浅谈铁矿配电变压器低压侧主断路器的选择

孙召影

（五矿矿业（安徽）工程设计有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

日前，安徽省某铁矿车间发生一起电气故障，矿方反应，近日生产过程中该车间突然出现全部用电设备停电的情况，影响了铁矿的正常生产。经过现场调研得知，该车间所有电源均取自车间内部容量为500 kVA的变压器，由于小动物啃噬、线路绝缘老化等综合原因，一台132 kW交流异步电动机的配电线路发生了单相接地故障，造成该线路首端低压断路器和变压器低压侧主断路器都瞬时跳闸，从而导致了全车间的停电。

根据分析，电缆绝缘破坏是该线路故障的主要原因，而全车间停电的主要原因初步判断为变压器低压侧主断路器整定值不合理，导致下级线路故障时，本应该只有下级断路器动作来切除故障，而由于主断路器整定值没有做到级间配合，保护失去选择性，造成越级跳闸，扩大了事故停电面积。通过本次电气故障调查工作可知，配电变压器低压侧主断路器的选择和整定，直接影响整个低压系统乃至整个车间供电的安全和可靠。下面就对配电变压器低压侧主断路器的选择进行简单介绍。

1 主断路器类型的选择

低压断路器作为保护电器广泛应用于铁矿低压配电系统中，其分类方式有很多种：按设计形式分为框架式（ACB）和塑料外壳式（MCCB）两类。按使用类别分为A类（非选择型）和B类（选择型），选择型断路器具有过载长延时、短路短延时和短路瞬时保护的功能，非选择型断路器具有过载长延时、短路瞬时保护功能。

变压器低压侧主断路器作为低压电源总进线断路器，通常采用配电型断路器。由于铁矿低压用电设备多为二级负荷，低压配电系统一般采用放射式供电，且配电级数不宜多于三级。低压馈出线回路常选用非选择型、塑壳断路器，为保证供电可靠性以及便于管理，变压器低压侧主断路器多选用选择型、框架式断路器。

2 主断路器过流脱扣器的整定

断路器的整定主要是指各过流脱扣器的电流值和脱扣时间的整定。确定断路器的类型后，需要对其进行参数整定，确保断路器功能符合相应要求，起到保护作用。

1）长延时过电流脱扣器主要用于过负荷保护，其整定电流值Iset1通常可取长延时可靠系数乘以变压器低压侧额定电流，且不大于连接导体所允许的持续载流量。在铁矿配电设计中，为了使变压器的容量得到充分利用而又不影响变压器的寿命，变压器低压侧主断路器的长延时过电流脱扣器整定电流宜等于或接近变压器低压侧额定电流。

2）短延时过电流脱扣器主要用于保证保护的选择性，包括电流值的整定和延时时间的整定。电流值Iset2的整定分为以下三种情况：一是取短延时可靠系数、过电流倍数与变压器低压侧额定电流三者的乘积，一般可取Iset1的4～8倍。二是需满足选择性（级间配合），即Iset2不小于下级断路器瞬动整定值最大者的1.3倍。三是需满足保护装置动作的灵敏性，即Iset2的1.3倍不应大于被保护线路末端的短路电流。铁矿配电设计中，短延时过电流脱扣器的整定时间tset2通常有0.1 s、0.2 s、0.3 s、0.4 s、0.6 s和0.8 s等几种，上下级时间级差不小于0.1～0.2 s。根据下级保护电器类型的不同，变压器低压侧主断路器的短延时时间也不同。当下级均为非选择型断路器时，延时时间可取0.2～0.4 s。

3）瞬时过电流脱扣器的整定值Iset3应保证能可靠切断保护线路末端的短路电流，且保证选择性Iset3应大于下一级保护电器所保护线路的最大短路电流。为避免故障电流很大时上下级均瞬时动作，Iset3在满足灵敏性的前提下，一般尽量整定得大些。在实际配电设计中，由于低压进线主断路器设有短延时过电流保护，且主断路器与各馈出线断路器均装在配电柜内，距离通常很短，在此范围内发生故障的可能性很小，故可不设置瞬时过电流保护，以免馈出线故障时主断路器无选择性动作，扩大事故范围。

