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跟老帕学低压电器知识:断路器各项技术参数和指标详解!

机械工业出版社E视界2020-07-30 13:49:41


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张白帆(Patrick Zhang):ABB公司的资深电气工程师,在知乎网拥有超过15万粉丝的电气领域大神。北京地铁、首都机场T3航站楼、长江三峡永久船闸、上海磁悬浮列车、大亚湾核电站等数百项目中均留下他的足迹!已出版《低压成套开关设备的原理及其控制技术》第3版《老帕讲低压电器技术》等图书。

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大家久等了,今天我们会继续来讲断路器,探讨断路器的各项技术参数和指标。我们主要会讲以下内容:


1.额定电流,以及与额定电流相关的知识;

2.额定电压、额定绝缘电压和额定工频耐受电压,额定电压与额定电流的关系;

3.断路器过载保护和短路保护;

4.变压器短路电流的计算。


额定电流相关知识


首先,建立有关开关电器的环境温度和温升的概念


我们来看图1:


图1中,开关电器由动静触头和相应的导电杆组合而成。我们加载了220V的交流电压,负载是信号灯HL。系统的工作电流是I。


开关电器的发热量Q1主要由导电杆的发热量加上触头的发热量共同构成。有发热当然有散热,我们设系统的散热量为Q2。我们肯定地知道,当开关电器运行了一段时间进入稳定状态后,必定有Q1=Q2。


我们还知道,系统的温度与Q1和Q2有关。并且,金属材料的温度越高,则金属材料的机械强度就越低。事实上,打铁匠把铁块烧红了再进行机加工会容易得多,其原理类同。


图1中给出了两种情况。凭着我们的生活经验很容易判断出来,当然1图的系统温升要比2图的系统温升低。


温升,一个专有名词,它是指工作温度与环境温度之差。


有关开关电器的国家标准中规定,开关电器的环境温度以40度来计算。所以温升就是开关电器的工作温度与40的差值。并且,温升的单位是开尔文K——绝对温标。


那么开关电器的温升与什么有关?


第一,开关电器的运行电流。电流越大,温升就越高;


第二,环境温度。环境温度越高,开关电器的温升也就越高;


第三,散热条件。散热条件越差,温升会越高;


第四,海拔高度。越往高处走,空气越稀薄,空气的散热能力也越差。


第五,工作时间和负载工作特性。工作时间越长开关电器的稳态温升就越高;负载运行电流相对额定电流的倍率越大,温升就越高。


由以上描述我们可以看出,开关电器的工作电流与温升之间的关系非常密切。


第二,断路器额定电流的定义


在有关断路器的标准中,把断路器的额定电流定义为约定自由空气发热电流。在国家标准GB14048.1-2012《低压开关电器和控制电器 第1部分:总则》中对约定自由空气发热电流的定义如下:


我们看到,在国家标准中,额定电流与断路器的发热和散热的联系十分紧密。


第三,初探开关电器的温升


如前所述,当某开关电器流过一定大小的运行电流Iu,开关内部的导电杆(排)、触头等等一定会产生热量,并且温度会升高。当开关电器运行了一段时间后,发热和散热达到平衡,此时的温度必须确保导电材料的机械强度没有明显降低。


我们把Iu的最大值叫做开关电器的额定电流。


值得注意的是,额定电流的测试和确定是将开关电器置于空气中测试的,也即自由空气发热电流。


我们看图2:


图2中,我们看到了断路器的内部结构,其中会引起温升的是接线端子、导电材料和软连接,还有触头材料等等。在这诸多发热体中,发热量最大的是导电材料和接线端子。


设某款断路器的导电杆截面是5mm×15mm,长度是50mm,电阻率是,综合散热系数是,流过的电流是250A,则此断路器导电杆的温升是:


我们看到,断路器导电杆的温升是38.5K。


再来看触头的温升:


我们设动静触头间的接触电压是Uj=0.01V,于是触头与导电杆的连接处的温升是:


我们再设环境温度为40度,则触头与导电杆连接处的绝对温度T为:


于是动静触头接触处的温升为:


我们发现,此款断路器的导电杆和接线端子的温升是38.5K,导电杆与触头连接处的温升是10.9K,触头的温升为5.8K,总温升为:38.5+10.9+5.8=55.2K,而导电杆的温升占总温升的70%。


在实际产品中接线端子的温升占比会更高。也因此,国家标准规定开关电器的温升就用它的接线端子上的温升来代替。


至此,我们把接线端子的温升与开关电器的温升关联起来了。


第四,国家标准中对断路器接线端子温升的规定


断路器接线端子的材质一般为铜,表面有可能仅作抛光处理,也可能镀锡、镀镍或者镀银。根据这几种不同的情况,GB14048.2-2008《低压开关设备和控制设备 第2部分:断路器》规定如下:


我们看到,裸铜接线端子温升为60K,镀锡接线端子的温升为65K,镀镍或者镀银接线端子的温升为70K。如果加上环境温度40度,则裸铜接线端子的温度是100摄氏度,镀锡铜接线端子的温度是105度,而镀镍铜接线端子的温度是110度。


第五,断路器运行电流与开关设备防护等级、海拔高度有关吗?


