劉 燕
貴州大學(xué),貴州貴陽 550003
電氣設(shè)計(jì)中關(guān)于短路防護(hù)器保護(hù)的計(jì)算
劉 燕
貴州大學(xué),貴州貴陽 550003
本文根據(jù)國家規(guī)范的對回路的短路保護(hù)要求的標(biāo)準(zhǔn),選擇短路保護(hù)電器的裝設(shè)范圍,并介紹了一種電氣設(shè)計(jì)中計(jì)算干線短路保護(hù)器所能保護(hù)分支回路的長度的方法。分析介紹短路防護(hù)器各級之間的選擇性配合的動作電流和動作時間的計(jì)算,同時對一種新型級間區(qū)域選擇性連鎖(ZSI)智能性斷路器在三級配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生短路故障時的動作狀態(tài)進(jìn)行了分析。
短路保護(hù)器;保護(hù)范圍;選擇性配合;ZSI
在電氣發(fā)生故障時,為了防止因線路故障短路電流產(chǎn)生線路的過熱造成設(shè)備的損壞,嚴(yán)重時可能引發(fā)火災(zāi)。短路防護(hù)器應(yīng)滿足的條件:
1)短路防護(hù)電器的遮斷容量不應(yīng)小于它安裝位置處的預(yù)期短路電流,但在下述情況下可以裝用較小遮斷容量的防護(hù)電器。此較小遮斷容量的防護(hù)電器前的上級防護(hù)電器應(yīng)具有足夠的遮斷容量,來切斷該預(yù)期短路電流,且這兩級防護(hù)電器的特性應(yīng)能適當(dāng)配合,此時當(dāng)上級防護(hù)電器切斷該短路電流時,下級防護(hù)和它所保護(hù)范圍的回路應(yīng)能承受通過的短路電流而不致?lián)p壞;
2)被保護(hù)回路內(nèi)任一點(diǎn)發(fā)生短路故障時,防護(hù)電器都能在保護(hù)回路的導(dǎo)體溫度上升到允許限值前切斷電源;
3)采用低壓斷路器保護(hù)時,短路電流不應(yīng)小于低壓斷路器瞬時或短延時過電流脫口器整定電流的1.3倍。
并非所有的電氣回路上都應(yīng)或都能裝設(shè)短路防護(hù)電器。以下的電氣回路是不應(yīng)裝設(shè)短路防護(hù)電器:
1)變壓器、發(fā)電機(jī)、蓄電池等電源設(shè)備出線口至其配電盤或控制盤的連接線的首段上短路防護(hù)器是無法安裝的,其只能裝設(shè)在線路末段的配電盤或控制盤上;
2)短路防護(hù)器在切斷回路電源所造成的后果比不切斷電源的后果更嚴(yán)重的回路;
3)某些檢測回路,如三相四線制中的中性線,電流互感器的二次回路,出于安全的考慮,這些回路是不應(yīng)裝設(shè)短路防護(hù)器的;
在無短路防護(hù)電器的電氣回路應(yīng)勁可能遠(yuǎn)離易燃、可燃物環(huán)境或加強(qiáng)敷設(shè)條件避免短路產(chǎn)生的異常高溫發(fā)生火災(zāi)事故。
圖1 不同分支回路截面積時干線短路防護(hù)的保護(hù)長度
圖1所示,當(dāng)短路防護(hù)電器安裝在A點(diǎn),當(dāng)干線截面積為S1時,其能保護(hù)的最大長度為L1,較小截面積S2的回路,其保護(hù)的最大長度為L2,現(xiàn)在以L1,L2為直角邊畫一個直角三角形。長直角邊AB表示干線,短直角邊AC表示可保護(hù)的分支回路的最大值。在離A點(diǎn)距離為L3的D點(diǎn)引出一個分支回路,其截面積為S2,作一條與AC平行的直線DE與斜邊BC相交于E點(diǎn),DE的長度即是從O點(diǎn)能引出的能被保護(hù)的截面積為S2的分支回路的最大長度。
實(shí)際電氣設(shè)計(jì)中通常是采用低壓斷路器和熔斷器兩類電器作短路電流保護(hù)的系統(tǒng),各級保護(hù)可任選斷路器或熔斷器作為保護(hù)。如何保證短路防護(hù)中上下級動作的選擇性,可以避免越級跳閘引起停電面積的擴(kuò)大。無選擇性短路跳閘可造成某些重要負(fù)荷和特別重要負(fù)荷突然停電,從而造成重大損失。
1)熔斷器之間的選擇性配合
上下級熔斷器之間選擇性配合:在電弧時間小于0.1s時,要通過I2t特性校驗(yàn)。電流值大于16A的串聯(lián)熔斷體的過電流比為1.6:1,這一條件下可實(shí)現(xiàn)選擇性熔斷。
2)熔斷器與非選擇型斷路器之間選擇性配合
當(dāng)熔斷器是上級,非選擇型斷路器為下級短路保護(hù)器時,熔斷器的熔斷時間要大于斷路器瞬時脫扣動作時間+0.1s;當(dāng)非選擇型斷路器是上級,熔斷器為下級短路保護(hù)器時,熔斷器短路熔斷電流小于Iset3,但在實(shí)際電氣設(shè)計(jì)很少采用。
3)熔斷器與選擇型斷路器之間選擇性配合
當(dāng)選擇型斷路器是上級,熔斷器為下級短路保護(hù)器時,找出下級多個熔斷器額定電流值的最大值Imax,根據(jù)短路電流計(jì)算出短路電流,Id大于1.3Iset2,再根據(jù)熔斷器的電流特性曲線,查出短路電流條件下熔斷時間t1,將斷路器短路脫扣器動作時間t2=(0.15+0.2)t1;
4)非選擇型斷路器與非選擇型斷路器之間選擇性配合
此種配合斷路器的動作的配合缺乏選擇性,故在實(shí)際設(shè)計(jì)中不采用。
5)選擇型斷路器與非選擇型斷路器之間選擇性配合
