低壓配電線路過載保護公式的理解與應用

盛 小 偉

(中國中輕國際工程有限公司, 北京 100026)

低壓配電線路過載保護公式的理解與應用

盛 小 偉

(中國中輕國際工程有限公司, 北京 100026)

通過對低壓配電線路過載保護的公式的含義進行解讀,指出出現(xiàn)持續(xù)的過電流而又小于可靠動作電流的情況下,過載電流公式不能提供完全的過載保護,不適用于電子式脫扣器的斷路器。提出了電子式脫扣器和熱脫扣器的斷路器作為過載保護電器時能夠提供完全過載保護的基本公式。

低壓配電線路; 低壓斷路器; 過載保護; 熱脫扣器; 電子式脫扣器

0 引 言

國際電工委員會(IEC)標準對過載保護的一般要求為:保護電器應在流經(jīng)回路導體的過載電流引起的溫升對絕緣、接頭、端子和導體周圍的物料造成損害之前,分斷過載電流。同時,IEC及國家標準均給出了關于低壓線路過載保護的兩個基本公式,表明導線與保護電器之間配合關系,做到讓電氣設計人員有據(jù)可依,但對過載保護的兩個基本公式如何理解,令許多電氣設計人員困惑[1-2]。

本文對低壓配電線路過載保護的公式進行探討,并針對電子式脫扣器和熱磁脫扣器的不同動作特性,討論斷路器提供完全過載保護時導線的選擇。

1 過載保護的兩個基本公式的理解

GB 16895.5—2012/IEC 60364-4-43:2008《低壓電氣裝置 安全防護 過電流保護》中條款433.1關于過載保護的規(guī)定如下:防止電纜過負荷保護電器的工作特性應滿足以下兩個條件:

IB≤In≤IZ

(1)

I2≤1.45IZ

(2)

式中:IB——回路的設計電流;

IZ——電纜的持續(xù)載流量;

In——保護電器的額定電流;

I2——保證保護電器在約定時間內(nèi)可靠動作的電流。

對于可調(diào)的保護電器,額定電流In為給定的整定電流。IB為通過線導體的設計電流,或為3次諧波含量大的情況下通過中性導體的持續(xù)電流。保證保護電器可靠動作的電流I2應由電器生產(chǎn)廠家提供或由產(chǎn)品標準給出。

在某些情況下,按照條款433.1所裝設的保護不能保證起到保護作用,如出現(xiàn)持續(xù)的過電流而又小于I2的情況。在這種情況下,宜考慮選擇具有較大截面積的電纜。

式(1)、式(2)的說明圖示如圖1所示。

需要注意的是,圖1表示出的僅是約定動作電流I2大于導體載流量IZ的位置關系,對于某些情況下(存在I2

式(1)、式(2)明確了防止過載保護電器與絕緣導體(電纜或電線)載流量之間的配合關系。

圖 1 式(1)、式(2)的說明圖示

由式(1)可知,在選用保護電器和電纜(或電線)時需遵循的順序。通過計算電流選擇保護電器,然后根據(jù)保護電器的額定電流選擇電纜截面。

式(2)中,1.45IZ的含義是指最大允許的、時間上受到限制的過載電流,此時會出現(xiàn)短時的超過持續(xù)極限溫度,但還不至于引起降低絕緣性能。1.45IZ表征的是絕緣導體的一種特性,即導體可以在受到限制的時間(稱作導體1.45IZ過載電流的安全時間)內(nèi)承受1.45IZ的過載電流而其絕緣性能不降低。這是因為材料熱容的存在,導線發(fā)熱與散熱有一個過渡過程,在不超過(或短時超過)導線持續(xù)極限溫度且不造成導線絕緣性能降低的情況下,允許短時通過的電流比長期連續(xù)負荷時通過的電流大得多。IEC通過試驗測試了導線絕緣不會變劣的過載電流值與持續(xù)時間的配合關系,結合保護電器的動作特性,最終確定導線承受的過載電流為1.45IZ[2]。

式(2)包含兩層含義:① 保護電器的可靠動作電流不大于1.45IZ;② 導體1.45IZ過載電流的安全時間不小于保護電器可靠動作的約定時間。導體1.45IZ過載電流的安全時間需要通過試驗給出。

當保護電器為低壓斷路器(萬能式斷路器和塑殼斷路器)時,根據(jù)GB 14048.2—2008《低壓開關設備和控制設備 斷路器》第7.2.1.2.4條,其過電流脫扣器的反時限動作特性規(guī)定的約定動作電流和約定動作時間如表1所示。

當保護電器為家用及類似場所用斷路器(小型斷路器或小型模數(shù)式斷路器)時,GB 10963.1—2005《電氣附件 家用及類似場所用過電流保護斷路器 用于交流的斷路器》第8.6.2.1～8.6.2.3條規(guī)定:

表1 反時限過電流斷開脫扣器在基準溫度下的

注: 當In≤63 A時,約定時間為1 h。

(1) 對于額定電流≤63 A的斷路器,其約定時間為1 h;對于額定電流>63 A的斷路器,其約定時間為2 h 。

(2) 斷路器的約定不脫扣電流Int是其額定電流的1.13倍。

(3) 斷路器的約定脫扣電流It是其額定電流的1.45倍。

當保護電器為斷路器時,按照式(1)選擇的斷路器的工作特性是滿足式(2)的,根據(jù)斷路器過載保護動作的約定時間為2 h(In>63 A)和1 h(In≤63 A),可推斷出導體1.45IZ過載電流的安全時間≥2 h(導體載流量IZ>63 A)和≥1 h(導體載流量IZ≤63 A)。若考慮到將多根載流量IZ≤63 A的導體并聯(lián)接入大于63A的斷路器回路中使用,則載流量IZ≤63 A的導體1.45IZ過載電流的安全時間也不小于2 h,因此導體1.45IZ過載電流的安全時間≥2 h。

當保護電器為熔斷器時,根據(jù)GB 13539.1—2008《低壓熔斷器 基本要求》規(guī)定,低壓熔斷器的約定時間和約定電流如表2所示[1]。

表2 gG和gM熔斷體的約定時間和約定電流

注:Inf為約定不熔斷電流,指在規(guī)定時間(約定時間)內(nèi)熔斷體能承載而不熔化的規(guī)定電流值;If為約定熔斷電流,指在規(guī)定時間(約定時間)內(nèi)引起熔斷體熔斷的規(guī)定電流值。

由表2可見,熔斷體的約定熔斷電流為1.6In,熔斷體的額定電流和導線的載流量滿足式(1)時,則式(2)不一定成立。針對這種情況,GB 13539.1—2008第8.4.3.5條中表19驗證熔斷器能夠提供過載保護時導線與熔體配合的試驗結果,試驗連接導體選擇的是PVC絕緣銅導線。因此,在實際工程運用中,根據(jù)熔斷體的額定電流,只要選擇導線的截面積不小于GB 13539.1—2008第8.4.3.5條中表19給出值即可。

2 不起保護作用的情況

條款433.1注明在某些情況下,裝設的保護可能不保證起到保護作用,如出現(xiàn)持續(xù)的過電流而又小于I2的情況。在這種情況下,宜考慮選擇具有較大截面積的電纜。通常低壓斷路器配置的過載脫扣器有熱脫扣器和電子式脫扣器兩種,家用及類似場所用斷路器配置熱脫扣器。以下分析這兩種脫扣器的過載保護特性不起保護作用的情況。

2.1 熱脫扣器

熱脫扣器動作原理是利用過電流時雙金屬片受熱變形推動脫扣機構動作,從而實現(xiàn)斷路器跳閘,其時間-電流特性曲線具有反時限特性。熱磁脫扣器的時間-電流特性曲線如圖2所示,上部為熱脫扣器的反時限特性曲線。

圖2 導線和保護裝置基準值的原則

圖2中,I1為約定不脫扣電流;I2為約定脫扣電流;I3為容差極限值;I4為電磁式瞬時過電流脫扣器(短路脫扣器)的保持電流(短路保護的不動作電流);I5為電磁式瞬時過電流脫扣器(短路脫扣器)的脫扣電流(短路保護的動作電流)。

(1) 過載電流Iol≥I2時,斷路器能夠為線路提供過載保護。過載保護有兩種情況:① 線路通過大于I2的短時過載電流(如周期性變化負載),還不至于損傷導線絕緣,斷路器不切斷線路,設備正常運行;② 過載電流大于I2,且持續(xù)時間較長,對導線的絕緣造成傷害。這種情況下,斷路器會在過載電流對導線絕緣造成損害前及時切斷線路。

(2) 當過載電流Iol2 h時,一旦過載持續(xù)時間超過導體溫度,升高到足以使其絕緣性能下降的某一極限時間,而斷路器又因Iol

2.2 電子式脫扣器

電子式脫扣器的工作原理是利用電子元件構成的電路對回路電流采樣,通過控制處理單元進行分析、計算,并發(fā)出控制指令,最后由執(zhí)行機構驅(qū)動斷路器分斷。電子式脫扣器的斷路器屬于可調(diào)保護電器,其過載保護的動作值(又稱長延時過電流動作值)及延時動作時間是可調(diào)的,其值稱作整定電流和整定時間。根據(jù)條款433.1,式(1)中的額定電流In是給定的整定電流,而整定電流就是斷路器可靠動作的電流I2,故式(1)可改寫為

IB≤I2≤IZ

(3)

按照式(3)選擇導線截面,斷路器動作時導線不會過載,從而無需采用式(2)來驗證斷路器的動作特性。

由上述分析可知,對于電子式脫扣器的斷路器,按照式(3)選擇導線是安全的,斷路器可以提供完全的過載保護。

3 持續(xù)過電流小于I2情況下導線的選擇

持續(xù)過載電流小于I2情況下,配置熱脫扣器斷路器不能夠提供完全的過載保護。出現(xiàn)這種情況一般是由于線路在后期的運行中負荷增加,導致線路的實際運行電流超過設計值,而配電線路的保護電器及導線又未及時根據(jù)負荷增加而調(diào)整。例如住宅建筑中,家用電器隨著生活水平的提高而不斷增加;商業(yè)建筑中,商鋪因經(jīng)營業(yè)態(tài)的改變而增加用電負荷。