答案是肯定的:有关。


所谓防护等级,指的是开关设备的防水防尘性能,也即开关设备的IP等级。


显见,防护等级越高,开关设备安装的柜体越密闭,当然开关设备的散热变差,自然温升就要升高了。


而海拔高度越高,空气密度就越低,开关电器通过热对流散热的能力也就越低,开关电器的温升就越高。


我们再来看看ABB的Emax框架断路器高海拔的降容系数,如下:


我们看到,不但额定电流要降,连额定电压也要降。


以上便是关于断路器额定电流知识的讲解。


额定电压相关知识


打开GB14048.1-2012《低压开关电器与控制电器 第1部分:总则》,我们来看看标准中是如何定义额定电压、额定绝缘电压和额定工频耐受电压的:


这一段定义和说明很重要,我们来仔细研读一番:


由4.3.1条我们看见,额定电压与额定电流是相互配套的。对于某断路器而言,会有几个不同的额定电压(额定电流)与它配套。


由4.3.1.1条我们看见,对于单极的断路器,额定工作电压Ue是指跨级的二端电压;对于多极电器,额定工作电压Ue指的是相间电压。


我们看下图:


图中我们可以明确地看到,额定工作电压的定义规则。


另外,从额定工作电压Ue是指跨级的二端电压可以看出,这里其实指的就是触头的开距。


我们来认识一下开距的概念:


由4.3.1.2条我们知道,额定工作电压的最大值就是额定绝缘电压Ui。


由4.3.1.3条我们知道,额定冲击耐受电压Uimp指的是电器能够承受的规定形状和极性的瞬态过电压。其实,这个值指的就是雷击波形。


我们来看ABB的Tmax塑壳断路器的额定电压、额定绝缘电压参数:


额定电压和额定绝缘电压考核的就是断路器绝缘材料的绝缘能力,以及爬电距离距离,还有空气绝缘能力等三个参数。


对于空气绝缘能力,我们在前面已经说过,它与空气的击穿特性有关。见下图:


海拔越高,空气越稀薄,气压越低,空气的击穿电压也越低。所以,如果海拔超过2000米,则断路器必须要降容。


下图是ABB的Emax框架断路器的降容系数:


我们在看看标准中对污染等级的规定:


对于工业中使用的断路器,它的污染等级为污染等级3。


到此,额定电压这点事就说完了。


断路器的保护问题


首先,我们来看下图:


我们设想,断路器已经闭合,当断路器侦测到系统中出现了过电流,它应当采取何种措施来确保系统安全?


注意过电流这个名词,它是过载和短路的总称。


作为执行线路保护的元件,断路器除了要保护线路外,还要确保自身的安全。因此,断路器的电流保护系列参数中,必定有两类:一类用于线路保护,一类用于确保自身安全。

用于线路保护的参数包括:额定电流、过载长延时L保护参数I1、短路短延时S保护参数I2、短路瞬时I保护参数I3,等等。


用于自身安全的参数包括:短时耐受电流Icw、运行短路分断能力Ics、极限短路分断能力Icu、短路接通能力Icm,等等。


两组参数合并起来,共8个,构成了断路器保护参数不等式,如下:


我们来看ABB的Emax断路器的PR121/P保护参数表。之所以拿Emax断路器来作为范例,是因为ABB的框架断路器已经升级到Emax2,我们正好拿旧版本Emax断路器来评头论足,好好体验一把:


它操作面板如下:


我们通过一个范例来讨论:


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:


查阅峰值系数表,见(GB14048.1-2012《低压开关设备和控制设备 第1部分:总则》的表16:


可知,短路电流在20kA到50kA之间,故取n=2.1。于是有:


冲击短路电流峰值:Ipk=nIn=2.1×48.1101kA。


我们再设,此电力变压器的负载率为70%,于是实际工作电流为:Iu=2887×0.72021A。


查Emax断路器的技术参数表:


我们选择E3N3200框架断路器作为我们的范例断路器,它的脱扣器是PR121/P。


E3N3200的额定电流是3200A,大于2887A;它的Icu=65kA,大于48.1kA,满足要求。至于短路接通能力Icm,它的值是143kA,大于101kA,当然也满足要求。


现在,我们再来看看这台断路器的脱扣曲线,如下:


图中红色的是L参数曲线,绿色的是S参数曲线,黄色的是I参数曲线。


图中的横坐标刻度按额定电流倍率递增,纵坐标则按脱扣时间递增,并且刻度均按对数取值。这张曲线叫做断路器的脱扣曲线。


我们由前面的内容可知,L参数曲线是反时限的,S参数曲线是反时限的,而I参数曲线是定时限的。


所谓反时限,指的是脱扣时间t与电流的平方成反比,也即


为何过载保护曲线要用反时限类型?这是因为过载电流具有一定的伸缩性,若过载电流到达最大值后即可下降h,断路器就不应当动作;其次,过载电流越大,保护动作时间就应当越短,这也符合过载保护的基本要求。


用于过载保护的曲线叫做过载长延时L保护特性。


较小的短路采用反时限类型,目的是与下级断路器实现保护配合。当发生短路时,让下级断路器先动作,避免上级开关动作后影响更多的回路失去电能供应。


这种动作曲线叫做短路短路短延时S特性。


当发生大短路事故时,断路器必须尽快动作,所以采用定时限I特性。短路定时限的动作时间一般小于15毫秒。


至此,断路器的保护问题就差不多了。下面我按2000kVA变压器绘制了一张低压配电系统图,我们针对这张图来选配各级断路器的具体参数。


先说明。若觉得此类分析过于繁难,请放弃下面的阅读。


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:


(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 Ip=(12~14)Imn。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:Ieqf121=1.2×130.6156.7A。


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?


看过前面的朋友们一定会记得,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Km=6,取Kp=1.7~2。


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Km是系统中最大功率电动机的起动电流倍率,一般取值为6。Imnmax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Kp是电动机起动冲击系数,其值为: Kp=1.7~2。


#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。


关于断路器的知识就介绍到这里了。


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=U1/Un,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:


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。


所以,这台800kVA电力变压器产生的冲击短路电流峰值为: Ipk=nIk=2.1×24.78≈52.0kA。


=====END=====

文本中多次提及前面的文章,小编特意给出链接,大家可以结合起来一起看:

跟老帕学低压电器知识:断路器的基本原理


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