熔斷器在建筑低壓配電設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討

何進(jìn)進(jìn)

摘 要：本文闡述了熔斷器的特性及其主要優(yōu)缺點(diǎn)，分析并歸納了熔斷器在建筑低壓配電線路中不同條件下的選型應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：低壓配電線路；熔斷器；選型

1 前言

根據(jù)德國金米勒公司提供的資料，目前歐洲90%以上的電網(wǎng)依然由熔斷器保護(hù)，而且對于熔斷器的發(fā)展也一直很重視[1]。但在國內(nèi)的建筑低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，低壓熔斷器的使用卻較少。為此，本文對低壓熔斷器的特性和選型等方面進(jìn)行了分析和歸納。

2 熔斷器的主要類型

按使用電壓分為高壓熔斷器和低壓熔斷器，本文主要介紹低壓熔斷器。

按分?jǐn)喾秶褪褂妙悇e分為“gG”、“gM”、“gTr”、“aM”等，其中“gG”為一般用途全范圍分?jǐn)嗄芰θ蹟嗥鳎ㄖ饕糜陔娎|和導(dǎo)線保護(hù)），“aM”為保護(hù)電動機(jī)電路的部分范圍分?jǐn)嗄芰Φ娜蹟嗥?，此兩種低壓熔斷器在建筑低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最常應(yīng)用[2]（目前“gG”型熔斷器也經(jīng)常會用來保護(hù)電動機(jī)，前提是其能承受電動機(jī)的起動電流）。

按結(jié)構(gòu)可分為專職人員使用的熔斷器（主要有刀型觸頭熔斷器、圓筒形帽熔斷器、螺栓連接熔斷器和偏置觸刀熔斷器）和非熟練人員使用的熔斷器。隨著工業(yè)發(fā)展的需要，還制造出適于各種不同要求的特殊熔斷器，如電子熔斷器、熱熔斷器和自復(fù)熔斷器等。

3 熔斷器的特性

3.1 時(shí)間-電流特性

過電流開始至熔體熔化之間的時(shí)間間隔（弧前時(shí)間）取決于過電流的大小。這樣，對個別的熔斷器而言，對于每個過電流，弧前時(shí)間具有個別化的特征?；∏皶r(shí)間和開斷電流之間的關(guān)系被稱為特性并繪制為時(shí)間-電流曲線（以符合國家標(biāo)準(zhǔn)的NH型熔斷器OFA為例，見圖1）。時(shí)間-電流特性是用來確定保護(hù)效果和協(xié)調(diào)熔斷器與其他保護(hù)器件的重要數(shù)據(jù)。

上圖中，橫坐標(biāo) ： 預(yù)期短路電流 Ip（有效值），縱坐標(biāo) ： 弧前時(shí)間 s。

3.2 限流特性曲線

熔斷器在分?jǐn)喽搪冯娏鲿r(shí)具有限流特性，即在短路電流峰值出現(xiàn)之前已經(jīng)熔斷，切斷短路電流，從而保護(hù)了配電線路及負(fù)載，避免因巨大的熱沖擊和電動沖擊所造成的損失。熔斷器限流特性曲線由制造商提供，見下圖2為例。

3.3 約定時(shí)間和約定電流

約定電流分為約定不熔斷電流和約定熔斷電流。約定不熔斷電流為熔斷體在約定時(shí)間內(nèi)不熔斷的最大允許電流，約定熔斷電流為熔斷體在約定時(shí)間內(nèi)可以熔斷的最小電流。額定電流16A及以上的g類熔斷體約定時(shí)間和約定電流見表1，額定電流16A以下的gG類熔斷體的約定時(shí)間和約定電流見表2。

3.4 過電流選擇比

上、下級熔斷體的額定電流比為1.6：1時(shí)，具有選擇性熔斷，該比值即為過電流選擇比。

3.5 I2t特性

熔斷體允許通過的I2t（即焦耳積分）值，是用來衡量在故障時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱能。因此，熔斷器的I2t值應(yīng)小于被保護(hù)電器設(shè)備的I2t值。弧前I2t是熔斷器弧前時(shí)間內(nèi)的焦耳積分；熔斷I2t是全熔斷時(shí)間內(nèi)的焦耳積分，是用來考核其過電流選擇性、熔斷器與斷路器之間選擇性配合的參數(shù)。

3.6 分?jǐn)嗄芰?/p>

熔斷器由于具備限流能力能在很短的時(shí)間內(nèi)分段相當(dāng)大的短路電流。通常情況下，預(yù)期短路電流越大，熔斷器的額定電流越低，則其限流作用就越明顯。有效的限流作用和相應(yīng)的高分段能力是熔斷器的基本特性。

4 熔斷器的主要優(yōu)缺點(diǎn)簡述

4.1 熔斷器的主要優(yōu)點(diǎn)[3]

