观、价格低、接触防护好等特点，以往它没有成为进线开关的首选，主要受到其容量小，短路分断能力低，选择性和短时耐受能力差这几方面因素的限制，但是随着技术的发展和新产品的推出，这些问题已经获得了不同程度的改进。断路器根据保护类型有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。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，如图1所示。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。 3 断路器参数设定 断路器一般具有两个反映断路器短路分断能力的参数：额定极限短路分断能力Icu与额定运行短路分断能力Ics。额定极限短路分断能力(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。其试验程序为O—t—CO。具体方法是：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(O)，断路器应完好，且能再合闸。经间歇时间t后，此时线路仍处于热备状态，断路器再进行一次接通(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)。此程序即为CO。断路器能完全分断，则其极限短路分断能力合格（试检后要验证脱扣特性和工频耐压）。断路器的额定运行短路分断能力(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，其试验程序为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，就认定它的额定运行短路分断能力合格（O—Open示分断操作；C-Close表示闭合操作，CO—表示闭合操作后紧接着分断操作；t—表示两个相继操作之间的时间间隔，一般不小于3分钟）。额定运行短路分断能力Ics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。我国国家标准GB14048.2规定，Ics可以是极限短路分断能力Icu数值的25%、50%、75%和100%。因此可以看出，额定运行短路分断能力是一种比额定极限短路分断电流小的分断电流值，Ics是Icu的一个百分数。一般来说，具有过载长延时、短路短延时和短路瞬动三段保护功能的断路器，能实现选择性保护，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。不具备短路短延时功能的断路器(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。（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）。具有三段保护的断路器，偏重于它的运行短路分断能力值，而使用于分支线路的断路器，应确保它有足够的极限短路分断能力值。无论是哪种断路器，虽然都具备Icu和Ics这两个重要的技术指标。但是，作为支线上使用的断路器，可以仅满足额定极限短路分断能力即可。现在出现的较普遍的偏颇是宁取大，不取正合适，认为取大保险。但取得过大，会造成不必要的浪费（同类型断路器，其高分断型，比普通型的价格要贵出许多)。因此支线上的断路器没有必要一味追求它的运行短路分断能力指标。而对于干线上使用的断路器，不仅要满足额定极限短路分断能力Icu的要求，同时也应该满足额定运行短路分断能力Ics的要求，如果仅以额定极限短路分断能力Icu来衡量其分断能力合格与否，将会给用户带来不安全的隐患。对于选择性B类断路器，还具有的一个特性参数是短时耐受电流（Icw）,是指在一定的电压、短路电流、功率因数下，保持0.05秒、0.1秒、0.25秒、0.5秒或1秒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，通常Icw的最小值是：当In≤2500A时，它为12In或5kA，而In＞2500A时，它为30kA。断路器的额定电流使用两个概念：断路器的额定电流In和断路器壳架等级额定电流Inm。当我们通常所说的“断路器额定电流”，是指“断路器壳架等级额定电流”而不是“脱扣器额定电流”。多数低压断路器供应商所提供的产品资料中，也一般不提“断路器壳架等级额定电流”这一复杂的说法，而只给出“断路器额定电流”这一参数，其实就是“断路器额定电流”作为“断路器壳架等级额定电流”的一种简称。“断路器壳架等级额定电流”是标明断路器的框架通流能力的参数，主要由主触头的通流能力决定，它也决定了所能安装的脱扣器的最大额定电流值。断路器的脱扣器型式有过电流脱扣器、欠电压脱扣器、分励脱扣器等。过电流脱扣器还可分为过载脱扣器和短路(电磁)脱扣器，并有长延时、短延时、瞬时之分。过电流脱扣器最为常用。标明过电流脱扣器的电流有以下几个参数：①脱扣器额定电流In，指脱扣器能长期通过的最大电流。②长延时过载脱扣器动作电流整定值Ir，固定式脱扣器其Ir=In，可调式脱扣器其Ir为脱扣器额定电流1n的倍数，如Ir=0.4～1×1n。③短延时电磁脱扣器动作电流整定值Im，为过载脱扣器动作电流整定值Ir的倍数，倍数固定或可调，如Im=2～10×Ir。对不可调式可在其中选择一适当的整定值。④瞬时电磁脱扣器动作电流额定值Im′，为脱扣器额定电流In的倍数，倍数固定或可调，如Im′=1.5～11×In。对不可调式可在其中选择一适当的整定值。   4 断路器的选用 断路器的选择，首先根据具体使用条件选择类别，再按电路的额定电流及对保护的要求来确定具体参数。例如当额定电流在630A以下，短路电流不太大，首选塑壳式断路器。额定电流比较大，可以选用框架式断路器(ACB)，当然也可以用那些性能好的塑壳式断路器代替。对短路电流特别大的支路要注意断路器的限流能力能否满足要求。有漏电保护要求时，断路器须有此功能。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，它们的额定运行短路分断能力Ics绝大多数是小于它的额定极限短路分断能力Icu的。即脱扣器能长期通过的电流，也就是脱扣器额定电流。但是，按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相当耗时耗力的工作。因此有一些误差不很大而可以被接受的简捷计算方法，比如对于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%）。或变压器的阻抗电压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。这些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。用户在时，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。绝大部分框架式断路器，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，具有三段保护的万能式（B类框架式）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。这里的含义是：主干线切除故障电流后更换断路器要仔细，主干线停电将会影响相对多的用户，所以发生短路故障时要求两个CO（先闭合再断开操作），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，已完成其任务，它不再承载额定电流，可以更换新的（停电的影响较小）。对于低压进线断路器设计选型中应采用哪一个参数，没有明确的规定，各种手册也没有明确的说法。大多数手册指出：断路器的额定短路通断能力等于或大于线路中可能出现的最大短路电流，一般按有效值计算。具体是极限分断能力还是运行分断能力没有说明，但是从下面两方面考虑，宜选用额定运行短路分断能力Ics：①从可靠性方面考虑。采用运行分断能力选择断路器，在断路器开短路电流后，还可以保证断路器承受它的额定电流，减少断路器出故障的可能性，从而可以提高断路器运行的可靠性。②从可行性方面考虑。对于新型断路器，运行分断能力一般都较大，都能满足短路电流的要求。