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• 關鍵詞：                                                                低壓斷路器                                                                分類                                                                計算

• 摘要：文章介紹了低壓斷路器的選擇要求，并結合實際案例，解析了斷路器過電流脫扣器整定值的計算過程。對計算過程中顯現的可操作性疑義問題，結合對現行規范、標準的理解提出建議，以便合理選擇低壓斷路器脫扣器，對供配電系統設計人員具有一定的參考價值。

低壓斷路器具有體積小、機構緊湊、安裝方便等特點，被廣泛應用于配電線路及電動機保護領域。隨著電氣技術的不斷發展，低壓斷路器性能也得到日益完善和提高，現已逐步實現智能化、模塊化和小型化，與此同時，低壓斷路器的可靠性和安全性均得到很大提高。但在使用低壓斷路器的過程中應合理選型，避免因斷路器選型不當造成其不能發揮應有的保護作用，使配電系統在運行中存在一定安全隱患，對使用人員的人身安全構成一定威脅。 
　　1 低壓斷路器簡介 
　　1.1 低壓斷路器分類 
　　低壓斷路器（以下簡稱斷路器）按使用類別可分為A類（非選擇型）和B類（選擇型）；按設計型式可分為萬能式（或框架式）斷路器、塑料外殼式斷路器及微型斷路器；按用途可分為配電用斷路器、電動機保護用斷路器和漏電斷路器，其他分類不再列舉。 
　　1.2 斷路器過電流脫扣器 
　　1.2.1 斷路器過電流脫扣器主要包括長延時脫扣器（反時限特性）、短延時脫扣器（根據不同的動作電流，呈現反時限和定時限特性）、瞬動脫扣器。 
　　1.2.2 反時限過電流斷開脫扣器在基準溫度下，在約定不脫扣電流，即電流整定值的1.05倍時，脫扣器的各相極同時通電，斷路器從冷態開始，在小于約定時間內不應發生脫扣；在約定時間結束后，立即使電流上升至電流整定值的1.3倍，即達到約定脫扣電流，斷路器在小于約定時間內脫扣。 
　　1.2.3 瞬時或定時限過電流脫扣器在達到電流整定值時應瞬時（固有動作時間）或在規定時間內動作。其電流脫扣器整定值有±10%的準確度。 
　　1.3 斷路器的選擇應符合的要求 
　　斷路器的額定電壓應與所在回路的標稱電壓相適應；斷路器的額定頻率應與所在回路的標稱頻率相適應；斷路器的額定電流不應小于所在回路的負荷計算電流；斷路器應滿足短路條件下的動、熱穩定要求，用于分斷短路電流時，應滿足在短路條件下分斷能力的要求。 
　　1.4 斷路器的選擇性配合 
　　各級保護電器之間的動作選擇性分為以下三種： 
　　1.4.1 完全選擇性。故障點的所有故障電流值，從過載到金屬性短路故障電流，均由故障點最近的上一級斷路器切斷。
　　1.4.2 部分選擇性。在全短路故障電流情況下，不能滿足完全選擇性，但可能在某一較低故障值（選擇性極限值）以下具有選擇性。 
　　1.4.3 無選擇性。當故障發生時，無法實現選擇性，可能出現越級跳閘或同時動作。《低壓配電設計規范》規定，配電線路采用的上下級保護電器，其動作應具有選擇性；各級之間應能協調配合。但對于非重要負荷的保護電器，可采用無選擇性跳閘。 
　　2 各種過電流脫扣器的整定計算 
　　斷路器的實際動作時間還可以根據廠家提供的時間-電流特性曲線直接查取。確定實際動作時間非常重要，可以實現正常工作時不動作、躲過尖峰電流、完成熱穩定校驗、滿足斷路器動作的選擇性等用途。 
　　2.1.5 消防配電線路的過負荷保護。根據《民用建筑電氣設計規范》（JGJ16-2008）規定，消防配電線路應設過負荷及短路保護，其過負荷保護應動作于信號，不動作于脫扣。工程設計中，消防配電線路采用電磁脫扣器（僅有瞬動脫扣器），其過負荷保護功能應借助其他設備實現：（1）采用過載時只報警不脫扣的特殊斷路器，在過載時可提供一個無源信號觸點，從而驅動報警裝置；（2）利用數顯表的報警功能，在實際電流超過設定電流時提供報警信號。此時應采用三相表并配合三相CT。如使用單相表，無法檢測另外兩相的故障；（3）電動機可使用熱繼電器提供過載保護，通過其過載信號觸點驅動報警裝置。 
