开关电器知识——断路器的基本原理

开关电器知识——断路器的基本原理

我们看下图：

图中的电力变压器容量已经确定。它的参数为：

设系统的电力变压器容量是2000kVA，它的阻抗电压是6%，它的低压侧额定电压是400V。我们来计算它的额定参数：

额定电流：

变压器实际负载率为70%，因此实际电流为：

短路电流：

冲击短路电流峰值：

以上这些数据可见本系列文章的第六篇。

（1）确定下级断路器的工作参数

我们把图中需要讨论的地方用红框框起来，如下：

首先，我们要确定这三个断路器的额定电流。

注意到这三个断路器均与最终负载有关，我们就先来确定二级配电系统的元器件参数。

1）确定二级配电系统电动机保护断路器的参数

下图是二级配电系统：

首先，我们来计算电动机回路的电流：

当电动机刚刚加载电压时，它的转子还未旋转，此时的电流最大，叫做电动机的起动冲击电流Ip。

下图中黄色的线就是电动机的起动线。我们看到，它从原点开始，向右到达最大值Ip，然后电流开始回归，最后稳定在左上侧的曲线段。

作为电动机回路的断路器，它的瞬时短路保护I参数脱扣值I3应当大于

Ip。又知道起动冲击电流。若取12倍额定电流，则因为断路器的I参数最大为10Ie，所以断路器的额定电流为1.2倍电动机额定电流：

QF122断路器的额定电流为：

故取QF122的额定电流为160A，并且采用单磁断路器，也即只有磁脱扣器保护的断路器。

电动机的过载保护和堵转保护，自然就是热继电器的工作了。关于热继电器的保护，我们将在本系列文章的相关内容中去讨论。

不过，我在这里要把接触器与断路器之间的一个很重要的配合关系给说明一下。

当系统中发生短路时，它的电流当然会超过Ip，于是断路器QF122就会执行跳闸保护。然而，断路器的跳闸保护时间最快也要15毫秒。在这段时间内，接触器会发生何种状况呢？

看过前几章的读者一定会记得，当短路电流流过接触器时，触头间的霍姆斥力有可能会超过触头压力，于是触头被斥开；触头斥开后，霍姆力消失，只剩下安培力，于是触头再次闭合，接着再次斥开，接着再次闭合。几次过后，触头间的电弧会将触头熔焊。

在GB14048.4-2008《低压开关设备和控制设备第4部分：电动机起动器、……》标准中，把接触器与断路器之间的配合关系分为两类，叫做类型1和类型2。我们来看看标准是如何定义的：

这段标准内容定义了SCPD保护关系，也就是断路器或者熔断器当它们在执行短路保护期间，接触器与它们之间的配合关系。

注意：当发生短路时，如果某开关电器能主动地切断短路电流，此开关电器被称为主动元件；当发生短路时，如果某开关电器只能被动地承受短路电流的冲击，则此开关电器被称为被动元件。

在低压配电系统中，只有断路器和熔断器是主动元件，其它元件（包括接触器在内）都是被动元件。由此可见，SCPD其实就是主动元件与被动元件之间的对短路保护的协调配合关系。

我们看标准文本中加蓝色框内的文字，对类型1下的接触器在短路条件下不应对人及设备引起危害，在未修理和更换零件前，不能继续使用；对于类型2下的接触器则在短路后还能继续使用。

所以，在选用接触器时，一定要选用与断路器具备类型2（TYPE2）保护配合方式的接触器。

我们来看看ABB编写的电动机回路元器件配合关系表，如下：

注意看文中的开头就点明了直接起动（类型2）的字样。

2）确定二级配电系统进线断路器的参数

我们在二级配电系统中还看到了三个馈电回路，它们的电流都是100A。因此，二级配电系统的总电流就是130.6+3X100=430.6A。

二级配电进线断路器的额定电流不小于总计算电流。因此，我们让二级配电系统总进线断路器QF121选用500A额定电流的断路器即可。

现在，我们来考虑二级配电进线断路器的短路瞬时保护。对于短路保护，我们必须考虑到电动机起动时的冲击电流，也即尖峰电流的影响。

我们把系统各个回路的额定电流之和叫做计算电流Ijs，把电动机的起动倍数叫做Km，把电动机的起动冲击电流倍率叫做Kp，则总断路器

QF121的短路瞬时I参数为：

一般地，取，取。

注意，我们把这两个系数乘起来，得到10.2~12，恰好就是前面所说的电动机起动冲击电流的系数范围。

二级配电进线断路器的选配原则是：

#1.低压断路器的额定工作电压不小于线路额定电压；

#2.低压断路器的额定电流不小于线路计算负载电流：

#3.长延时动作过载电流整定值≤导线容许载流量，即：动作整定值等于0.8~1.0导线容许电流；3倍长延时动作电流整定值的可返回时间≥网络中最大起动电流的电动机起动时间；

#4.短延时动作电流整定值。这里的是系统中最大功率电动机的起动电流倍率，一般取值为6。是最大功率电动机的额定电流。短延时S参数的延迟时间按被保护对象的热稳定时间校核；

#5.瞬时电流整定值。这里的是电动机起动冲击系数，其值为：。

#6.分励和欠电压脱扣器的额定电压应等于线路额定电压。

#7.断路器的极限短路分断能力Icu不小于被控网络中的最大短路电流；注意1：系统末端单相对地短路电流与低压断路器瞬时（或者短延时）脱扣器整定电流之比不小于1.25，以此确保发生单相对地短路时断路器能够跳闸保护。

注意2：当动作时间大于20ms时，把短路电流周期分量有效值作为最大短路电流；当动作时间小于20ms时，把短路电流第1周期内的全电流作为最大短路电流。

$8.欠压脱扣器额定电压等于网络额定电压。

确定一级配电系统的馈电断路器QF11与二级配电系统进线断路器QF121之间的保护配合关系

=================

本篇文章到此结束，下一篇我们把一级配电系统的馈电断路器QF11和二级配电系统的进线断路器QF121合并在一起，来考虑它们之间的选择性配合关系，以及电缆载流量的选择问题。

补充知识：关于变压器短路电流的计算

我们看下图：

图中的变压器T，我们把它的副边经过电流表短接。

再看原边，我们接了一套电源可变电源E与变压器原边绕组并联。设起始时电源输出为零，然后缓慢上升。

当副边的电流等于短路电流时，原边的电压为U1，且U1小于额定电压Un。

我们再令，Uk就是阻抗电压，它是电压的比值。

阻抗电压是电力变压器的基本参数。利用阻抗电压可以计算变压器的短路电流。

我们来看下例：

从铭牌中我们看到，变压器低压侧电压为400V，阻抗电压（短路阻抗）为4.66%，变压器容量800kVA。

于是有：

变压器额定电流：

变压器短路电流：

注意：第二式分子中乘以10的（-3）次方，目的是把计算结果从A（安）转换为kA（千安）。

阻抗电压非常重要，它是变压器计算中的最重要参数之一。

若要求变压器的冲击短路电流峰值，则必须差国家标准规定的峰值系数n。