電氣設計中關于短路防護器保護的計算

劉 燕

貴州大學，貴州貴陽 550003

電氣設計中關于短路防護器保護的計算

劉 燕

貴州大學，貴州貴陽 550003

本文根據國家規范的對回路的短路保護要求的標準，選擇短路保護電器的裝設范圍，并介紹了一種電氣設計中計算干線短路保護器所能保護分支回路的長度的方法。分析介紹短路防護器各級之間的選擇性配合的動作電流和動作時間的計算，同時對一種新型級間區域選擇性連鎖（ZSI）智能性斷路器在三級配電網絡發生短路故障時的動作狀態進行了分析。

短路保護器；保護范圍；選擇性配合；ZSI

1 IEC GB50054 《低壓配電設計規范》對回路的短路保護要求的標準

在電氣發生故障時，為了防止因線路故障短路電流產生線路的過熱造成設備的損壞，嚴重時可能引發火災。短路防護器應滿足的條件：

1）短路防護電器的遮斷容量不應小于它安裝位置處的預期短路電流，但在下述情況下可以裝用較小遮斷容量的防護電器。此較小遮斷容量的防護電器前的上級防護電器應具有足夠的遮斷容量，來切斷該預期短路電流，且這兩級防護電器的特性應能適當配合，此時當上級防護電器切斷該短路電流時，下級防護和它所保護范圍的回路應能承受通過的短路電流而不致損壞；

2）被保護回路內任一點發生短路故障時，防護電器都能在保護回路的導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時，短路電流不應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。

2 短路保護電器裝設的范圍

并非所有的電氣回路上都應或都能裝設短路防護電器。以下的電氣回路是不應裝設短路防護電器：

1）變壓器、發電機、蓄電池等電源設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器是無法安裝的，其只能裝設在線路末段的配電盤或控制盤上；

2）短路防護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，這些回路是不應裝設短路防護器的；

在無短路防護電器的電氣回路應勁可能遠離易燃、可燃物環境或加強敷設條件避免短路產生的異常高溫發生火災事故。

3 計算干線短路保護器所能保護分支回路的長度

圖1 不同分支回路截面積時干線短路防護的保護長度

圖1所示，當短路防護電器安裝在A點，當干線截面積為S1時，其能保護的最大長度為L1，較小截面積S2的回路，其保護的最大長度為L2，現在以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表示可保護的分支回路的最大值。在離A點距離為L3的D點引出一個分支回路，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，DE的長度即是從O點能引出的能被保護的截面積為S2的分支回路的最大長度。

4 短路保護器之間的選擇性配合的計算

實際電氣設計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的系統，各級保護可任選斷路器或熔斷器作為保護。如何保證短路防護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大。無選擇性短路跳閘可造成某些重要負荷和特別重要負荷突然停電，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。電流值大于16A的串聯熔斷體的過電流比為1.6：1，這一條件下可實現選擇性熔斷。

2）熔斷器與非選擇型斷路器之間選擇性配合

當熔斷器是上級，非選擇型斷路器為下級短路保護器時，熔斷器的熔斷時間要大于斷路器瞬時脫扣動作時間+0.1s；當非選擇型斷路器是上級，熔斷器為下級短路保護器時，熔斷器短路熔斷電流小于Iset3，但在實際電氣設計很少采用。

3）熔斷器與選擇型斷路器之間選擇性配合

當選擇型斷路器是上級，熔斷器為下級短路保護器時，找出下級多個熔斷器額定電流值的最大值Imax，根據短路電流計算出短路電流，Id大于1.3Iset2，再根據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，故在實際設計中不采用。

5）選擇型斷路器與非選擇型斷路器之間選擇性配合

當選擇型斷路器是上級，非選擇型斷路器為下級短路保護器時，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）級間區域選擇性連鎖（ZSI）

這是一種利用微電子技術生產的智能性斷路器，它可完全有效的解決短路防護中的級間選擇性瞬時誤跳閘問題。該技術是電網中各級斷路器脫扣器之間通過通信線路或數據交換實現選擇性跳閘。概括來說，當檢測電路在2ms內連續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，控制器發出脫扣命令，與此同時檢控制器還將發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，繼續正常工作。當下級斷路器脫扣器因機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，且此時檢測發現短路情況仍存在，則上一級控制器按預先設定預整定時間后瞬時分閘動作，同時是將故障分斷級進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系統在裝設帶有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一組控制線。

末段回路是最容易發生短路地方。當故障1發生時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。在實際電氣設計中若配電網為三級時，常將A和B1、B2 瞬時保護關閉，其脫扣器的延時時間設置分別為0.4s和0.2s，C1、C2、C3因處于末端，只需要長延時和瞬動保護。

這類智能智能性斷路器可使配電系統設計更為合理，也無需增加配電回路數和為保證線路的熱穩定性增加回路導體的截面積。但此類產品價格較高，故目前適用于重要的建筑物的配電系統中，隨著技術的發展，此類智能智能性斷路器將廣泛使用于各類配電系統中，從而幫助電氣設計人員解決越級跳閘造成停電面積擴大的問題。

5 結論

短路保護器是在電路在發生短路故障的瞬間對發生故障的電路進行切除，減少短路故障的影響范圍，減少停電范圍。上述內容就短路線路的保護范圍的簡單計算和短路保護器之間的選擇性配合的計算進行詳細的分析，并指出各級保護器配合的整定時間和整定電流的關系以及使用的情況，并著重介紹了一種新型級間區域選擇性連鎖（ZSI）智能性斷路器，對其工作原理和在三級配電網絡發生短路故障時的動作狀態進行了分析。

[1]王厚余.低壓電氣裝置設計安裝和檢驗[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]周茂祥.低壓電器設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1992.

[3]中國航空工業規劃設計研究院等編.工業和民用配電設計手冊[S].3版.中國電力出版社，2005，10.

[4]《低壓配電設計規范》GB50054-1995.

TN7

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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