　　2.2 短延時脫扣器的短路保護整定計算 
　　案例分析：某低壓配電房發生短路事故，短路點位于分支母線處，即分支回路斷路器電源側。斷路器智能控制器保留的技術數據：分斷電流18.67kA，動作時間0.5s。斷路器出廠數據：型號CW2-2500/3P，In=2500A；額定極限短路分斷能力Icu=85kA/AC400V；額定運行短路分斷能力Ics=85kA/AC400V；額定短時耐受電流Icw=65kA/AC400V；長延時脫扣器Ir1=1.0In，t1=15s；短延時脫扣器Ir2=8.0In，t2=0.4s，瞬動脫扣器Ir3=12Ir1，接地故障保護位于OFF位置。要求判斷該斷路器是否在規定時間內切除故障線路。 
　　額定極限短路分斷能力Icu>Ik。首先計算動作電流倍數：18.67*1000/2500=7.468倍，未達到預設的短延時脫扣電流倍數（8倍），查產品樣本，應根據I2T2=（8Ir1）2t2校驗。T2=（8*1*2500）2*0.4/（18.67*1000）2=0.459s。根據廠家樣本，動作時間允差為±15%，則斷路器允許動作時間為（0.459*1.15）s=0.528s。本案例斷路器動作時間0.5s在此時間范圍內切除故障線路。 
　　I′stM1――線路中最大一臺電動機的全啟動電流，A，包括周期分量和非周期分量，其值可取電動機啟動電流IstM1的2倍 
　　Ijs（n-1）――除啟動電流最大的一臺電動機以外的線路計算負載電流，A 
　　如果沒有人為的延時環節，瞬動脫扣器一旦啟動，必將觸發后繼動作，分閘在所難免。啟動沖擊電流在1/4周期（0.005s）即達峰值，瞬動原件是否啟動僅取決于電磁力的大小，與后繼的斷路器機械動作固有時間無關。因此，為防止斷路器在電動機啟動時誤動作，其瞬動脫扣器的動作電流應躲過啟動電流峰值或至少高于第一半波有效值。 　　2.3.3 瞬動脫扣器用于電動機的短路保護。 
　　第一，斷路器瞬動脫扣器動作電流與長延時脫扣器動作電流之比（以下簡稱瞬動電流倍數）宜為14倍左右或10～20倍可調。 
　　第二，僅用于短路保護時，即在另行裝設過載保護電器（如熱繼電器等）的常見情況下，宜采用只帶瞬動脫扣器的斷路器或把長延時脫扣器作為后備過電流保護。 
　　第三，兼作過載保護時，即在沒有其他過載保護電器的情況下，斷路器應設瞬動脫扣器和長延時脫扣器，且必須為電動機保護型。 
　　第四，兼作低電壓保護時，即不另裝接觸器或起動器的情況下，斷路器應裝有低電壓脫扣器。 
　　第五，斷路器的各種附件應根據電動機的控制要求裝設。 
　　第六，瞬動脫扣器的整定電流應為電動機啟動電流的2～2.5倍，本文取2.2倍。 
　　第七，長延時脫扣器用作后備保護時，其整定電流應按滿足相應的瞬動脫扣整定電流為電動機起動電流2.2倍的條件確定。 
　　第八，長延時脫扣器用作電動機過載保護時，其整定電流應接近但不小于電動機的額定電流，且在7.2倍整定電流下的動作時間應大于電動機的啟動時間。同時，相應的瞬動脫扣器應滿足第六條的要求，否則應另設過載保護電器，而不得隨意加大長延時脫扣器的整定電流。 
　　2.4 斷路器接地故障保護的整定計算 
　　《低壓配電設計規范》規定，相線對地標稱電壓為220V的TN系統配電線路的接地故障保護，其切斷故障回路的時間應符合下列規定：（1）配電線路或僅供給固定式電氣設備用電的末端線路，不宜大于5s；（2）供給手握式電氣設備和移動式設備的末端線路或插座回路，不應大于0.4s。 
　　以下介紹TN、TT及IT系統發生接地故障時斷路器脫扣器的選擇及整定方法。 
　　案例分析：某回路由低配室放射供電，變壓器容量1000kVA，Uk=6%，出線開關QF1（Ir1=50A），配線YJV-5x16，線路末端下級斷路器采用A類微斷QF2（MCB-C32/1P，Ir1=32A，Ir3=10Ir1=320A）。設QF2前端A點發生接地故障，QF2后端B點發生接地故障，試對QF1進行接地故障保護整定計算。 
