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低压断路器及其应用

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        低压断路器就是指:能接通、承载以及分断正常电路条件下的电流,也能在所规定的非正常电路(例如过载、短路,特别是短路)下接通、承载一定时间和分断电流的一种机械开关电器。

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www.plcworld.cn 低压断路器及其应用 ——连理枝 编制 1. 概论 ..........................................................................................................................................2 1.1. 概述 ..........................................................................................................................2 1.2. 低压断路器的发展史...............................................................................................2 1.3. 不同类型断路器的保护特性和它们执行的标准...................................................4 1.4. 断路器的发展趋势...................................................................................................5 2. 低压断路器的原理与构造.......................................................................................................6 2.1. 概述 ..........................................................................................................................6 2.2. 低压断路器的主要技术性能、参数和有关试验...................................................9 2.3. 断路器的电气间隙、爬电距离与飞弧距离.........................................................14 3. 断路器的应用 ........................................................................................................................19 3.1. 断路器用作配电系统的保护.................................................................................19 3.2. 断路器用作电动机的保护.....................................................................................21 3.3. 断路器用作发电机的保护.....................................................................................24 3.4. 断路器用于家用及类似用途场所的保护.............................................................24 3.5. 剩余电流动作断路器用于漏电(触电)的保护.................................................26 3.6. 四极断路器的结构型式和应用场所.....................................................................31 3.7. 断路器的机械、电气联锁与自锁.........................................................................32 3.8. 断路器用于双电源切换装置.................................................................................37 3.9. 配电系统的后备保护.............................................................................................40 3.10. 配电系统的选择性保护.........................................................................................44 4. 低压断路器的选用 ................................................................................................................46 4.1. 低压电网产生故障的原因与分析.........................................................................46 4.2. 断路器的额定电流的选择.....................................................................................52 4.3. 断路器附件的功能和选择.....................................................................................53 5. 低压断路器的使用与维护.....................................................................................................54 5.1. 断路器在不同的场所、条件下的使用.................................................................54 5.2. 断路器的安装与连线.............................................................................................57 5.3. 断路器使用中的降容问题.....................................................................................60 5.4. 断路器的维护与保养.............................................................................................60 免责声明: 本书仅为私下交流学习之用,任何涉及商业盈利目的均不得使用,需要的朋友请到书店 购买,支持作者的劳动成果!版权归属原作者、原出处所有,否则产生的一切后果将由您自 己承担。 第 1 页 共 65 页 www.plcworld.cn 1. 概论 1.1. 概述 在现代社会,工业、农业、交通运输、国防、文教卫生、金融、商业、旅游服务和人民 生活等领域都离不开电能。电力产生后,其输送、使用中,配电是一个极其重要的环节。配 电系统所用电气器具包括变压器和各种高低压电气设备,而低压断路器则是一种使用中量大 面广的电气产品。 所谓低压是指交流 50Hz(或 60Hz),额定电压≤1200V;直流额定电压≤1500V。 低压电器就是使用在上述电网电压的电气产品。低压电器按其与使用系统之间的关系, 可分为配电电器和控制电器两大类。配电电器包括:低压断路器、熔断器、刀开关、转换开 关。控制电器包括:接触器、继电器、起动器、主令电器。 什么是低压断路器,低压断路器就是指:能接通、承载以及分断正常电路条件下的电流, 也能在所规定的非正常电路(例如过载、短路,特别是短路)下接通、承载一定时间和分断 电流的一种机械开关电器。 1) 低压断路器从它的结构、用途和具备功能分 万能式断路器 ACB,塑壳式断路器 MCCB,小型断路器 MCB。 万能式和塑壳式断路器,它们的相同作用是: n 在正常情况下,作不频繁合、分电路或起动、停止电动机。 n 当线路或电动机等发生过载、短路或欠电压等故障时,能自动切断电路,予以保护。 2) 根据保护的对象不同,断路器又分为四类: n 配电保护型……保护电源和电气线路(电线、电缆和变压器); n 电动机保护型……专作电动机的不频繁起动、运行中分断,以及在电动机发生过载、短 路、欠电压时的保护,一般它所保护电动机的功率多数在 200kW 及以下。 n 家用及类似用途保护型:电路末端的照明、家用电器的保护。 n 剩余电流保护型:有不带过电流保护和带过电流保护。 1.2. 低压断路器的发展史 1885 年……诞生世界上最早的断路器,是一种刀开关和过电流脱扣器的组合。 1905 年……诞生具有自由脱扣装置的空气断路器。 1930 年……随着科学、技术的进步,电弧原理的发现和灭弧装置的发明。 1950 年……电子元件兴起,诞生电子脱扣器,到今天已有智能型断路器的问世。 1949 年以前,我国几乎没有断路器的制造业。新中国成立后,电器工业有了很大的发 展和进步。低压断路器经历了四代的发展过程: 1) 万能式断路器 ACB n 第一代……1950 年左右,仿苏联的 A15、A2050 的 DW1、DW2 和改进后的 DW0 n 第二代……1958 年左右,自行设计的在 DW0 基础上更新的 DW10 系列 n 第三代……1970 年左右,80 年投放市场的 DW15 n 第四代……90 年代中,DW45 型智能型万能式断路器 第 2 页 共 65 页 www.plcworld.cn DW15 DW45 2) 塑料外壳式断路器 MCCB n 第一代……1969 年左右, DZ10 系列 n 第二代……1980 年,开发了 DZ20 系列 n 第三代……90 年初,常熟开关厂推出的 CM1,天津低压电器公司的 TM30,上海电器科 学研究所的 S 系列 n 第四代……常熟开关厂推出的 CM3 DZ20 CM3 3) 家用或类似场所用过电流保护断路器 MCB n 第一代……最初访苏的 DZ4 n 第二代……60 年代中期,DZ5 n 第三代……70 年代,开发了 DZ15.DZ12.S060 n 第四代……80 年代后期,天津梅兰日兰的 C45N 问世,分断能力达到 4kA(40A 及以 下)和 6kA(50A 及以上) 第 3 页 共 65 页 www.plcworld.cn 4) 剩余电流动作断路器(漏电保护器) n 第一代……60 年代后期,首台电流动作型漏电断路器 DZ5-20L n 第二代……70 年代中后期,全国联合设计的 DZ15L,漏电电流有 30mA、50mA、75mA。 n 第三代……80 年代,开发了 DZL16、DZL18。 n 第四代……90 年代初,天津梅兰日兰的 VigiC45ELE 1.3. 不同类型断路器的保护特性和它们执行的标准 断路器适合标准情况: 1) 配电保护型断路器执行……GB14048.2《低压开关设备和控制设备 低压断路器》/等效 采用 IEC60947-2 2) 电动机保护型断路器执行……GB14048.2 和 GB14048.4 《低压机电式接触器和电动机 启动器》/等效采用 IEC60947-4 3) 家用和类似场所保护型断路器执行……GB10963《家用及类似场所用过电流保护断路 器》/等效采用 IEC898 4) 剩余电流保护型断路器执行……GB6829《剩余电流动作保护器的一般要求》、GB16916 《不带过电流保护的剩余电流动作断路器 RCCB》/等效采用 IEC1008、GB16917《带过 电流保护的剩余电流动作断路器 RCBO》/等效采用 IEC1009 和 IEC755 等标准和文件。 第 4 页 共 65 页 www.plcworld.cn 1.4. 断路器的发展趋势 进入行的世纪时,我国低压电器,将按照“小型化、高分断、低噪声、工作可靠、逐步 实现智能化”的要求发展,不断创造出符合时代需要的新产品。 1) 万能式低压断路器 全国联合设计的 DW45 系列智能型万能式断路器已完成全系列壳架电流的研发工作, 它的壳架电流已有 2000,3200,4000,5000,6300A。可以满足容量从 1250,1600,2000, 2500,3150kVA 单台变压器做主保护开关(6300A 规格的短路分断能力达 AC400V,120kA)。 在短路分断能力及额定电流方面,近五年内能适应电网的要求。因此,它今后发展主要是智 能化通信功能。实现更全面的小、中、大区域现场总线的遥控、遥测、遥信、遥调。 