低压断路器设计选型常见问题剖析_secret

1、 内容简介：针对在电气设计中低压断路器选型比较常见的问题进行分析，结合电气规范及功能要求详细说明断路器各项参数的设定，并对断路器技术的发展提出一些新的观点和构思。 低压断路器设计选型是我们低压电气设计人员在设计中需熟练掌握的一项基本的技术技能。低压断路器按使用类别分为A、B两类。A类为非选择性；B类为选择性（带短延时功能）。按设计形式分为开启式（原万能式或框架式）和塑料外壳式或模压外壳式。按动作速度分为一般型和快速型（限流型断路器），按用途可分为配电用、电动机保护用、漏电型断路器等。每一类型都有其特点，相应其参数选择亦有不同。而在实际工作当中，由于断路器选型不当或标注不全往往会给设备成套、安装

2、及日后的正常使用带来很多问题及隐患，根据近几年来的工作经验总结，低压断路器设计选型常见问题主要存在以下两个方面：一. 低压断路器选型标注不全；二.低压断路器设计选型考虑问题不全面，很多必要的步骤未考虑。一低压断路器选型标注不全 我们以一个比较有代表性的塑壳断路器（国产CM1）标注作为范例：CM1-100HP/33102 In80A。从这个范例标注中我们可以明确该断路器壳架等级电流为100A，额定极限分断能力为高分断型（H）,带电动操作机构(P),极数为三极，脱扣方式及附件为热动电磁（复式）脱扣并带分励脱扣，电动机保护用，额定电流为80A，这就是这个范例给我们带来的全部信息。在我们的设计图纸中，

3、断路器壳架等级电流、极数及额定电流的选择比较容易，一般不会有遗漏，比较容易发生问题的是额定极限分断能力、脱扣方式及附件、配电用途的标注。1.额定极限分断能力(ICU)： 额定极限分断能力ICU：制造厂按相应的额定工作电压规定断路器在规定的条件下应能分断的极限短路分断能力值,用预期分断电流表示(在交流情况下用交流分量有效值表示)。额定分断极限能力按样本资料分为基本型（C）、标准型（L）、较高分断型（M）、高分断型（H）, 具体选择哪种形式主要根据短路电流计算来确定，在设计中应避免两件事：一是不标明分断能力，二是不进行短路电流计算而盲目选型。不标明断路器分断能力就是将分断能力的选择权交给了配套厂家

4、，而厂家通常是凭经验选型或选择低分断能力的断路器从而节省造价，这样就会造成有些断路器的分断能力达不到具体工程要求从而造成隐患。不进行短路电流计算,就无法对分断能力的选择作出准确的判断，为保险起见设计人员通常选择较高分断型或高分断型的断路器，这样做表面上没有什么错误，但对于一个完整的电气工程设计是有欠缺的，在一定程度上会造成工程造价不合理提高。2. 脱扣方式及附件通常用于短路保护和过载保护的脱扣器，有以下几种：（1）瞬时脱扣器：即没有人为延时动作的脱扣器。此种瞬时特性的过电流保护通常能无选择性地迅速切除短路故障。（2）三段保护特性脱扣器：具有长延时、短延时及瞬时脱扣器的过电流保护，是较完整的保护

5、方式，瞬时脱扣器的整定值，其动作时间约为0.02秒；Izd2为短延时脱扣器整定值，其动作时间约为0.10.4秒；Izd1为长延时脱扣器整定值，其动作时间可以不小于10秒钟。一般瞬时脱扣器用作短路保护；短延时脱扣器可作短路保护，也可作过载保护；长延时脱扣器只作过载保护。根据需要可以组合成二段保护（瞬时脱扣加短延时脱扣，或者瞬时脱扣加长延时脱扣），也可有一段保护（瞬时脱扣或短延时脱扣）。 （3）复式脱扣器：断路器中的电磁脱扣器加上热脱扣器合称复式脱扣器。电磁脱扣具有瞬时特性，可保护短路。热脱扣器具有长延时特性，可保护负载，故复式脱扣器具有二段保护特性。通常的配电用途断路器都是选择热动电磁（复式）脱

6、扣，而在一些电动机经济型协调配合中可选用电磁脱扣和热继电器保护电动机。 断路器的附件通常有报警触头、分励脱扣器、辅助触头、欠电压脱扣器，具体选用附件需根据工程需要确定，这里强调的是分励脱扣器控制电源的选择，通常分励脱扣器默认的的电源规格为AC230V、400V，但如果控制电源为DC24V,例如：用于消防联动；则图纸断路器标注应标明分励脱扣器脱扣电压采用DC.24V，否则一旦订货，由于分励脱扣器电源规格与控制电源不匹配，安装时施工人员需在现场另外增加一个DC24V中间继电器并增加一路交流控制电源，给安装造成了不必要的难度。3.保护用途断路器一般分为配电用及保护电动机用，设计人员经常容易忽略的是电

