李長啟, 張 念

(湖北省化學(xué)工業(yè)研究設(shè)計院, 湖北 武漢 430073)

0 引 言

GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》中第6.1.2條規(guī)定“配電線路裝設(shè)的上下級保護(hù)電器,其動作特性應(yīng)具有選擇性,且各級之間應(yīng)能協(xié)調(diào)配合。非重要負(fù)荷的保護(hù)電器,可采用部分選擇性或無選擇性切斷”。保護(hù)電器中的熔斷器上下級的熔體額定電流只要滿足1.6∶1即可保證選擇性[1],熔斷器與斷路器的上下級選擇性與斷路器的各項特性有關(guān),較難做到全選擇性[2]。因斷路器在設(shè)計及工程中采用較多,本文僅討論斷路器間的選擇性配合。

1 基本原理及相關(guān)規(guī)定

1.1 配電箱進(jìn)線應(yīng)采用隔離開關(guān)

配電箱進(jìn)線處的設(shè)計如圖1所示。工程設(shè)計中,配電箱進(jìn)線處的隔離開關(guān)經(jīng)常不恰當(dāng)?shù)乇粩嗦菲魉娲?見圖1(a)中的B處。且有些觀點誤認(rèn)為A與B為上下級關(guān)系,經(jīng)常會下意識地將A和B做成一定的級差,從而造成斷路器A的值偏大,導(dǎo)致電纜截面加粗,造成不必要的浪費。

隔離開關(guān)比斷路器有更好的隔離功能,若B處采用斷路器,不僅多花投資,更主要的是劣化配電系統(tǒng)的保護(hù)性能,降低保護(hù)的選擇性,也降低隔離功能。因為斷路器是保護(hù)電器,使用的觸頭要保證良好的動態(tài)性能,卻沒有隔離開關(guān)采用夾緊式觸頭的吸力大、靜態(tài)性能好的優(yōu)勢[3]。

進(jìn)線箱處應(yīng)采用隔離開關(guān),圖1(b)中B處僅為隔離功能,斷路器A和斷路器C才是上下級保護(hù)電器。GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》第6.1.2條中提到的上下級保護(hù)電器的選擇性配合,指的是斷路器A和斷路器C之間的選擇性配合。

通過上述理論,并根據(jù)GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》第4.0.6條規(guī)定“供配電系統(tǒng)應(yīng)簡單可靠,同一電壓等級的配電級數(shù)高壓不宜多于兩級;低壓不宜多于三級”[4],典型的三級配電示意圖如圖2所示,其中A、B、D、F依次為上下級關(guān)系,C和E處為隔離開關(guān)。后面的具體案例也以此種配電型式展開討論。

1.2 隔離開關(guān)

按GB/T 14048.3—2017規(guī)定,低壓開關(guān)分別稱為開關(guān)、隔離器、隔離開關(guān)及與熔斷器組合電器,過去采用的“刀開關(guān)”、“閘刀開關(guān)”、“負(fù)荷開關(guān)”的名詞均已淘汰。另需注意,低壓的隔離開關(guān)可以接通、分?jǐn)嗾ｋ娏?完全不同于中壓(如10 kV)的隔離開關(guān)[5]。

低壓的“隔離器”類似于中壓的“隔離開關(guān)”,低壓的“隔離開關(guān)”類似于中壓的“負(fù)荷開關(guān)”。中、低壓“隔離開關(guān)”對比如表1所示。

表1 中、低壓“隔離開關(guān)”對比

1.3 斷路器分類及參數(shù)

根據(jù)斷路器的設(shè)計型式劃分,斷路器可分為萬能式斷路器、塑殼斷路器、小型斷路器[6-7]。

斷路器按選擇性分類可以分為A類和B類。A類:通常具有反時限和瞬時動作過電流脫扣器,而沒有短延時過電流脫扣器的斷路器,在短路條件下可通過其他方式提供選擇性,稱為非選擇性斷路器。B類:具有符合規(guī)定的額定短時耐受電流值(ICW)及相應(yīng)短延時過電流脫扣器的斷路器,稱為選擇性斷路器。Iset1為長延時(反時限)脫扣電流,Iset2為短延時(定時限)脫扣電流(選擇性斷路器才可以整定,其值應(yīng)小于Iset3),Iset3為瞬時脫扣電流。