2) 塑料外壳式断路器 n 向小型化、高分断、多功能、附件模块化发展 n 提高塑壳外壳式断路器的工作可靠性 n 智能化(三段保护) 3) 家用或类似场所用过电流保护断路器 n 主要发展二极和四极 n 尺寸模数化、零部件通用化、安装导轨化 n 短路分断能力从 4kA、6kA 提高到 10~15kA n 功能方面有分励、欠压、过电压、断相、防窃电、声光报警等 4) 剩余电流动作断路器 n 额定电流 100~800A n 漏电动作方面,除快速动作外,还要有延时型(可调),同时具备漏电预报警(当漏电 电流达 50%IΔn n 为适应不能断电的系统(如消防),应设计开发只报警不脱扣的漏电断路器 第 5 页 共 65 页 www.plcworld.cn 2. 低压断路器的原理与构造 2.1. 概述 2.1.1. 断路器的结构 无论是万能式、塑壳式或是小型断路器,断路器的本体的结构基本相同,所不同的是尺 寸大小和零部件的形状。 1) 塑壳式断路器的结构,由七个部分组成 n 过载脱扣器 热动式:由发热元件与双金属元件组成。当有一定的过载电流流过发热元件,它发热, 热量传递给双金属元件,使之受热膨胀、弯曲、推开锁扣,使四连杆的操动机构动作带动断 路器跳闸(以上是旁热式,如果无发热元件,双金属元件直接通电发热为直热式,双金属元 件和发热元件串联通电发热为复合式) 电磁式(又称液压式,俗称油杯式):由铁心、衔铁、线圈、磁轭等组成,铁心置于油 管内,铁心上有复位弹簧,油管内注硅油。油管外绕上线圈,衔铁上勾住一个反作用力的弹 簧。当发生过载时,铁心受电磁螺管力的作用,缓慢上升,经一定的延时后,铁心升到一定 的位置,在克服了衔铁上的反力弹簧力后,衔铁被完全吸下,衔铁脚推动的牵引杆,是断路 器跳闸。复位弹簧和硅油起阻尼作用,即起延时作用,这种过载保护的时间——电流呈反时 限特性,即电流越大,螺管力越大,铁心上移的速度越快,动作时间越短。 n 短路脱扣器 短路脱扣器是一个电磁铁机构。 n 灭弧装置 灭弧装置的作用是吸引开断大电流时产生的电弧,使长弧被分割成短弧,通过灭弧栅片 的冷却,使弧柱极大降温,去游离效果增大,电弧电压上升,最终熄灭电弧。 n 触头 用来分合电路,遇线路或设备发生过载或短路时,触头被自动打开,动、静触头间产生 的电弧被拉长,然后进入灭弧室,因此触头的触点要求具有导电性、耐电弧性、耐熔焊性和 耐磨性能良好的银合金材料制作。对于小型断路器,通常采用银——氧化镉、银——氧化锌, 对较大电流规格,采用银——氧化锡、银——镍、银——石墨、银——碳化钨等。 n 带自由脱扣的操作机构 用手动来操作触头的合、分,在出现过载、短路时可自由脱扣(从四连杆变成五连杆机 构),此时与手柄的操作无关。 n 外壳 用聚酰胺(尼龙)玻璃丝增强压塑或聚酯玻璃丝增强压塑而成,用来装容其他零部件(导 电件、保护元件、操动机构、灭弧装置),有绝缘和机械强度要求,保证断路器操作时,不 发生任何危险。 n 接线端子 大多数是用铜或黄铜材料制成(为了防腐蚀和提高导电率,降低温升,它们通常是镀银 或镀锡),用来作进出线的连接。 2) 万能式(框架式)断路器 万能式断路器的特点是有一个钢制框架,所有部件包括触头系统、灭弧室、自由脱扣机 构、电动转动机构、过电流脱扣器或电子脱扣器、分励脱扣器、欠电压脱扣器、辅助开关、 二次接线座等。都安装在框架内,导电部分加绝缘。这种断路器有多种变化方式,如多种操 第 6 页 共 65 页 www.plcworld.cn 动方式(手动、电动)、多种保护方式(过载、短路短延时、短路瞬动、单相接地故障、欠 电压等等)、多种接线方式和用途以及不同数量的辅助触头。其部件多数设计成可拆卸,便 于安装和制造。 抽屉式还需增加一个抽屉座。 3) 剩余电流动作断路器 一般在塑壳式断路器上增加一个剩余电流保护部件。 2.1.2. 断路器的工作原理(以热磁型、电子型脱扣器为例) 断路器用作合、分电路时,依靠扳动其手柄(或通过外部转动其手柄)或采用电动机操 动机构使动、静触头闭合或断开。 1) 热磁型动作原理: 在正常情况下,触头能够接通和分断额定电流; 当出现过载时,双金属元件产生变形、弯曲,使锁扣脱钩,碰、顶断路器的牵引杆,断 路器跳闸; 当线路短路时,则一定值的短路电流会使过电流脱扣器的动铁心被吸合,带动牵引杆使 断路器分断; 当线路出现欠电压在电压低于 70%Un(额定电压)时,其衔铁释放,触动牵引杆,使 断路器跳闸; 要远距离控制断路器跳闸,可采用分励脱扣器,分励脱扣器通电时,它的衔铁被吸合, 使牵引杆逆时针运动,断路器断开。 2) 电子型脱扣器 电子脱扣器是由半导体保护装置和执行元件(电磁式脱扣器、电磁感应式脱扣器和永久 磁铁的释放式脱扣器)组合而成。 交流半导体保护装置由信号检测、信号比较、延时电路、触发电路、电源等组成。用电 流互感器进行信号检测,信号取出后,经桥式整流电路和阻容滤波电路,变换成直流电压, 再经电阻分压,输入信号比较环节,当信号电压超过稳压管的击穿电压,它们便导通,且有 信号输出。借控制电容器的充电时间获取所需的延时时间。触发环节采用斯密特触发器以触 发晶闸管,使之导通。延时电路和触发器均由一个电源变压器供电。当触发器导通后,将使 电磁式脱扣器或电磁感应式脱扣器的衔铁吸合,使牵引杆运动,断路器跳闸。 2.1.3. 断路器的分类 分类方式 分类 按使用类别分 按选择性保护分 按安装方式分 断路器的分类 A 类:没有短时耐受电流; B 类:有短时耐受电流。 非选择性保护:下方位负载侧发生短路,下级的断路器瞬动,而 此故障短路电流也要流向上方位,如果上方位断路器没有短路短 延时,则在下方位发生故障的一瞬间,上方位断路器也会一起跳 闸。 选择性保护:上方位断路器有短路短延时,当下方位的断路器跳 闸(通常在 0.02~0.03s 之内),上方位断路器有 0.1s(为 0.02s 的 5 倍)延时,则可确保上方位断路器不动。 固定式 抽屉式 第 7 页 共 65 页 www.plcworld.cn 按用途分 按接线方式分 按极数分 按操作方式分 按脱扣器型式分 配电保护 电动机保护 家用和类似用途 剩余电流保护 板前接线 板后接线 插入式接线 抽出式接线 导轨式接线 单极 二极 三极 四极 手动 电动 仅有瞬时动作脱扣器(电磁脱扣器) 热动+电磁脱扣器(复式) 全电磁型脱扣器(液压式) 电子脱扣器(信号采取+对比电流+晶闸管+斯密特触发器) 智能脱扣器(有 CPU,可实现“四遥”) 2.1.4. 断路器的正常使用条件和安装条件 断路器的正常使用条件和安装条件如下: 使用的环境 1. 周围空气温度不超过+40℃,周围空气温度下限为-5℃,且其 24 h 内的 平均温度值不超过+35℃; 2. 安装地点的海拔不超过 2 000 m; 正 3. 在空气温度为+40℃时,空气的相对湿度不超过 50%,在较低的温度下 常 使 可以允许有较高的相对湿度,例如 20℃时达 90%。对由于温度变化偶尔 用 产生的凝露应采取特殊的措施; 条 件 和 4. 无明显的颠簸、冲击和振动的地方; 5. 无介质爆炸危险,且介质中无足以腐蚀金属和破坏绝缘的气体或导电尘 安 埃的地方; 装 条 6. 无雨雪侵袭的地方; 件 7. 污染等级:工业用 3 级,家用及类似场所用 2 级; 8. 安装条件:基本安装方式为垂直安装,其他安装方式见样本或使用说明 书。 超过以上使用条件的,有用户和制造厂协商解决。 第 8 页 共 65 页 www.plcworld.cn 2.2. 低压断路器的主要技术性能、参数和有关试验 2.2.1. 断路器的主要技术性能和参数 参数 说明 定义 额定电压 一般指相间电压,即线电压。如企业用电 380V,矿用 660V。 额定频率 50Hz 或 60Hz 额定电流 在规定的条件下,保证断路器正常工作的电流,又称脱扣器额定电流。 壳架等级额定电流 代表断路器的外形尺寸,以此断路器的最大额定电流表示。 温升 工频耐压 过载、短路保护特性 断路器通以壳架等级中最大额定电流一定时间。它的各部件温升必须 小于规定值。 根据绝缘电压等级,对断路器的进出线(断路器断开)之间、断路器 相与相之间、断路器合上,各级并联后与金属外壳之间施以规定值工 频电压(绝缘电压 Ui 大于 300V,小于 660V 时,工频电压为 2500V, 施加时间(1min)不允许闪络或击穿。 为了真正实现绝缘配合,国际电工委员会又规定了冲击耐受电压。 二段保护:过载长延时+短路瞬时 三段保护:过载长延时+短路短延时+短路瞬时 单相接地故障保护 剩余动作电流 在规定条件下,使剩余电流保护器动作的剩余电流 剩余不动作电流 在规定条件下,使剩余电流保护器不动作的剩余电流 寿命 包括电寿命(又称有载寿命)和机械寿命(又称无载寿命) 短路分断能力 又分极限短路分断能力 Icu 和运行短路分断能力 Ics 短时耐受电流 Icw 断路器的本体功耗 安装类别 污染等级 在规定的条件下,断路器能承载而不损坏的短时耐受电流值 之断路器在通以最大额定电流时,因其本身的电阻发热而产生的功率 损耗,通常以三相总功率瓦表示。 安装类别Ⅰ:信号水平级 安装类别Ⅱ:负载水平级 安装类别Ⅲ:配电水平级 安装类别Ⅳ:电源水平级 污染等级 1:无污染或仅有干燥的非导电性污染。 污染等级 2:一般情况仅有非导电性污染,但是必须考虑到偶然由于 凝露造成短暂的导电性。 污染等级 3:有导电性污染,或由于凝露使干燥的非导电性污染变为 第 9 页 共 65 页 www.plcworld.cn 防护等级 IP 导电性的。 污染等级 4:造成持久性的导电性污染,例如由于导电尘埃或雨雪所 造成的污染。 外壳能防止直径超过规定值,如 IP30 C1a) 第一位数码 防止固体异物进入 IP 要求 0 无防护 举例 直径 50 mm 的球形物 1 体不得完全进入,不 50 得触及危险部件 直径 12.5 mm 的球形 物体不得完全进入, 2 12.5 铰接试指应与危险部 件有足够的间隙 直径 2.5 mm 的试具不 3 得进入 防止人体接近 危险部件 无防护 手背 手指 工具 直径 1.0 mm 的试具不 4 得进入 金属线 允许有限的灰尘进入 5 (没有有害的沉积) 金属线 6 完全防止灰尘进入 金属线 C1b) 第二位数码 防止进水造成有害影响 IP 简述 0 无防护 举例 防水 无防护 第 10 页 共 65 页 www.plcworld.cn 防止垂直下落滴水,允 1 许少量水滴入 防止当外壳在 15°范围 2 内倾斜时垂直下落滴 水,允许少量水滴入 防止与垂直面成 60°范 3 围内淋水,允许少量水 进入 防止任何方向的溅水, 4 允许少量水进入 防止喷水,允许少量水 5 进入 防止强烈喷水,允许少 6 量水进入 防止 15 cm~l m 深的浸 7 水影响 防止在有压力下长期浸 8 水 Clc) 附加字母(可选择) IP 要求 举例 A 直径 50 mm 的球形物体 用于第一位 进入到隔板,不得触及危 50 数码为 0 险部件 垂直滴水 与垂直面成 15°滴水 少量淋水 任何方向的溅水 任何方向的喷水 任何方向的强烈喷水 短时间浸水 持续浸水 防止人体接近 危险部件 手背 第 11 页 共 65 页 www.plcworld.cn B 用于第一位 数码为 0、1 最大为 80 mm 的试指球 进入不得触及危险部件 C 用于第一位 数码为 1、2 当挡盘部分进入时,直径 为 2.5 mm,长为 10 mm 的金属线不得触及危险 部件 D 用于第一位 数码为 2、3 当挡盘部分进入时,直径 为 1.0 mm,长为 100 mm 的金属线不得触及危险 部件 手指 工具 金属线 2.2.2. 智能型断路器的智能化功能 进入 20 世纪 90 年代,智能型断路器的出现在国内外市场。其智能化功能除了三段保护 和单相接地故障保护之外,还表现在以下九个方面。 额定电流的选择 在确定一个智能控制器例如其额定电流 In 为 1000A,则额定电流的整定 范围可在 0.4~1 倍 In 中选择,最小为 400A,最大为 1000A。 LED 显示 各相运行电流、电压以及整定试验、故障和运行状态 试验功能 故障记忆功能 热记忆功能 MCR 功能 自诊断功能 负载监控功能 通信接口功能 它是断路器还未连接线路前,对断路器可靠性的试验。 在断路器跳闸后,仍可记住上次发生故障状态和类别,有助于线路检修。 智能控制器过载或短路短延时脱扣后,在脱扣器未断电前具有模拟双金 属片的热记忆功能。过载能量 30min 释放结束,短延时 15min 释放结束。 当断路器合闸后在 30min 和 15min 内再发生过载、短延时故障时,脱扣 时间会变短。 因为智能控制器刚接上电源有个启动时间,在这个时间合闸,且线路存 在故障,那么智能控制器具有低倍数短路电流分断的功能,以防止断路 器的损坏。 当断路器内部的环境温度达到 80℃,智能控制器会发出报警 当运行电流超过整定值时,延时发出指令信号,分断下方位不重要负载, 保证主系统供电。 具有串行通信接口,通过专用的设备与打印机、语言系统或 PC 机配套, 第 12 页 共 65 页 www.plcworld.cn 可把断路器编号分合状态、脱扣器各种设定值,运行电流、电压、故障 电流、动作时间及故障状态等参数传输出来,以图形、文字等方式显示 或打印出来,便于监督;或按照协议 RS485 接口,输送到计算机,可实 现遥控、遥测、遥调、遥信,简称“四遥”。 2.2.3. 断路器的有关试验 这里所说的试验是断路器的短路分断能力试验。用户对它很关心,制造厂也视为产品成 功与否的关键。 O——t——CO 极限短路分断能力 Icu 试验通过后,还应验证工频耐压(2 倍绝缘电压)和验证过载脱 扣器性能 O——t——CO——t——CO 试验通过后,还要验证工频耐压、温升、验证过载脱扣器性能、 运行短路分断能力 Ics 通以额定工作电压和额定电流,作电寿命 5%的操作次数来验证 操作性能。 注: 1. O 表示分断(Open),断路器在合闸状态,通以短路试验电流,断路器自动分断并熄灭 电弧; 2. t 表示 O 与下面的 CO 操作的间隔时间,又称为休息时间。一般不小于 3min。 3. CO 表示接通(Close)后立即分断,断路器处于分闸状态,短路试验电流已经存在,试 验时使断路器合闸(用人工或机械方法),然后立即分断。合闸是考核断路器在经受接 通电流(峰值电流)时,会不会因峰值电流产生的电动斥力和热量而遭到破坏。