从低压断路器的结构讨论到GB14048.2-2008之2

帕特里克

低压断路器的参数众多，这些参数有的与接通和分断运行电流有关，有的与接通和分断短路电流有关。
在讨论断路器参数之前，我们先来简单地看看有关短路电流的计算，如下：

图中，我们看到了短路电流的直流分量Ig，短路电流的交流分量Ip，看到了短路电流直流分量和交流分量叠加后出现的最大值，也即冲击短路电流峰值Ipk，我们还看到，当短路电流直流分量衰减完毕后，短路电流的稳态分量等于短路电流的交流分量Ip。
在GB14048.1-2012《低压开关电器和控制电器 第1部分：总则》中，有下表：

此表说明了短路电流稳态值也即交流分量Ip与短路电流最大值——冲击短路电流峰值Ipk之间的关系。也即：
Ipk=nIp
其中n即上表中的峰值系数。
现在我们来看看低压断路器的最主要参数有哪些，如下：
额定电流In
标准中说明，额定电流就是额定不间断电流，见4.3.2.3条。
额定极限短路分断能力Icu和额定运行短路分断能力Ics

在做断路器的短路分断能力型式试验时，首先让断路器闭合，也即CLOSE。接着让短路电流流过断路器，让断路器利用自身的脱扣器执行开断操作，也即OPEN。我们把这个过程叫做“CO”。
如果流过断路器的短路电流是断路器能够开断的最大值，并且开断后断路器即损坏，则此短路电流的最大值被称为断路器的极限短路分断能力Icu。做Icu型式试验时，断路器只需要经过一次的CO过程。
如果流过断路器的短路电流是较小，断路器在开断短路电流后能够继续使用，则此短路电流的最大值被称为断路器的运行短路分断能力Ics。做Ics型式试验时，断路器需要经过两次的CO过程。
实际使用时，必须让断路器的极限短路分断能力Icu大于短路电流稳态值，也即短路电流的交流分量Ip。
额定短路接通能力Icm
短路接通能力是断路器能够接通的最大瞬时值：

断路器承受短路电动力冲击作用的能力被称为断路器的动稳定性。
动稳定性是由短路电流的瞬时最大值来定义和测量的，这里的瞬时最大值就是短路接通能力Icm。
在实际使用时，必须让Icm大于短路电流的冲击短路电流峰值Ipk。

额定短时耐受电流Icw
Icw是断路器的热稳定性指标：

那么Icm与Icw之间，也即断路器的动稳定性与热稳定性之间有何种关系？
答案是：Icm=nIcw
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现在我们来看一个实例：
设电力变压器的容量为2000kVA，它的低压侧电压为400V，阻抗电压Uk=6%，于是有：
变压器的额定电流：In=2000X10³/(1.732X400)=2887A
短路电流稳态值：Ik=In/Uk=2887X10^-3/0.06=48.1kA
冲击短路电流峰值：nIk=2.1X48.1kA=101kA。
于是低压主进线断路器的主要电流参数为：
断路器额定电流必须大于变压器额定电流2887A，取为标准值3200A；
断路器的极限短路分断能力Icu必须大于短路电流稳态值，取为50kA；
断路器的短路接通能力必须大于冲击短路电流峰值101kA，取为105kA。
有趣的是，已知冲击短路电流峰值与短路电流稳态值之比为峰值系数n，因此可以推得：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之比亦为峰值系数n。上例中可见：105/50=2.1=n
下图为ABB的Emax断路器的参数表：

值得注意的是：为何Icm出现在将断路器用作隔离开关时的参数栏里？
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我们定义，断路器的过载保护整定值为I1，断路器的短路短延时保护整定值为I2，断路器的短路瞬时保护整定值为I3，于是有以下不等式：
I1<=In<I2<I3<Icw<Ics<=Icu<Icm
此不等式背后的知识量比较大，需要仔细理解。

东海龙王

老帕的经典在于这个不等式。
问题是：什么时候用到额定短路接通能力？什么时候用到额定短时耐受能力？

bzp4891

什么时候用到额定短时耐受能力？
---—“断路器”的额定短时耐受能力的作用是为了与下级断路器（多为塑壳断路器）做选择性配合，在塑壳断路器切除短路故障的这段时间内（比如NSX系列是50ms），上级的框架断路器需要耐受塑壳断路器分断时间内短路电流所产生的热效应（受预期短路电流有效值与时间影响）和电动力效应（受短路电流峰值影响），热效应的后果会使断路器触头熔焊粘在一起，电动力的后果会使断路器触头斥开或破坏机械结构。

bzp4891

什么时候用到额定短路接通能力？
----断路器动静触头之间的接触从微观的角度看，不是'面接触"而是由许多个“点接触”组成有效的接触面（见图1），在正常额定电流或故障情况下的短路电流流过这些接触点时，会像如图所示的电流线一样（如图2），对于同向的电流相互之间的电动力为斥力（见图3），对于异向电流相互之间的电动力为吸力。短路情况下电动力与短路电流峰值有关，所以此时动静触头之间的电动斥力也是最大的，中、低压断路器（GB1984和GB14048.2）、中压负荷开关(GB3804)、中压隔离开关和接地开关(GB1985)、低压隔离开关(GB14048.3)抵御短路情况下动静触头之间电动力的能力即为额定短路接通能力。

bzp4891

有一个疑问，就是关于short-circuit making capacity的翻译，比如低压断路器标准GB14048.1和GB14048.2翻译为“短路接通能力”，而高压断路器GB1984（也即3.6~40.5kV中压真空断路器、油断路器、SF6断路器的设计、制造、型式试验标准）翻译为“短路关合能力”，如截图所示：

