供配電設計中低壓斷路器的選型探討

冉敏敏

摘要：在眾多開關電器中，低壓斷路器越來越多的應用在供配電系統中，它不僅可以接通和斷開正常的工作電流和過載電流，還可以在故障情況下能快速地分斷短路電流，實現對線路和電氣設備的有效保護，保證了電力系統的安全穩定運行。在供配電設計中，合理選擇低壓斷路器，是確保電力系統安全穩定運行置關重要的一環。本文將對如何合理選擇低壓斷路器展開論述，對供配電設計初學人員提供參考。

關鍵詞：低壓斷路器;供配電系統;合理選擇

引言

隨著科學技術的不斷發展，我國低壓斷路器經歷了四代的發展演變過程，從最開始的體型龐大的刀開關逐漸發展為現在的結構緊湊、功能強大的模塊化、智能化和小型化的低壓斷路器，結構和性能日趨完善和優良，廣泛地應用于農業、工業和建筑業等各個領域，其可靠性和安全性的高低直接影響是否能保障電力系統和電氣設備的正常運行。如果沒有選擇合適的低壓斷路器，當配電線路發生短路故障時，低壓斷路器因沒有及時斷開故障電流，輕則引起線路和電氣設備燒毀等情況，重則引發電氣火災，造成人員傷亡事故，不僅給用戶帶來重大的經濟損失，還會對使用者的人身安全帶來一定的威脅。因此，在供配電設計中，如何科學合理地選擇低壓斷路器的類型及參數，是每個設計人員必備的一項技能。本文將分別詳細介紹在配電線路中和電動機回路中低壓斷路器的選擇方法。

低壓斷路器的種類

低壓斷路器的種類較多，大致分類如下：按滅弧介質來分，有真空式和空氣式;按保護特性來分，有非選擇型和選擇型;按外觀結構來分，有塑料外殼式和開啟式;按動作速度來分，有一般型和快速型;按使用場合來分，有配電型和電動機保護型。

配電線路中低壓斷路器的選擇

1.低壓斷路器的類型選擇

應用在配電線路中的低壓斷路器有非選擇型和選擇型兩種類型，它們的區別是：兩者均具有短路瞬時保護和過載長延時保護，唯一不同的是后者還具有短路短延時的保護特性。具體選擇哪種類型的低壓斷路器還應根據配電系統的配電方式來選擇。低壓配電系統的配電方式有樹干式、放射式、鏈式、混合式等幾種。對于樹干式或混合式的配電線路，線路的干線很長，線路中的保護電器較多，當發生線路故障時，為了盡可能地使停電范圍縮小，這就使得離配電線路首端越近的保護電器，就越要求其具有選擇性，故常常選擇選擇型低壓斷路器。對于直接連接在配電線路最末端的電器設備，當發生短路時，必須快速地將故障電流切除，故通常選用非選擇型低壓斷路器來實現對電器設備的保護。

2.低壓斷路器參數選擇

在選擇低壓斷路器的參數時，首先要考慮的是所選用的斷路器的額定電壓應該和所在線路的標稱電壓相同，斷路器的額定頻率也要和系統的標稱頻率相符。其次線路的計算電流要小于所選斷路器的額定電流。需要注意的是，這里說的額定電流，是指斷路器的脫扣器可長期允許流過的最大電流。低壓斷路器的參數中還有一個殼架電流，是指相同的殼體能裝下的脫扣器的最大額定電流，這兩者要區分開來。以上基本參數選定后，我們還要校驗低壓斷路器短路接通能力、短路分斷能力以及動作的靈敏性，絕大多數設計者都忽略了這一步。按短路時線路上出現的沖擊電流來校驗低壓斷路器的額定短路接通能力，要求斷路器能短時耐受的最大預期峰值電流大于短路全電流的最大瞬時值。斷路器的分斷能力則是按線路的最大短路電流的有效值來進行校驗的，要求線路中可能出現的最大短路電流應小于斷路器的額定短路分斷能力。按線路的最小短路電流來校驗低壓斷路器動作的靈敏性，要求線路的最小短路電流不應小于斷路器短路整定短路電流的1.3倍。

3.低壓斷路器參數整定

圖1為低壓斷路器三段式保護特性圖，圖中Iset1為過載長延時保護電流整定值，Iset2為短路短延時保護電流整定值，Iset3為短路瞬時保護電流整定值。以上各個參數的整定應按以下原則進行設置：