合闸后 立即分断,并熄灭电弧,就可以认为 CO 试验成功。 4. 试验合格的判定标准是:每个试验程序都合格,外壳不应破碎、但细裂缝是允许的。 从 Icu 和 Ics 的试验要求来看,显然运行短路分断能力 Ics 比极限短路分断能力 Icu 要严 酷的多。为此 IEC 标准规定,Ics 的值可以为 Icu 的 25%、50%、75%、100%(其中 B 型断 路器——有三段保护功能的无 25%规格)。 根据断路器的额定短路分断能力应大于或等于线路的预期最大短路电流的原则,就存在 断路器的额定短路分断能力是指极限短路分断能力还是指运行短路分断能力。笔者认为额定 短路分断能力是指极限短路分断能力 Icu,因为当线路出现最大预期短路电流时,只要 Icu 大于此线路短路电流,就可以安全的切断持故障电路。线路发生预期最大短路电流的机率很 小,而一旦出现这种电流时,断路器有 Icu 这一性能,就能确保分断,分断后他就完成了使 命,断路器必须更换新的。 通常所说的短路分断能力是指它的有效值,而接通能力是指短路电流的峰值。峰值电流 等于电流的有效值乘以它的峰值系数 Kch× 2 ,Kch 为冲击系数。 试验电流,A 功率因数 时间常数,ms 峰值系数η Kch× 2 I≤1 500 0.95 5 1 500<I≤3 000 0.9 5 3 000<I≤4 500 0.8 5 1.41 1.42 1.47 第 13 页 共 65 页 www.plcworld.cn 4 500<I≤6 000 0.7 5 6 000<I≤10 000 0.5 5 10 000<I≤20 000 0.3 10 20 000<I≤50 000 0.25 15 50 000<I 0.2 15 1.53 1.7 2.0 2.1 2.2 2.3. 断路器的电气间隙、爬电距离与飞弧距离 2.3.1. 断路器的电气间隙 电气间隙的定义:具有电位差的两个导电部件之间的最短直线距离。 确定断路器产品的电气间隙,必须依据低压系统的绝缘配合,而绝缘配合则是建立在瞬 时过电压被限制在规定的冲击耐受电压优先系数的基础上。外来的瞬时过电压必须低于电源 系统规定的冲击耐受电压,而系统中的电器或设备产生的瞬时过电压也必须低于电源系统规 定的冲击电压,因此: 1) 电器的额定绝缘电压 Ui≥电源系统的额定电压 Ue 2) 电器的额定冲击耐受电压 Uimp≥电源系统的额定冲击耐受电压。 3) 电器产生的瞬态过电压应≤电源系统的额定冲击耐受电压。 额定冲击 耐受电压 U imp kV 0.33 0.5 0.8 1.5 最小电气间隙,mm 情况 A 非均匀电场条件(2.5.63) 情况 B 均匀电场条件(2.5.62) 污染等级 污染等级 1 2 3 4 1 2 3 4 0.01 0.01 0.04 0.2 0.04 0.2 0.1 0.8 0.1 0.8 0.5 0.5 1.6 0.3 0.3 1.6 第 14 页 共 65 页 www.plcworld.cn 2.5 1.5 1.5 1.5 0.6 0.6 4 3 3 3 3 1.2 1.2 1.2 6 5.5 5.5 5.5 5.5 2 2 2 2 8 8 8 8 8 3 3 3 3 12 14 14 14 14 4.5 4.5 4.5 4.5 注:空气中最小电气间隙是以 1.2μs /50μs 冲击电压为基础,其气压为 80 kPa 相当于 2 000 m 海拔处正常大气 压。 2.3.2. 断路器的爬电距离 爬电距离的定义:具有电位差的两个导电部件之间沿绝缘材料表面的最短距离。 电器的最小爬电距离与额定绝缘电压(或实际工作电压)、电器使用场所的污染等级以 及产品本身使用的绝缘材料的性质有关。 电器的额定绝缘 承受长期电压的电器的最小爬电距离 mm 电压或实际工作 污染等级 污染等级 污染等级 污染等级 电压,交流有效值 15) 25) 1 或直流 4) 材料组别 V 1) 2) 1) 2 3 材料组别 材料组别 Ⅰ Ⅱ Ⅲa Ⅲb Ⅰ Ⅱ Ⅲa 4 材料组别 Ⅰ Ⅱ Ⅲa Ⅲb 10 0.025 0.04 0.08 0.4 0.4 0.4 1 1 1 1.6 1.6 1.6 12.5 0.025 0.04 0.09 0.42 0.42 0.42 1.05 1.05 1.05 1.6 1.6 1.6 16 0.025 0.04 0.1 0.45 0.45 0.45 1.1 1.1 1.1 1.6 1.6 1.6 20 0.025 0.04 0.11 0.48 0.48 0.48 1.2 1.2 1.2 1.6 1.6 1.6 25 0.025 0.04 0.125 0.5 0.5 0.5 1.25 1.25 1.25 1.7 1.7 1.7 32 0.025 0.04 0.14 0.53 0.53 0.53 1.3 1.3 1.3 1.8 1.8 1.8 40 0.025 0.04 0.16 0.56 0.8 1.1 1.4 1.6 1.8 1.9 2.4 3 50 0.025 0.04 0.18 0.6 0.85 1.2 1.5 1.7 1.9 2 2.5 3.2 63 0.04 0.063 0.2 0.63 0.9 1.25 1.6 1.8 2 2.1 2.6 3.4 80 0.063 0.1 0.22 0.67 0.95 1.3 1.7 1.9 2.1 2.2 2.8 3.6 100 0.1 0.16 0.25 0.71 1 1.4 1.8 2 2.2 2.4 3.0 3.8 125 0.16 0.25 0.28 0.75 1.05 1.5 1.9 2.1 2.4 2.5 3.2 4 160 0.25 0.4 0.32 0.8 1.1 1.6 2 2.2 2.5 3.2 4 5 200 0.4 0.63 0.42 1 1.4 2 2.5 2.8 3.2 4 5 6.3 250 0.56 1 0.56 1.25 1.8 2.5 3.2 3.6 4 5 6.3 8 320 0.75 1.6 0.75 1.6 2.2 3.2 4 4.5 5 6.3 8 10 3) 400 1 2 1 2 2.8 4 5 5.6 6.3 8 10 12.5 500 1.3 2.5 1.3 2.5 3.6 5 6.3 7.1 8 10 12.5 16 630 1.8 3.2 1.8 3.2 4.5 6.3 8 9 10 12.5 16 20 800 2.4 4 2.4 4 5.6 8 10 11 12.5 16 20 25 1 000 3.2 5 3.2 5 7.1 10 12.5 14 16 20 25 32 1 250 4.2 6.3 9 12.5 16 18 20 25 32 40 1 600 5.6 8 11 16 20 22 25 32 40 50 2 000 7.5 10 14 20 25 28 32 40 50 63 2 500 10 12.5 18 25 32 36 403) 50 63 80 第 15 页 共 65 页 www.plcworld.cn 3 200 4 000 5 000 6 300 8 000 10 000 12.5 16 22 32 40 45 50 63 80 100 16 20 28 40 50 56 63 80 100 125 20 25 36 50 63 71 80 100 125 160 25 32 45 63 80 90 100 125 160 200 32 40 56 80 100 110 125 160 200 250 40 50 71 100 125 140 160 200 250 320 1)材料组别Ⅰ、Ⅱ、Ⅲa 、Ⅲb; 2)材料组别Ⅰ、Ⅱ、Ⅲa; 3)该区域的爬电距离尚未确定,因此材料组别Ⅲb 一般不推荐用在污染等级 3、电压 630 以上和污染等级 4; 4)作为例外,额定绝缘电压 127 V、208 V、415/440 V、660/690 V 和 830 V 的爬电距离可采用相应的较低 的电压值 125 V、200 V、400 V、630 V 和 800 V 的爬电距离。 5)印刷线路材料专用的最小爬电距离可以在此两列数值中选定。 注 1 绝缘在实际工作电压 32 V 及以下不会产生漏电起痕,但必须考虑电解腐蚀的可能性,因此规定最小爬电距 离。 2 表中电压值按 R10 数系选定。 例如:额定绝缘电压为 660V,污染等级为 3,产品使用的绝缘组别为Ⅲa(175≤CTI<400, CTI 为绝缘材料的漏电起痕指数),查得最小爬电距离为 10mm。 2.3.3. 飞弧距离 断路器在线路出现很大的短路电流时自动分断,其动、静触头打开处产生电弧,电弧被 吸入灭弧室予以冷却。但在电弧未熄灭之前,有一部分电弧或电离气体从断路器电源端的喷 弧口喷出时,有可能直接喷到开关柜、配电屏等的金属框架上(它们通常是接地的),此时 将产生金属导体损毁,线路会出现非正常的浪涌电压,空间有导电尘埃、金属粉末、甚至盐 类物质,以至最终烧毁断路器时,从断路器的电源接线端子到开关柜的金属框架,必须提供 一个足够的距离——成套电器的设计和制造单位最迫切需要的,断路器的设计制造厂也必须 在理论计算和试验实测的基础上向用户提供的这个距离最低值。我国习惯上称之为飞弧距 离,国外称隔开距离(Insulating distance) 在产品标准和技术样本上,必须对断路器的以下距离做相应的规定: 序号 类型 定义距离 简图 两个并排断路器之间的最 1 小距离 距离 尺寸示例 在 225A 以下,接 线宽度不 超出断路 器的宽 A1 度,A1 值 可以为 0mm ; 当 采用铜排 外趴式, 第 16 页 共 65 页 www.plcworld.cn 2 断路器与前板和后板之间 的最小距离 3 4 断路器到开关柜金属边框 5 侧边、顶部、底部的最小距 离 6 两 个 叠 装 底部断路器的电 无 绝 断 源端子,到上端断 缘 7 距路 离器 路器带电导体裸 铜 之 露部位之间的距 排 间 的 离 连 接 最 小 A1 值最小 为 40mm。 B 0mm F 8mm C1 20mm D1 50mm D2 50mm H 140mm 第 17 页 共 65 页 www.plcworld.cn 底部断路器的电 绝 源端子,到上端断 缘 路器带电导体裸 电 露部位之间的距 缆 连 离 接 H 140mm 底部断路器的电 插 源端子,到上端断 入 式 路器的负载端子 连 的距离 接 H 140mm 注: 1. 表中“尺寸示例”仅为参考,,具体数值请参阅产品技术样本。 2. 表中“简图”摘自施耐德 Compact NSX 和 ABB Tmax2008 年技术样本。 2.3.4. 关于零飞弧 所谓零飞弧,是指断路器分断最大短路电流时其电源端的喷弧口喷出的电弧距离为零。 对于建筑、轻工、冶金等设计院和成套电器制造厂来说,他们希望开关柜、配电箱等设 备体积小,占据的空间小。要使体积小,关键的是降低高度。而开关柜、配电箱的高度与断 路器等低压电器的飞弧距离有极大的关系。为了适应市场的需要,国内外的低压断路器的设 计制造单位,都在致力于零飞弧断路器的研制。 国内从 90 年代初期(大约 1993 年前后)开始研制零飞弧塑壳式断路器,最近几年有几 家厂商研制了零飞弧断路器,并投放市场取得良好的效果。仔细研究、剖析,他们都有较好 的限流效应,又在电源端子的喷弧口内装消游离灭弧器或金属网状的灭焰器,可将开断短路 电流时产生的电弧予以吸收和冷却。这些零飞弧断路器一经面世,就受到广大用户的欢迎。 但是我们又面临一种一窝蜂的现象,有一些厂家看到零飞弧断路器市场看好,便认为只是喷 弧口加一灭焰器就能实现飞弧距离为零。这种认识和做法是片面的,因为此类电器能将喷弧 距离缩小,最主要的仍然是断路器的限流效果好,即其真正断开的电弧能量小。如法国 M -C 公司的 C125L,其短路分断能力达 AC400V、150kA,而实际分断值仅为预期短路电流 的 9%,即 13.5kA,溢出的电弧极小,真正实现飞弧距离为零。 第 18 页 共 65 页 www.plcworld.cn 3. 断路器的应用 3.1. 断路器用作配电系统的保护 3.1.1. 配电型断路器的过载保护 如下表格为配电保护型断路器的反时限断开特性(GB14048.2) 通过电流名称 整定电流倍数 约定时间(h) In≤63A In>63A 约定不脱扣电流 1.05In ≥1 ≥2 约定脱扣电流 1.3In <1 <2 返回特性电流 3.0In 可返回时间(s) In≤63A 63A<In≤200A In>200A 5 8 12 约定不脱扣电流:在基准温度下,通电流整定值的 1.05 倍的电流,各相极同时通电, 断路器从冷态开始,在小于约定的时间内不应发生脱扣。 在约定时间结束后,立即使电流上升至电流整定值的 1.30 倍,即达到约定脱扣电流断 路器应在小于后者规定的约定时间内脱扣。 注:基准温度是指断路器的时间一电流特性所基于的周围空气温度。 按配电型断路器的标准规定,1.05In时,应在 1h(当 In≤63A 时)或 2h(当 In>63A 时)不动作。1.05In是考虑电网正常波动允许的上限为 5%。当经过 1h 或 2h 时间,断路器 的温升已稳定。 配电型断路器过载长延时保护的标准定在 1.3In时,应在 1h(当 In≤63A 时)或 2h(当 In>63A 时)内动作。这个 1.3 倍 In是为了保护电源(变压器或发电机)及电线、电缆的需 要,也就是说整定电流 Ir1 必须小于或等于电源和电线、电缆允许承受的过电流及其持续时 间。 可返回特性:断路器在一定的电流整定值下,通电且持续一定时间,称为可反时间。然 后将此电流返回到断路器的额定电流(或 0.9 额定电流),断路器应不脱扣的特性。其目的 第 19 页 共 65 页 www.plcworld.cn 是考核断路器是否能躲过线路中电动机的起动电流。 配电型断路器,它所保护的主干线或分支线路中既有电热设备、各种控制电器、电子设 备、家用电器,又有大大小小的各种电动机。而各种电动机,一般是不可能同时起动的,因 此可返回特性的电流整定值取 3In(这是无数线路的实测数据)。