东海龙王

额定短时耐受能力用于热稳定上下级配合，ok，好操作。
额定短路接通能力在设计中怎么去操作？？？？

bzp4891

额定短路接通能力在实际应用中考核的是断路器在“潜在的短路故障”情况下承受电动力的能力，比如电力设备或线路在未正式投运前，就已经存在绝缘故障甚至短路故障，当断路器关合这种预伏的短路故障时，关合过程中，在动静触头未完全接触前，短路电流已经通过触头上的“点接触”形成同向的“电流线”产生电动斥力，对断路器关合造成很大的阻力，此时如果断路器内弹簧施加在动静触头的力无法克服电动斥力，就会造成关合失败甚至断路器爆炸，而一旦关合成功，对于“临时性或短暂性”故障（例如中压线路中的鸟兽、树枝引起的短路故障），则线路恢复供电（中压断路器的自动重合闸就是短路关合能力的最好应用）；而对于永久性故障，则断路器关合后立即分闸（类似于低压断路器Icu和Ics试验的CO过程，关合过程中断路器不能发生爆炸，否则试验失败）。

东海龙王

bzp4891 发表于 2016-1-25 17:24
额定短路接通能力在实际应用中考核的是断路器在“潜在的短路故障”情况下承受电动力的能力，比如电力设备或 ...

thx

帕特里克

断路器的短路接通能力Icm和短时耐受电流Icw，这两个参数就是开关电器的动稳定性和热稳定性。
我们来设想一下，系统中发生了短路。由于断路器要切断短路电流，需要有一定的时间。这个时间不小于15毫秒。
我们已经知道，冲击短路电流峰值出现在短路后10毫秒，由此可知，断路器一定要能够承受冲击短路电流峰值带来的巨大短路电动力的作用力。
在分析短路电动力时，有两种不同的方法，第一个方法是利用比奥.萨伐尔定律来计算，第二个方法是利用能量平衡原理。但不管采用哪种方法，短路电动力都与电流的平方成正比，与载流导体的长度成正比，与相间距离成反比。也即：
F=F(I²/d)对于断路器而言，它的尺寸有限，导电体的长度当然更有限，因此长度这个参数对短路电动力强度的贡献作用不大，而电流对短路电动力的贡献要大得多。
断路器的参数有两类，一类用于保护线路的参数，一类用于保护断路器自身的参数。显见，断路器的短路接通能力Icm就属于保护自身的参数。
再看短时耐受电流Icw。短时耐受电流是断路器导电体对短路电流热冲击的抵御能力。
说到发热，我们立刻就想到了有效值，只有短路电流的有效值才能对导电体产生热冲击作用。另外，当短路电流对断路器导电体产生热冲击作用时，由于时间短，系统来不及散热，因此短路电流热冲击作用是一个绝热过程。
对于低压电器，短时耐受电流的时间长度一般为1秒，特殊情况下时间长度才设定为3秒。对于中压电器，短时耐受电流的时间长度多半为3秒。
设发热功率为P，我们有：P=I²Rt。
我们再次看见了电流的平方。
也就是说，不管是断路器的热稳定性还是动稳定性，它们都与电流的平方成正比。
我们把I²t叫做允通能量。
来看下图：

注意看上图，图中的横坐标是Irms，附注中说明是对称短路电流，其实就是短路电流的交流分量；再看纵坐标Ip，附注中说明是峰值电流。既然是峰值电流，大家一定会想到峰值系数n。事实上，从图中的曲线可以看出，在10kA、20kA和50kA三处，我们看到了曲线有台阶，此台阶正是峰值系数的体现。
峰值电流等于峰值系数乘以短路电流的交流分量。
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现在我们来考虑一种应用情况，就是将断路器的脱扣器拆除，换之以继保装置，这种做法在石化项目和电厂项目中很多见。这样做的好处是，通信协议是统一的，便于电力监控SCADA采集信息。
在这种情况下，断路器事实上已经变成了隔离开关。于是，断路器的动热稳定性显得尤为重要。须知，继保装置与断路器的配合关系并不是完美无缺的，毕竟继保装置不能取代断路器的脱扣器。
为此，当ABB在为某核电项目提供开关柜时，特地用继保装置REF542PLUS来取代脱扣器，并在上海做了5500A的短路电流型式试验，由此证明了REF542PLUS可以取代脱扣器，并摸索出取代脱扣器的方法。
在线路中，把不能主动开断短路电流的元件叫做被动元件。隔离开关、接触器、刀闸开关等等，都是被动元件。对于低压开关柜来说，主母线也是被动元件。
在线路中，把具有主动开断短路电流的元件叫做主动元件。主动元件只有两种，就是断路器和熔断器。
现在我们应当明确了，如果断路器被改变功能成为隔离开关时，一定要校核动热稳定性。
另外，当某断路器作为主进线开关时，必须校核它的动热稳定性。

秋月洞庭

学习学习，感谢感谢！

hbsjzsjy

非常详细，学习了。

jszj_dtx

讲解的非常详细,学习学习!