1.4 選擇性

選擇性的原則是最靠近故障點的保護(hù)電器先動作,遠(yuǎn)離故障點的保護(hù)電器后動作,保證故障點的波及面最小。文獻(xiàn)[6-7]中提到的過電流選擇性,可以分為全選擇性和局部選擇性,其中局部選擇性是指在一定的過電流值以下時負(fù)載側(cè)保護(hù)電器動作,而另一臺保護(hù)電器不動作。為了實現(xiàn)選擇性,一般的技術(shù)措施有以下四種:

(1) 基于電流的選擇。

(2) 基于時間的選擇:時間級差按0.1～0.2 s考慮,同時要求上級短延時整定值為下級瞬動的1.3倍,以保證選擇性的可靠性。由于時間的增加,對斷路器的熱穩(wěn)定(耐受能力)提出更高的要求,同時到變壓器時其時間較長。但同時也應(yīng)考慮高壓側(cè)的延時時間受市政條件影響,故不能隨意設(shè)置低壓側(cè)的短延時時間,需綜合考慮。

(3) 能量選擇:其原理是需要較大能量才能分?jǐn)嗟臄嗦菲餍枰臅r間長,需要較小能量就可以分?jǐn)嗟臄嗦菲餍枰臅r間短。這種斷路器采用的是雙旋轉(zhuǎn)觸頭系統(tǒng)(雙斷點),一般稱為限流斷路器。目前施耐德的Compact NSX塑殼斷路器、西門子3VA2型塑殼斷路器,只要上下級額定電流比達(dá)到2.5∶1,就具有較好的選擇性。常熟開關(guān)制造有限公司的CM5新型系列塑殼斷路器也具有能量選擇功能。

(4) ZSI區(qū)域連鎖選擇:上下級有邏輯連鎖,可以保證全選擇性,但造價極高,同時有信號線很繁瑣,所以工程應(yīng)用極少。

2 工程實例分析

某工業(yè)項目配電系統(tǒng)接線圖如圖3所示。本文具體分析斷路器之間的選擇性配合。在總變電所內(nèi)為一級配電(PD1),車間設(shè)置的配電室為二級配電(PD2),末端照明(動力)配電箱為三級配電(PD3)。假定A和B為選擇性斷路器,D和F為非選擇性斷路器。

2.1 非選擇性斷路器之間的選擇性(D和F)

假定斷路器D和斷路器F瞬時脫扣電流Iset3均為其反時限脫扣電流Iset1的10倍。當(dāng)斷路器F后發(fā)生故障(短路或接地故障)時,接地故障電流為IdF。此時Iset1F=16 A,Iset3F=160 A,Iset1D=50 A,Iset3D=500 A。

(1) 當(dāng)故障電流<1.3Iset3F(208 A)時,斷路器D、斷路器F均無法動作,不符合故障保護(hù)要求,是不允許脫扣的。

(2) 當(dāng)1.3Iset3F

(3) 當(dāng)故障電流IdF>Iset3D(500 A)時,斷路器D、斷路器F均瞬時動作,沒有選擇性。

斷路器長延時脫扣電流值一般為1.25倍,考慮到斷路器15%的制造誤差,若斷路器只差別一個等級,就算長延時也有可能無法保證。故建議2臺斷路器的長延時脫扣值要至少1.6倍才有選擇性,同時也應(yīng)注意上下兩級斷路器的瞬動脫扣值配合。比如下級為D16A的斷路器(瞬動值為160～320 A),上級為C25A斷路器(瞬動值125～250 A),上級斷路器宜提升一級。

非選擇性斷路器之間一般只能保證某一區(qū)間的局部選擇性。兩者級差越大,局部選擇性的區(qū)域范圍也越大。但增加級差致使上級斷路器長延時脫扣整定電流Iset1較大,從而引起電纜截面的增加。

值得注意的是,靈敏性和選擇性是相悖的兩個方向,不能兼顧。對于斷路器D,為了保證靈敏性,其1.3Iset3D需要小于末端短路時的短路電流,Iset3D取值宜偏小;但為了保證與斷路器F之間的局部選擇性,Iset3D取值宜偏大。

