专栏名称: 低压电气和低压电器技术
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探索——低压开关电器的动、热稳定性之4

低压电气和低压电器技术  · 知乎专栏  ·  · 2017-10-12 06:24

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要探讨动、热稳定性的关系,则必须明确以下几个概念。

(1)关于短路电流

在我的书《低压成套开关设的原理及其控制技术》第1.4节,描述了短路电流的若干知识。摘录如下:

冲击短路电流峰值ipk与短路电流稳态值ip之比称为峰值系数n。在GB14048.1-2012《低压开关设备和控制设备 第1部分:总则》中规定了峰值系数的值,如下:

表中的试验电流就是短路电流。

我们看到,随着短路电流增大,峰值系数n的值从1.41变化到2.2。

(2)关于开关电器的短时耐受电流和短路接通能力

开关电器的短时耐受电流Icw是一个测量值,它代表了该型开关电器导电材料和触头能够承受的短路电流最大热冲击。

从短时耐受电流的定义看,短时耐受电流就是当线路发生短路时低压开关电器能够在一段时间内承载和忍受的最大发热电流,它表征了低压开关电器对于短路电流的热稳定性。

这里所指的一定的热冲击时间分别为1秒或3秒。

额定短路接通能力Icm是一个瞬时量,它是低压开关电器能够承受的最大电流,尽管低压开关电器流过此电流后可能已经损坏。

额定短路接通能力Icm表征了开关电器对于短路电流的动稳定性。

低压开关电器的动稳定性与热稳定性之间符合如下关系:

I_{cm}=nI_{cw}

这里的n就是峰值系数。

注意看短路电流波形图。我们很容易发现,对于电源侧的开关电器来说,它的短路接通能力Icm必须大于冲击短路电流峰值Ipk,也因此,开关电器的短时耐受电流Icw也应当十分接近短路电流的稳态值,或者短路电流的周期分量Ip。

(3)断路器的极限短路分断能力Icu和运行短路分断能力Ics

额定极限短路分断能力Icu和额定运行短路分断能力Ics:

极限短路分断能力Icu是指在规定的条件下(电压、电流、功率因数等等)断路器的分断能力,并且分断后不考虑断路器能否继续承载它的额定电流。

Icu这个参数表征了断路器的极限分断能力,同时对断路器来说也是破坏性试验。

极限短路分断能力Icu的试验程序是:O-t-CO,即打开-延时-闭合后立即打开。这里的t延迟休息时间一般不小于3分钟。

试验线路如果处于O程序,断路器处于分断状态。CO试验时使断路器合闸,然后立即分断。这里的合闸C是考核断路器在经受了接通电流(峰值电流)以后,是否会因为峰值电流产生的电动斥力冲击和热冲击而损坏。如果断路器能够在合闸后立即分断,并且还能熄灭电弧,则说明该断路器的CO试验成功。

运行短路分断能力Ics是指在规定的条件下(电压、电流、功率因数等等)断路器的分断能力,并且分断后断路器还能继续承载它的额定电流。

由此可见,Ics表征了断路器的重复分断能力。

运行短路分断能力Ics的试验程序是:O-t-CO-t_CO,即打开-延时-闭合后立即打开-延时-闭合后立即打开。

与极限短路分断能力Icu的试验程序相比,运行短路分断能力Ics的试验程序多了一个CO。当试验顺利完成后,还需要做工频耐压验证、温升验证、过载脱扣器性能验证和操作性能验证。操作性能验证是在同样的工作电压加载了额定电流,让断路器反复操作的次数为电寿命的5%。试验合格的判定标准是:每个试验程序都合格,并且断路器的外壳不应破碎,但允许有裂缝。

在GB14048.2-2008《低压开关设备和控制设备 第2部分:断路器》标准中,规定Ics占Icu的比值序列为25%、50%、75%和100%。一般地,断路器的Ics占Icu的比值为50%~75%。

(4)断路器的几个重要参数之间的关系

对于断路器而言,它的几个重要参数之间有如下关系不等式:

注意:图18中,从I1到I3为断路器执行线路保护的参数,从Icw开始到Icm,均为保护断路器自身的参数。

此关系不等式是理解断路器参数的一把钥匙,有较深的内涵。

(5)断路器Emax参数的再分析

我们再次看Emax断路器的参数,如下:

第一行:Iu,就是额定电流In。这里的U就是use(使用)的意思。

第二行:Ue,就是额定电压,它与额定电流配套。

第三行:Icu,就是极限短路分断能力。

第四行:Ics,就是运行短路分断能力。

第五行:Icw,就是短时耐受电流,断路器的热稳定性,我们所讨论话题的第一主角。

最后一行:Icm,就是短路接通能力,断路器的动稳定性,我们所讨论话题的第二主角。

现在,我们来看热稳定性和动稳定性之间的关系。

当Icw取42kA时,Icm取88.2kA,它们的比值为 n=\frac{88.2}{42}=2.1

当Icw取50kA时,Icm取105kA,它们的比值为 n=\frac{105}{50}=2.1

当Icw取65kA时,Icm取143kA,它们的比值为 n=\frac{143}{65}=2.2

回头再看GB14048.1-2012的表16峰值系数表,我们发现动、热稳定性的比值就是峰值系数n。

为何如此?

我们来看一个配置实例:

设某电力变压器的容量Sn=2000kVA,阻抗电压Uk=6%,低压侧线电压为400V。我们来为它配置低压侧进线断路器:

变压器的额定电流: In=\frac{S_n}{\sqrt{3}U_n}=\frac{2000 \times 10^3}{1.732 \times 400}\approx 2887A

变压器的短路电流: I_K=\frac{I_n}{U_K}=\frac{2887}{0.06} \times 10_{-3}\approx 48.1kA

变压器的冲击短路电流峰值: I_{PK}=nI_K=2.2\times 48.1\approx 106kA

我们选择低压侧进线断路器的原则是:

断路器的额定电流In>2887A;断路器的极限短路分断能力Icu>48.1kA;断路器的短路接通能力Icm>106kA。

查Emax参数表:

优选E3N3200断路器,它的额定电流是3200A,极限短路分断能力和短路短延时是65kA,短路接通能力是143kA,均满足要求。

(7)允通能量问题

在我的书《低压成套开关设备的原理及其控制技术》中,第1.4.2节有如下内容:

我们再来看第一篇文章的附图,如下:

注意看横坐标,是预期对称短路电流。所谓对称,指的就是短路电流的交流分量Ip,且为有效值。

再看纵坐标,是峰值电流,其实就是冲击短路电流峰值Ipk。

例如左边第一个台阶,它的Ip=10kA。查GB14048.1-2012的表16,当试验电流在 5kA<I\leq10kA 时,峰值系数n=1.7,代入计算式,得到Ipk=17kA;但 10kA<I\leq20kA 时,峰值系数n=2.0,代入计算式,得到Ipk-20kA。

因此,曲线在10kA处出现了一个台阶,它体现了峰值系数n的取值特性。

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本系列回答文章到这里就结束了。

若评论区有值得探讨的评论,我会添加有针对性的补充修改。







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