它的可反时间确定为大于 线路中最大容量电动机的起动时间。 3.1.2. 配电型断路器的短路保护 短路短延时特性 短路短延时特性:短路短延时是为线路保护的选择性需要而设置的。如果支路选用无短 延时性能的塑壳断路器,一旦支路发生短路故障,此短路电流也流过其上一级的干线支路或 干线,倘干线支路也选用无短延时的断路器,则干线支路的断路器一起被切断,使无故障的 支路失电,这在配电系统中显然是一个很大的问题。为避免出现这个问题,上一级线路应设 置具有短路延时功能的三段保护性能的断路器。其延时时间可以是 0.1s、0.2s、0.3s 和 0.4s。 支路发生短路 ,其所在 的断路器可 在 20~30ms 内切断电路, 上一级断 路器只要有 0.1s(100ms),就足可以躲过下一级的短路故障。 通常的试验是,在规定的短路电流下,延时时间应不小于 0.05s,也不大于 1s。在此延 时时间内,断路器应不动作,经此试验,断路器不因相间产生的电动力而遭机械破损,也不 致因极大的∫i2dt 而使温升提高,破坏零部件的绝缘性能。 短路短延时动作电流整定值 Ir2≥1.1(IL+1.35KIMm) 式中 IL——线路计算负荷电流,A; K——最大一台电动机的起动电流倍数; IMm——最大一台电动机的额定电流,A; 例如:假设 IL=250A,线路中最大一台电动机的功率为 50kW, 则按上式计算: Im=100A,K 为 6, 所以: Ir2≥1.1(250+1.35×6×100) =1060A 电路在 1060A 时实行短路短延时保护,整定电流 Ir2≥1060/250 IL=4.24 IL 具体应根据电网线路上下级配合的需要来确定 Ir2 的值及其延时时间,同时短路电流值 应小于同台断路器的瞬时动作整定值,但应大于下级断路器的瞬动电流值,一般来说断路器 的短延时电流为 1.2 倍下级断路器的瞬动电流整定值。 短路瞬时特性 瞬时动作整定值: Ir3≥1.1(IL+K1KIMm) 式中 IL——线路计算负荷电流,A; K1——最大一台电动机起动电流的峰值系数;K1=1.7~2 K——最大一台电动机的起动电流倍数; IMm——最大一台电动机的额定电流,A; 例如:假设 IL=250A,线路中最大一台电动机的功率为 75kW, 则按上式计算: Im=140A,K 为 7, Ir3≥1.1(250+2×7×140) =2431A 电路在 2431A 时实行短路瞬时保护,整定电流 Ir3≥2431/250 IL=9.72 IL 当断路器的 In≥400A 时,由于它所保护线路中的电动机,大部分是采用自耦减压起动 器或是星-三角起动器起动的,因此起动电流倍数大大降低。 第 20 页 共 65 页 www.plcworld.cn 3.1.3. 配电型断路器的欠电压保护 线路因负载(功率)大于电网提供的功率(输出功率)等原因而使电压降低,电压的降 低会引起: 减少发电机的出力; 线路的损耗增加; 电动机的电流增大,温升升高; 控制电器中的电磁铁吸力不足,操作控制失灵,触头烧损严重,使电动机无法起动; 照明亮度减少,照明器具寿命降低; 电视机画面模糊不清,抖动,变形; 当电压降低到 70%Ue时,称为崩溃电压。它产生的后果非常严重。因此配电型断路器 的欠电压保护,应在(70%~35%)Ue时动作(断路器跳闸)。 3.2. 断路器用作电动机的保护 电力有 80%的是消耗在低压电网中,而低压电网的负载又有近 80%是各种类型、功率 的异步电动机和同步电动机。由于电动机本身结构中存在的问题、使用条件、使用方法的变 化或不当,电动机就会产生故障,严重的故障将导致电动机烧毁。因此,很早以来,人们就 想方设法对电动机采取可靠的保护措施。 电动机的故障大体分为两部分: 一部分是机械的原因。例如轴承和风机的磨损损耗或损坏。 另一部分是电磁故障。例如过载、断相、欠电压都会使绕组内的电流增大,发热量增加; 而短路造成的危害更大。短路的原因是电动机长期运行中,由于绝缘受潮、过负载运行导致 绝缘老化,由于振动或外力碰撞可能引起绕组的机械损坏,由于雷击或其它过电压引起的绝 缘击穿,由于电动机在有酸碱性环境中使用而未加防范,因受腐蚀而损坏绝缘等。 3.2.1. 电动机的过载及其保护 下表为电动机保护型断路器的反时限断开特性(GB14048.4) 通过电流名称 整定电流倍数 约定时间 约定不脱扣电流 1.0 In 1.2 In 1.5 In ≥2h <2h 2、4、8、12min 约定脱扣电流 7.2 In 2s<Tp≤10s 4s<Tp≤10s 6s<Tp≤20s 9s<Tp≤30s 电动机过载的原因: 电动机轴承损坏、堵转 风叶损坏,使电动机绕组散热困难 电动机周围环境温度高,散热条件差 电动机长期低速运行 电动机在大的起动电流下缓慢起动 电动机频繁起动、正反转及经常反接制动 电动机的过载由于电流增大,发热剧增,从而使其绝缘物受到损坏,缩短了其使用寿命 甚至被烧毁。 第 21 页 共 65 页 www.plcworld.cn 对电动机进行保护的电器应符合 GB14048.4 反时限断开特性的规定。该断的时候要断, 不该断的时候不断。 对电动机的过载保护可选用热继电器、带过载保护的断路器。 如图为保护电器与电动机的 I-t 曲线 3.2.2. 电动机的短路保护 电动机在断路器情况下的保护,通常选用断路器,有的地方选用熔断器。断路器的瞬时 动作电流整定值应能躲过电动机的起动瞬时电流峰值。其关系式: Ir3=k Ia 式中 Ir3——瞬时动作电流整定值,A; k——可靠系数;k 一般取 2~2.5 Ia——电动机起动电流,A; 根据电动机的型号、结构、起动方式等的不同,导致尖峰电流的出现大小也不同, 依据科学推算,Ir3 调节范围按 8~15 倍 In 考虑,基本符合所有应用。对于不可调断路器, 取其平均值 12In,误差±20%。它意味着 9.6In 绝对不能动作,而 14.4In 必须动作。 3.2.3. 关于鼠笼型电动机的断相保护 断相保护是指正在运行的电动机的缺某相的保护。 电动机断相分为两类:一是电动机外部断线;二是电动机内部定子绕组断线。而电动机 内部接线又分为星形连接和三角形连接两种。因此提到断相必须分清是哪一种性质。 电动机内部断线: 被保护的电动机定子绕组是星形连接,如图,断相运行时,一般未断的两相电流会增大。 由于电压的不平衡,会引起线电流的不平衡,至少会有一相电流增大。因是星形连接,线电 第 22 页 共 65 页 www.plcworld.cn 流等于相电流,所以对于星形连接的电动机,选用一般的三极热继电器或三极电动机保护型 断路器,是能够起到有效的保护的。 IL1 线=IL1 相=0 ,IL2 线=IL2 相=IL3 线=IL3 相 升高 被保护的电动机定子绕组是三角形连接, 断了一相,此时会出现: IL1=IL3 =I 相 ,IL2=√3I 相 此时可以看出,有一相线电流与未断前是一样的,因此,可以选用一般的三极热继电器 或断路器来保护。 3.2.4. 关于电动机的欠电压保护 当低压配电和用电电路因发生故障而使网络电压大幅度降低时,就会使正常运转的电动 机出现疲倒、堵转,使大批电动机产生几倍的过电流甚至短路。此时必须将故障电路切断以 保护电动及其线路。 电压降低到足以使电动机疲倒、堵转的电压值,称为临界电压。 当临界电压出现时,低压保护电器恰好会动作就称为欠电压保护。 当电网电压低于电动机的临界电压时,保护装置方始动作,称为失压保护,失压保护是 欠电压保护的一种。 保护要求 欠电压保护动作值 失压保护动作值 保护对象 异步电动机 同步电动机 0.7~0.5Ue 0.5~0.4Ue 0.25Ue 0.25Ue 我们知道,在电动机起动瞬间,其电流变得很大,一般可达 5~7 倍的 In。如果电路的 电压下降到临界电压的上限值造成堵转时,电动机的电流最大可达 5 In。时间略长就会烧毁 电动机。 临界电压及以下的电压值与电压完全消失的区别: 临界电压有残余电压,故有残余电磁转矩的作用,这就使电动机达到停机的惰行时间较 长,还可能带来本身的短路。且此时如果电网电压恢复正常,再起动时,会产生很大的冲击 电流,扩大事故范围; 电压完全消失,或者仅有 20%~30%额定电压下,达到停机的时间仅为纯机械的较短 惰行时间而已,此时即使电压恢复正常,所造成的冲击电流也不大。失压保护的意义在于防 止自启动。 GB14048.2 标准规定,欠电压保护装置的动作电压值为 70%~35%的 Ue 当外施电源电压低于欠电压继电器或脱扣器的额定电压的 35%时,欠电压继电器或脱 扣器应防止电器闭合。当电源电压等于或高于其额定电压的 85%时,欠电压继电器和脱扣 器应保证电器能闭合。除非产品标准另有规定,外施电源电压的上限值应是欠电压继电器或 脱扣器额定值的 110%。 欠电压保护的动作时间可分三类: 瞬时动作:对于不重要的,电动机断电后不影响生产工艺流程的。 短延时动作:对于重要的,电动机断电后可能影响生产工艺流程,且起动条件较困难的。 一般延时为 0.5s。用瞬时动作甩掉一批次次要的电动机,而用短延时动作来保住一些主要的 电动机。 长延时动作: 第 23 页 共 65 页 www.plcworld.cn 3.3. 断路器用作发电机的保护 发电机是国民经济建设和人民生活中不可缺少的重要能源设备。发电机一旦发生故障, 将产生严重后果。为此必须在发电机的出线端装设各种保护电器,如断路器、熔断器等予以 保护。发电机所处场所极多,如火力、水力发电、大型船舶,航空器以及牵引机械用电源(如 有些电气铁道、地铁的自备发电机)等。发电机有单台运行和多台并联运行等的区别。 3.3.1. 发电机的过载保护 发电机的过载保护是依靠 ACB 的 LTD 脱扣器来进行的,ACB 的 LTD 脱扣器的整定值 和脱扣特性一定要适应 IEC92-202(船舶电气设备-系统设计-保护)“发电机的热特性”要求。 所谓发电机的热特性,是指发电机流过过电流,发电机的定子线圈、转子线圈或制动线圈产 生的阻抗损耗,铁心产生的铁损和危及发电机绝缘材料温升的时间关系。一般发电机设计中 “交流发电机必须承受 50%过电流 2min”的规定作为发电机的热容量。 通常 LTD 的整定电流是(100%-115%)In,其中 In 为发电机的额定电流。 3.3.2. 发电机的短路保护 发电机的短路保护,通常依靠发电机用 ACB 的 STD(短延时)或 INST(瞬时)脱扣装置 来进行。 3.3.3. 发电机内部的短路电流 如果有两台发电机 G1 和 G2 并联运转,现在 G1 内部发生短路事故,或是公共母线发 生短路,加上其它发电机及负载的电动机群流入短路点的电流,使 ACB 和 STD 或 INST 脱 扣器脱扣,故障发电机从系统中切除,系统由其它无故障的发电机继续供电,恢复了系统的 稳定状态。但是,故障发电机的原动机仍继续给与动力,发电机 G1 仍流过短路电流,因此 故障发电机或故障电缆的损伤有进一步扩大的危险。 一般采用差动继电器来发现内部短路,并依靠它的动作使 ACB 切断发电机的励磁回路。 3.3.4. 逆功率保护 并联运行的发电机与其它发电机相比,如果输出功率减少,负载的分担比率就要变化。 当燃料停止供应,发电机用的原动机便停转不动。发电机的输出功率为零时,这台发电机就 处于从电力供给方变为电力的消耗方位置,这种状态称为逆功率状态。处于这种状态的发电 机是极其危险的,将造成发电机本身损毁和其它发电机的功率变化。恶化电网电压及频率。 为保证发电机和配电系统的安全,要求尽速切断故障发电机。 发电机的逆功率是由逆功率电器检测出的,利用这个继电器的动作,是保护发电机的断 路器 ACB 跳闸。 3.3.5. 低电压保护 为避免因电压降低而使输送的有功负荷减少,发电机保护装置中应装有欠电压脱扣器, 这种欠电压的保护范围是:当发电机的电压降到额定电压的 70%~35%时动作,发电机的 电压恢复到 85%的额定电压是,ACB 可以再扣。 3.4. 断路器用于家用及类似用途场所的保护 家用或类似用途场所的用电,一般属于电路末端。这种电路的低压用电设备、保护电器 的选择、安装和使用所依据的是国际电工委员会 IEC 的出版物 364“建筑物电气要求”。我 第 24 页 共 65 页 www.plcworld.cn 国也依据该标准,指定了相应的标准。GB50054《低压配电设计规范》、JGJ/T16《民用建筑 电气设计规范》 3.4.1. 故障电路危害性的表现 1) 危害人身 将在下一节细述 2) 危害设备 由于线路或设备的过载而出现过高的温升 由于线路或设备的短路而出现过高的温升 3) 引发火灾 故障电流出现时,因过高的电弧能量,使故障处燃烧。 3.4.2. 家用和类似用途断路器的过载保护 表为家用和类似用途断路器的过载脱扣特性 GB10963 试验 型式 试 验 电 起始状态 脱扣或不脱扣时间极 预期结果 附注 流 限 a B、C、D 1.13In 冷态* t≥1 h(In≤63 A) t≥2 h(In>63 A) 不脱扣 b B、C、D 1.45In 紧接着 t<1 h(In≤63 A) a 项试验 t<2 h(In>63 A) 脱扣 电流在 5 s 内 稳定地上升 c B、C、D 2.55In 冷态* 1 s<t<60 s(In≤32 A) 脱扣 1 s<t<120 s(In>32 A) B d C D 3In 5In 冷态* t≥0.1 s 10In 不脱扣 闭合辅助开 关接通电源 B e C D 5In 10In 冷态* t<0.1 s 50In 脱扣 闭合辅助开 关接通电源 ﹡术语“冷态”指试验前没带负载,而且在基准的校正温度下进行。 对于使用在干线或主要支线的配电断路器来说,考虑到电网电流波动的允许上限为 0.05 倍 In;因此其不动作电流被限制在 1.05 倍的 In。但线路末端,因线损而引起的电压偏低,无 论是三相供电(380V)或是单相供电(220V),其下差 7%,则电流上升为 1.075In,加上正 常的波动 0.05,合计为 1.125,取 1.13In。即在线路末端,正常运行最大的有 1.13 倍 In 的值, 其保护断路器应保证在 1.13 倍 In 时不动作。