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低压保护电器:胸有全局 合理选用
作者:系统管理员            来源:             发布时间: 2011-07-08
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随着现代化的发展,低压配电线路遍及城乡,深入工厂、农村、公共建筑及家庭的每一个角落。如果低压保护电器选择和整定不当,不能按要求切断故障电路,就很容易照成因间接接触而导致点击;或因故障产生过热而引起火灾;或因故障导致上级保护电器非正常切断,从而扩大停电面积,造成不应有的损失。其最主要的防护措施就是在各级配电线路装设保护电器,以保证在电路发生故障时,能有效地断开故障电路。因此低压保护电器在低压配电系统中占有着重要的地位,为低压配电系统的保护更趋完善起到了十分重要的作用。低压配电系统中最常用的低压保护电器主要有低压断路器和低压熔断器,如何更合理地选择保护电器类型,如何在规定的时间内有选择性的切断保护电路,分辨哪类保护电器更适用于何种条件,智能电网对低压保护电器又有着什么样的新要求,带着这些疑问,本刊记者专程采访了中国航空规划建设发展有限公司研究员任元会为大家广为关心的问题做一介绍。 

 

低压保护电器的选型和整定 

记者:任工,您好!首先非常感谢您在百忙之中接受我刊的采访,公所周知低压配电系统中应用最广泛、最重要且设计中选用最复杂的就是低压保护电器。那么在对低压保护电器进行选型时,有哪些通用性的原则需要设计人员认真考虑? 

任元会:低压(交流1000V及以下)配电是工业和民用建筑以及户外场所应用最广泛的配电系统,低压配电系统主回路的电器,主要有开关电器(包括开关、隔离开关等)、保护电器(包括断路器、熔断器)和控制电器(接触器、起动器等)三大类,其中,保护电器在保证电路故障条件下的安全和可靠运行又具有更为重要的作用,所以保护电器特别是断路器的参数整定就显得比较复杂。

保护电器的重要作用:①安全用电的重要保证:电路发生故障时,保护电器应按规定时间内断开故障回路,以保证人身安全,防止线路和设备损坏和导致电气火灾等事故。②保证可靠供电:电路故障时,要求保护电器及时切断故障回路,只限于故障处最小范围,从而保证整个配电系统的连续不间断运行。③有利于配电系统节能和电能质量,包括电压偏差、闪变、三相平衡度和谐波抑制等。

低压电器(含保护电器)选型要求:①电器的额定电压应与所在回路的标称电压适应。②电器的额定电流不应小于回路的计算电流。③电器的额定频率应与在回路的频率相适应。④电器的防护等级应适应在场所的环境条件。⑤应能满足最大短路条件下动、热稳定要求。

记者:低压保护电器的整定原则有哪些?这些整定原则之间是否会发生矛盾,该如何处理呢? 

任元会:保护电器参数整定原则是:①保护电器的分段能力不应小于安装处可能发生的最大短路电流。②短路故障时,保护电器应在短路电流使导线和连接件达到允许最终温度前切断电路,以避免损坏线路,乃至引起火灾。③过负荷时,保护电器应在导线和连接件达到允许最终温度前切断电路或发出报警。④当发生接地故障时,保护电器应在规定时间内切断故障电路。⑤发生以上各种故障时,应使靠故障处最近的保护电器切断电路,而以上各级保护电器不应动作,以保证停电范围最小,即有选择性动作。⑥保护电器的整定参数应保证用电设备(如电动机、白炽灯等)起动时不会切断电路,以保证正常起动和运行。

配电系统中每段配电线路都应装设白虎电器,每一个保护电器都应同时满足以上所有要求。这些要求都是按照国际标准GB 500541995《低压配电设计规范》编写的,该规范现行版本系1995年颁布,现在已经修订完成,待审批颁发,以上要求也考虑了新修订要求。

