“报警不跳闸”的设计探讨

2022-07-02王雷

现代建筑电气 2022年5期

王雷

(华东建筑设计研究院有限公司, 上海 200002)

0 引言

1885年,基于电气系统的发展需求,世界上最早的断路器产生了,其是一种刀头、刀架和过电流脱扣器的组合。现在,断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流,并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下电流的开关装置。

基于实际工程需求,断路器“开断异常回路条件下的电流”这一功能的内涵也更加丰富了。对于部分特别重要的负荷,人们希望在主干系统的承受范围内,能够尽量延缓开断异常回路或放宽异常回路存续的条件。本文主要探讨设计中如何应对GB 50054—2011《低压配电设计规范》[1]第6.3.6条“过负荷断电将引起严重后果的线路,其过负荷保护不应切断线路,可作用于信号”的要求,也就是俗称的“报警不跳闸”。需要注意的是,本文讨论的主要是对电气线路的保护,并未针对设备。

1 过负荷情况分析

过负荷断电将引起严重后果的线路,在民用建筑电气设计中主要有两种情况:在消防应急情况下,消防用电回路即使出现故障,只要不引起故障范围扩大,都应该保持回路持续工作;各类装设UPS的配电设备,此类负荷配置UPS的目的就是不间断供电,因此UPS后配置的开关回路也需要最大限度保持回路持续工作。根据IEC 60898-1的定义,过载电流是电气上无损的电路中发生的过电流,如过载电流持续足够长的时间,也可能发生损害。正常情况下,配电线路的过负荷保护应当在过负荷电流引起的导体温升对导体的绝缘、接头、端子或导体周围的物质造成损害前切断负荷电流,但根据该条规范要求,在一定的损害范围内(未导致中断有效供电或引发更大范围的故障),可以将过负荷作用于信号[2-6]。

根据负荷分类对过载电流情况进行分析,负荷过载分类如表1所示。

2 解决方案

电机启动电流-时间曲线图如图1所示。

图1 电机启动电流-时间曲线图

对应于表1序号1的情况,堵转电流将持续维持在高位,不仅突破热继电器控制曲线,而且长时间故障将可能突破电缆耐受曲线。但由于在故障过程中可能锈蚀的部分会松动,这样电机电流也就可能降低到正常曲线附近,因此在消防水泵或消防风机单个设备末端控制箱配出端的断路器保护回路应取消热磁脱扣,串联热继电器,将其触点动作于信号,也可用电流互感器测量的方式接入电气综合监控系统中;当电机或电缆不耐受出现短路故障时,短路保护仍能可靠动作,切除故障。

表1 负荷过载分类

同样,为末端切换控制箱配电的放射式断路器保护回路首端也应按上述要求处理;对应于表1序号2的情况,多个电机类消防设备采用同一断路器配电时,考虑到电动机堵转电流可能达到电动机额定电流的5～12倍,远超热磁断路器热保护电流,且堵转电流在电机烧毁前将持续产生,因此电机类多个消防设备的总配电回路断路器宜仍采用与单设备同样的策略;对应于表1序号3的情况,由于消防电梯控制箱已有过载保护装置,为保障配电系统对消防电梯控制箱的持续供电,可采用上述单设备同样的策略;对应于表1序号4、序号5,由于直流切换交流过程中,设备瞬时峰值电流过大,而UPS在1 min能承受的最大电流为额定电流的120%～150%,超过其配出回路热磁断路器的脱扣曲线范围,故造成断路器跳闸,这时就要根据UPS参数重新考虑断路器脱扣器设置;对应于表1序号6,UPS内部移相变压器起动时,过电流持续时间0.2～0.4 s,远远长于断路器短路保护时间,这时也需要重新考虑断路器脱扣器的设置。

