专栏名称: 低压电气和低压电器技术
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学点开关电器知识——断路器的基本原理之7-2

低压电气和低压电器技术  · 知乎专栏  ·  · 2017-11-06 08:52

正文

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我们看下图:

我们已经知道二级配电总开关QF121的额定电流是500A,实际电流是430.6A。

我们从图中看到,一级配电系统馈电开关QF11与二级配电系统进线开关QF121之间有一条电缆。

我们假定这条电缆在地面上敷设,长度50米。我们首先要确定电缆的截面参数。查阅《电气工程师实务手册》,120平方的铜芯电缆载流量是485A,我们就用120平方来作为我们的设计对象。

我们要做的第一件事,就是确定电缆在正常运行条件下的压降。

在《工业与民用配电设计手册》第九章表9-63中,有一个计算公式,如下:

查《工业与民用配电设计手册》第九章表9-78,得知1kV聚氯乙烯绝缘120平方电力电缆用于三相380V系统的每1千米1A的电压损失为:

我们知道,当电动机正常运行时,它的功率因数为0.8,因此有:

\Delta u\%=\Delta U_a\%IL=0.087\times 430.6\times0.05\approx 1.8731\%

把计算值乘以380V电压,得到: \Delta U=U_N \Delta u\%=380 \times 0.018731 \approx7.12V

看起来导线的压降并不大。但是我们能这样计算吗?要知道,一级配电系统的母线以及电力变压器连接到低压进线的母线槽或者电缆也会有压降的。

一般地,一级配电系统的总压降为6V。我们从电力变压器的低压侧开始计算系统压降。

我们已经知道,变压器低压侧的电压是400V,运行电流是2012A,一级配电系统的压降是6V。于是一级配电系统馈电出口处(QF11的下口电缆接线端子处)的电压为:

U_{OUT_QF11}=400-6=394V

于是二级配电系统进线处也即QF121进线处的电压为:

U_{IN_QF121}=U_{OUT_QF11}(1-\Delta u\%)=394 \times (1-0.018731)\approx 386.7V

我们忽略掉二级配电母线和馈电电缆的压降,认为二级配电进线的电压就是电动机接线端子上的电压。

于是从变压器低压侧到电动机接线盒处的线路压降与变压器低压侧额定电压之比为:

K=\frac{U_{motor}}{U_N}=\frac{400-386.7}{400}\approx 3.3\%

对于电动机来说,K值不得超过6%。显然,此处的K=3.3%是满足要求的。

现在我们来看看电动机起动时的情况:

第一步:确定电动机的起动电流

设电动机的起动系数Km=6,也即电动机的起动电流等于6倍额定电流。于是55kW电动机的起动电流为6x130.6=783.6A。

第二步:确定一级配电系统的总压降和馈电出线端口的压降

我们来计算一级配电系统的总压降: 6\times \frac{2012+5\times 130.6}{2012}\approx 7.95V

注意此分子中用了5乘以电动机的额定电流,不是错误。因为变压器的额定电流中已经包括了55kW电机的运行电流,因此分子中只需再加上5倍电动机额定电流。

我们看到当55kW电动机起动时,一级配电系统的总压降为7.95V。于是一级配电系统馈电出口处(QF11的下口电缆接线端子处)的电压为:

U_{OUT_QF11}=400-7.95\approx392V

第三步:确定电缆压降

我们设电动机起动时的功率因数为0.5,查表得到: \Delta U_a\%=0.072 ,于是有:

\Delta u\%=\Delta U_a\%IL=0.072\times (430.6+5\times 130.6)\times0.05\approx 3.90\%

第四步:确定电缆终端电压(电动机接线盒处的电压)

