断路器的短路分断能力、短路接通能力与短路电流有什么关系?

电气设计狄老师2024-05-20 09:35:52  112

我们知道,低压断路器能够分断短路电流,并执行线路保护。然而,若短路电流的规模超过断路器能够承受的极限,断路器损坏不说,故障线路也会因为断路器无法实现有效开断而发生严重事故。

对于低压断路器而言,它一方面需要开断短路电流,另一方面也要保护它自身。这有点类似警察和强盗搏斗,如果警察技不如人,可想而知会发生什么问题。断路器的短路分断能力和短路接通能力就是保护它自身的重要参数。以下我们来展开讨论。

※ 01 短路电流波形图分析

我们先看短路波形图,如下:

▼ 图1:短路电流波形图

注意看,图1中在时刻t=0发生了短路。根据欧姆定律,我们把交流电压除以极小的短路电阻(阻抗)得到短路电流的周期分量Ip,Ip又叫做短路电流的交流分量;根据楞次定律,变压器的绕组电感会释放储存的磁场能,形成短路电流的非周期分量Ig,Ig又叫做直流分量,它随着时间不断衰减。短路电流的周期分量与非周期分量的叠加叫做短路电流的全电流Ish。

注意1:短路全电流Ish在短路后10毫秒时出现了短路电流最大值Ipk,Ipk又叫做冲击短路电流峰值。

注意2:如果短路线路中的保护电器未动作,短路故障持续下去。当非周期分量Ig衰减完毕后,短路线路中只剩下周期分量。我们把此时的短路全电流Ish叫做短路电流稳态值,用Ik表示。

注意3:冲击短路电流Ipk与短路电流稳态值Ik之比叫做峰值系数n。峰值系数n的具体数值见国家标准GB14048.1《低压开关设备和控制设备 第1部分:总则》:

▲ 图2:国家标准中的峰值系数n

图2的左列是短路电流(实验电流),最右列就是峰值系数n。

举例:我们设电力变压器的容量Sn=2500kVA,阻抗电压Uk%=6%,额定线电压Un=0.4kV。求额定电流In、短路电流Ik、峰值系数n和冲击短路电流峰值Ipk。

查图2的峰值系数表,因为60.2kA>50kA,故取峰值系数n=2.2,由此解得:

※ 02 断路器分断能力、接通能力与短路电流的关系

(1)从断路器的安秒特性看断路器的短路开断起始时间,以及短路接通能力的意义

我们看某款断路器的安秒特性曲线:

▼ 图3:某款断路器的安秒特性曲线

注意看图3中的黄色线,这是断路器的短路瞬时保护I参数的安秒特性曲线,它的保护动作时间最小值是15毫秒。而我们从图1中看到,冲击短路电流峰值Ipk出现在短路后10毫秒。故知断路器必须承受冲击短路电流峰值的冲击作用。

注意4:与短路电流Ik对应的是断路器的极限短路分断能力Icu,与冲击短路电流峰值Ipk对应的是断路器的短路接通能力Icm。

注意5:断路器的短路接通能力Icm与断路器的极限短路分断能力Icu之比就是峰值系数n。

(2)断路器的短路分断能力和型式试验的波形图

我们看国家标准GB14048..2《低压开关设备和控制设备 第2部分:断路器》是如何定义短路分断能力的:

▲ 图4:国家标准定义的断路器短路分断能力

▼ 图5:国家标准定义的极限短路分断能力和运行短路分断能力

我们从图4和图5中可以看出,题主所谓的短路分断能力包括两个参数,即断路器的极限短路分断能力Icu和运行短路分断能力Ics。极限短路分断能力Icu是断路器能够承受的最大短路电流值,且断路器执行完成短路电流的开断操作后就损坏了,必须更换。相比之下,若短路电流小于或者等于运行短路分断能力Ics,则断路器开断完成后不会损坏。

在断路器的型式试验中,Icu的测试过程是:先把断路器闭合(CLOSE),然后通过短路电流,断路器自动执行打开操作(OPEN),我们把它叫做一个CO,开断完成后断路器损坏。断路器能够承受并且执行的最大电流值就是Icu。

Ics的测试过程是:先把断路器闭合(CLOSE),然后通过短路电流且断路器自动打开(OPEN),过了一段时间再把断路器闭合(CLOSE),然后再通过短路电流断路器再次自动打开(OPEN),这里有两个CO。

下图是有关断路器分断能力的型式试验电路和波形曲线:

图6:国家标准GB14048中有关断路器短路分断能力的型式试验电路及波形图

图6中,左图是试验电路图,右图是波形图。

图6右图上数第一幅图是短路电流图,其中A1是预期接通的电流峰值,注意与图1做对照。

图6右图上数第二幅图的B1是外部施加的电压有效值。

图6右图上数第三幅图是触头间的电流图。

图6右图上数第四幅图是触头间的电压图。我们注意到第一个周波电压等于零,这是因为此时触头间又电弧存在。第二个周波出现了一些电压,这是触头电气间隙的恢复电压。第三个周波我们看到了完整的正弦电压波形,说明此时触头已经完成了开断操作。

我们从图6中能识别出断路器的短路接通能力Icm,断路器的极限短路分断能力Icu,以及短路分断能力Icn这几个参量。

对于2个CO和1个CO,它们的区别很大,前者的短路电流小而后者的短路电流大,故用Ics反映断路器2次分断操作,而Icu则反映出断路器一次分断操作。

对于图6的仔细分析,可参阅我的书《低压成套开关设备的原理及其控制技术》第三版和《低压电器技术精讲》,其中后一本书的2.8.1节就是断路器短路分断能力型式试验分析,可供参考。

(3)断路器的短时耐受电流与短路接通能力的关系

我们再看下图:

图7:国家标准中定义的短路接通能力和短时耐受电流

我们看到了,短路接通能力Icm是用最大预期峰值电流来定义的。

注意6:断路器的短路接通能力Icm与断路器的短时耐受电流Icw之比就是峰值系数n。

注意7:断路器的短路接通能力Icm又叫做断路器的动稳定性,断路器的短时耐受电流Icw又叫做断路器的热稳定性。

注意8:断路器的动稳定性指的是当冲击短路峰值流过它的主触头瞬间,此时断路器尚未开断操作,动、静触头之间因为霍姆斥力而被斥开,触头间出现电弧烧蚀。触头斥开后电流减小,触头再次闭合,然后再斥开,并循环往复。尽管时间不长,但电弧烧蚀作用强烈,甚至造成触头熔焊。

明白了断路器的这几个参数的意义后,我们就可以分析断路器的参数不等式了。断路器的参数不等式如下:

在这个式子里,I1是断路器的过载保护L参数门限电流值,In是断路器的额定电流,I2是断路器的短路短延时保护S参数门限电流值,I3是短路瞬时保护I参数门限电流值,Icw是短时耐受电流,Ics是运行短路分断能力,Icu是极限短路分断能力,Icm是短路接通能力。

我们看到,与题主问题有关的3个电流值Ics、Icu和Icm都在其中,并且揭示了它们之间的大小关系。

※ 03 关于断路器的短路分断能力和短路接通能力的选配

我们用前面的例子来说明。

已知系统的额定电流是3609A,短路电流是60.2kA,冲击短路电流峰值是132.4kA。

我们选用框架断路器,它的额定电流是4000A,极限短路分断能力Icu必须大于60.2kA,取65kA。至于短路接通能力可以不必考虑,为何?因为冲击短路电流峰值Ipk是短路电流Ik的n倍,而短路接通能力Icm是极限短路分断能力Icu的n倍。只要Icu大于Ik,则Icm自然就大于Ipk。

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