同样原因,当线路过载达 1.3 倍 In 时,断路器 必须在 1h 或 2h 内动作,而电路末端的断路器,也是由于线损和电流的正常波动,而规定过 载电流达 1.45In 时,它们必须在 1h 或 2h 内动作。 基于上述,作为家用或类似用途的断路器,对线路过载的保护特性应满足下列要求: IB≤In≤IZ Ir1≤1.45IZ 式中: IB——被保护线路的计算符合电流,A In——低压断路器的额定电流,A IZ——被保护导体的允许持续电流,A 第 25 页 共 65 页 www.plcworld.cn Ir1——保住断路器可靠动作的电流,A 断路器投入运行时规定: 约定不脱扣电流 I1=1.13In,不脱扣时间t≥1h或t≥2h 约定脱扣电流 I2=1.45In,脱扣时间t<1h或t<2h 我国标准有鉴于末端线路有许多三相、单相电动机负载,对电动机的过载必须保护,且须躲 过电动机的起动电流,因此确定: I3=2.55In,约定脱扣时间 1s<t<60s 或 1s<t<120s 3.4.3. 家用和类似用途断路器的短路保护 短路保护就是设置的保护装置必须在短路电流可能对导体绝缘及电缆周围造成有害的发热 之前就能切断回路导线中的短路电流。 B 型:脱扣电流 3In~5In,是标准特性,用于住宅建筑和插座回路。 C 型:脱扣电流 5In~10In,优先用于接通大电流的电气设备。如电动机 D 型:脱扣电流 10In~50In,适用于产生脉冲的电气设备,入变压器、电磁阀。 3.4.4. 家用和类似用途断路器的选择性保护 过载保护:所在的断路器过载整定值 Ir1 为下一级的断路器的过载整定值 2 倍。 短路保护:所在的断路器短路整定值 Ir3 为下一级的断路器的短路整定值 1.4 倍。 3.5. 剩余电流动作断路器用于漏电(触电)的保护 电,被广泛应用于工业、农业、交通、国防、通信以及家庭生活领域。一方面它为人类 的生产发展和生活提供了能源;另一方面,电又有它的危险性——可能造成电气火灾和使人 体遭受电击(触电),对生产设备、人民生命财产带来严重危害,甚至夺去人的生命。不论 是电气引起的火灾或因电击对人体的伤害,都和流过导体(或人体)的故障电流的大小和持 续时间有关。鉴此,我们应该有防范措施,限制漏电电流和持续时间,同时防止人体与有危 险的电气设备接触。在触电或漏电发生时,用安装的保护装置在极短的时间里,将故障电流 切断。 3.5.1. 电流流过人体的效应 交流电比直流电危害要大;高频(几千赫兹)和低频(几个赫兹)比工频(50~60Hz) 危害性小很多。 除了通过人体的电流值和作用时间外,影响电击危害的还有以下几个方面: 1) 人体重量 2) 电流流过人体的途径 3) 人体的电阻,一般情况下,干燥时,人体电阻值在 2kΩ-20 MΩ范围内。 4) 引起电击死亡的心室纤维性颤动的临界值 5) 心脏窒息或心脏停跳是可逆的或不可逆的状态 6) 电流小而时间长,引起人体严重的烧灼导致死亡 7) 高空作业触电,虽未引起心室纤维颤动,但却因高空跌落致残致死 如下表是电流对人体的作用 电流等级 电流值(mA) 频率 50~60Hz 电流持续时间 人体生理反应 0 0~5 无限长 A1 0.5~5(摆脱电流) 长时间 感受不到电流 感受不到电流 第 26 页 共 65 页 www.plcworld.cn A2 5~30 以数分钟为限 A3 30~50 从数秒到数分 小于心脏搏动周期 A4 50~100 大于心脏搏动周期 小于心脏搏动周期 A5 大于 100 大于心脏搏动周期 引起电气火灾的漏电电流在 500mA 及以上 由于痉挛,已不能摆脱电流, 呼吸困难 血压上升,心律不齐,昏迷 和心室颤动 不引起心室纤维性颤动 引起心室纤维性颤动,昏迷、 触电部位有灼伤痕迹 引起心室纤维性颤动,昏迷、 触电部位有灼伤痕迹 将引起可恢复性的心脏停 跳,昏迷,并有电灼伤致死 的可能。 3.5.2. 防止电击保护 1) 防止直接接触的保护 直接接触:人或动物直接触及电气设备的带电部位。 n 对带电体的绝缘保护 n 栅栏和外壳保护 n 用障碍物提供保护 n 用剩余电流动作保护器做附加保护(RCD)。使用剩余电流动作值 IΔn=30mA,动作时 间小于或等于 0.2s。这是一种较理想的保护措施。 2) 防止间接接触的保护 间接接触:人体接触到某些电气设备的外壳,外壳在正常情况下是不带电的,但是如果 带电导体的绝缘受损,外壳将带上电,人触及带电的外壳将受电击。 1) 要求电气设备带漏电保护功能,在设备发生漏电时,能自动切断电源。如电热水器的漏 电插头。 2) 用剩余电流动作保护器做附加保护(RCD)。 3.5.3. 剩余电流动作保护器的种类及工作原理 1) 剩余电流动作保护器的种类: 按照 GB6829-1995《剩余电流动作保护器的一般要求》和 GB16916.1-1997《家用和 类似用途的不带过电流保护的剩余电流动作断路器一般规则》、 GB16917.1-1997《家用和 类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器一般规则》的规定分: n 不带过载、短路保护,仅有漏电保护的保护器,称漏电开关,国际标准称 RCCB; n 带过载、短路和漏电三种保护的保护器,称漏电断路器,国际标准称 RCBO; n 不带过载、短路保护,也不直接合分电路,仅有漏电报警作用的保护器,称漏电继电器。 漏电继电器也可以与一般断路器或接触器组合成漏电断路器或漏电开关 2) 剩余电流动作保护器 RCD 的工作原理 剩余电流动作保护器的工作原理是根据基尔霍夫电流定律,利用零序电流互感器(ZCT) 来检测电路中剩余电流,当 IΔ超过一定值时使其脱扣装置推动开关跳闸。 第 27 页 共 65 页 www.plcworld.cn 根据基尔霍夫电流定律:流出结点的支路电流的代数和恒等于零,关系式如下: 对于单相二线系统: IL-IN=IΔ=0 对于三相三线系统: IA+IB+IC=IΔ=0 对于三相四线系统: IA+IB+IC+IN=IΔ=0 式中 IΔ——线路或设备对地泄露电流。 n 电磁式 RCD 工作原理: 由铁心、衔铁、永久磁铁、去磁线圈等组成的漏电脱扣器置于断路器或开关内部。其动 作杆和衔铁轴相连。正常情况时,脱扣器的衔铁被铁心由永久磁铁产生的磁通所吸引。当电 路发生漏电时,ZCT 二次绕组有感应电流产生,漏电脱扣器的去磁线圈与 ZCT 二次绕组相 连,二次感应电流流过磁线圈,便在脱扣器铁心、衔铁回路中有一个交变磁通通过。在某个 半周波,交变磁通的方向与永久磁铁恒向磁通反向时,就很大程度上减弱铁心的吸力,在反 作用弹簧拉动下,衔铁释放,与衔铁轴相连的动作杆推动断路器的牵引杆,使断路器或开关 跳闸。 n 电子式 RCD 工作原理 同样装有 ZCT,漏电时,ZCT 二次绕组输出一个电流信号,通过电子元件将电流信号 放大至足够值,然后输出给中间继电器或断路器的分励脱扣器线圈,使开关或断路器跳闸。 第 28 页 共 65 页 www.plcworld.cn 3.5.4. 电磁式和电子式 RCD 的优缺点 项目名称 灵敏度 实现延时动作 辅助电源 电压对特性的影响 耐压试验 电磁式 RCD 30mA 以下制造困难 困难 不需要 无影响 可进行工频耐压 电子式 RCD 容易实现高灵敏度 容易 需要 有影响 受电子元件的限制,无法施以工频耐压 3.5.5. 三大类接地系统对 RCD 的适应性 接地系统的定义 三大类接地系统 1) IT 系统 适用场所:主要应用于 10kV、35kV 的高压系统和矿山、井下的某些低压供电系统。 2) TT 系统 第 29 页 共 65 页 www.plcworld.cn 特点:可靠性好,当发生接地故障时,电流能很快的流入大地,使得保护器动作。采用漏电 功能的保护器。 适用场所:公用变压器、局部对接地要求高的电子设备场合。在国外广泛应用。 3) TN-C-S 系统 特点:具有 TN-C 系统和 TN-S 系统系统的特点,其分界点是 N 线与 PE 线的连接点。PEN 线需重复接地,但分界点后面的 N 线不能重复接地。 适用场所:用于用电环境统一的场所,如统一规划的商品房。 4) TN-C 系统 特点:中心线和保护线合并,不能断开,需重复接地。不能使用 RCD 保护 适用场所:不适宜推广 5) TN-S 系统 第 30 页 共 65 页 www.plcworld.cn 特点:有专门的保护线,安全可靠。 适用场所:适用于城市用电,如高层建筑。 PE 保护线不能穿过 ZCT 零序互感器。 3.5.6. RCD 剩余动作电流的选用和选择性保护 电路范围 总线路 分支回路 照明线路 单相照明线路 三相四线制分 支开关 电路末端 动力设备 动力照明 额定工作电流 A 200 以上 100~200 100 以下 100 以上 60~100 60 以下 40 以下 额定剩余动作 电流,mA 300~500 200 100 100 50~75 30,50 30,50,75 备注 以接地为主 以接地为主 主要作为触电保护 60 以下 50,75 40~60 20~40 20 以下 40~60 40 以下 30,50,75,100 30,50 30 30,50,75 30,50 75mA 以上应使电机外 壳接地 用于人身触电保护的 RCD,其动作电流应选取 IΔn=30mA,对于用于分级保护,则上 下两级之间应相差 2.5~3 倍。即在 30mA 动作电流 RCD 的上一级应选用 100mA 的,带延 时 0.1s,再上一级选用 300mA,延时 0.2s。 3.6. 四极断路器的结构型式和应用场所 N 极型式 应用场所 不带过电流脱扣器 带过电流脱扣器 带中性线断线保护器 始终接通 一起合分 始终接通 一起合分 始终接通 一起合分 第 31 页 共 65 页 www.plcworld.cn TT √ √ √ √ √ √ TN-C √ × √ × √ × TN-S √ √ √ √ √ √ 注: “√”表示可使用,“×”表示不能使用。 TN-C-S 系统根据 TN-C 和 TN-S 的适用范围选取四极断路器。 3.7. 断路器的机械、电气联锁与自锁 为了适应线路供电时的不停电要求(如一级负荷),现在双电源(正常电网电源-备用 电网电源,正常电网电源-备用柴油发电机组)转换装置的使用越来越多。为了防止两台电 源开关同时合闸,造成短路等严重后果,必须设置机械联锁,或同时具备机械和电气联锁装 置。这些联锁可适应的电源开关是接触器、负荷开关或断路器,由于断路器具有过载、短路、 欠电压等保护功能,它逐渐取代了接触器等,成为主要的电源开关。 另外,为解决两个各自向它的负载供电的电源,一旦有一个电源发生故障时,能由正常 的(无故障)电源向两个负载线路同时供电问题;以及为了工作需要,避免因人为的误操作 而发生电击或停电事故,这些都要求断路器有自锁措施。 需要联锁的的电网结构型式有: n 正常电网电源-备用电源 n 正常电网电源-备用电网电源-柴油发电机组 3.7.1. 断路器的机械联锁 6) 二台塑壳断路器的机械联锁: 采用滑块联锁,如下图所示,右侧断路器为合闸,左侧断路器由于被联动滑块卡住,始 终无法合上。拉动滑块按钮向右(右侧断路器 OFF 时),联动块卡住右侧断路器的手柄,此 时左侧的断路器可以合闸,而右侧受阻,不能合闸,以此事项机械联锁。 第 32 页 共 65 页 www.plcworld.cn 7) 框架断路器与框架断路器的机械联锁 n 钢缆联锁(用于水平安装) n 联杆联锁(用于垂直式安装) 第 33 页 共 65 页 www.plcworld.cn 3.7.2. 断路器的自锁(锁定装置) 为了工作的需要,当断路器合闸时(通电),不允许分闸(断电);或者当断路器分闸 时(不通电),不允许合闸(如为了维修),此时应对断路器的合闸或分闸位置锁定,这就是 断路器的自锁。 n 塑壳断路器的自锁 塑壳断路器的自锁分为两类: 一是手柄夹持:设置手柄夹持装置,使手柄保持在“ON”或“OFF”,目的是告诉其它 操作者,断路器不允许也无法“OFF”或“ON”。 另一类是手柄闭锁,手柄闭锁允许在断路器合闸(ON)或者分闸(OFF)位置时,用 挂锁锁住。当断路器处于合闸位置并锁上时,如果此时线路有过电流流过时也能自由脱扣。 第 34 页 共 65 页 www.plcworld.cn n 框架断路器的自锁 如下图所示,对于两个电源分别向两条线路供电,两线 路中间装有另一台联络断路器的系统,联络用断路器在正常 情况下是分闸的(为防止误会,在此分闸位置必须用锁锁上, 不用钥匙是无法合闸的)。 当电源 I 出现故障时,断开 QF1,并把他锁上,同时合 上 QF3(联络用断路器),此时两条线路用同一电源Ⅱ供电。 当电源Ⅱ出现故障时,断开 QF2,并把他锁上,同时合 第 35 页 共 65 页 www.plcworld.cn 上 QF3(联络用断路器),此时两条线路用同一电源 I 供电。 这就是通常说的三把锁两把钥匙(三把锁指 QF1、QF2、QF3 各有一把。两把钥匙是指 I、Ⅱ电源的维护人员各有一把) 3.7.3. 断路器的电气联锁 两台断路器为了工作的需要,当一台合闸时,另一台必须分闸。为了达到这一目的,除 上述的机械联锁之外,还可以采用电气联锁的方法。 通常的电气联锁的方式有两种: n 两台变压器供电,使用三台断路器的电气控制和电气联锁图 图中有电源Ⅰ和电源Ⅱ,QF1、QF2 为两个电源的断路器,QF3 为联络断路器,Y1、 Y2、Y3 为断路器的合闸电磁铁线圈,KM 为继电器,1DF、2DF、3DF 为断路器的辅助触 头,SB1、SB2、SB3 为合闸按钮。 当需要电源Ⅰ供电时,按下 SB1,控制回路从电源Ⅰ的 L1→电阻→2DF(常闭触头)或 3DF (常闭触头)→SB1(闭合按钮) →Y1(合闸电磁铁) →N 极,回路通电,合闸电磁铁闭合, 使断路器 QF1 合闸,电源Ⅰ向负载Ⅰ供电。 要使电源Ⅱ供电时,按下 SB2, 控制回路从电源Ⅱ的 L3→电阻→1DF(常闭触头)或 3DF (常闭触头)→SB2(闭合按钮) →Y2(合闸电磁铁) →N 极,回路通电,合闸电磁铁闭合, 使断路器 QF2 合闸,电源Ⅱ向负载Ⅱ供电。 