低壓斷路器級間配合分析

楊 友

（浙江浙大網新機電工程有限公司，浙江 杭州 310012）

低壓斷路器級間配合分析

楊 友

（浙江浙大網新機電工程有限公司，浙江 杭州 310012）

隨著科學技術的發展，斷路器的科學應用已經代替了傳統的熔斷器的應用，使得電力系統能夠相對穩定、安全、高效地運行。但是，在電力系統中低壓斷路器級間配合不合理或不科學等情況的發生，會使得低壓斷路器的應用效果大大降低，導致規定時間內不能切斷故障電源，如此可能造成電線損壞、電纜損壞，甚至是大范圍的停電事故。為了避免此種情況的持續發生，加強低壓斷路器級間配合調整與優化是非常必要的。本文也出于此目的，對低壓斷路器的選型及低壓斷路器的技術參數含義予以分析，進而深入探究如何優化低壓斷路器級間配合，希望可以使低壓斷路器科學運用，保障電力系統安全、高效、經濟、可靠的運行。

低壓斷路器；配合；整定電流；保護

作為配電系統中常用的保護設備，低壓斷路器普遍應用在配電系統中。從理論角度來看，低壓斷路器的科學選用、合理配級，能夠使低壓斷路器的作用充分發揮，保障配電系統安全。但實際情況則不然。在低壓斷路器級間配合方面受到諸多因素的影響，導致低壓斷路器級間配合存在缺陷與不足，相應的低壓斷路器在應用的過程中將難以按照要求，及時且有效地保護配電系統，致使配電系統的可靠性、安全性、經濟型受到嚴重影響。所以，加強低壓斷路器級間配合的深入研究，并采取適合的措施予以優化至關重要。

一、低壓斷路器的選型

配電線路是常見且使用最為廣泛的負載，對配電斷路器而言，分為A類和B類。A類為非選擇型，即斷路器具有過載長延時、短路瞬時的兩端保護特性；B類為選擇型，即斷路器具有過載延長時、短路短延時和短路瞬時的3段保護特性。目前，國內配電系統的設置主要有4種方式，包括放射式、樹干式、放射與樹干相結合的混合式、鏈式配電方式。不同方式對線路保護要求及需求不同，加之線路設置較長，因此通常選用有選擇型保護電器以滿足其保護需要。另外，系統末端的線路是直接連接用電設備的，如若發生短路或接地故障等情況，需要在第一時間切斷電路，此時需要采用非選擇型保護器。基于以上分析與說明，配電線路各級保護器設置的常用方案為：出于保護配電線路的考慮，線路首端設置選擇型斷路器，線路末端設置非選擇型斷路器，中間采用熔斷器方案。在此方案實施的過程中，從變壓器低壓側開始，配電母干線容量在300A以上，那么就需要設置選擇型斷路器，使其與低壓側總開關、主干線開關相連；干線負載電流在300A以下，則需要選用熔斷器。而末端電路則采用非選擇型斷路器，對線路予以保護，必要時，可以采用熔斷器。由此可以確定，選擇型斷路器和非選擇型斷路器是配電系統首選的保護設備，為提高選擇型斷路器和非選擇型斷路器的應用性能，在具體進行斷路器選擇過程中，一定要注意以下兩方面。

（一）分析電流參數，合理進行斷路器選型

分析斷路器電流參數，選擇適合的類型，可以大大提高斷路器應用性、可靠性、可行性。出于此目的，在分析斷路器電流參數時，（1）注意了解使用手冊中沒有規定的額定極限短路分斷能力（Icu）或額定運行短路分斷能力（Ics），也就是按有效值計算斷路器的而額定短路通斷能力，確定其是否大于線路可能出現的最大短路電流，從而分析斷路器分斷能力，為科學選型提供條件。（2）從斷路器可靠性和可行性角度出發，以運行分斷能力指標為準，對斷路器的運行情況及短路電流通過斷路器的現象進行評價與分析，與此同時，還要對斷路器額定運行短路分斷能力是否等于額定極限短路分斷能力予以分析，進而選擇可靠的斷路器，避免斷路器發生故障的可能性。（3）從配套經濟性角度出發，對斷路器極限分斷能力予以分析，極限分斷能力越高的斷路器，其保護投入成本較低。當然，出于對斷路器性能的考慮，還要注意選擇較低的框架等級斷路器。

（二）斷路器級間配合電流整定及延時確定

在配電系統中，斷路器能夠有效應用的關鍵因素是斷路器級間配合良好。為此，在進行斷路器選型的過程中，還要考慮斷路器級間配合電流整定及延時確定方面。通常，為了方便斷路器上下級之間的協調配合，配電系統第一級保護電路，即變壓器低壓側斷路器應具有過載長延時、短路短延時保護特性。基于此，配電變壓器低壓側主保護斷路器的選型，注意以下幾點為準：