2.2 選擇性斷路器和非選擇性斷路器之間的選擇性(B和D)

設(shè)定斷路器BIset1B=200 A。因其為選擇性斷路器,需正確整定其參數(shù)。

(1) 應(yīng)滿足Iset2B>1.3Iset3D=650 A,1.3倍是考慮脫扣器的動作誤差,是保證全選擇性的必要條件。

(2) 同時Iset2B還需要躲過短時間出現(xiàn)的負(fù)荷尖峰電流(根據(jù)母排后所帶最大一臺電動機(jī)起動電流計算,假設(shè)為800 A),則最終Iset2B需取其較大值為800 A。

為了保證斷路器B與A之間的時間選擇性,斷路器B的短延時時間不宜取太大。對于塑殼斷路器,一般廠家目前為0.06 s、0.10 s、0.20 s、0.30 s四個時間檔位,為保證時間級差,建議選0.10 s。為了避免斷路器D后短路故障時引起斷路器B瞬時脫扣,應(yīng)盡量使Iset3B大于斷路器D處的接地故障電流。故在設(shè)計時,建議盡量把Iset3B設(shè)置到最大。

選擇性斷路器和非選擇性斷路器之間具有較好的選擇性,但應(yīng)注意需正確整定其參數(shù)(短延時脫扣電流、短延時脫扣時間、瞬時脫扣電流)。

2.3 選擇性斷路器之間的選擇性(A和B)

斷路器A為變壓器出線處主斷路器,Iset1A按配電變壓器低壓側(cè)額定電流(1 443 A)確定,取1 450 A。Iset2A應(yīng)大于1.3Iset3B=2 600 A;同時Iset2A還需要躲過短時間出現(xiàn)的負(fù)荷尖峰電流(根據(jù)母排后所帶最大一臺電動機(jī)起動電流計算,假設(shè)為2 200 A),則最終Iset2A需取其較大值為2 600 A。

斷路器A為萬能式斷路器,廠家的短延時時間一般為0.1 s、0.2 s、0.3 s、0.4 s四個時間檔位,為保證斷路器A和斷路器B在時間上的級差,建議總斷路器A處取較大值0.4s。值得注意的是,若總變電所內(nèi)2臺變壓器后母排采用母聯(lián)斷路器,母聯(lián)斷路器的短延時整定時間應(yīng)比斷路器A的整定時間小0.1～0.2 s,建議可取0.2 s或0.3 s。此時需注意斷路器B的短延時時間需小于母聯(lián)斷路器的短延時時間。

目前有廠家可以通過試驗做到萬能式斷路器與塑殼斷路器之間為全選擇性配合,但在實際設(shè)計時,考慮到斷路器B和斷路器A之間很近(在同一組低壓柜內(nèi)),當(dāng)斷路器B后近端短路時故障電流會比較大,故建議將Iset3A閉鎖掉,此時可以滿足斷路器A和斷路器B之間的全選擇性。

3 結(jié) 語

經(jīng)過上述分析,總結(jié)如下:

(1) 配電箱進(jìn)線處開關(guān)應(yīng)采用隔離開關(guān)。

(2) 采用選擇性斷路器,可以較好地實現(xiàn)選擇性。但由于其價格較貴,一般用于主母線饋線或一些重要場合。

(3) 非選擇性斷路器之間比較難實現(xiàn)選擇性,但由于非選擇性斷路器價格低,故在一些非重要場合使用非常廣泛。在實際使用中應(yīng)盡量保證其局部選擇性。

(4) 為保證選擇性,末端斷路器(F)的瞬時脫扣在滿足接地故障要求的前提下,宜取較小值;中間級斷路器(B和D)的瞬時脫扣在滿足接地故障要求的前提下,宜取較大值。

斷路器之間的選擇性配合與配電系統(tǒng)的接線型式、導(dǎo)線截面、電纜距離均有關(guān)聯(lián)。因此合理的配電方案是前提,選擇合適的斷路器型式、正確整定電流和時間,才能保證有選擇性地切斷故障電流。