（1）選擇性好。因?yàn)槿蹟嗥骰∏皶r(shí)間—電流曲線實(shí)際上在全電流范圍是平行且互不相交，故熔斷器之間能較容易實(shí)現(xiàn)全選擇性保護(hù)，提高了供電系統(tǒng)的可靠性。這對于其他保護(hù)元件來說很難做到，是熔斷器非常重要的優(yōu)勢。上下級熔斷器的熔斷體額定電流只要符合國標(biāo)和IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的過電流選擇比為1.6：1的要求，即上級熔斷體額定電流不小于下級的該值的1.6倍，就視為上下級能有選擇性切斷故障電流。

（2）限流特性好，分?jǐn)嗄芰Ω?。熔斷器能容易?shí)現(xiàn)較高的分?jǐn)嗄芰?。如對于非熟練人員使用的熔斷器，其交流最低分?jǐn)嗄芰?0kA；對于專職人員使用的熔斷器，其分?jǐn)嗄芰扇菀走_(dá)到100kA，特殊制作的更可達(dá)到300kA。而對于斷路器而言，這樣的分?jǐn)嗄芰鸵馕吨^高的成本。

（3）不需要復(fù)雜的短路計(jì)算。熔斷器的最低分?jǐn)嗄芰^高，通常情況下交流最低分?jǐn)嗄芰Υ笥谄渌褂脠鏊亩搪冯娏?，故可不進(jìn)行短路計(jì)算。而對斷路器而言，分?jǐn)嗄芰墧?shù)有很多， 如4.5kA、6kA、10kA、25kA、35kA和50kA等，并且分?jǐn)嗄芰υ礁叩臄嗦菲鲀r(jià)格越貴。為節(jié)約投資，通常是需要進(jìn)行短路計(jì)算，以選擇適合安裝場所分?jǐn)嗄芰Φ臄嗦菲鳌?/p>

（4）可靠性高。熔斷器在熔斷后必須進(jìn)行更換，新?lián)Q上的熔斷器能保持原有性能，保護(hù)系統(tǒng)依然100%的安全有效。受保護(hù)的電器壽命受到其保護(hù)電器熔斷器和斷路器的老化問題影響。熔斷器的熔體雖然會熱老化，可能會對過載區(qū)的熔斷產(chǎn)生影響，但是這樣的老化并不會降低其安全性和可靠性。而斷路器這樣的機(jī)械性設(shè)備，出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)會隨著老化程度增加而增大，因此需對其進(jìn)行評估并制定維護(hù)措施。

（5）經(jīng)濟(jì)有效的保護(hù)。與斷路器相比，熔斷器具有較小的外形尺寸、緊湊的結(jié)構(gòu)、高分?jǐn)嗄芰偷土膬r(jià)格。配電柜內(nèi)的保護(hù)電器會在故障 （如電纜損壞、短路） 或系統(tǒng)缺乏選擇性時(shí)動作之后被檢修。這時(shí)短路電流很大，若未排除故障就再合閘會對系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害。相比斷路器，熔斷器具有很強(qiáng)的分?jǐn)嗄芰蜔o比的可靠性。

（6）不損害起動器和接觸器。在故障后，熔斷器可保證系統(tǒng)安全、快速和有效地重新起動。熔斷器的限流作用很強(qiáng)，能使系統(tǒng)達(dá)到配合類型2的要求（根據(jù)IEC 60947—4—1，2 型保護(hù)要求接觸器或起動器在短路條件下不應(yīng)對人及設(shè)備形成危害，且應(yīng)能夠繼續(xù)使用）。因此，用熔斷器保護(hù)不損害起動器和接觸器。

（7）不需維護(hù)。熔斷器是靜態(tài)保護(hù)裝置并且是密閉的，這使其能在最繁雜的環(huán)境、沒有維修和保養(yǎng)的條件下也可對配電系統(tǒng)進(jìn)行長效和可靠的保護(hù)。熔體的反應(yīng)是按照物理規(guī)律和能量學(xué)原理進(jìn)行，因而結(jié)構(gòu)合適的熔斷器不需要維護(hù)、調(diào)整或重新校核，在使用過程中能幾十年的維持最初設(shè)計(jì)的過電流保護(hù)水平。

4.2 熔斷器的主要缺點(diǎn)

（1）在故障熔斷后必須更換熔斷體。（2） 保護(hù)功能單一，只有一段過電流反時(shí)限特性，過載、短路和接地故障都用此防護(hù)。（3）不能實(shí)現(xiàn)遙控，需要與電動刀開關(guān)、開關(guān)組合才有可能。（4）用于三相電動機(jī)保護(hù)時(shí)，若發(fā)生一相熔斷，會對三相電動機(jī)將導(dǎo)致兩相運(yùn)轉(zhuǎn)的不良后果。也可用帶發(fā)報(bào)警信號的熔斷器予以彌補(bǔ)，一相熔斷可斷開三相。

