李 立

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102627）

0 引言

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，確保配電網(wǎng)絡(luò)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行，斷路器的作用尤為重要，特別是在處理短路故障時(shí)。短路故障可能對(duì)配電系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害，甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰[1]。因此，選用合適的斷路器對(duì)于確保電網(wǎng)的可靠性、安全性和高效性至關(guān)重要，斷路器選型應(yīng)基于系統(tǒng)的具體需求，包括最大負(fù)載電流、系統(tǒng)電壓以及預(yù)期的短路情況。本文將評(píng)估不同斷路器的響應(yīng)時(shí)間、短路電流承受能力以及它們?nèi)绾纹ヅ涮囟ǖ碾娏ο到y(tǒng)參數(shù)，探討斷路器選型如何影響配電系統(tǒng)在短路故障時(shí)的響應(yīng)和穩(wěn)定性。

1 斷路器與配電系統(tǒng)概述

1.1 配電系統(tǒng)的重要性

配電系統(tǒng)是現(xiàn)代社會(huì)中不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施之一，它將電能從發(fā)電廠傳輸給工業(yè)、商業(yè)和住宅用戶(hù)，為各種電氣設(shè)備和應(yīng)用提供電力。配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)社會(huì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要，如果配電系統(tǒng)遇到故障或中斷，可能導(dǎo)致生產(chǎn)停工、信息系統(tǒng)崩潰、交通混亂以及生活不便。因此，維護(hù)和改進(jìn)配電系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。

1.2 短路保護(hù)的必要性

在配電系統(tǒng)中，短路是一種常見(jiàn)但危險(xiǎn)的故障情況。短路通常是由電路中的兩個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體之間的意外連接導(dǎo)致的，會(huì)使電流迅速升高到危險(xiǎn)水平。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)亩搪繁Ｗo(hù)措施，這種高電流可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)、電氣設(shè)備損壞甚至威脅人員安全。因此，短路保護(hù)是維護(hù)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的必要組成部分。

1.3 不同類(lèi)型的斷路器及其特性

在配電系統(tǒng)中，不同類(lèi)型的斷路器被設(shè)計(jì)用來(lái)切斷電路以保護(hù)系統(tǒng)和設(shè)備免受短路和過(guò)載的影響。表1是一些常見(jiàn)的斷路器類(lèi)型及其特性：1）空氣斷路器使用壓縮空氣或氣體絕緣，具有高電流承受能力和可靠性，但響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)；2）真空斷路器，采用真空絕緣，能快速切斷電路且維護(hù)要求較低，廣泛用于高電流線路保護(hù)；3）SF6斷路器，采用六氟化硫氣體絕緣，具有出色的絕緣性能和高電流承受能力，主要應(yīng)用于高壓電力系統(tǒng)。

表1 常見(jiàn)的斷路器類(lèi)型及應(yīng)用領(lǐng)域

1.4 配電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

配電系統(tǒng)是由多個(gè)關(guān)鍵組件構(gòu)成的復(fù)雜電力網(wǎng)絡(luò)，其中包括發(fā)電站、變電站、變壓器、電纜、開(kāi)關(guān)設(shè)備等。這些組件協(xié)同工作，將電能從發(fā)電站傳送到終端用戶(hù)，確保電力分配的可靠性和穩(wěn)定性[2]。配電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)是電力供應(yīng)鏈的關(guān)鍵組成部分，對(duì)整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行起到關(guān)鍵作用。

圖1 配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.5 不同類(lèi)型斷路器的技術(shù)規(guī)格

斷路器的技術(shù)規(guī)格包括：1）額定電流承受能力，即斷路器可以安全切斷的電流水平；2）絕緣介質(zhì)的類(lèi)型，如空氣、真空等；3）響應(yīng)時(shí)間，即切斷電路所需的時(shí)間；4）維護(hù)要求，包括定期檢查和維護(hù)的頻率；5）特殊功能，如過(guò)載保護(hù)、接地故障保護(hù)等。這些規(guī)格對(duì)于選擇適當(dāng)?shù)臄嗦菲骱托阅軠y(cè)試至關(guān)重要，具體技術(shù)規(guī)格如表2所示。

表2 不同斷路器的技術(shù)規(guī)格

2 實(shí)例分析

以某城市會(huì)議中心綜合提升工程為案例進(jìn)行研究，具體設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

