低压断路器的选择浅析

2016-09-28刘春平

中国新技术新产品 2016年16期

关键词：脱扣器施耐德低压配电

刘春平

（上海宝秀房地产开发有限公司，上海 200442）

低压断路器的选择浅析

刘春平

（上海宝秀房地产开发有限公司，上海 200442）

随着我国现代化建设的飞速发展，新建住宅、商业、工业等项目越来越多，功能也越来越复杂，其对用电要求也越来越高。而对工程实际运用来说，低压断路器是直接保证供电回路安全的重要设备，低压断路器如何选用得安全、经济、合理显得尤为重要。

低压断路器；电子脱扣器；热磁脱扣器；电磁脱扣器

断路器是一种能够接通、承载以及分段正常电路条件下的电流，也能在规定的非正常电路（例如短路）下接通、承载一定时间和分段电流的一种机械开关电器。低压断路器广泛地应用于低压配电系统各级馈电回路，各种机械设备的电源控制和用电终端的控制和保护。在使用低压断路器的过程中如何科学地选型，避免因断路器选型不当及安装不合理，造成其不能发挥应有控制与保护作用，并在运行中存在一定安全隐患，既降低系统保护运行的可靠性，又对使用人员的人身安全构成相应威胁。所以如何科学合理地选择使用低压断路器是保证系统安全有效运行关键。

一、低压断路器的特性

1.低压断路器的基本特性主要体现在

（1）额定电压Ue：这是断路器在正常（不间断的）的情况下工作的电压；

（2）额定电流In：配有专门的过电流脱口继电器的断路器在制造厂家规定的环境温度下所能无限承受的最大电流值，不会超过电流承受部件规定的温度限值；

（3）额定极限短路分断能力Icu：是断路器能够分断而不被损害的最高（预期的）电流值；

（4）过载保护（Ir或Irth）和短路保护（Im）的脱扣电流整定范围。

2.低压断路器的脱扣器类型有

（1）电磁脱扣器：只提供磁保护，也就是短路保护。

（2）热磁脱扣器：提供磁保护和热保护，热保护也就是过载保护。一般来说，电路中都用热磁脱扣器来提供短路和过载保护，只有一些特殊场合用电磁脱扣器提供短路保护，而由其他元件（如热继电器）来提供过载保护。但其只能提供二段保护；动作值误差比较大，不可以调节。

（3）电子脱扣器可以有以上所有功能，并可以方便地进行整定，且能够提供三段甚至四段保护，动作比较精准，可以调节。

二、低压断路器的选择

低压断路器的选择需要考虑如下因数：断路器所在设备系统的电气特性；断路器的使用环境（如周围环境温度、罩棚或开关柜的外护物，当地气候条件等）；短路电流分断和接通能力；断路器操作要求（如分级跳闸、遥控要求和指示及相关辅助触点，辅助跳闸线圈以及它们间的连接要求）；安装规定，特别是对人身的保护；负荷特性（如电动机、荧光灯、低压变压器等），本文主要从短路电流计算和热稳定校验等方面探讨低压断路器的选择。

《低压配电设计规范》GB50054-2011第3.1.1条要求：“电器的额定电流不应小于所在回路的计算电流；电器应满足短路条件下的动稳定与热稳定的要求；用于断开短路电流的电器应该满足短路条件下的接通能力和分段能力”。第6.2.1条要求：“配电线路的短路保护电器，应在短路电流对导体和连接处产生的热作用和机械作用造成危害之前切断电源”。第6.2.4条要求：“当短路保护电器为断路器时，被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍”。

下面通过案例进行相关分析：

图1中电梯控制箱安装负荷Pe=20kW，

计算电流Ijs=Pe*Kx/√3*Ue*COSΦ= 20*1/√3*0.38*0.55=55A，式中Kx为需要系数，Ue为额定电压V，COSΦ为功率因数。

依据如上计算电流选择配电电缆WDZN-YJY-5*16，其允许载流量Iz=I（允许载流量）*K（允许载流量的矫正系数）=96*0.7A=67A，从双电源切换箱至电梯控制箱断路器选择为MCCB100，断路器的长延时整定电流Ir1=63A，断路器的瞬时整定电流Ir3=10*Ir1=630A。并且通过计算得出双电源切换箱处的电压损失为3.8%，满足相关规范要求。

一般情况下，通过以上计算，同时也确定了双电源切换箱的上一级即单元配电总箱的出线断路器配置亦为MCCB100，Ir1=63A，馈电电缆WDZNYJY-5*16。至此本电梯回路的配电回路断路器和电缆选择就已完成。但通过更进一步计算可以得出单元配电总箱处的长延时脱扣Id1=2.11kA，瞬时脱扣电流整定值Id3=7.44kA，而双电源切换箱处长延时脱扣Id1=0.48kA，瞬时脱扣电流整定值Id3=1.23kA。

在以上计算结论的前提下，现对单元配电总箱的出线开关进行校验。由于通常甲方要求不标示所选断路器型号，只用代号MCCB表示塑壳断路器，现选取常熟开关厂和施耐德电气有关产品进行有关计算。