（1）過載長延時保護電流整定值Iset1的設置。從圖1中可知，正常運行時，斷路器過載長延時保護不應動作，故Iset1應大于或等于線路所帶負荷的計算電流Ij，且小于或等于連接導體的載流量Iz，即Ij≤Iset1≤Iz。

（2）短路短延時保護電流整定值Iset2的設置。當線路中最大一臺電動機啟動時，在此臺電動機啟動時間內，線路上會出現很大的尖峰電流，此尖峰電流包括這臺電動機的啟動電流IstM1和線路上其他的負荷電流IC。為保證線路的正常運行，斷路器應該在電動機啟動時間內應躲過此尖峰電流而不動作，故Iset2≥K2[IstM1+IC]，K2為斷路器短延時脫扣器的可靠系數，取1.2。

（3）短路瞬時保護電流整定值Iset3的設置。電動機在啟動過程中，啟動電流的周期分量是不變的，而非周期分量是隨時間慢慢衰減的，因此在電動機剛啟動的瞬間，是要考慮電流的非周期分量的，即應按啟動全電流考慮。當線路中最大一臺電動機啟動的瞬間會出現很大的尖峰電流，此尖峰電流包括這臺電動機啟動時的全電流I’stM1和線路上其他的負荷電流IC。此時為了保證線路的正常運行，在這臺電動機啟動的瞬間，斷路器的瞬時保護不應該動作，即Iset3≥K3[I’stM1+IC]，K3為斷路器瞬時脫扣器的可靠系數，取1.2。

在平時的設計中，經驗豐富的設計者們往往直接根據斷路器的額定電流Ie來進行各參數設置，如：過載長延時保護整定值Iset1按（0.9～1.1）*Ie設置，其保護動作時間按15s設置;短路短延時保護整定值Iset2按（3～5）*Ie設置，其保護動作時間可按0.1s、0.2s或 0.4s來設置;短路瞬時保護整定值Iset3按（10～15）*Ie設置。

4.低壓斷路器的級間配合

當低壓配電線路中的某一點發生接地、短路等故障時，要求選擇性地將故障電流可靠切除，盡可能地將停電范圍縮小，這就需要線路中的各級保護電器之間能夠相互協調配合。

非選擇型和非選擇型之間的級間配合

圖2中，A為上級斷路器，B為下級斷路器，兩者均為非選擇型。其中Iset1.A、Iset3.A分別表示為A斷路器的過載長延時保護和短路瞬時保護的整定值;Iset1.B、Iset3.B分別表示為B斷路器的過載長延時保護和短路瞬時保護的整定值。當短路故障發生在B斷路器后的任意一點時，流過故障點的短路電流為Id。當Id<1000A時，此時Iset3.A、Iset3.B均大于Id，故A、B斷路器的瞬時保護均不動作，不能將故障電流切除，即不滿足保護靈敏性的要求。當1000A2000A時，此時Id>Iset3.A（Iset3.B），故A、B斷路器的瞬時保護均動作，此時將停電范圍擴大了，即不滿足選擇性要求。綜上所述，上下級均為非選擇型斷路器的這種配合方式只有局部選擇性動作，故在設計中不推薦采用。

選擇型和非選擇型的級間配合

圖3中，A為上級斷路器，為選擇型;B為下級斷路器，為非選擇型。其中Iset1.A、Iset2.A、Iset3.A分別表示A斷路器的過載長延時保護、短路短延時保護和短路瞬時保護的整定值;Iset1.B、Iset3.B分別表示B斷路器的過載長延時保護和短路瞬時保護的整定值。當短路故障發生在B斷路器后的任意一點時，流過故障點的短路電流為Id。當Id>3000A時，B斷路器瞬時動作，而A斷路器的Iset3.A=15000遠大于3000A，故斷路器A不會發生瞬時動作;而又因A斷路器的Iset2.A=3900A>3000A，當下級斷路器B故障瞬時未動作時，此時上級斷路器A的短延時動作，進一步將故障范圍縮小在一定范圍。綜上所述，此種配電方式符合配電系統保護的要求，但前提條件是各參數必須設置正確。