以上提出的保护电器参数整定的要求,都非常具体,都有相关的数学表达式,并加以限定。各项要求之间可能会出现矛盾,主要表现在以下两个矛盾:①是接地故障时应保证在规定时间内(通常在5s0.4s)使断路器跳闸或熔断器熔片烧断,因此要求将断路器的瞬时(或短延时)过电流脱扣器整定电流或熔片电流尽量小;而电动机等用电设备起动时,则断路器不应跳闸,熔片不应熔断,则要求其值不能太小,当接地故障点离电源端较远,而电动机容量较大时,这个矛盾就很突出。②发生故障时,要求保护电器较快动作,而作为上级保护电器则要求有短时间等待,以实现选择性动作,即让下级保护电器动作,切断故障电路,则上级不动作,以缩小停电范围。这就是动作时间的矛盾。

解决以上矛盾,是电气设计师的基本技术能力和功底。配电系统设计,必然会出现这些矛盾,例如上述第一个矛盾,就应该设法提高接地故障电流,以满足断路器或熔断器断开电路的灵敏度要求,也就是加大导体截面及保护线(PE线)截面,若不能满足要求,可以设置剩余电流保护装置,或改变接地方式(如经TN改为TT系统等)。

要做好这些,必须十分熟悉掌握设计规范和实施方法,、措施,要认真做好配电系统的短路电流和接地故障电流计算,才能做到胸有全局,措施得当。这样,才能使设计师提高到新水平,从“必然王国”走向“自由王国”。

 

低压断路器和熔断器的比较及应用 

记者:低压配电系统中最常用的低压保护电器主要有低压断路器和低压熔断器,那么首先请您谈谈这两类保护电器的发展情况? 

任元会:近30年来,随着我国改革开放的步伐的加快,这两类电器获得很大发展。首先表现在产品标准的更新和提高,在我国正确标准化方针指导下,经过上世纪80年代电器行业的努力,使断路器、熔断器产品国家标准逐步达到等同或等效采用国际标准,主要是国际电工委员会(IEC)标准,到90年代初低压断路器国家标准GB 14048.12和低压熔断器国家标准GB 13539.1先后颁布,大大促进了我过这两类电器技术水平的大幅提高。在这些国家标准指导下,产品质量大幅度提高,技术更先进,品种更多、更新颖,不断跟随或追赶国际先进水平和发展潮流,如断路器出现了选择型断路器,多功能、全功能断路器(三段及四段保护、显示及调节等功能),漏电型断路器,尺寸小具有标准模数的微型断路器,适应大容量配电变压器低压侧的高分段能力断路器,还有具备通信功能的只能行断路器等;同样熔断器也研制了全封闭、真填料、低损耗及高分断能力的限流型熔断器,还出现了部分范围分段的电动机专用熔断器(aM型),而配电用gG型熔断器解答多数的分段能力达50120kA,过电流选择比达1.6:1,具有良好选择性的产品。这些都为低压配电系统的保护更趋完善起到了十分重要的作用。

记者:请介绍一下在实际的使用中这两类保护电器各自的主要特点和优缺点。 

任元会:首先我谈谈熔断器。熔断器的主要优点有:①选择性好:由于其反时限保护特性,过电流选择比为1.6:1的特性,使熔断器时间再0.01s以上时,上下级具有良好选择性。②安全性能高:由于其封闭有填料的结构,散热良好,短路断熔时,全部在封闭壳体内完全,无飞弧,不会引起周围的危险及火灾。③分断能力高:这是其封闭结构和石美砂填料及其跟流特性所决定。④维护性能好:封闭式熔断器几乎是“无维护”产品,运行中不需要特别维护,故障熔断后,只需要换上备用熔管后继续运行,在人工费最昂贵的发达国家更显优势。⑤价格比较便宜。熔断器的主要缺点和不足:①熔断器不能合闸,不能遥控,不能自动转换,必须配合隔离开关(电动式)才能完成遥控和自动转换功能。②熔断器可能一相熔断,对于三相电动机将导致却相运行,将使电动机超温而损坏,必须依赖电动机过载白虎的热继电器采用三相差动式而避免。③熔断器不能配剩余电流保护器,也比较难适应智能电网的发展需要。