7、动机保护用断路器忘记标注，通常断路器选型默认为配电型，由于配电用断路器过电流脱扣器瞬动倍数比保护电动机用断路器低，这样一旦电动机保护用断路器选用了配电型，就有可能造成断路器的瞬时整定电流不能躲过线路的正常工作启动电流，从而造成频繁跳闸，无法正常启动电动机。二低压断路器设计选型考虑问题不全面低压断路器的选择应同时满足下面各项要求：1保证在正常工作条件下不应切断电路。（1）正常工作时不切断: Izd1Ijs; Ijs：计算电流由线路的计算电流来决定断路器的额定电流，这是低压断路器设计选型最基本的一个步骤，很多设计者在完成这一步骤后就万事大吉了，实际上还有很多问题和步骤应该在设计中予以充分考虑。(2

8、) 用电设备启动时不切断电路(按单台或配电线路中最大一台笼型电动机直接启动): 配电用断路器的瞬时过电流脱扣器整定电流应躲过配电线路的尖峰电流。根据中国航天工业规划设计研究院等编工业与民用配电设计手册（第三版）：P116-（11-6）公式：即Izd31.2IqM1+Ijs(n-1)式中Izd3为断路器的瞬时过电流脱扣器整定电流；IqM1为线路中最大一台电动机的全启动电流（A），其值可取电动机启动电流的2倍；Ijs(n-1)为除启动电流最大的一台电动机以外的线路计算电流（A）。根据通用用电设备配电设计规范GB50055-93,2.4.4条第3款规定:瞬动过电流脱扣器或过电流继电器瞬动元件的整定电

9、流，应取电动机启动电流的22.5倍。对于单台电动机， Izd3（22.5）IqM.； 式中：IqM为笼型电动机的启动电流。根据上式，我们可以举一个简单的单台电动机例子来说明低压断路器瞬时脱扣器的整定，一台Y系列（Y160L-4 15kW，轻载启动）电动机，启动电流IqM为212.1A，以塑壳式CM1断路器选型为例，如整定电流定为32A,选用电动机保护型瞬动倍数按12倍整定IZd3为384A， Izd32IqM=424.2A,不满足设计要求，如整定电流定为40A按12倍整定为480A，Izd32IqM=424.2A满足设计要求。2.发生接地故障时应保证在规定时间内切断。 根据低压配电设计规范GB

10、50054-95，4.2.3条规定，当保护电器为符合JB1284-1985低压断路器的低压断路器时，短路电流不应小于低压断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍。(1) 运用瞬时脱扣器时: Id11.3Izd3.(2) 带有短延时脱扣器时: Id11.3Izd2.(3) 当带有零序保护时: Id11.3Izd0(一般用于主干线). 式中: Id1为单相接地故障电流， Izd0为断路器零序保护整定电流.(4) 当采用剩余电流保护时: Id11.3IzdG(一般用于主干线).式中IzdG为断路器剩余电流保护整定电流.由于单相接地短路电流较小，断路器的瞬时脱扣器一般较难满足要求，可用其长延时

11、脱扣器作后备保护，必要时可加装零序保护装置，或在中性线上加装电流互感器电流继电器，或采用漏电继电器等方法以分断断路器。3.保护电器应保证在导体达到过载温度前切断。 (1) 过负载保护:根据低压配电设计规范GB50054-95，4.3.4条规定，过负载保护电器的动作特性应满足下列条件：IjsIzd1Iz. 式中Iz为电缆或导体载流量. (2) 短路热稳定校验:a.根据低压配电设计规范GB50054-95，4.2.2条第1款规定，当短路持续时间不大于5s时,绝缘导体的热稳定应按下式校验：S It /K； 式中：S为绝缘导体的线芯截面，mm2；A为短路电流有效值，均方根值A；t 在已达到最高持续工作

12、温度的导体内短路电流持续作用的时间，秒；K 为不同绝缘的计算系数。b.根据低压配电设计规范GB50054-95，4.2.2条第3规定，短路持续时间小于0.1S时，应计入短路电流非周期分量的影响；本规范“条文”解释：按下式效验： （K.S）2I.2t 。4.按线路的最大短路电流来校验低压断路器的短路分断能力。本条的核心是短路电流的计算，由于很多工程设计周期过短或外部条件不明确，设计人员往往来不及进行详细的短路电流计算而凭经验确定断路器短路分断能力或不分地点场合盲目选择高分断能力的断路器，这些都会影响电气工程的设计质量并造成工程造价不合理提高。尤其是大量工程施工方不按设计图纸选定断路器订货，设计人