當(dāng)選擇型斷路器是上級,非選擇型斷路器為下級短路保護(hù)器時,上一級的Iset2要大于下一級Iset3的1.2倍。下一級Iset3在滿足靈敏性的情況下,可設(shè)定大些為好,此做法可避免在短路電流很大的情況下,上下級都瞬時動作,使得斷路器動作缺乏選擇性。
6)級間區(qū)域選擇性連鎖(ZSI)
這是一種利用微電子技術(shù)生產(chǎn)的智能性斷路器,它可完全有效的解決短路防護(hù)中的級間選擇性瞬時誤跳閘問題。該技術(shù)是電網(wǎng)中各級斷路器脫扣器之間通過通信線路或數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)選擇性跳閘。概括來說,當(dāng)檢測電路在2ms內(nèi)連續(xù)采樣到的電流值均超過短路短延時或接地故障電流整定閥值時,控制器發(fā)出脫扣命令,與此同時檢控制器還將發(fā)送一個信號給上級斷路器:告知下一級脫扣器已脫離,并讓上級斷路器準(zhǔn)備0.1s-0.4s延時脫扣。若下級斷路器脫扣,使得故障排除,則上級斷路器就推出延時脫扣狀態(tài),繼續(xù)正常工作。當(dāng)下級斷路器脫扣器因機(jī)械等其它各類原因無法正常脫扣時,此時上下兩級的控制器的檢測電路均將檢測出短延時或接地故障電流超過上下級整定閥值的情況,上一級控制器在20ms內(nèi)沒有接收到下一級斷路器脫扣器送來的已脫扣的信號,且此時檢測發(fā)現(xiàn)短路情況仍存在,則上一級控制器按預(yù)先設(shè)定預(yù)整定時間后瞬時分閘動作,同時是將故障分?jǐn)嗉夁M(jìn)行脫扣的信號向更上一級控制器傳遞,使得上級的斷路器脫扣器不動作。圖2為一典型的三級配電網(wǎng)系統(tǒng)在裝設(shè)帶有ZSI功能斷路器時電路圖。由于帶有ZSI功能斷路器存在上下各級之間的信號傳遞,所以要在這類智能斷路器上下之間與主母線平行敷設(shè)一組控制線。
末段回路是最容易發(fā)生短路地方。當(dāng)故障1發(fā)生時C2控制器檢測出短路電流,其脫扣器動作,并向B1斷路器報告下一級脫扣器已脫離信號,讓B1準(zhǔn)備0.1s-0.4s延時脫扣。若B1的控制器未檢測到電流值均超過短路短延時或接地故障電流整定閥值時,B1脫扣器不動作,此時故障已在C2脫扣動作后切除了;若B1的控制器檢測到電流值均超過短路短延時或接地故障電流整定閥值時,B1在C2脫扣器脫扣動作后0.1s-0.4s實(shí)施脫扣動作,并向上一級A斷路器通知下一級脫扣器已脫離信號,讓A準(zhǔn)備0.1s-0.4s延時脫扣。若A未檢測到電流值均超過短路短延時或接地故障電流整定閥值時,A脫扣器不動作,反之,則A脫扣器動作。在實(shí)際電氣設(shè)計(jì)中若配電網(wǎng)為三級時,常將A和B1、B2 瞬時保護(hù)關(guān)閉,其脫扣器的延時時間設(shè)置分別為0.4s和0.2s,C1、C2、C3因處于末端,只需要長延時和瞬動保護(hù)。
這類智能智能性斷路器可使配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為合理,也無需增加配電回路數(shù)和為保證線路的熱穩(wěn)定性增加回路導(dǎo)體的截面積。但此類產(chǎn)品價格較高,故目前適用于重要的建筑物的配電系統(tǒng)中,隨著技術(shù)的發(fā)展,此類智能智能性斷路器將廣泛使用于各類配電系統(tǒng)中,從而幫助電氣設(shè)計(jì)人員解決越級跳閘造成停電面積擴(kuò)大的問題。
短路保護(hù)器是在電路在發(fā)生短路故障的瞬間對發(fā)生故障的電路進(jìn)行切除,減少短路故障的影響范圍,減少停電范圍。上述內(nèi)容就短路線路的保護(hù)范圍的簡單計(jì)算和短路保護(hù)器之間的選擇性配合的計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)的分析,并指出各級保護(hù)器配合的整定時間和整定電流的關(guān)系以及使用的情況,并著重介紹了一種新型級間區(qū)域選擇性連鎖(ZSI)智能性斷路器,對其工作原理和在三級配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生短路故障時的動作狀態(tài)進(jìn)行了分析。
[1]王厚余.低壓電氣裝置設(shè)計(jì)安裝和檢驗(yàn)[M].北京:中國電力出版社,2007.
[2]周茂祥.低壓電器設(shè)計(jì)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.
[3]中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院等編.工業(yè)和民用配電設(shè)計(jì)手冊[S].3版.中國電力出版社,2005,10.
[4]《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50054-1995.
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1674-6708(2011)48-0109-02
劉燕,講師,國家注冊電氣工程師,研究方向:建筑電氣