接下来我谈谈断路器。断路器的主要优点有:①便于实现智能电网的发展需求。②能够实现上下级间区域联锁功能,以达到选择性保护功能。③能够完成遥控和自动转换功能,可以组成ATSE电器。④可以选用多功能保护继电器,以适应不同故障的需要和选择性保护之需要,特别是可以配剩余电流保护,以满足TT系统和接地故障电流很小的TN系统保护灵敏度要求。断路器的主要缺点和不足:①由于选择型断路器价格贵,实际应用绝大多数为非选择型断路器,其选择性差,是主要弱点,现代有企业已经或正研制有一定选择性功能的普通断路器,以弥补。②部分小断路器分段能力不高(如微型断路器和小电流塑壳断路器),不能适应大容量配电变压器小容量低压馈线的需要,所以这类断路器制造商通常按分断能力生产标准型、中等分断型和高分断型三类产品,以适应不同需要。③有一定维护工作量,包括较大短路电流分断后的维修,以及定期的维修是必要的。

记者:那么请您谈谈在低压配电系统中应该如何合理选用断路器和熔断器,以达到合理配合使用的目的? 

任元会:两者各有自己的特点和优缺点,应予合理配合,按不同要求,不同部位选择不同保护电器,两者不存在先进与落后的差别,只有科学、合理根据不同特点和需要来选择的问题。在欧洲发达国家,两类保护电器在低压系统中都有相当多的应用;在我国则是近20年来一些不正确的潮流和思维的影响,导致熔断器应用很少,甚至认为他是过时的、落后的技术和产品,造成配电系统保护选择性的降低,是很值得低压配电系统设计师认真对待的问题。

下面我提几点选用的具体意见:①需要遥控、自控、自动转换和剩余电流保护的应选用断路器。②低压配电盘引出的馈线,当连接用电设备多,线路计算电流较大(如400500A以上),建议用带短延时脱扣器的选择型断路器;当计算电流较小时,建议用gG型熔断器。③配电线路中间级(一级至几级),建议用gG型熔断器。④接至电动机的末端回路,当接地故障电流较大,宜用非选择型断路器(电动机型);当接地故障较小,难以满足动力灵敏度要求的,宜用aM型熔断器。⑤接照明等小功率负载的末端回路,宜用非选择型断路器。⑥顺便提到的是:配电箱进线侧,有一些设计师和制造企业设置一台非选择型断路器是不恰当的,应该装设一个隔离开关,而不应装任何保护电器,特别不应设带瞬时脱扣器的断路器。

总之,保护电器选择的原则是:发生故障时,一定要按规范要求适时切断电路,以策安全;同时,要有选择性切断,以保证停电范围最小,检查故障更方便。

 

低压断路器的级间配合问题 

记者:在对低压配电网进行级间配合设计时,应注意哪些问题?在进行具体的设计选型时,如何合理地选择断路器,减少资源浪费?做选择性保护时应注意些什么? 

任元会:所谓“级间配合”,就是指保护电器上下级之间要有选择性动作的要求。

低压断路器按产品标准分为两类:即非选择型和选择型断路器。前者只带反时限过电流脱扣器和瞬时过电流脱扣器;后者除此之外还带有短延时过电流脱扣器。可见有短延时是具有选择动作的标志。

反时限脱扣器是作为过载保护用,瞬时脱扣器作为短路和接地故障保护用。由于选择型断路器机构较复杂,价格高,工程中应用少,通常用于变压器出线盒低压柜较大电流的馈线保护。而大量应用的则是非选择型。

非选择型断路器的瞬时脱扣器多事电磁铁机构,简单、低价,但主要缺点是没有选择性,只要故障电流超过其瞬时脱扣器整定电流,就是瞬时动作,虽然其切断电路的时间需要几秒至十几秒,但这是一个固有动作时间和灭弧时间,尽管下级断路器更快切断故障电流,他也不可能不动作,所以,决定了他的非选择性动作的本质特征。

从这个特征说,他远不如选择型断路器,也明显不如熔断器优越。前者靠短延时脱扣器保证,后者靠反时限特性和1.6:1的过电流选择比保证。

当前工程设计中,如此大量选用非选择型断路器,具有极明显的缺陷,我们的电气设计师不分条件大量应用,是很不合理的。

当然,非选择型断路器也会具有局部范围选择性,例如,故障电流大于临近断路器瞬时整定值(Iset3),而小于上级断路器的Iset3,此时就有选择性动作,但这仅局限于不太大的电流范围。