当 QF1、QF2 合闸后,其辅助开关 1DF、2DF 都由“常闭”转为“常开”,再操作 SB3 时,将无法使 QF3 合闸。从而实现电气联锁。 同理,当电源Ⅰ或电源Ⅱ发生故障时,需要检修,此时应断开 QF1 或 QF2。现假设电 源Ⅰ出故障: 当 QF1 装有欠压脱扣器时,断路器 QF1 因失电而断开,负载Ⅰ失去供电,而 QF2 继续 合闸供电。继电器 KM 线圈因电源Ⅰ故障而失电,KM 的常开触头和常闭触头发生转换,转 第 36 页 共 65 页 www.plcworld.cn 换后的常闭触头为 KM1、KM3,原常闭触头 KM2、KM4 变成常开触头。QF3 的控制回路 由电源Ⅱ的 L3→KM1→SB3→Y3→1DF→KM3→N 极,回路通电,QF3 在 Y3 合闸电磁铁的 作用下合闸,电源Ⅱ就向负载Ⅰ和负载Ⅱ同时供电。 n 三个电源的供电、切换和联锁 正常的工作情况是:两台变压器 T4、T5 中一台正常供电电源,另一台作备用供电电源, 他们仅对一个负载供电。当正常电源(如 T4)出故障,则切断它的断路器 QF4,而让备用 电源 T5 的断路器 QF5 合上,继续供电;一旦两个变压器损坏,或是电网需维修,此时就切 断 QF5 和 QF4,启动柴油发电机组发电提供电源,合上发电机后面的断路器 QF6,使之供电。 这就是三个电源独立供电方案。其电气控制线路和联锁见上图。 当需要正常电源供电时,按 SB4,是 QF4 合闸。此时因 QF5、QF6 分闸,5DF 和 6DF 仍处于常闭位置。控制回路经 4L1→SB4→5DF→6DF→N 极,回路通电,断路器 QF4 合闸, T4 电源向负载供电。(因 QF4 合闸,4DF 成为常开,QF5、QF6 无法合闸) 同理,若 T4 电源损坏,QF4 断开,4DF 重新转向常闭,此时可使电源 T5 供电,如 T4、 T5 因电网检修而无法供电时,应使 QF4、QF5 断路器断开,则 4DF、5DF 处于常闭状态。 现在需要柴油发电机组发电和供电,当发电机发电正常时,T6 的控制电路 6L1→SB6→5DF →4DF→N 极,电路通电,Y6 合闸电磁铁是断路器 QF6 合闸。整个过程为了避免对已处于 断开位置的断路器,被人为的误合闸,应采取加锁的方式。当已修好的电源要重新供电时可 以启锁。 3.8. 断路器用于双电源切换装置 JGJ/T16-1992《民用建筑电气设计规范》规定,下列负载属于一级负载: n 中断供电将造成人身伤亡者; n 中断供电将造成重大政治影响者; 第 37 页 共 65 页 www.plcworld.cn n 中断供电将造成重大经济损失者; n 中断供电将造成公共秩序严重混乱者。 其典型场所有: 消防设施用电、保安设施、通信、电台、电视台、高级宾馆、国家机关、商业大厦、金 融大厦、大中型电子计算机中心、大型体育场、影剧院、车站码头、医院、冶金企业、化工 企业、重要科研场所、军事设施等等。这些一级负载是严禁中断供电的,它们必须有备有电 源(独立于正常电源、专门馈电的电网备用电源或是快速自起动柴油发电机组)。当正常电 源发生故障或断电时,能使备用电源在极短时间内投入使用,这就要求提供双电源 切换装 置。 国际电工委员会的 IEC947-6-1《低压开关设备和控制设备 自动转换开关电器》对双电 源切换作了权威性的定义: 1) 转换开关电器 将一个负载电路从一个电源切换至另一个电源的电器开关 2) 自动转换开关电器 ATSE Automatic transfer switching equipment 由一个转换开关电器和其它必要的电器组成,用于检测电路,并将一个负载电路从一个 电源切换至另一个电源的自动电器。 3) 操作程序 ATSE 的操作程序由两个自动切换过程组成: n 如果常用电源被检测到出现偏差时,则自动将负载从常用电源切换至备用电源; n 如果常用电源恢复正常时,则自动将负载返回切换到常用电源。 切换时可有预定的延时或无延时,并可处于一个断开位置。 在存在常用电源和备用电源两个电源情况下,ATSE 应指定在常用电源位置。 4) 被检测的电源偏差 被检测到电源特性的改变,当电源特性偏离规定限值(为电源电压或频率的非正常改变) 时,被检测到的电源偏差将作为信号使 ATSE 动作。 5) 转换动作时间 测定从电源被检测到偏差的瞬间起至主触头闭合备用电源为止的时间,不包括特意引入 的延时。 6) 总动作时间 转换动作时间加上特意引入的延时。 7) 返回切换时间 从常用电源完全恢复正常的瞬间起至一组触头闭合常用电源的瞬间为止的时间加上特 意引入的延时。 8) ATSE 分类 特点 主开关 优点 PC 级 CB 级 能够接通、承载,但不能用于分断 配备过电流脱扣器,它的主触头能够接通 短路电流 并用于分断短路电流 采用接触器、负荷开关 采用塑料外壳式断路器、万能断路器 可频繁操作,价格相对低廉。 可分断短路电流 第 38 页 共 65 页 www.plcworld.cn 缺点 典型厂家 耗电量大、有噪声,工作可靠性差, 投切容量受限制,不能分断短路电 不能频繁切换 流。 杭州之江开关厂 HSQ1、HSQ2 http://www.hzk.com.cn/new/default.asp 天津低压电器公司 TQ30 3.8.1. CB 级双电源(简称 ATSE)的结构、工作原理和主要性能 CB 级的 ATSE 结构是由:两台带电动操作机构的断路器(三极或四极,作双电源切换 最好选用四极)、接插座、安装底板等组成的开关部分和一台电子自动控制器(有普通型和 智能型两种)构成。 1) 它的基本功能是: n 监视常用电源(或Ⅰ电源)和备用电源(或Ⅱ电源)是否正常 n 常用电源(或Ⅰ电源)和备用电源(或Ⅱ电源)的自动切换 n 执行部件(断路器)在操作运行时,应具备良好的、可靠的电气和机械联锁防止同时接通 常用和备用电源。 n 执行部件在(断路器),对电源、线路和电气设备具有过载、短路保护功能。 普通型自动控制器:它由光电耦合器、稳压电源、电压对比线路、逻辑电路、延时回路、 继电器和它的输出线路等组成,而智能型自动控制器,则是由一个小型的计算机系统进行鉴 别、延时、起动、输出。 2) 工作原理: n 自投自复:自动控制器随时对正在运行的常用电源和准备切换的备用电源进行监视,当 常用电源的三相中有任意一相的电压出现异常(故障),如过电压(≥120%额定电压 Ue)、欠电压(≤70%Ue)或电压消失(U=0),这三种电压状态经光电耦合器输进自 动控制器的电压对比线路,经与基准电压对比,有逻辑电路判断,使之进入电容和 555 定时器充电、放电延时。 第 39 页 共 65 页 www.plcworld.cn 第一延时时间为 t1(t1 可按用户需要由制造厂整定,最大为 60s,如果用户不提要求, 一般在 20s)。本延时的目的是观察正常电源的异常是短时间可恢复的、还是无法在延时之 内恢复正常的。在确认常用电源已无法恢复正常时,控制器的继电器发出指令,接通正常电 源断路器的电动操作机构的分闸开关使其断开。 然后进入第二延时 t2(t2 最大 1.5s),此延时包括:继电器输出至备用电源断路器的电动 操作机构合闸开关,此时备用电源断路器已合上; 在备用电源运行一定时间后,如果正常电源的故障已经排除,恢复正常,用户又有意重 新使用正常电源(这在电网-备用柴油发电机组系统特别需要,因为柴油发电机的发电成本 远高于使用电网电源),自动控制器经过一定时间的延时 t3(t3 为 0~60s,可按用户需要整 定,延时的目的是监测和判断正常电源是否真正恢复正常)将备用电源的断路器切断。 在经过 t4 的延时(t4 最长为 1.5s),合上正常电源的断路器。这种过程称之为自投自复。 n 自投不自复:倘若两个电源都来自于电网(两个变压器供电),常用电源发生故障,切 换至备用电源,以后就一直在备用电源处运行,即使常用电源故障排除恢复正常,也不 再切换回常用电源,这种过程称之为自投不自复。 电网——电网双电源系统存在一个致命的弱点,即如果两个变压器的电源端出现故障停 电时,则无电源可切换,因此电网——快速自起动柴油发电机组的使用已经越来越普遍。 为了能更好的适应电网——柴油发电机组系统的自动切换,智能型双电源自动切换装置 已研发成功。智能型双电源切换装置的工作程序是:自动控制器对正常、备用电源进行监测, 当正常电源发生过电压、欠电压时,它作 t1 的延时,延时时间为 0~9s,用户可以自行调节 (失电时无延时),经过延时后,控制器发出指令给柴油发电机组起动、发电,当发电机输 出的电压达到额定值时,控制器面板上的电压指示灯亮,控制器进入第二个延时(0~30s 可调),延时后切断常用电源,然后在 0.4~1s 时间内使发电机线路上的断路器合上,所有 程序全部由电脑组成的控制器指挥、操纵。 3.8.2. ATSE 的电气联锁和机械联锁 ATSE 必须有可靠的电气和机械联锁,才能确保不至于使两个电源的断路器同时合上。 具体的联锁方案和上一节内容类似,这里不做介绍。 3.8.3. ATSE 的操作程序 操作程序请参照厂家说明书的要求操作。 3.9. 配电系统的后备保护 随着电力工业的发展,电网的容量日益增大。为了对低压电网的各种故障电流进行有效 的切断和保护,人们开发、制造了具有过载保护、短路保护功能的断路器(万能式 ACB、 塑料外壳式 MCCB 和熔断器 Fuse),以适应电网和用电设备的安全要求。各种保护电器所设 置的过电流保护特性,必须适合下列两种情况: 1) 对于重要的线路和负载来说,应考虑它的供电持续性。 根据保护装置相比间的配合,在发生线路故障电流时,只切断故障回路而不涉及无故障 回路。保护器的配置是,上方位选用具有过载长延时、短路短延时和短路电流瞬动的三段保 护特性断路器,下方位可选用过载长延时、短路电流瞬动的二段保护断路器。这种保护方式 称为选择性分断保护。 2) 对于人身安全无直接联系,或是无故障回路的负载对于使用者来说并不重要,在采用保 护装置时应考虑经济性,设计上可采取后备分断保护方式。 后备保护是指:系统的某处设置的保护装置,其负载端的预期最大短路电流,超过 MCCB 第 40 页 共 65 页 www.plcworld.cn 的额定短路分断能力,在此情况下,保护装置的电源侧(以下称上方位)设置对它的下方位 线路预期最大短路电流有充分的、足够的额定短路分断能力的另一个保护装置(可以是 MCCB,也可以是 Fuse)。当下方位的线路发生最大短路电流故障时,借助于上方位的保护 装置和它自身的保护装置,共同安全地切断此故障电流;当下方位短路故障电流小于下方位 保护装置额定短路分断能力,就由此保护装置来切断,此种保护方式称为后备保护(Back-up protection),国际上也有称级联保护或串级保护。 如上图所示,MCCB2(塑料外壳式断路器)的额定短路分断能力小于 k 处发生的短路, 且此短路电流为线路预期的最大短路电流 I SC(当出现 I SC 时,如果不采取措施,MCCB2 将会被烧毁)。由于 MCCB2 的上方位装设了 MCCB1,此时就可借助 MCCB1 与 MCCB2 同 时来切断如此大的短路电流(MCCB1 的额定短路分断能力应大于或等于 I SC 的),这种串联 接线就是后备保护。 如果不采取后备保护,而是采用选择性保护,则 MCCB2 的额定短路分断能力应大于或 等于 k 处的预期最大短路电流,而 MCCB1 则需要选用有三段保护功能的断路器。如 MCCB1 的短路短延时时间为 0.1s,而 MCCB2 全分断时间一般小于 0.02s,就能做到 k 处短路电流 (哪怕是预期最大短路电流)由 MCCB2 开断,而 MCCB1 不会脱扣。但是采用选择性保护, MCCB2 和 MCCB1 的投资就很大。采用后备保护可大大节约投资。因为额定短路能力越高 的断路器,其价格也更高,且体积也大。但是使用后备保护也有缺点,就是上述的一旦 MCCB1 开断,MCCB2 的相邻线路如 MCCB3、MCCB4 处将全部停电,但已说明,这些线路负载是 不重要的,也不会危及人身安全。 3.9.1. 后备保护的分类 1) 全区域的后备保护 全区域的后备保护是指:下方位保护装置的额定短路分断能力不够,因而设置上方位的 保护装置,上方位保护装置的额定短路分断能力,在所有的过电流区域都能进行安全的后备 保护。 2) 局部区域的后备保护 局部区域的后备保护是指:下方位保护装置的额定短路分断能力不够,而设置上方位的 保护装置,上方位保护装置的额定短路分断能力不能够对所有过电流区域进行完全的保护, 但对某一区域能进行保护。 3.9.2. 后备保护的要求 当下方位发生过电流其数值小于下方位保护装置的额定短路分断能力,则由下方位保护 第 41 页 共 65 页 www.plcworld.cn 装置来切断,从安全角度看,不必有任何的担心。但如 k 处的短路电流超过 MCCB2 的额定 短路分断能力,下方位的 MCCB2 无法分断故障回路,它必须依靠上方位的保护装置或上下 方位保护装置协同分断。采用后备保护时,上方位和下方位的保护装置,应考虑以下几点: 1) 上方位保护装置的额定短路分断能力 上方位保护装置对其本身设置点的预期最大短路电流及对它下方位保护装置的预期最 大短路电流,都应具有足够的接通和分断能力 2) 上方位保护装置的限流性能 上方位保护装置在分断其设置点短路电流时,下方位保护装置不应有机械的或因过热造 成的损坏。为达到这两条要求,上方位的保护装置最好选用具有限流性能的断路器。即在极 短的时间内分断的实际短路电流比预期最大短路电流要小很多。 限流系数= 实际分断的短路电流(峰值) 预期最大的短路电流(峰值) 因此选用限流系数小的产品作后备保护,可以大大减轻下方位保护装置的负担。 3) 上方位和下方位保护装置电弧能量的分担 电弧能量是短路电流分断性能的重要因素之一。分断短路电流时,因电弧能量过大,会 引起它的触头系统、灭弧装置和外壳受损伤和遭破坏。为避免这一情况的发生,就需要作后 备保护的上方位保护装置,负担电弧能量的一部分,将下方位保护装置所负担的电弧能量抑 制在它的安全值内。 