其一，斷路器延時，那么過電流脫扣器整定電流為KIeb。

其二，短路短延時過電流脫扣器整定電流為mKIeb。

其三，短延時過電流脫扣器整定電流大等于配電出線回路中斷路器瞬時過電流的1.3倍。

其四，瞬時過電流脫扣器整定電流大于1.2Ib（Ib表示為出線端單項短路電流）

第二級保護電路的斷路器應具備過載短延時和短路瞬時動作及接地故障保護功能。基于此，上下級保護開關電器采用斷路器應符合以下要求，即為：

其一，上級保護開關電器采用選擇型斷路器，下級采用非選擇型斷路器，并且保證上級所應用的斷路器短路短延時脫扣器整定電流大等于下級脫扣器整定電流值的1.3倍，上級短路瞬時脫扣器整定電流大于下級的1.2倍。

其二，上下級保護開關電器為非選擇型開關電器。

二、低壓斷路器級間配合分析

（一）低壓斷路器級間配合分析

《低壓配電設計規范》、《民用建筑電氣設計規范》的約束下，對低壓斷路器級間配合提出相關要求及約束。在此情況下，對低壓斷路器級間配合的相關方面予以分析，為提出最佳的低壓斷路器級間配合方案提供依據。

1.低壓斷路器的時間—電流保護特性曲線

上文已經提及，斷路器主要分為選擇型斷路器和非選擇型斷路器。選擇型斷路器的脫扣器設有人為短延時，為滿足額定短時耐受電流的要求，選用電子脫扣器，其特性曲線如圖1所示；非選擇型斷路器設無人為短延，同樣是為了滿足額定短時耐受電流要求，選用熱磁脫扣器。

2.完全選擇性和部分選擇性

通常情況下，上下級斷路器之間是進行選擇性配合，如若線路故障，那么靠近故障點的斷路器將先發生動作，切斷故障部分，如此整個配電系統將不會受到影響，而持續正常地運行。為了深入研究完全選擇性與部分選擇性配合下上下級斷路器應用效果，在此假定圖3中斷路器D2發生短路故障，D1在D2上一級的斷路器。此種情況下，為了達到D1和D2斷路器之間完全選擇性配合，需要保證D2的下一級出現最大三相短路電流時D2斷路器分斷，D1斷路器保持閉合。基于此，D1和D2斷路器需要滿足條件為，即：

1.2IrD2≤IrD1

1.1IkmaxD2＞IinstD1

根據以上公式，可以獲得關于D1斷路器和D2斷路器之間完全選擇性配合曲線（參考圖2）。由于線路短路時所產生的電流較大，那么1.1IkmaxD2＞IinstD1情況下，D1斷路器的脫扣器將啟動，如此很難保證D1斷路器與D2斷路器完全選擇性配合。

3.電流選擇性和時間選擇性

配電系統中，配電線路如若出現短路的情況，故障電流將隨著故障點遠離電源且電流量逐漸減少，那么連續的兩個斷路器將會隨著配電的級數而下降，這其中包括斷路器額定電流和短路電流。所以，斷路器電流選擇性和時間選擇性的設置是非常必要的。電流選擇性主要是通過串聯斷路器，使其保護特性曲線偏移，相應的下級斷路器的最大短路電流將小于上級斷路器脫扣器整定電流值，如此可以實現上下級斷路器完全選擇性配合。如若出現下級斷路器出口短路電流未達到一定短路電流之前就出現了上下級斷路器選擇性配合，此時將其短路電流稱為選擇性極限電流，其發生就意味著上下級斷路器不能完全選擇性配合。

通常，生廠商會提供斷路器組合方案，建議用戶使用。如若下級斷路器出口所計算的短路電流值低于生產商提供方案的選擇性極限電流，那么下級斷路器將能夠實現完全選擇性，也就是對配電線路中出現的各種短路電流予以分斷。反之，下級斷路器只能實現部分選擇性。因此，相關工作人員在設計和設置下級斷路器時一定要注意這一點。

4.斷路器選擇性與斷路器保護動作靈敏性間的關系

基于相關理論，確定斷路器保護線路末端最小短路電流與接地保護的斷路器脫扣器整定電流之比為：

在獲得上級斷路器與下級斷路器的完全動作選擇性，假若不考慮時間選擇性，瞬時或短延時脫扣器整定電流將大于等于下級斷路器出口側最大短路電流，利用等式表示為：

由此可以以確定，非選擇型斷路器與非選擇型斷路器之間配合，其動作靈敏性將會受到影響，且在滿足斷路器動作靈敏性要求之下，兩個非選擇型斷路器是不可能實現完全選擇性的。因此，在進行低壓斷路器級間配合的過程中，一定要注意這一點，避免低壓配電系統中所設置的上下級斷路器存在不合理的情況，使斷路器應用效果受到影響。

5.上下級低壓斷路器過電流保護的配合

在低壓配電系統中，上一級斷路器為選擇型斷路器，那么下一級斷路器可以選用選擇型斷路器或非選擇型斷路器。如此，在低壓配電系統中出現短路故障時，上級斷路器將會做延時動作，下級斷路器發揮分斷能力。當然，要想達到此目的，在設計上下級斷路器過電流保護的配合過程中，一定要注意以下幾點。