13、员在验收时如果不仔细核对或者对各配电区域短路电流没有一个基本概念，就很容易出现问题，让不合格的断路器投入运行从而造成隐患。现在很多工程变压器容量较大，在民用建筑中1600kVA、2000kVA甚至2500kVA的变压器大量选用，线路的短路电流也相应增大，因此在离变压器较近的配电箱，箱内断路器的短路分断能力的选择更应详细计算，我们可以举例说明。设定变压器容量为1600kVA（Uk%=6），距配电室25m处有一配电箱，进线电缆为YJV-4X70+1X35，经查表该配电箱处三相短路电流为Ik1=18.52kA，单相短路电流Id1=8.06kA，根据计算结果，以CM1断路器为例该配电箱选择额定运行短路

14、分断能力Ics=35kA可满足设计要求，这一般不会有问题，但最容易犯错误的是单相断路器的选定，以C65系列小型断路器为例，由于设计惯性很多图纸都以C65N(6kA) 接单相回路，而本例单相短路电流Id1=8.06kA，所以应选用C65H(10KA)或C65L(15kA)。如配电箱距配电室50m，进线电缆同样为YJV-4X70+1X35, 根据中国航天工业规划设计研究院等编工业与民用配电设计手册（第三版）查表计算单相短路电流Id1=4.33kA，单相断路器选用C65N(6kA)是符合设计要求的。5.保护电器上下级之间应有选择性动作。 根据低压配电设计规范GB50054-95，4.1.2条规定，“

15、配电线路采用的上下级保护电器，其动作应具有选择性；各级之间应能协调配和。但对于非重要负荷的保护电器，可采用无选择性切断”。按本规范“条文”解释，以往由于我国保护电器的性能较差，在低压配电系统中要做到选择性保护是有困难的。目前低压电器发展较快，熔断器、断路器的更新换代产品的特性已有很大的改善。例如按新标准生产的熔断器（NT型等）选择比为1：16，具有三段保护的断路器也能大量生产，目前配电系统要做到选择性已具有一定条件。但是考虑到低压配电系统量大面广，低压配电系统要做到完善的选择性还有困难。结合我国国情，低压配电系统只要部分满足保护选择性就可以了。即保证重要负荷不间断供电，对于非重要负荷允许无选择

16、性切断。长期以来，设计人员习惯了对配电系统的保护选择性问题不作深究，断路器选择性保护对设计者来说一直是一个没有很好解决的难题，在一些工程回访中，故障点发生短路越级跳闸的现象屡有发生，但变压器主进线断路器越级跳闸是应该绝对避免的。从一些断路器选择性保护的技术资料及文献来看，设计者应着眼于以下几个方面。（1）上级不宜选用非选择型断路器，因这种情况属无选择性。特别是首端应有选择性动作。（2）上下级的选择性配合，应用上下级断路器的特性曲线配合选择比较准确，只要上下级断路器特性曲线不相交即可，当无断路器特性资料时，可以用上下级的可靠系数选用。根据中国航天工业规划设计研究院等编工业与民用配电设计手册-P6

17、50公式（11-21），上级用选择型断路器（一般用于主干线）应按以下要求整定： a. Izd2（上）1.2Izd3(下)或Izd2（上）1.2Izd2(下) b. 当带有短延时脱扣器时,Izd3不宜太小，一般为：Izd3=（1215）Izd1.（3）优先保证变压器主进线断路器的选择性保护并兼顾配电柜出线断路器的选择性保护。主进线断路器与各馈出线的保护电器都装在低压配电屏内,距离不过几米,在此范围内发生短路和接地故障的概率很小,如经计算主进线断路器瞬动电流小于下级开关的短路电流，可采取主保护不设瞬动脱扣器而只设长延时及短延时整定电流，以避免故障时主断路器无选择性动作。并保证断路器长（短）延时整定电流大于下级断路器长（短）延时整定电流的1.2倍，短延时整定电流大于下级断路器瞬时整定电流的1.2倍。（4）对于非选择型断路器，一般用于二级及三级配电出线回路中，比较可靠的选择方法是通过一些厂家的保护选择性配合表或通过上下级断路器的特性曲线配合选择来实现，但这也有很多局限性，只有少数合资厂家提供了断路器选择性配合表，除选择型断路器外，大多数厂家都未提供断路器保护选择性的配合数据，从目前断路器发展的技术及工艺水平看非选择型断路器的选择性配合保护还不能完全实现。三低压断路器选择