近年来,国内外不分企业研究非选择型断路器增加选择性动作功能,如施奈德的NS型增加选择性后的NSX型,但要求上下级的整定电流不小于2.5倍,有一定局限性;而数周法泰电器公司的FTB2型断路器具有选择性,但电流只有100A,分断能力15kA,能用于末端回路的上一级,不能用于配电干线,也有局限性。

但愿这类产品研制有更多新成果;愿设计师在保护电器选用方面更重视选择性动作要求。

三类低压断路器的选用 

记者:低压断路器从结构上可分为三类,即框架式(或万能式)断路器(ACB)、塑壳式断路器(MCCB)和微型断路器(MCB),作为断路器的重要分类他们在结构、性能上有什么不同?各自特点是什么?在应用中有什么不同之处? 

任元会:从原理上说,是相同的。但由于结构和尺寸的区别,实际上带来很多差异,如电流容量、分断能力、和脱扣器种类和操作方式、可调节性能及其他附加功能等,以下作一简单比较和描述。 

1)框架式断路器(ACB):壳架电流大,一般在6306300A左右;分断能力(Icu)高,一般在50120kA;具有反时限(长延时)、短延时、瞬时和接地故障保护四个脱扣器;多具有多种显示、调节和附加功能;还具有通信等工呢刚。尺寸较大、价格贵。 

2)塑壳式断路器(MCCB):壳架电流一般在1001600A,也有更大电流产品;分断能力一般在20100kA,通常MCCB多为非选择性,只带分时限和瞬时脱扣器,容量大的也可以制造成选择型,甚至多功能、全功能和智能型产品。尺寸相对较紧凑,价格适中。通常MCCB的分段能力分为标准型、中、高三个档次,以满足不同部位的需要,并求经济合理。 

3)微型断路器(MCB):电流躲在125A以下,分段能力小仔415kA,尺寸小,按一定模数生产,便于组合和安装,主要用于远离配电变压器的末端配电箱,作照明及小电器控制、保护之用,价格比较低。但一般不能应用与变电所低压柜引出线上。 

关于以上几类断路器的应用范围和场所意见如下:①配电变压器低压出线总断路器和大容量配电干线保护电器,应选用选择型ACB,后者也可以选选择型MCCB。②变电所低压柜直接引接到单台用电设备的保护,可选用非选择型MCCB,但应满足分段能力要求,这里不得选用MCB。③按三相电动机及其他用电设备的末端回路可用非选择型MCCB;接照明及小型电器的末端回路可选用MCB 

 

智能电网对低压断路器的新要求 

记者:断路器的发展经历了电磁脱扣器和电子脱扣器,近年来又普及了智能型断路器,同时近年来低压电器的智能化技术也不断涌现,那么请问目前断路器又有哪些新的发展?同时据您了解目前应用在断路器中的智能化技术都有哪些? 

任元会:几十年来,低压断路器经理了几次重大的变革和发展。20世纪80年代初以初以前基本上市非选择型断路器,只有反时限和瞬时两种脱扣器,前者双金属片,后者是电磁铁结构组成。80年代开始研制多功能产品,能够带有短延时和接地故障保护功能,并开始研制电子脱扣器。90年代初开始研制全功能智能型断路器,增加了多种显示、记录、调节和通信功能,逐步完善了多种保护功能的同时,其通信功能,可以实现配电系统的控制、监测、信号和区域联锁等用途,向智能化道路上前进了一大步。 

近年提出了智能电网建设,作为未来10年或更长时期的目标,覆盖全国电力网的大系统。低压配电系统作为整个电力网的最基层的一个组成部分,包括电力部门供用电和企业内部配电系统等,低压系统都是一个不可缺少的部分。各级断路器担负着智能电网的重要器件,将会有进一步发展。我认为将实现以下主要功能:①实现各馈电线的远程、自动转换或远控分合闸等。②实现集中监测各电路的电量参数和调节,有功、无功的调整。③监视各电路的运行状态和故障:脱口等信号。④使用通信接口和信号线实现各级断路器有选择性动作。⑤进一步提高分断能力,并达到ICU+=ICS=ICW的统一目标,以满足系统容量不断增大的需要。 

智能电网是刚起步的新课题,本人也仅有粗浅的理解,这些预计仅供大家研究和讨论。 

 
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