低压断路器在电气系统中的应用分析研究

摘要：本文主要论述了断路器的常见故障及短路电流的计算。最后介绍了断路器的选择方法，低压断路器在电气系统中是应用最广泛的电气元件之一。选择合适的断路器能保障系统的安全及稳定运行。本文是个人的见解，供同行参考借鉴。

关键词：港口；电气系统；断路器；

前言

断路器的选择在低压配电系统中具有重要的意义。在日常维护和保养中， 合理地选择和使用断路器， 不仅能降低整个电气系统的成本， 还能对于维修过程中的故障作出正确的判断， 是整个电气系统安全、稳定运行的保证。

一、断路器的选择参数研究分析

1) 额定电流 In： 是指断路器在工作时能通过的最大电流。此额定电流 In也是指断路器内置的过电流脱扣器能长期通过的最大电流。断路器内过电流脱扣器可分为固定式和可调式两种。对于可调式， 有长延时 ( L)， 短延时 ( S)，瞬时 ( I)之分。长延时和短延时其跳脱曲线均为反时限保护， 跳脱电流及跳脱时间可调， 当工作电流超过额定电流时， 随着电流的增加， 其跳脱时间按照跳脱曲线变短。

2) 额定短路分断能力 Icn： 短路分断能力可分为额定极限短路分断能力 Icu和额定运行短路分断能力 Ics。一般 Icu= N× Ics( N= 0. 5~ 1)，Icu和 Ics按规定有严格的试验程序。其主要是指断路器在规定电压及其他规定条件下其极限短路分断电流值。

3) 断路器壳架等级额定电流 lnm， 用基本几何尺寸相同和结构相似的框架或塑料外壳中所装的最大脱扣器额定电流表示。

4) 额定电压 Ue： 是指断路器允许工作的最高额定电压。对于微型断路器 ( MCB) 而言， 如无特别标注， 一般断路器上所标注的额定电流等于其长延时脱扣器整定电流， 且其 Icu不会很高， 一般在4. 5kA - 10kA 之间。因此， 微型断路器不适合作为主回路及电动机回路的保护， 一般用在控制回路， 照明回路及小电流配电线路中。

二、断路器常见故障分析及短路电流计算研究分析

在电气系统中， 最常见且危害较大的故障是短路故障。在三相系统中， 短路故障分为三相短路， 两相短路及单相对地短路。在实际工作中， 发生单相短路的可能性最大， 但一般情况下， 以三相短路的短路电流最大， 从而造成的危害也最为严重。因此在选择作为线路保护和通断的断路器时， 通常以三相短路的短路电流作为断路器的启断容量来计算。下面以某港二期轮胎吊为例， 来计算轮胎吊的短路电流。其供电系统如图 1所示：

从变电所出来的 660V电源线经电缆井敷设至堆场开关箱旁， 经过开关 Q1后再沿地面露天敷设， 经过电缆卷盘后到达轮胎吊主变压器。从变压器二次侧出来后经过一个主电源开关， 再提供给整个轮胎吊电源。现假设 K点发生三相短路， 来计算 K点的短路电流如下：因轮胎吊主变压器前的供电线路为 660V， 且线路长约 500m 左右， 采用 3/C- 150mm2+ 1 /C -70 mm2电缆供电， 不能将其看无限大容量系统，需将其线路电抗考虑进去。对于由变电所出来的660V 主电源线， 对于单台轮胎吊而言， 可以将其看做无限大容量系统。整个供电系统的电缆电阻及变压器电阻很小， 在计算短路电流时是可以忽略的， 只需计算其电抗即可。因为电缆的电抗值因电缆截面及线距的变化很小。

通过查表可得电缆每 km 电抗约为 0. 066 ×kM- 1， 则线路电抗为：

X 1 = 0. 066 × km- 1×0. 5km×( 0. 45kV / 0. 66kV )2= 0. 0153( )

忽略变压器电阻， 查得变压器阻抗电压为4% ， 计算变压器电抗为：

X 2 = 4% ×( 0. 45kV ) 2 /350kVA = 0.0231()

则线路总的电抗为：

X = X 1 + X 2 = 0. 0153+ 0. 0231 = 0. 0384( )

则 K点的短路电流为：

Icn = 0. 45kV / ( 1. 732× 0. 0384) = 6. 8( kA )