1）計(jì)算負(fù)載電流（I）：根據(jù)負(fù)載功率（P）和功率因數(shù)（cos φ）計(jì)算負(fù)載電流（I）。

式中：P為負(fù)載功率，P=250 kW；U為線電壓，U=380 V；cos φ為功率因數(shù)，cos φ=0.8；Kx為需用系數(shù)，取0.8。

計(jì)算得到負(fù)載電流I≈380 A。

2）電纜載流量系數(shù)（K）：綜合考慮降容系數(shù)、校正系數(shù)等各種因素，包括電纜的材料、溫度、布線方式等。具體的K值可以從電纜制造商的技術(shù)資料中獲得，或根據(jù)電氣規(guī)范計(jì)算進(jìn)行確定。本文K值取0.8。

3）選擇電纜截面積（S）：依據(jù)GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]附表C.0.1-4選取交聯(lián)聚乙烯銅芯電纜150 mm2載流量321 A，乘以系數(shù)K作為實(shí)際載流量。根據(jù)不同配電距離初步選?。簝筛鵖=150 mm2YJV-0.6/1kV電纜。

4）短路電流及斷路器選型：本文按電網(wǎng)容量無(wú)窮大、變壓器容量1 250 kVA計(jì)算。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，結(jié)合配電距離的影響，得到斷路器的選型參數(shù)如表3所示。

表3 配電距離及選型參數(shù)

可見(jiàn)，配電距離越遠(yuǎn)，短路電流越??；此外，也在一定程度上影響斷路器的靈敏性選擇。

3 斷路器選型與短路保護(hù)性能關(guān)系分析

3.1 不同電纜長(zhǎng)度對(duì)斷路器選型的影響

斷路器選型需考慮電纜長(zhǎng)度對(duì)電路阻抗和短路電流的影響，根據(jù)不同的配電距離，靈活選擇斷路器的額定短路分?jǐn)嚯娏鳎詽M(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)際短路情況，確保斷路器的額定電流能夠覆蓋系統(tǒng)的負(fù)載需求，同時(shí)，選型需要平衡短路保護(hù)和過(guò)載保護(hù)的需求。

1）10 m電纜：針對(duì)配電距離較近的情況，選擇額定短路分?jǐn)嚯娏?5 kA（高于實(shí)際短路電流）的塑殼型斷路器，以確保系統(tǒng)在高短路電流情況下的安全性，滿(mǎn)足負(fù)載需求。

2）100 m電纜：當(dāng)配電距離較長(zhǎng)時(shí)，線路阻抗增大，降低了斷路器額定短路分?jǐn)嚯娏鞯男枨?，因此選擇額定短路電流為20 kA的塑殼型斷路器，即可適應(yīng)較低的短路電流水平，滿(mǎn)足負(fù)載需求。

3.2 不同斷路器對(duì)短路保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間比較

不同斷路器根據(jù)其設(shè)計(jì)和應(yīng)用場(chǎng)景呈現(xiàn)不同的響應(yīng)速度，快速響應(yīng)對(duì)于防止設(shè)備損壞和確保電網(wǎng)安全至關(guān)重要，而不同斷路器的選擇應(yīng)基于其在短路保護(hù)中的反應(yīng)速度和應(yīng)用需求。響應(yīng)時(shí)間指的是從檢測(cè)到短路條件開(kāi)始到斷路器完全斷開(kāi)電路的時(shí)間[4]，表4展示了不同斷路器對(duì)短路保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間。

表4 不同斷路器對(duì)短路保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間

3.3 不同斷路器對(duì)短路電流的承受能力對(duì)比

短路電流的承受能力是指斷路器能夠安全切斷的最大電流值，這直接關(guān)系到電氣安全和設(shè)備保護(hù)。

1）MCB：通常承受能力在幾千安培范圍內(nèi)，適合輕工業(yè)和住宅應(yīng)用。

2）MCCB：可以處理更高的電流，承受能力可達(dá)數(shù)萬(wàn)安培。

3）ACB：適用于高電流環(huán)境，承受能力通常超過(guò)十萬(wàn)安培。

4）真空斷路器：在中高電流范圍內(nèi)表現(xiàn)良好，適合中高壓電網(wǎng)。

5）SF6斷路器：在高壓系統(tǒng)中提供最高級(jí)別的分?jǐn)嗄芰?，能承受極高的電流。

3.4 斷路器選型與系統(tǒng)可靠性的關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)系統(tǒng)需求，對(duì)于低電壓和小型負(fù)載，如住宅或小型商業(yè)設(shè)施，選擇MCB。在處理高電流和高電壓需求時(shí)，選擇ACB。對(duì)于電力傳輸系統(tǒng)，尤其是在高電壓和高電流場(chǎng)景下，選擇真空斷路器。