GB 50054—2011《低压配电设计规范》第6.3.6条虽然给出了技术要求,却没有明确具体的技术措施。电气设计人员必须将技术要求转化为可供实施的技术措施和设计内容,才能指导施工人员正确完成实际工程建设,确保工程质量,满足实际需求。针对该技术要求以及需求条件和解决方案分析,初步可以考虑两种方案:方案一,改变断路器的过电流脱扣单元,将此单元的长延时过载保护脱扣功能取消,利用其他辅助器件达到报警功能,或者将长延时过载保护的脱扣功能更改为报警功能;方案二,调整断路器选型,确保脱扣曲线的长延时过载保护段可以避免设备的持续过电流。民用建筑主要重要负荷配电解决方案如表2所示。

表2 民用建筑主要重要负荷配电解决方案

3 工程实践

对于方案一:首先需要选用合适的断路器,根据GB/T 14048.2—2020《低压开关设备和控制设备第2部分:断路器的标准要求》[7],取消长延时过载脱扣功能的断路器其本质属于不符合该规范正文规定的过电流保护要求的断路器,简称CBI。这类断路器虽然不能提供电路保护,但可在短路条件下脱扣,以用作自身保护,同时避免故障范围扩大,其可以限制短路电流额定值,并可用于隔离。该类断路器按规范附录L的要求试验。进一步来说,符合方案一,仅取消过载脱扣器的断路器称为 CBI-X。对于CBI-X,其额定限制短路电流Icc需要等于原体断路器的ICU。

消防电机类设备配电控制系统图如图2所示。

图2 消防电机类设备配电控制系统图

以某工程一台22 kW的排烟风机配电控制为例,样本选用诺雅克的产品参数,根据参数MCCB必须为Ex9M3系列,不能采用常规风机配电控制使用的Ex9M1系列,样本上也明确说明Ex9M1系列和Ex9M2系列产品无电磁脱扣。之所以采用较高壳架等级的断路器是因为断路器的最高使用温升与最高额定电流关联,Ex9M3系列壳架等级的最高额定电流可达500 A,远高于Ex9M1系列壳架等级的最高额定电流160 A,可以满足GB/T 14048.2—2020规定的CBI-X指标。原本在回路上选用的接触器和热继电器满足二类配合要求,接触器选用Ex9C50,热继电器选用Ex9R10050A,控制原理采用16D303-2第14页XKY(J)F-1形式,热继电器只报警不跳闸。对于该回路放射式供电的上级回路断路器可采用同一规格MCCB。

同样对于总配电回路的断路器,应根据计算电流采用Ex9M3、Ex9M4、Ex9M5系列的MCCB,最高额定电流800 A除采用电磁脱扣单元外,也可采用电子脱扣器SU20LM。

对于方案二:要考虑断路器的脱扣特性,断路器脱扣特性分类如表3所示。

表3 断路器脱扣特性分类

设计中可以基于原断路器特性,做出相应调整,如对于塑壳断路器可以增设配置定时限短延时断路器,Isd一般设置为6～8倍。如使用的是小型断路器可以更换为塑壳断路器,调整短路短延时脱扣电流,躲过励磁涌流;另外对于小容量UPS供电设备,其使用的大多是符合GB/T 10963.1—2020《电气附件家用及类似场所用过电流保护断路器第1部分用于交流的断路器》[8]所规定的设备,此时可以将小型断路器调整为额定电流更高等级的小型断路器,将设备过电流限制在脱扣曲线范围内。UPS设备的这两种情况由于过电流持续时间短,不可能对线路产生损害,因此无需设置过负荷报警装置。

以整定电流为100 A的UPS设备为例,原拟采用100 A热磁断路器Ex9M1TM100,由于热磁脱扣的反时限曲线不能躲避正常的启动电流,故采用电子脱扣器SU20S,设置定时限过电流保护,躲过励磁电流。对于小型UPS设备,如该设备计算电流12 A,采用Ex9BNC16/3P,但由于不能躲过正常启动电流,故调整为Ex9BND16/3P,如仍无法通过励磁电流,则需要调整为Ex9BND20/3P,根据规范“过负荷不跳闸”的原则,相应导线截面可无需调整。