从以上计算可知， 假如轮胎吊主变压器的二次侧端口处发生三相短路， 其短路电流也只有 6. 8kA 左右， 即轮胎吊最大短路电流不会超过 7kA。在选择断路器的分断能力的时候， 完全可以选择10kA 左右的断路器， 即能满足分断能力要求。不同的分断能力的断路器的价格是相差很大的。实际上， 塑壳断路器的短路分断能力一般均在 10kA以上， 但对于微型断路器， 其分断能力有可能只有 4. 5kA左右。因此， 通过以上计算， 可以大致确定轮胎吊各处的短路电流大小。对于主回路或者主电源线路， 应尽量选择塑壳断路器， 以满足其对分断能力的要求。轮胎吊的最大短路电流是比较小的， 但对于港口的另一重要设备桥吊来说， 其短路电流就大得多。

三、 断路器的选择研究分析

断路器的选择， 在主回路或关键节点上需要考虑其短路分断能力， 在整个电气系统中， 断路器的另一个参数额定电流也是非常重要的。选择合适的额定电流， 不仅能保护线路及设备的安全、稳定运行， 同时也能使整个系统拥有良好的选择性。当发生电气故障时， 距故障点最近的断路器动作将故障线路切除， 而其他各级断路器不动作， 从而将故障所造成的停电范围限制在最小范围内， 同时也利于故障的排除。断路器额定电流的选择， 其一应考虑所保护线路的载流能力， 既断路器额定电流应小于所保护电缆的额定载流能力。电缆载流能力可查看电缆生产厂商所提供的电缆载流能力表。对于变压器二次侧主电源开关， 则断路器额定电流应小于或等于变压器的二次侧额定电流。其次断路器额定电流的选择， 还需考虑负载线路的计算电流。线路的计算电流应按照线路负载的使用率计算， 一般港口设备断路器的脱扣线圈都为过载脱扣器， 对于大容量断路器， 其一般会有长延时脱扣器， 短延时脱扣器和瞬时脱扣器， 其脱扣时间和脱扣电流可选择， 小容量脱扣器则只有长延时脱扣器， 其脱扣曲线是固定的， 不可设置， 因此在计算负载电流时需注意。如对于马达类负载， 因港口设备大多大容量马达皆为变频器软启动， 其启动电流不是很大， 过载保护则主要依靠变频器内部的电子脱扣保护， 断路器仅仅只做分断线路及短路保护之用。因此其额定电流可选择为马达额定电流的 1. 5- 2倍。对于直接用在硬启动马达上的断路器， 则需考虑其脱扣线圈应躲过马达启动电流的 6倍。在港口设备中， 这类马达容量很小， 因此断路器容量一般也可选用在18马达额定电流的 1. 5~ 2倍之间。马达的过载保护主要依靠热继电器来保护， 断路器不作马达的过载保护之用。对于设备照明用投光灯， 一般高压钠灯的启动电流约为工作电流的 1. 2倍， 步道灯所用的节能灯泡其启动电流几乎等于工作电流。考虑港口设备照明的特点， 其一般灯具不会增加， 且照明用电缆截面也较粗， 故照明用断路器额定电流的选择可以以线路计算电流为准， 一般为计算电流的 1. 2~ 1. 5倍为宜， 以作过载或单相短路保护之用。最后， 断路器额定电流的选择， 在计算好各点的计算电流且照顾到所保护线路电缆载流量的前提下， 再来协调断路器各级的选择性。在低压配电系统中， 一般上一级断路器的过载脱扣器整定电流要大于下一级断路器的脱扣器整定电流， 其跳脱时间应尽量做到比下一级断路器的跳脱时间晚 0. 1s。对于有多个脱扣线圈且参数可调的断路器， 其长延时脱扣器 Ir1的整定电流用来保护线路过载， 一般取线路计算电流的 1. 1倍。短延时脱扣器 Ir2用来保护线路的尖峰电流， 其跳脱时间应能刚好躲过线路的尖峰电流， 瞬时动作脱扣器 Ir3的整定电流一般可整定为 1. 3倍的 Ir2。事实上， 除了变压器二次侧端口处的主电源开关和极少数大容量断路器有选择性外， 其他支路回路的断路器脱扣器均是固定的， 不可调的。因此， 为尽量保证选择性， 可对上下级的断路器额定电流进行合理配置， 也可做到跳脱曲线的时间差， 来保护线路的选择性。

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