低壓斷路器級間動作電流和動作時間的配合

當配電線路發生故障時，為保證線路上的低壓斷路器不發生誤動作，要求上下級低壓斷路器的動作電流之比不應小于1.1，當裝設在不同電壓等級上的低壓斷路器的級間配合，應將配合電流歸算到同一電壓等級。此外，上下級低壓斷路器保護動作時間也應有一定的時間差。通常情況下，上下級低壓斷路器的短路短延時保護之間的動作時間差設置為0.5s，長延時保護之間、短路短延時與長延時保護之間的動作時間差設置為0.5～0.7s。

四、電動機回路中低壓斷路器的選擇

1.低壓斷路器的類型選擇

用在低壓電動機配電回路中的斷路器，應采用電動機保護型，其所帶保護附件的類型應根據斷路器在配電回路中的用途來選擇。當除了起短路保護外，還兼作電動機的過載保護時，應選擇帶有長延時保護和瞬時保護的斷路器;當只起短路保護的作用時，則可選擇只帶瞬時保護的斷路器，也可將長延時保護當作過電流后備保護;當兼作低電壓保護時，還應選擇帶有低電壓保護的斷路器。

2.低壓斷路的參數選擇

所選取的電動機保護型低壓斷路器的額定電壓、額定頻率應與電動機的額定電壓、額定頻率一致，且斷路器的額定電流應大于或等于長延時脫扣器的額定電流。

3.低壓斷路器脫扣器保護電流整定

（1）低壓斷路器長延時保護整定值Iset1按如下原則選?。?/p>

當長延時保護起電動機的過電流保護作用時，應根據電動機的額定電流來設置Iset1，要求Iset1≥，且電動機的啟動時間應小于7.2 *Iset1電流下斷路器的動作時間。

當長延時保護起電動機的過電流后備保護作用時，首先要滿足將2.2倍的電動機啟動電流作為斷路器瞬時動作電流的條件，再根據此條件來設置Iset1。如籠型電動機直接啟動時應符合下式：，為斷路器瞬時動作的電流倍數。

（2）低壓斷路器的短延時保護整定值宜按躲過起動電流周期分量最大有效值選取，且延時不宜小于0.1s。

（3）低壓斷路器的瞬時保護整定值Iset3按2～2.5倍的電動機啟動電流Ist來選取。

四、低壓斷路器的極數選擇

低壓斷路器在三相配電系統中通常起保護、電氣隔離、防電擊和控制的作用，極數有三極和四級兩種，其主要的區別在于低壓四極斷路器可以斷開中性線，實現電源和電器裝置的徹底隔離，從而保證電器檢修的安全。電動機回路中的低壓斷路器選用三極。配電線路中的低壓斷路器的極數選擇，在設計中，通常根據電力系統的接地型式和使用條件來選用不用極數的低壓斷路器。

配電系統的接地型式分為TN-S、TN-C、TN-C-S、TT、IT系統。在TN-S及TN-C-S的單電源系統中，由于中性線與PE線有一點連接，且系統又有總等電位聯結，當在檢修中發生單相接地時，如果工作人員不小心觸摸到中性線時，由于PE線與中性線電位相同，因而不會發生危險，故低壓斷路器可選擇三極，沒有必要選擇四極。在TN-C系統中，由于中性線與PE線共用一根PEN線，而PE線是不能斷開的，故在TN-C系統中嚴禁選用四極低壓斷路器。而在TT系統中，由于中性線沒有與PE線和總等電位聯結接通，當檢修時，有可能因中性線出現電位而造成電擊事故，故TT系統的電源進線斷路器應選用四極低壓斷路器。在不引出中性線的IT系統中，應選用三極低壓斷路器。在引出中性線的IT系統中，中性線上會出現浮動的電位，當因故障相線被斷開的同時，必須斷開中性線，故此系統中必須選用四極低壓斷路器。當用在兩種不同接地系統間轉換的低壓斷路器，必須采用四極低壓斷路器。值得注意的是，當選用四極低壓斷路器時，斷路器的第四極應該先接通，后斷開。此外，為了避免低壓斷路器合閘后，第四極沒有接通而引發電擊事故，低壓斷路器應該定期維修。

五、結束語

在供配電設計中，我們應該全面理解低壓配電保護的各項要求，重視低壓斷路器在電力系統中對保護線路、電器設備和人身安全所起的重要作用，合理選擇低壓斷路器的類型，正確設置各整定參數，切實保障低壓配電系統運行的經濟性、安全性和可靠性。

參考文獻：

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