5 建筑低壓配電線路中的常見故障

短路和接地故障，多發(fā)生在末端回路，約占到90%以上，特別是插座回路更是如此，原因是插頭、插座和移動電器及其導(dǎo)線和接頭等較容易出故障。就故障類型而言，接地故障多，相間短路少，前者約占80%～90%。電動機(jī)等設(shè)備的末端回路，通常是過載多，而短路故障較少。電動機(jī)的過載約占80%以上，而過載是用熱繼電器保護(hù)的，不會使熔斷器、斷路器動作。

6 熔斷器的選型及合理應(yīng)用

選擇熔斷器，首先根據(jù)在低壓配電系統(tǒng)的實(shí)際使用條件確定熔斷器類型，包括選定合適使用類別和分?jǐn)喾秶?。一般“gG”全范圍熔斷器兼有過載保護(hù)功能；而“aM”部分范圍熔斷器的作用主要是短路保護(hù)功能。

6.1 熔斷器額定電壓和額定電流的選定

熔斷器的額定電壓Un不應(yīng)低于線路的額定電壓Ue。

在配電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，熔斷體額定電流In不應(yīng)小于線路計(jì)算電流，且應(yīng)盡量的接近線路計(jì)算電流。照明線路一般采用“gG”熔斷器，其熔斷體選擇可按式（5.1）選用。

In≥KIC （5.1）

上式中，IC為照明線路的計(jì)算電流，K為照明線路熔斷體的選擇計(jì)算系數(shù)（其值見下表3[4]）。

當(dāng)用于電動機(jī)電路時(shí)一般采用“aM”熔斷器，，在不經(jīng)常起動或起動時(shí)間不長（如一般機(jī)床電動機(jī)）時(shí)，可按式（5.2）選用。在經(jīng)常起動或者起動時(shí)間較長（如起重機(jī)電動機(jī)）時(shí)，可按式（5.3）選用。

In=IA/（2.5～3） （5.2）

In=IA/（1.6～2） （5.3）

上兩式中，IA是為電動機(jī)的起動電流。

如按起動情況求得的熔斷體電流低于線路的計(jì)算電流，則仍應(yīng)按正常運(yùn)行情況選用。

6.2 熔斷器的選擇性配合

（1）熔斷器與熔斷器之間的配合?？梢姳疚牡?.1.（1）中所述，此處不在復(fù)述。但是當(dāng)短路電流很大，熔斷器弧前時(shí)間小于0.1s時(shí)，這樣選擇后還須用I2t值進(jìn)行驗(yàn)證，保證上級熔斷器的I2t值大于下級熔斷器的I2t值。

（2）熔斷器與斷路器的配合。若配電線路中某處短路電流超過該處斷路器的額定分?jǐn)嗄芰?，則可在斷路器的電源側(cè)設(shè)置1只后備保護(hù)熔斷器。 后備保護(hù)熔斷器必須在短路電流達(dá)到斷路器的額定分?jǐn)嗄芰χ胺謹(jǐn)?，見下圖3所示。

上圖中，a為熱脫扣器，n為瞬動脫扣器，r為額定分?jǐn)嗄芰?，ID為安裝位置最大預(yù)期短路電流。

（3）熔斷器與接觸器和熱繼電器的配合。熔斷器在與接觸器和熱繼電器的配合中起到短路保護(hù)作用。在選擇熔斷器時(shí)，需要對各電器元件的有效范圍和工作特性進(jìn)行科學(xué)合理選配，須滿足下列各項(xiàng)條件。

①熔斷器和熱繼電器的時(shí)間—電流特性須保證電動機(jī)從零速到全速的延時(shí)范圍。②熔斷器須能保護(hù)熱繼電器不受超過其額定電流10倍的大電流破壞。③ 熔斷器須能分?jǐn)嘟佑|器不能分?jǐn)嗟拇箅娏鳎ń佑|器額定工作電流的8倍或10倍以上），并能在短路時(shí)保護(hù)接觸器，免其觸點(diǎn)不會發(fā)生熔焊。

7 結(jié)束語

綜上所述，雖然熔斷器有保護(hù)功能單一及不能實(shí)現(xiàn)遙控等缺點(diǎn)，但其與斷路器相比有著反時(shí)限性優(yōu)越、更經(jīng)濟(jì)、易規(guī)?；a(chǎn)、結(jié)構(gòu)簡單更為可靠等優(yōu)勢在建筑低壓配電設(shè)計(jì)中也應(yīng)充分被利用。在建筑低壓配電設(shè)計(jì)中各種保護(hù)電器綜合選擇，一般的方案可取下表4所示。

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