能进行后备保护的装置,它们的配合必须根据经过短路试验验证过,制造厂提供的配合 数据来确定。 3.9.3. 后备保护的判定标准(配电保护型 MCCB) 被保护的下方位 MCCB 在进行短路分断时,尽管借助于上方位保护装置来分担其电弧 能量,但仍可能产生比单个 MCCB 自身的额定短路分断电流试验带来更严重的后果。因此 制定 MCCB 是否可作后备保护下方位的标准与单个 MCCB 进行短路分断试验合格与否的判 断标准是不一样的。 日本工业标准 JISc8370 规定下方位的 MCCB 分为Ⅰ、Ⅱ两种。对于Ⅰ,绝对不能再用 来合闸线路;对于Ⅱ,应经权威机构确认并检验合格后,暂时的使用一段时间。 序号 短路试验后的判断项目 单独试验 后备保护试验 Ⅰ种 Ⅱ种 1 耐压试验 应能承受 2Ui 试验无击 同 同 穿、闪络 2 绝缘电阻试验 0.5MΩ以上 同 同 3 外壳的破坏 不允许破损 可以有裂纹 同 4 导电部分的损坏或熔断 不允许 可以熔断 同 5 触头的熔焊 不允许熔焊 同 同 6 250%In 过电流脱扣 应在规定的时间内脱扣 7 裹在“合”“分”手柄上 不允许着火 的细布着火 8 电线的保护 电线的绝缘层不许损伤 可以不脱扣 无规定 无规定 同 无规定 无规定 第 42 页 共 65 页 www.plcworld.cn 9 试验程序 O-t-CO O 同 注: 1. 序号 1 中的 Ui 为额定绝缘电压 2. 序号 9 中的 O-分断,t-休息时间为 3min,CO-接通后紧接着分断。 3. “同”表示同单独试验的判断。 3.9.4. 后备保护的实际应用 下方位的保护装置普遍采用 MCCB,而上方位是采用 MCCB 或是 Fuse。有的部门上方 位采用 ACB,但一般情况下,后备保护的组合是不采用 ACB 的。原因是 ACB 开断短路电 流的时间较长,不符合作后备保护的要求。 上方位的 MCCB 或 Fuse,下方位的 MCCB,它们之间共同分断短路电流,具体应该怎 样进行呢? 为了能分断串级连接的两台 MCCB 的短路电流,两者的燃弧时间必须重合,即在下方 位 MCCB 分断短路电流过程前,上方位的 MCCB 已经脱扣,且在它的触头间产生电弧。依 靠他的电弧电压来减少短路电流,从而减轻下方位 MCCB 的电弧能量。 1) MCCB 与 MCCB 的后备保护 n MCCB2 的额定短路分断能力允许小于其保护线路的预期最大短路电流,但应大于 MCCB1 额定短路分断能力的 50%,或不低于其保护线路的预期最大短路电流的 50%。 n 一般说后备保护的级数不超过 2 级,如果 MCCB2 为 100A,则 MCCB1 应选 125A 或 160A,具体应根据 MCCB 的技术参数合理选择。 n 后备保护仍是二段保护,MCCB1 的瞬时脱扣器电流整定值不能大于 MCCB2 额定短路 分断能力的 80%。 后备保护分断后 MCCB 的处理: 被保护的 MCCB2,进行充分分断后,检查它的触点周围的污迹、损耗,若影响小的话 仍可继续使用,否则则尽快更换新品。检查时特别注意 MCCB 的温升,温升应控制在标准 规定范围内。通常 MCCB1 其额定短路分断能力比其设置点的预期短路电流大,所以对 MCCB2 保护后,它的内部损耗轻微,可以继续使用。当然也要经过详细检查,确定无异常, 才不更换。 2) Fuse 与 MCCB 的后备保护 熔断器 Fuse,特别是限流式的熔断器是最适合做 MCCB 的后备保护的。用这种熔断器 做后备保护的目的是: n 熔断器在线路发生过载时,动作时间要比 MCCB 长,即线路发生过载是熔断器不应变 质或熔断。 n 短路区域,即发生短路事故时的大短路电流区域,用熔断器作后备保护,扩大了 MCCB 的分断容量。 后备保护分断后熔断器和 MCCB 的处理: 采用熔断器作后备保护,由于熔断器的熔丝被烧断,因此必须更换新的。对于 MCCB, 应检查其触点四周的污染和触点的损耗。如果情况轻微,就可照旧使用,特别要注意它的温 升,在确定无超出标准规定值后,可继续使用。 3.9.5. 典型的 MCCB 与 MCCB 后备保护的实例 下表是引进日本寺崎电气株式会社技术的 T0、TG 系列 MCCB 的后备保护选用实例。 第 43 页 共 65 页 www.plcworld.cn 电源侧 MCCB 额定 短路 分断能力 负载侧 MCCB kA T0-100 22 TH-5 3 10 T0-225 30 T0-400 36 T0-600 45 TG-100 TG-600 45 50 T0-100 22 30 36 45 T0-225 30 36 45 T0-400 36 50 T0-600 45 50 注: 1.交叉区域(即蓝底粗字)为线路预期最大短路电流 1) 负载侧 MCCB2 设为 T0-100,它的额定短路分断能力是 380V、22kA,其装设处预期 最大短路电流为 30 kA,电源侧可选 T0-225;如装设处预期最大短路电流是 36kA, 则选 T0-400,其余类推。 2) T0、TG 产品具有一定的限流性能 3.10. 配电系统的选择性保护 配电系统中设置过电流保护装置,是为了对电气设备、电线、电缆一旦发生包括短路电 流在内的过电流进行保护。这些保护装置除了分断故障电路,避免电气火灾危险、人身伤亡 之外,还应能使其它非故障电路不受妨碍,保证连续使用。 第 44 页 共 65 页 www.plcworld.cn 选择性保护的级差配合参照表 产品级别 ACB 与 ACB ACB 与 MCCB 保护类别 过载 上方位 2 倍下方位额定工作电流,即 上方位选 2000A。 下方位 额定工作电流 1000A 上 方 位 2 倍下方位额定工作电流,即 (ACB) 上方位选 1600A。 下方位 额定工作电流 800A 短路 短延时 瞬时 上方位 MCCB 与 MCCB 下方位 2 倍下方位额定工作电流,即 上方位 400A。 额定工作电流 200A 熔断器与 MCCB 上方位(熔 断器) 下方位 4 倍下方位额定工作电流,即 上方位 200A。 额定工作电流 50A MCB 与 MCB 上方位 下方位 1.6 倍下方位额定工作电流 额定工作电流 10A 注: 1. 选择性保护的宗旨是:上方位保护装置的保护特性曲线的下限值(不允许动作值) 在下方位保护装置特性曲线的上限值(必须动作)的右上方。如下图所示 2. 表中所说的“倍数”是参考值,要真正实现选择性保护必须绘制出选择性对比图(即 上图所示),只要满足上方位的下限值在下方位的上限值的右上方即可实现选择性 保护。 第 45 页 共 65 页 www.plcworld.cn 4. 低压断路器的选用 4.1. 低压电网产生故障的原因与分析 低压电网的故障通常表现形式有过载、短路(三相、两相和单相接地等)。电网的过载 原因主要是负载功率大于电网的输出功率,或因线路过长产生的电压损失和线损(线路损耗 功率)大。电压降低引起电流的增大,而负载的变异以及机械方面的原因也会导致受电电器 的电流升高。电网线路因绝缘损坏或自然因素和使用安装等问题,就会产生短路,造成烧毁 电器等严重事故 电网电压下降,电流上升(过载)造成的危害: n 电压降低 10%~15%,发电机输出功率减少 5%~10%,发电机输送的有功功率要减少。 n 低电压运行使线路损耗增加(电流增大之故),电压降低到 70%Ue 就可能电压崩溃, 造成大面积停电。 n 当电压降低 20%,电动机转矩较少约 30%,电流增加 20%~25%,电动机的温升升高 15℃以上。 n 机床电器电磁吸力不足,触头烧损严重。 为保护电源和电线电缆及用电设备,就要选择断路器做保护开关。以便在线路出现过载、 短路、特别是短路,能够快速、安全地切断电路。在选用断路器之前,应了解和掌握线路发 生短路时,短路电流的分析和计算。 第 46 页 共 65 页 www.plcworld.cn 4.1.1. 低压配电网络短路电流与功率因数的分析、计算 根据有关资料介绍,我国工矿企业和农村,目前使用的三相双线圈油浸式电力变压器和 干式变压器的容量在 20~2500kVA。一次电压有 35、10、6kV,二次电压为 0.4 kV,在计算 第 47 页 共 65 页 www.plcworld.cn 使用中可能出现的二次最大短路电流及较小功率因数时,可按如下原则进行简化: 假如变压器低压侧(二次)短路,计算短路电流时应将下列因素计算在内: 高压侧(一次)的阻抗值,即图 3 的 Q 点。 低压侧(二次)的阻抗值,即图 3 的变压器 T。 低压网络组成部分的阻抗值,即图 3 的 L 点。 假定在变压器低压侧短路,计算短路电流的等值回路图中所有的阻抗,在短路过程中保 持不变,即短路电流的周期分量是不衰减的,同时又假定这些阻抗元件的伏安特性保持线性。 假定短路点是金属性直接短路,即不计短路点的电压降及电弧电阻。 暂不考虑低压侧所安装的低压元件,如断路器的瞬动电磁铁、双金属元件、触头接触电 阻和电流互感器、刀开关等的阻抗。 以上这些规定所计算出来的短路电流,比实际的要大,即是电路电流最大计算值。 计算短路电流时,是以三相短路为基准的,两相短路计算时,COSφ不变,但它的短路 电流为三相短路电流的 0.866 倍,单相接地短路电流值更小,但计算更加复杂。 1) 在电力变压器低压侧,三相短路电流的计算: I (3) = c ⋅U2 3⋅Z = c ⋅U2 3 ⋅ (∑ R)2 + (∑ X )2 (1-1) ( ) ( ) = c ⋅U2 3 ⋅ RL + RT + RQ1 2 + X L + X T + X Q1 2 式中 I(3)——三相短路电流的周期分量有效值,kA; c——电压系数; U2——低压侧线电压,V; Z——短路系统的总阻抗,mΩ RL——低压母线的电阻,mΩ XL——低压母线的电抗,mΩ RT——变压器的电阻,可查阅制造厂提供的样本,mΩ XT——变压器的电抗,可查阅制造厂提供的样本,mΩ RQ1——变压器高压侧(馈电侧)的电阻,mΩ。(一般不计算在内) XQ1——变压器高压侧(馈电侧)的电抗,mΩ n 高压侧馈电网络的电阻和电抗: 根据 GB/T15544 馈电网络(即高压侧)阻抗的规定,若短路点是由中压或高压电网经变压 器向短路点馈电时,应归算到变压器低压侧进行计算。 第 48 页 共 65 页 www.plcworld.cn ZQ1 = c ⋅ U 2 2 S1 (1-2) 若电网电压在 35kV 以上时,馈电网络阻抗可视为纯电抗。即 RQ1=0,XQ1 =ZQ1。 则: ZQ1 ZQ2 = X Q1 XQ2 =  U1 U2 2 (1-3) 式中 ZQ1——高压侧阻抗,mΩ Z Q2——低压侧阻抗,Mω XQ1——高压侧电抗,mΩ X Q2——低压侧电抗,mΩ U1——高压侧线电压,V; U2——低压侧线电压,V; c——电压系数; S1——变压器高压侧系统的短路容量,VA。 若计算高压侧的电阻值,但具体数值不知道,可按式: RQ1 = 0.1X Q1 , X Q1 = 0.995ZQ1 n 变压器低压侧的电阻和电抗计算公式如下: RT= ∆Pk •U Sr 2 2 2 (1-4) U 22 X = T Uk2 −  ∆Pk 10Sr 2 Sr (1-5) 式中 ΔPk——变压器的短路损耗,也称负载损耗,可查制造厂提供的样本,W; Uk——变压器的短路电压比,或称阻抗电压,可查制造厂提供的样本; U2——低压侧线电压,V; Sr——变压器的额定容量,VA. n 低压母线的电阻和电抗计算公式如下: RL= γ θ l • S (1-6) X L=0.145l ⋅ lg 4 ×a h f (1-7) a f = 1.26a 式中 RL——低压母线的电阻,mΩ XL——低压母线的电抗,mΩ l ——低压母线的长度,m; γθ——低压母线的电导率,m/Ωmm2; S——低压母线的有效截面积,mm2. (1-8) 第 49 页 共 65 页 www.plcworld.cn af——各相母线之间的几何平均距离,m; a——各相母线的间接,即相间距,m; h——矩形母线的高度,m。 低压侧矩形母线的排列如图: 计算实例: 有一电力变压器 S7(10/0.4kV),Yyn0 联接组别。设高压侧短路容量为 200MVA,变压器容 量 Sr 为 1000kVA., Uk 为 4%。查得ΔPk 为 13700W。低压侧母线为 125×10mm 铜排,母 排的相间距为 350mm,假设在低压侧母线 5m 处短路。 高压侧(馈电侧)的电阻和电抗计算: RQ1=0 X Q1 = ZQ1 = c ⋅U22 S1 = 1× (400V)2 200 ×106 = 0.8mΩ X Q2 =  U2 U1 2 × X Q1 =  0.4 2  10  × 0.8 = 0.00128mΩ 变压器电阻和电抗计算: ( ) RT= ∆Pk •U Sr 2 2 2 = 13700VA × 4002 10002 103 VA V 2 2 = 2.19mΩ 第 50 页 共 65 页 www.plcworld.cn U 22 X = T Uk2 −  ∆Pk 10Sr 2 = 4002 × Sr 低压侧母线的电阻和电抗计算: 铜材电导率γθ=48.2 m/Ωmm2 (4%)2 −   10 13700 ×1000 × 103 2  1000 ×103 = 6.39mΩ RL= γ θ l • S = 5 48.2 ×125 ×10 = 0.083mΩ X L=0.145l ⋅ lg 4 ×a h f = 0.145 × 5 × lg 4 ×1.26× 350 ×10−3 10 ×10−3 = 1.63mΩ (以上计算母线为水平布置,若是垂直布置,则 h=125mm,计算的 XL=1.3mΩ) 所以: Z = (∑ R)2 + (∑ X )2 ( ) ( ) = RL + RT + RQ1 2 + X L + X T + X Q1 2 = (0.083 + 2.19 + 0)2 + (1.63 + 6.39 + 0.00128)2 = 8.34mΩ 则: 三相短路电流: I (3) = c ⋅U2 = 1× 400 = 27.7kA 3 ⋅ Z 3 ×8.34×10−3 短路功率因素: cos Φ = ∑ R = 0.083 + 2.19 = 0.27 Z 8.34 如果 Uk 取 4.5%,则 I(3)为 25.5kA。