3.1 解決措施

對于熱脫扣器的斷路器,要避免持續(xù)時間超過斷路器的約定動作時間而又小于I2的過電流對導線絕緣造成損害,有效的辦法就是選用較大截面的導線。按照式(3)來選擇導線,使導線載流量不小于I2,從而保證斷路器動作時導線不過載。

對于熱脫扣器,其可靠動作電流(約定動作電流)I2和約定動作時間是固定的,不可調(diào)。配置熱脫扣器的低壓斷路器,如配置熱脫扣器的塑殼斷路器,其約定動作電流I2為1.3倍額定電流(1.3In),需按照式(4)選擇導線載流量:

IZ≥1.3In

(4)

家用及類似場所用斷路器,如小型斷路器,其約定動作電流為1.45倍額定電流(1.45In),需按照式(5)選擇導線載流量:

IZ≥1.45In

(5)

3.2 計算實例

以下實例均是考慮后期有過載可能的情況下,比較斷路器配置電子式脫扣器與熱脫扣器以及配置熱脫扣器的塑殼斷路器和小型斷路器過載保護時導線的選擇。

例1:計算電流IB=210 A,分別計算斷路器配置熱磁脫扣器和電子脫扣器過載可靠動作值和導線截面的選擇。

(1) 配置熱磁脫扣器,斷路器的額定電流In=250 A,則過載可靠動作電流I2=1.3In=

325 A。參考國家建筑標準設計圖集04DX101-1《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》,選用YJV-120 mm2的電纜在空氣中敷設,環(huán)境溫度為30 ℃,其載流量為IZ=346 A,滿足IZ≥1.3In。

(2) 配置電子脫扣器,電子脫扣器額定電流In=250 A,過載可靠動作電流(過載長延時動作電流)I2=1.0In=250 A,時間整定為30 s,則選用YJV-95 mm2的電纜在空氣中敷設,環(huán)境溫度為30 ℃,其載流量為IZ=298 A,滿足IZ≥I2。

例2:計算電流IB=35 A,分別計算選用塑殼斷路器和小型斷路器時導線截面的選擇。

(1) 選用塑殼斷路器時,斷路器的額定電流In=40 A,則過載可靠動作電流I2=1.3In=52 A。參考國家建筑標準設計圖集04DX101-1《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》,選用YJV-6 mm2的電纜在空氣中敷設,環(huán)境溫度為30 ℃,其載流量為IZ=54 A>52 A,滿足IZ≥1.3In。

(2) 選用小型斷路器時,斷路器的額定電流In=40 A,則過載可靠動作電流I2=1.45In=1.45×40=58 A,選用YJV-10 mm2的電纜在空氣中敷設,環(huán)境溫度為30 ℃,其載流量為IZ=75 A>58 A,滿足IZ≥1.45In。

4 結 語

(1) 由過載保護兩個基本公式可知,導體1.45IZ過載電流的安全時間不小于斷路器的動作約定時間,且不小于2 h。

(2) 配置熱脫扣器的斷路器,對于持續(xù)時間超過斷路器保護動作約定時間而又小于I2的過電流,按照過載保護的兩個基本公式可能不保證起到保護作用,即式(1)、式(2)不能起到完全的過載保護。如要提供完全過載保護,則按照式(1)與式(4)(對于熱脫扣器的低壓斷路器)或按照式(1)與式(5)(對于家庭及類似場所用斷路器)選擇導線 。

(3) 配置電子式脫扣器的斷路器,過載保護的基本公式可改寫為IB≤I2≤IZ,且能夠提供完全的過載保護。

[1] 賀湘琨.怎樣理解低壓配電線路過載保護的兩個基本公式[J].建筑電氣,2010,29(4):182-185.

[2] 王厚余.對IEC標準低壓線路過載保護公式調(diào)查的回顧[J].建筑電氣,2011,30(1):3-6.

[3] Günter G.Seip.電氣安裝技術手冊[M].2版.胡明忠,胡沫非,譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

Understanding and Application of Overload Protection Formulas for Low Voltage Distribution Line

SHENGXiaowei

(China BCEL International Engineering Co., Ltd., Beijing 100026, China)

This paper explained the meaning of the overload protection formulas for low voltage distribution lines,and points out the cases that formulas may not ensure overload protection when sustained overload current is less thanI2,are not suitable to the circuit breaker with electronic tripping device.Formulas for the circuit breaker with electronic tripping device or with thermal overload release are given,overload protection according with those formulas is ensured.

low voltage distribution circuit; low voltage circuit breaker; overload protection; thermal overload release; electronic tripping device

盛小偉(1974—),男,教授級高級工程師,從事建筑電氣供電可靠性及電氣防火方面的研究。

TU 852

A

1674-8417(2015)07-0034-04

2015-05-08