　　第一種情況：線路長100m，A點發生單相接地故障時，查得Id=0.61kA，則根據式（9），Ir3≤（0.61*1000）Ir1/（1.3*50）=9.38Ir1，取整后Ir3=9，則Ir3=9*50A=450A。 
　　第二種情況：線路長100m，B點發生單相接地故障時，由于A、B點僅相隔QF2，其阻抗可忽略不計，則QF1整定計算同上。 
　　此兩種情況下，QF1的Ir3=450A，QF2的Ir3=320A，450/320=1.406倍，可滿足選擇性要求的1.3或1.4倍。 
　　第三種情況，線路長140m，查得Id=0.44kA，則根據式（9），Ir3≤（0.44*1000）Ir1/（1.3*50）=6.77Ir1，取整后Ir3=6，則Ir3=6*50A=300A。此時若B點發生單相接地故障，上下級斷路器已不具選擇性。 
　　第四種情況：條件同第三種情況，但QF2所保護的設備為15kW鼠籠式電動機。按電動機保護整定計算，Ir3≥2.2*7*15/0.8/0.38/1.732A=438.72A，QF2選用D型斷路器，即Ir1=32A，Ir3=14Ir1=14*32A=448A，而QF1的Ir3=300A。此時電動機啟動，必將越級跳閘。 
　　第二，提高TN系統接地故障電流Id的措施：選用D，yn11變壓器，其零序阻抗比Y，yn0變壓器小很多，Id明顯增大；增大電纜截面以降低阻抗，此方案不適用于裸干線及架空線等電抗較大的線路；改變線路結構，如改裸干線及架空線為封閉母線或電纜，以降低阻抗。 
　　當變壓器容量較小時，配電線路較長而保護電器的整定電流不能滿足靈敏度系數的要求時，可減少配電級數，以減小整定電流。 
　　第三，當采用短路保護兼做接地故障保護，不能滿足其靈敏度要求或不能滿足選擇性要求時，還可采用帶接地故障保護的斷路器。 
　　零序電流保護：檢測零序電流通常在斷路器后三個相線上各裝設一只電流互感器（也可在中性線上安裝一個零序互感器），取3只互感器的矢量和乘以變比，即零序電流：IN=IL1+IL2+IL3。 
　　剩余電流保護：檢測剩余電流通常在斷路器后三個相線及中性線上各裝設一只電流互感器（或采用專用剩余電流互感器），取4只互感器二次側電流的向量和乘以變比，即剩余電流：IPE=IN+IL1+IL2+IL3。為避免誤動作，斷路器采用剩余電流保護時，其接地故障電流整定值應躲過正常運行時線路和設備的泄露電流，通常取泄露電流總和的2.5～4倍。剩余電流保護整定值可在滿足Id≥1.3Ir4的前提下盡可能選大一些，甚至可選斷路器允許的IΔn最大值。剩余電流保護適用于TN-S系統，但不適用于TN-C系統。 
　　2.4.2 TT系統。TT接地系統常用于工業與民用建筑的照明、動力混合供電的三相四線配電系統，三相不平衡電流較大。發生單相接地時，Id回路阻抗包括相線阻抗、PE線阻抗、負載側接地電阻、電源側接地電阻、接觸阻抗等。由于負載側接地電阻和電源側接地電阻值一般均比較大，TT系統的故障環路阻抗大，產生的單相接地故障電流遠小于不平衡電流，所以TT系統不能采用短路保護兼做接地故障保護，也不能采用零序電流保護。TT系統采用剩余電流保護的整定計算同TN系統。 
　　2.4.3 IT系統。三種系統中，IT系統接地故障電流最小，用于對供電可靠性要求較高、對單相接地不需要立即切斷的供電回路。發生接地故障時，需發出絕緣破壞信號。目前最典型的IT系統就是10kV配電系統，采用中性點不接地或經高電阻接地的運行方式（小電流接地系統）。該系統最大的優點是發生單相接地故障時，不破壞系統電壓的對稱性，且故障電流值較小，不影響對用戶的連續供電。電力系統供電規程規定，發生接地故障時，可帶故障運行1～2小時。 
　　3 結語 
　　在使用斷路器作為保護電器時，只有正確分析負載性質、結合斷路器保護特性選擇斷路器，才能有效切除事故回路，保證供配電系統的可靠運行。除了技術上的必要性和可靠性，還要兼顧經濟上的可行性和實用性，才能使斷路器的選擇滿足合理性要求。