所以变压器的短路阻抗越大,短路电流越小。 如果短路点距变压器长度为 50m,其它参数不变,则 RL=0.83mΩ,XL=16.3mΩ,Z=22.6 mΩ,I(3)为 10.22kA。所以断路器距变压器越长,短路电流越小。 如果 50m 后,母线的截面积改变,如从 125×10 改成 80×8,则阻抗 Z 还要增大,I(3)还要 减小。所以截面积减小,短路电流也会减小。 如果把低压铜母线改成铝排,铝排的电导率γθ=28.7m/Ωmm2(θ=65℃);比铜的电阻 大,I(3)还要减小。所以用电导率小的,短路电流也会小。 4.1.2. 关于对中性线电流的再认识 TT 系统和 TN 系统中的中性线(N 线或 PEN 线)电流已经被越来越多人们所重视。 传统认为中性线电流很小的观念已被不不平衡负载以及众多电子元件所产生的谐波电流所 打破。现行的 IEC 标准对中性线电流规定:“对约定发热电流不超过 63A 的电器,其所有各 级都应是相同的约定发热电流。对约定发热电流超过 63A 的电器,其中性极的约定发热电 流可不同于其它极,但应不小于其它极的 1/2 或 63A(取较大者)”看来有修正的必要。可能 造成中性线电流增大的原因有: 第 51 页 共 65 页 www.plcworld.cn 1) 谐波电流的影响 如荧光灯电子镇流器,舞台调光用的晶闸管器件等都要产生高次谐波 2) 线路不平衡负载,造成中性线电流的增大 由于负载的不平衡和相序对线路电流的影响,加上高次谐波电流,合成之后,中性线的 电流最大达 2 倍相线电流。 4.2. 断路器的额定电流的选择 4.2.1. 断路器的额定电流和整定电流 断路器的额定电流的是指:在规定条件下,保证开关电器正常工作的电流值,又称断路 器脱扣器额定电流。它以 In 表示,现在智能控制器其额定电流是可调的,大概是(0.4~1) 倍额定电流,如额定电流 630A 的智能控制器,客户可在 252~630A 中调,调整后的电流其 实仍是额定电流。 断路器的整定电流(又称过载脱扣器的电流整定值)是指:脱扣器调整到动作的电流值。 它以 Ir 表示。它的实际含义是动作电流值,它是指额定电流 In 的倍数,如 Ir=1.2In、1.3In、 5 In、10In 等等。 对于辅助触点(微动开关),它的额定工作电流 Ie 是指触点在一定的工作电压下的实际 工作电流。电压与电流的乘积,表示它所控制的电磁铁容量,交流以伏安 VA 表示,直流以 瓦 W 表示。 4.2.2. 额定电流和选择 1) 配电型断路器额定电流的选择 所谓配电型,是指在低压电网中专作电能分配的断路器。它包括电源总开关和负载支路 开关。除了通常说的断路器的额定电流 In≥线路计算负荷 IB,还应视配电性质和它的特点而 定。断路器的过载长延时保护基座电流(断路器的额定电流)小于或等于导线的容许载流量。 对具体线路来说: 干线 支线 一般设备(除电动机外) IZ≥∑IL IZ≥In In≥∑IL 导线截面积为 2mm2(直径 1.6mm),In≤20A; 导线截面积为 5.3mm2(直径 2.6mm),In≤30A 导线截面积为 14mm2(直径 4.2mm),In≤50A IZ——电线的容许电流,A。 IL——一般设备的额定电流,A。 IM——电动机的额定电流,A; IB——被保护线路的计算负载电流(即∑IL),A; In——断路器的额定电流(脱扣器额定电流),A; 2) 电动机保护型断路器额定电流的选择 第 52 页 共 65 页 www.plcworld.cn 电动机保护型断路器的目的就是保护电动机的绕组,而与它的导线无关。所以断路器的 额定电流选择原则是: In= IM In——断路器的额定电流(脱扣器额定电流),A; IM——电动机的额定电流,A。 3) 家用及类似场所用过电流保护断路器 这种断路器主要用于民用建筑电气,断路器的额定电流选择原则是: IB< In≤ IZ 4.2.3. 电器开关的额定电流 国家标准对低压电器的额定电流划分等级: 6 A、8 A、10 A、13 A、16 A、20 A、25 A、32 A、40 A、50 A、63 A、80 A、100 A、 125 A、160A、200A、250A、315A、400A…… 4.3. 断路器附件的功能和选择 断路器由它的本体(不带任何附件,但能确保顺利合、分电路,并具有在电路或设备发 生过载、短路等事故时,自动切断故障电路的本能)和附件构成。而附件则体现断路器的辅 助功能。本体和附件组成完整的断路器。附件越多,功能就越齐全。 附件分为内部附件和外部附件 内部附件包括:辅助触头(开关)、报警触头(开关)、合闸电磁铁、分励脱扣器、欠 电压脱扣器等。外部附件包括:外部转动操作手柄、电动操作机构、闭锁装置、机械联锁、 绝缘防护罩等。 4.3.1. 内部附件 1) 辅助触头 一般使用微动开关,它接在断路器的辅助或控制电路中,并由该断路器以机械方式操动。 辅助触头又分为常开触头和常闭触头 n 常开触头:在断路器的主触头闭合时它也闭合,断开时它也断开 n 常闭触头:在断路器的主触头断开时它闭合,闭合时它断开 2) 报警触头 也是一种微动开关,它仅在断路器的负载出现过载、短路或欠电压等故障时,断路器自 由脱扣,断路器转动转轴触动微动开关,发生报警。它和辅助触头安装的位置不同。 3) 分励脱扣器 是一种电压源激励的脱扣器,它的电压源可与主电路的电压无关。分励脱扣器是一种远 距离操作使断路器跳闸的附件。 4) 欠电压脱扣器 欠电压脱扣器是在它的端电压(主电路)将至某一规定值范围时,使机械开关电器有延 时或无延时断开的一种脱扣器。 欠电压脱扣器使用时必须注意: n 欠电压脱扣器的线圈必须接于与断路器同一主电路上 n 欠电压脱扣器必须先通电,断路器才能再扣合闸,否则将损伤断路器。 4.3.2. 外部附件 n 转动操作手柄: 第 53 页 共 65 页 www.plcworld.cn 在断路器装在成套装置中,需要装设转动操作手柄。在转动手柄使断路器合闸时,柜门 不能开启(即转动手柄与门联锁);只有转动手柄处于分闸或再扣,开关柜的柜门才能打开。 n 加长手柄 断路器装于开关柜内,为了方便操作和省力、安全,采用加长手柄。 n 电动操作机构 是用于远距离自动分闸和合闸断路器的一种外部附件。 n 闭锁装置 当断路器处于合闸状态时,不允许其他人擅自分闸,或断路器处于分闸,不允许合闸, 都可以装设闭锁装置。塑料外壳式断路器是设置卡件,燃弧手柄上打孔用挂锁,万能式断路 器是在操作机构上设置锁。 n 机械联锁 实现两台甚至三台断路器的联锁,联锁方式有钢丝和联杆 n 绝缘防护罩 防护罩是一种安全防护用的附件 5. 低压断路器的使用与维护 5.1. 断路器在不同的场所、条件下的使用 5.1.1. 按 50Hz 设计的断路器使用于 60Hz 电源的问题 1) 从断路器发热来看,断路器各部件温升略有所升高,主要是集肤效应。因此对于 1500A 以下断路器来说,没什么影响,当电流大于 1600A,则需要适当的降容使用降容系数 在 0.9 左右。 2) 短路分断能力,基本上没什么差别。 3) 对附件欠电压脱扣器和分励脱扣器而言,影响比较大,因为二者都是电压线圈。它们的 电磁铁吸力与磁通密度 B 成正比,而 B = U ,所以为保证工作,可以提高电 4.44 fWS 压,一般将电压提高到原来的 1.15 倍。 4) 断路器的过电流脱扣器 影响甚微 5) 电动操作机构,远距离控制断路器合、分的外部附件。频率对他们都由影响,主要是电 磁铁的吸力减小了。 5.1.2. 交流断路器使用于直流电路 1) 保护特性 n 过载长延时保护特性 热动式(双金元件脱扣器):基本没有多大变化,交流电的有效值和直流电的平均值是 相同的,但因集肤效应,交流电产生的热量要大于直流电。 全电磁式(液压式,又称油杯脱扣器):交流 50Hz 用于直流时,对全电磁式脱扣器影 响很大,要重新设计。 n 瞬时脱扣器 凡是采用电磁铁型式作电磁脱扣器者,其瞬动电流的整定值将有所变化,一般为交流瞬 时整定的 1.3 倍。 第 54 页 共 65 页 www.plcworld.cn n 电子式脱扣器和智能型脱扣器 应原按交流设计的电子脱扣器是依靠空心互感器取信号,在直流无法使用。 2) 短路电流的接通和分断 众所周知,50Hz 交流电,每秒钟有 100 次的过零点,电弧熄灭也较容易。而直流电流 无过零点,切断电弧有相当的难度。因此,使用交流 50Hz 的断路器用于直流电路作保护电 器时,必须采取多断点的接线方式。 n 断路器的串联接线 n 断路器的并联接线 5.1.3. 按 50Hz 设计的断路器使用于高频电路 在工业领域,有些工业部门对驱动用的电动机设计和使用较高的频率。例如纺织工业中 的高速电机,其频率达 100~120Hz,木材加工工业使用的高频电动机,频率达 300Hz,航 空工业中一些电气设备,其频率达 400Hz 等(电动机的转速 n=60f/p ;n 与频率成正比) n 导体的发热、负载能力的降低等问题 频率 f (Hz) 允许的负载能力(额定电流) 100 0.933In(50Hz) 200 0.871In(50Hz) 300 0.836In(50Hz) 400 0.812In(50Hz) n 高频时断路器的短路分断能力 用于高频是断路器的分断能力变化不大,大概下降 10%左右。但高频电动机的起动电 流达 15In,甚至 20In。 n 高频时断路器的脱扣器动作特性变化 过载长延时保护特性:小于 500Hz,影响不大;超过 500Hz 需要考虑。 瞬时动作脱扣器:高频率动作电流值是 50Hz 时的 1.414 倍。 电子脱扣器:影响轻微 欠电压脱扣器和分励脱扣器:线圈需要修改 第 55 页 共 65 页 www.plcworld.cn 5.1.4. 断路器用于高原地区 在所有的低压断路器的产品样本和使用说明书上,对其正常使用条件都规定了海拔高度 不高于 2000m。超过 2000m 的高原地区,如何使用正常的断路器呢? 高原地区的特征是:气压、温度、湿度随海拔的升高而降低,太阳的辐射随海拔的升高 而升高。因此高原地区的断路器必须注意以下几点: n 必须提高产品的绝缘电阻和工频耐受水平 n 由于散热条件差,热动过载脱扣器要早动作,应适当调整。 n 由于高原空气稀薄,熄灭电弧有一定困难,分断能力有所下降。 5.1.5. 船舶用断路器 船用断路器必须经各级船级社(船舶检验局)认可,方可使用。 船用断路器与陆用断路器的工作条件有较大区别。 n 环境因素 周围空气温度在+40℃和 0℃ 有潮湿空气影响 有盐雾的影响 有油雾的影响 倾斜≤22.5° 摇摆≤22.5° n 船舶运行因素 正常的冲击和振动 军舰用为一级冲击,一级振动。民船用为一级振动,二级冲击。 5.1.6. 高温场所 如炼铁,铸造成型,锅炉房等场所,应选用不受影响的电磁型脱扣器。 5.1.7. 低温场所 这是指低于-5℃的地方。如冷冻仓库,低温室,内河船舶。 5.1.8. 煤矿等矿山用 可选用 660V 电压等级的断路器,并将断路器置于防爆箱内。 5.1.9. 潮湿环境 指比较潮湿的地方,如化工厂,鱼类加工厂。断路器应安装于防水箱内,防水箱的防护 等级应是 IPX2、IPX3、IPX4、IPX5 等。 5.1.10. 多灰尘场所 如水泥厂,纺织厂,可将断路器置于防尘箱内,防尘箱的防护等级 IP5X、IP6X。 5.1.11. 电气机车 与民船用的耐振动要求一样,不一定要求三防(防潮、防霉、防盐雾) 第 56 页 共 65 页 www.plcworld.cn 5.1.12. 有腐蚀性主体的场所 如化工厂,制药厂,石油精炼厂等场所,使用具有三防的断路器,一般装入防水箱内。 5.2. 断路器的安装与连线 5.2.1. 断路器的安装 断路器的的基本安装方式是垂直安装,其与地面的倾斜度不大于 5°,考虑矿山的基面 有一定的倾斜,对矿山用断路器垂直安装时与地面的倾斜度不大于 15°。 对于液压式脱扣器的断路器,是不允许横装和水平安装的。 5.2.2. 电弧的间隔 断路器在分断短路电流时,在断路器的电源侧的电弧出口会喷出电弧。电弧本身就是一 种巨大的电流,很容易导致裸露的导电体之间和裸露带电体与“地”的相间短路和接地短路 事故。为确保安全,在断路器的电源侧与相邻极之间,断路器的电源侧与成套设备金属外壳 应有一定的空间距离。视断路器的种类,回路电压,额定短路分断能力,配电方式等的不同 而异。客户应根据制造厂提供的数据使用。 公司 ABB S1-125、160 S3-250、400 施耐德 NS80-250 NS400-630 飞弧距离 mm 50 100 35 60 为了防止开断短路电流,电弧从电弧喷口喷出,引起相与相之间的短路,断路器的相间 常装有橡皮或塑料制成的隔弧板。 5.2.3. 断路器的接线 断路器的接线方式有板前、板后、插入、抽出及导轨式五种。 n 板前接线 断路器安装于成套装置(开关柜、配电柜)时,在安装板前,直接接电源线和负载线。 n 板后接线 断路器安装于成套装置(开关柜、配电柜)时,在安装板后,直接接电源线和负载线。 n 插入式接线 在成套装置的安装板上,先安装一个断路器的安装座,安装座上有 6 个插头,断路器的 连接板上也有 6 个插座。 使用时,将断路器直接插进安装座。如果断路器坏了,只要拔出坏的,换上一只好的即 可。它的更换时间比板前、板后要快,且方便。插入式断路器最大电流 400A。 n 抽出式接线 即万能式断路器,断路器轻轻地放置在安装台上,用一根摇杆插入安装台右侧的孔内, 作顺时针转动,在涡轮蜗杆啮合下,断路器渐渐的与安装台的接线座紧密接触,这就是连接; 如果取出,就将摇杆逆时针转动。 n 导轨式 适合于小型断路器,如 C45N。 第 57 页 共 65 页 www.plcworld.cn 5.2.4. 断路器连接导线的截面积 断路器的电流和导线截面积的关系 n 0

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