断路器的额定电流（壳架电流）不应小于反时限过电流脱扣器的整定电流。

3 断路器的短路分断能力

低压断路器的短路分段能力用额定运行短路分断能力Ics和额定极限短路分断能力Icu来表示。额定极限短路分断能力Icu指的是断路器在分断了其出线端最大三相短路电流后还可再正常运行,并可再分断一次这一短路电流，至于以后是否能正常接通及分断，断路器不能保证。额定运行短路分断能力Ics指的是断路器在其出线端最大三相短路电流发生时可多次正常分断。通常Ics是Icu的一个百分数。在矿山生产过程中，用户不希望主断路器发生一次跳闸后就要更换一次主断路器，因此，设计时一般要求额定运行短路分断能力Ics不小于断路器出线最大三相短路电流有效值。

在铁矿配电设计中，对配电变压器低压侧主断路器的选择思路为：主断路器选择框架式断路器；长延时Iset1取等于或接近变压器低压侧额定电流；短延时Iset2可取Iset1的4～8倍且不小于下级瞬动整定值的1.3倍，tset2为下级短路保护时间加0.1～0.2 s；不设置瞬时过电流保护；额定运行短路分段能力不小于被保护线路最大三相短路电流有效值。

4 工程设计实例

回到本文开篇提到的故障问题，根据现场收集的资料，车间变压器容量为500 kVA，负载率为85%，变压器高压侧短路容量为75 MVA，故障的132 kW电机为车间最大负荷，其配电电缆型号为YJV-0.6/1 kV-13×185+1×95，故障点距配电点约50 m。故障前，变压器低压侧主断路器整定值：Iset1.A=720 A，Iset2.A=2880 A，Iset3.A=5760 A。故障回路断路器整定值Iset1.B=315 A，Iset3.B=3780 A。低压网络系统简图如图1所示。

图1 低压网络系统简图

母线阻抗很小，忽略不计，其余各部分相保阻抗查《工业与民用配电设计手册》（第四版）[1]表4-21、表4-23和表4-25，如表1所示。

表1 各部分相保阻抗值

故障点单相接地故障电流：

由于Id1（6650A）＞Iset3.B（3780A），导致故障回路本级断路器跳闸，Id1（6650 A）＞主断路器Iset3.A（5760 A），导致了主断路器也同时瞬动跳闸，造成全车间停电，验证了本文开篇对主断路器整定值不合理的初步判断。因此，在更换故障线路电缆后，需对变压器低压侧主断路器的整定值进行重新设计[2-3]。

2）短延时过电流脱扣器整定电流Iset2.A需满足以下条件：

级间配合：

为了确保保护装置动作的灵敏性，主断路器保护线路末端的单相接地故障电流为：

由于下级保护电器均为非选择型断路器，故对主断路器的短延时整定时间没有特别要求，可取0.2 s。

短延时整定电流取Iset2.A=7×720 A，整定时间tset2.A取0.2 s。

3）由于主断路器有短延时过电流保护，为避免馈出线故障时主断路器无选择性动作，不设置瞬时过电流保护。

4）校验短路分段能力：

主断路器出线端三相短路电流：

最大短路电流有效值Ip=1.51×15.42=23.44 kA。

经样本查得，Ics=55 kA＞Ip，满足要求。

因此，变压器低压侧主断路器整定值调整为：Iset1.A=720 A，Iset2.A=5040 A，tset2.A=0.2 s。

5 结语

断路器作为低压进线的常用保护电器，它的选择和整定关系着变压器所带低压用电设备的供电安全。简单介绍了其类型选择、参数整定及分段能力校验，希望能使读者对变压器低压侧主断路器有更多认识，能给矿山电力设计人员提供一定的参考和帮助。