4 影響因素探討

4.1 環(huán)境因素對(duì)斷路器性能的影響

在配電系統(tǒng)中，環(huán)境因素對(duì)斷路器的性能具有重要影響。不同的環(huán)境條件可能導(dǎo)致斷路器的工作效果和壽命發(fā)生變化。溫度、濕度、污染等環(huán)境因素都可能影響斷路器的絕緣性能、導(dǎo)電性能和機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而影響其在短路保護(hù)中的表現(xiàn)[5]。

1）溫度因素：在高溫環(huán)境中，斷路器受到過(guò)載時(shí)的額外熱負(fù)荷，影響其散熱性能。而在極寒條件下，斷路器的機(jī)械部件可能變得僵硬，影響短路保護(hù)的速度。因此，在斷路器選型時(shí)，必須考慮系統(tǒng)所處環(huán)境的溫度范圍，以確保斷路器在各種條件下都能夠可靠地工作。

2）濕度和污染：高濕度環(huán)境可能導(dǎo)致絕緣性能下降，增加短路保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)。污染物如灰塵、化學(xué)物質(zhì)等可能在斷路器表面形成導(dǎo)電層，降低其絕緣性能。

因此，在設(shè)計(jì)配電系統(tǒng)時(shí)，需要充分考慮環(huán)境因素，因地制宜地選擇斷路器類(lèi)型，以確保系統(tǒng)在各種環(huán)境條件下都能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

4.2 系統(tǒng)容量與斷路器選型的匹配性分析

系統(tǒng)容量與斷路器選型的匹配性是影響短路保護(hù)性能的重要因素，系統(tǒng)容量的匹配性與斷路器的額定容量直接相關(guān)。選擇過(guò)低容量的斷路器無(wú)法有效地切斷高短路電流，從而導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備受損，甚至引發(fā)火災(zāi)等嚴(yán)重后果。

1）不同系統(tǒng)在負(fù)載方面存在差異，而系統(tǒng)的負(fù)載特性可能會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)電流的劇烈波動(dòng)。斷路器選型應(yīng)該考慮系統(tǒng)的負(fù)載特性，以確保在各種負(fù)載情況下都能夠提供有效的短路保護(hù)。

2）隨著系統(tǒng)容量的增加或改變，斷路器的選型需要符合系統(tǒng)未來(lái)的需求。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)容量與斷路器選型的匹配性分析時(shí)，需要綜合考慮系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以確保斷路器能夠適應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化。

5 結(jié)論

本研究明確了斷路器選型對(duì)于配電系統(tǒng)短路保護(hù)的關(guān)鍵作用，通過(guò)比較不同類(lèi)型斷路器的特點(diǎn)，得出以下結(jié)論：

1）不同類(lèi)型的斷路器如微型斷路器、空氣斷路器和真空斷路器的選型決策必須基于電力系統(tǒng)的特定需求，包括最大負(fù)載電流、系統(tǒng)電壓和預(yù)期短路故障情況等。正確的斷路器選型對(duì)于快速有效地響應(yīng)短路故障、減少潛在的設(shè)備損害、維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及保證電力供應(yīng)的連續(xù)性至關(guān)重要。

2）通過(guò)比較不同類(lèi)型斷路器的響應(yīng)時(shí)間、承受能力，并考慮不同電纜長(zhǎng)度的情況，筆者發(fā)現(xiàn)不同類(lèi)型的斷路器對(duì)于短路保護(hù)性能有不同的效果。

正確選擇斷路器并合理配置配電系統(tǒng)中的斷路器是確保短路保護(hù)性能的關(guān)鍵因素，通過(guò)深入分析和綜合考慮各種因素，可以提高配電系統(tǒng)的可靠性和安全性，確保電力供應(yīng)的連續(xù)性。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步探討新型斷路器技術(shù)和智能化短路保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用，以滿(mǎn)足不斷變化的電力需求。