U_{IN_QF121}=U_{OUT_QF11}(1-\Delta u\%)=392 \times (1-0.0390)\approx 376.7V

第五步:计算系统总压降百分位数

K=\frac{U_{motor}}{U_N}=\frac{400-376.7}{400}\approx 5.8\%

我们看到,系统总压降百分位数5.8%小于6%,故电缆选择的合理。

值得注意的是:电缆还需要校核它的短路发热情况。由于电缆短路发热与本贴主题无关,故忽略。

电缆校核完了,我们就可以来确定QF11断路器的参数了。

选配QF11的额定电流

QF11的额定电流可以参照QF121,只是要比QF121大一些。为何要大一些?见下文。

我们已经知道QF121的额定电流是500A,实际电流是440.6A。查看断路器的额定电流参数值,再往上就是630A了。所以QF121的额定电流为630A。

选配QF11的极限短路分断能力

QF11是一级配电系统的馈电回路。虽然短路电流在一级配电系统中会降低一些(约30%),但我们一般还是按系统短路容量来选取。因此,QF11的极限短路分断能力Icu=50kA。

选配QF11的脱扣器保护类型

注意到QF11需要和下级二级配电系统的进线开关QF121进行选择性保护配合,因此选QF11的脱扣器为LSI三段保护类型。

QF11的长延时保护L参数的设定

QF11与下级断路器QF121之间存在选择性保护关系。

在我的书《低压成套开关设备的原理及其控制技术》第三版中,我们在4.3.1节” 馈电断路器的保护选择性 “中能看到如下内容:

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1.通过L参数、S参数和I参数实现选择性

在图4-10的左图中,断路器B的最大短路电流ISB被完全地限制在A断路器的短路S参数反时限脱扣电流I2A的范围之内,当断路器B出现了短路后,只有B断路器跳闸而A断路器不会跳闸,系统具有完全选择性。

在图4-10的右图中,断路器B的最大短路电流ISB超过了I2A的范围,则系统具有局部选择性。当断路器B出现了短路后,则有可能断路器B和断路器A均跳闸。

1)方法之1——通过L参数实现过载电流的后备保护方案(如图4-11所示)

若上下级断路器的过载反时限脱扣器L参数之比大于2,即: \frac{I_{1A}}{I_{1B}}>2 ,则可在上下级断路器之间实现过载电流的后备保护。

这里所指后备保护的意义是:当下级断路器发生过载时,若下级断路器(低整定值)因为某种原因未进行有效的保护跳闸,则可由上级断路器(高整定值)实现后备的过载保护跳闸。

上下级断路器的过载电流后备保护只能在两台级连的断路器之间实现。

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我们已经知道,二级配电系统的电流是430.6A,将它除以QF121的额定电流500A,得到0.8612。

我们知道,QF121是塑壳开关,它的长延时L参数I1整定范围是0.7~1倍的In。我们设QF121的长延时整定值为0.9In,也即QF121的长延时脱扣电流 I_1=0.9 \times 500=450A

注意到电机额定电流130.6的6倍是783.6A。设55kW电机的起动时间是20秒,则长延时脱扣时间t1要大于20秒,故设QF121长延时脱扣时间为25秒。

到目前为止,QF121已经确认了它的额定电流Ie=500A、长延时L参数整定电流I1=0.9Ie和长延时L参数脱扣时间t1=25s。

我们把QF121的长延时整定值乘以2倍,也即2X450A=900A,再除以630A,得到1.43。我们看到,这个值超过了QF12的长延时整定范围,因此QF11的额定电流必须提高。为此,修改QF11的额定电流为800A。

我们把450A除以800A,得到0.5626,在乘以1.5,得到0.84375。故选择QF12的参数如下:

QF11的额定电流Ie=800A,长延时L参数整定值I1=8Ie,长延时L参数的脱扣整定时间必须至少长于QF121的L参数脱扣整定时间70毫秒,故取值为26s。

QF11和QF121的额定电流及长延时参数选择完毕,再下来要选择它们的短路保护参数。并且还要确定QF121的极限短路分断能力。这些参数的选择与电缆始端和终端的短路电流值有关。

由于本篇文章内容已经很多,这部分的内容在“ 学点开关电器知识——断路器的基本原理之7-3 ”来讲解。

学点开关电器知识——断路器的基本原理之7-3 ”将会着重探讨极限短路分断能力Icu与运行短路分断能力Ics的关系问题。







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