（1）控制下級斷路器出線端的最大三相短路電流。通過上級斷路器的瞬時過電流如若超出其脫扣器整定電流，那么上級斷路器將會受到影響，導致其延時動作緩慢，相應的下級斷路器的應用效果將會降低。為了避免此種情況的發生，無論設置下級斷路器為非選擇型斷路器還是選擇型斷路器，都要控制其出線端的最大三相短路電流，保證最大三相短路電流的1.1倍，依舊小于上級斷路器的脫扣器整定電流。

（2）根據應用需要，決定設置下級斷路器為非選擇型斷路器，那么需要檢測下級斷路器保護回路時，短路電流通過斷路器，其瞬時動作靈敏度，如若下級斷路器的瞬時動作依舊靈敏，可以選用非選擇型斷路器。還需要注意的是，保證上級斷路器的短延動作時，其脫扣器整定地電流大等于下級斷路器脫扣器電流的1.2倍。

（3）下級斷路器設為非選擇型斷路器，那么注意要做好上下級斷路器的配合。參考圖3，在線路處于過載狀態，那么B斷路器熱動性脫扣器將會啟動，A斷路器不會發生延時動作。預定時間后，B斷路器將會分斷配電線路，A斷路器處于閉合狀態，那么上下級斷路器長延時脫扣器電流相差倍數為1.3倍，此時上下級斷路器配合良好。如若線路處于短路狀態，理論上AB斷路器配合動作的幾率在50%，如此不推薦此種方式。

（4）一些框架斷路器帶有接地故障保護功能，也就是采用剩余電流保護方式，降低斷路器的脫扣器整定電流，使得上級斷路器難以與下級斷路器進行配合保護。為了使上級應用的帶有接地故障保護功能的斷路器與下級斷路器良好配合，需要合理地選擇配合方式，如時間級差配合方式或漏電電流級差配合方式等。正確且合理的配合上下級斷路器，斷路器的延時時間將得到有效控制，使得整個斷路器都處于良好的應用狀態。

（二）低壓配電系統斷路器選擇性保護的具體實施要點

1.科學設計配電系統，合理分配負荷

在當前人們生產生活用電需求不斷加大的情況下，為了使配電系統可以長期安全、穩定、高效地運行，在對配電系統予以設計的過程中，應當注意適當的分配電力設備負載，尤其是上下級斷路器負荷。也就是基于滿足保護器額定電流比的要求，分析上下級斷路器負荷比的最大值，科學設置上下級斷路器負荷，以便后續電力系統故障時，上下級斷路器可以進行選擇性地保護，從而有效保護配電系統，使配電系統依舊可以正常運行。

2.斷路器保護的選擇性方式的一般要求

按照《低壓配電設計規范》的相關要求來進行配電系統中斷路器的設置，主要是采用選擇性方式，如此可以在配電線路短路故障情況發生時，與之最近的斷路器發揮分斷功能，從而有效保護配電系統。出于此目的，在電源端應當注意設置總配電盤。在總配電盤的設置下，需要配備高分斷能力的斷路器，如此在控制總電源的過程中，任何一個配電線路出現故障，總配電盤將支配斷路器進行選擇性保護，降低短路延時，縮短故障范圍。在設置末端配電時，因末端配電線路的電流較小，即便出現線路短路的情況，產生的短路電流也相對較小，因此直接將斷路器與用電設備連接，就能夠對短路電流予以切斷，保護用電設備不會受到短路電流的破壞。

配電系統部分配電箱進線開關方面，最好采用負荷開關或隔離開關。低壓配電級數太多將會給開關的選擇性動力帶來影響，因此變壓器二次側到用電設備之間的低壓配電級數在三級或三級以下，那么與之相連的斷路器的分斷功能將會受到限制，選擇性保護程度也受到限制。為了保證配電系統一直處于安全、穩定、高效運行的狀態，容易受到配電線路故障影響的部分配電箱內進線上的開關應當采用負荷開關或隔離開關，如此不僅可以有效防護配電箱，避免其受到故障的影響，還能在用電設備維修、檢修的過程中，隔離電源。除此之外，于部分脫扣器電流參數及時間可調的斷路器，需設置適當的技術參數，確保實現最大范圍的選擇性。

結語

在當前我國大力發展電力事業的今天，為了滿足廣大人民群眾生產生活的用電需要，應當要科學地設置配電系統，尤其是低壓斷路器級間配合方面。低壓斷路器級間配合中如若考慮的不周全或級配不合理等情況存在，會影響斷路器的應用，使得斷路器在配電系統故障時難以及時且有效地保護用電設備或電源，使得配電系統運行無法正常進行。所以，在對配電系統中低壓斷路器進行級配的過程中，一定要綜合分析低壓斷路器級間配合相關方面，如上下級斷路器的脫扣器整定電流、上下級低壓斷路器過電流保護的配合等，從而科學地進行低壓斷路器級間配合，提高低壓斷路器的應用性。

［1］范永輝.如何正確選擇低壓斷路器［J］.電氣制造，2010（5）：50-52.

［2］韓菁.淺析智能GIS設備斷路器及低壓斷路器選型的相關問題［J］.科學導報，2014（15）：178-178.

［3］任建國，高翠萍.城市建筑配電系統中低壓斷路器選用問題的探討［J］.低壓電器，2007（22）：45-49.

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