1.选用常熟开关厂的热磁脱扣器，时间/电流特性曲线如图2所示。

过载保护：对于全系列产品，额定电流In=10～800A时，过载保护动作特性按I²t动作；

短路保护：对于壳架等级为100L/M/ N的产品，额定电流In=10～100A时，短路保护电流设定值为Ir=10In；动作时间为瞬时动作。

（1）选用常熟开关厂的单电磁脱扣器

短路保护瞬动电流Ir3=10In=10* 63A=630A；

按《低压配电设计规范》第6.2.4条要求，末端短路电流≥630*1.3=819A，根据图2的动作曲线计算，断路器瞬动范围为8～12*（63）=504～756A，而预期末端单相短路电流为480A，瞬时脱扣器不可能动作。如果选取16mm²铜芯线，满足不了《低压配电设计规范》第6.2.1条的要求。

（2）选用常熟开关厂的热磁脱扣器

预期末端单相短路电流为：

480/63In =7.6In

查CM3-100L/M/H时间/电流特性曲线：脱扣时间：～6s

热稳定校验：（为简化，按＜5s的公式校验）

S≥I/K*√（t）=I/K*√（6）=8（交联聚乙烯）

S≥I/K*√（t）=I/K*√（6）=10（PVC）

式中：

S—绝缘导体的线芯截面（mm²）。

I—短路电流有效值（均方根值A）。

t—在已达到允许最高持续工作温度的导体内短路电流持续作用的时间（t）。

k—不同绝缘、线芯的计算系数。

从以上计算结果可以看出，选取16mm²铜芯线能够满足《低压配电设计规范》第6.2.1条的要求。

2.选用施耐德的产品，时间/电流特性曲线如图3所示。

（1）选用施耐德的单电磁脱扣器

短路保护瞬动电流：

Ir3=8In=8*63A= 504A

按《低压配电设计规范》第6.2.4条要求，末端短路电流≥504*1.3=655A，根据动作曲线计算，断路器瞬动范围＞8*（63）=504A，而预期末端单相短路电流480A，瞬时脱扣器不可能动作。如果选取16mm²铜芯线，满足不了《低压配电设计规范》第6.2.1条要求。

（2）选用施耐德的热磁脱扣器

预期末端单相短路电流：

480/63In= 7.6In

查TM80D/TM100D时间/电流特性曲线：脱扣时间：3～30s。

热稳定校验：（为简化，按＜5s的公式校验）

S≥I/K*√（t）=I/K*√（30）=18（交联聚乙烯143）

16mm2铜芯线不能够满足要求。

S≥I/K*√（t）=I/K*√（30）=23（PVC115）

16mm²铜芯线不能够满足要求。

从以上计算结果可以看出，选取16mm²铜芯线不能够满足《低压配电设计规范》第6.2.1条要求。

根据以上对常熟开关及施耐德产品的相关计算结果，不难看出，如果设计时仅仅标示MCCB，且选用单电磁脱扣器或热磁脱扣器，其供电回路的可靠性有较大的不确定性，必须对低压系统进行短路计算。因为选择MCCB时，往往忽略了所选厂家的断路器的规格、型号、附件等其他电气参数，特别是对一些新型断路器的电气参数理解不透，标注不全、应用类别、使用场合及用途等考虑不周。选用了不合适的断路器，导致成套厂订货困难，保护的选择性变差，灵敏性，合理性不符合设计规范要求，不但使断路器没有物尽所用，反而造成了浪费，降低了配电系统的可靠性。

对于短路电流计算的结果进行分析：为使断路器能够正常脱扣，有如下解决措施：

（1）提高短路电流，从I=U/R不难看出，减小回路阻抗，增大导体截面（会增加成本），减少导线长度（变电站设置位置相关）；

（2）减小短路保护开关的整定电流，而通常热磁脱扣器的短路保护为定值，不可调。对于常熟开关厂壳架等级为63A～250A的断路器，其短路保护瞬时动作值为定值（300A或10In），壳架等级为400A～800A的断路器，其短路保护瞬时动作值可调（10In或5In）；对于施耐德壳架等级16A～160A的断路器，其短路保护瞬时动作值为定值，壳架等级200A～250A的断路器，其短路保护瞬时动作值可调（5In～10In）。所以当热磁脱扣器无法满足要求时，应选用可调整整定电流的电子脱扣器（短延时动作值1.5In～10In可调，瞬时动作值1.5In～15In可调）。且需要注意：

选择动作电流可调的短延时脱扣器整定值时，应躲开线路的短时负荷尖峰电流——考虑线路总最大一台电机的启动电流因素；

选择动作电流可调的瞬时脱扣器整定值时，应躲开线路的尖峰电流——考虑线路总最大一台电机的因素全启动电流因素，同时要考虑可靠系数1.2。

（3）改变保护装置，而由于成本问题，无法改变开关和导线时，可考虑改变保护装置或增加后备保护装置，如：

（a）选择带熔丝的断路器；

（b）在断路器前（或后）加装合适的熔丝；

（c）直接改为熔断器保护。