塑壳断路器Icu=Ics有什么意义?

塑壳断路器Icu=Ics有什么意义?

题主这个问题很常见,许多人都有此疑问。既然如此,刚好又是周末,我就详细说一下吧。

首先,我们把题主问题中的若干专有名词和基本概念给解释一下。如果知友们对这些概念耳熟能详,请直接跨过阅读后面的问题回答。

下图是断路器的结构模式图:

我们当然知道断路器的用途就是执行线路保护,而线路保护包括过载和短路保护,因此,断路器的诸参数中必须具有对应项。

断路器是开关的一种,因此它必须具有额定电流In。额定电流的意义在于,断路器内部有许多导电部件,当电流流过断路器时,它会有温升。额定电流对应的就是最大允许温升下的电流值。

配电线路中当然有用电设备,以及传输电能的电缆。这些用电设备和电缆当然会存在过载现象,因此断路器必须对线路过载实施保护。

断路器的过载保护叫做L参数,L参数属于反时限保护。它的动作电流整定值I1有两种,一种是热磁式断路器,它的过载保护动作值范围是 ;第二种是电子式脱扣器断路器,它的过载保护动作值范围是 。

当线路中出现小规模短路时,断路器的脱扣器需要延迟一段时间再执行脱扣,我们把它叫做短路短延时S参数,S参数属于反时限保护,它的短路保护动作值范围是 。

当线路中出现较大规模短路时,断路器的脱扣器必须立即执行线路保护,我们把它叫做短路瞬时I参数。I参数属于定时限保护,它的短路保护动作值是 。

下图就是电子式脱扣器断路器的LSI参数曲线:

图2中,红色是过载保护L参数的曲线。注意垂直线部分就是门限值,它在0.4到1.05倍额定电流In取值;绿色的是短路保护短延时S参数曲线,它的垂直门限值在1倍到10倍额定电流In之间取值。

我们从图2中能看到L参数和S参数具有反时限功能(斜线部分)。

图2中黄色线是短路瞬时I参数曲线,注意到它的垂直线在1.5到10倍In间取值。

需要提醒的是:L参数、S参数和I参数用于断路器执行线路保护任务,它们的动作门限值与额定电流的关系是:

,式1

断路器在执行线路保护任务时,也必须顾及自身,打铁还得自身硬嘛。

如果在短路电流的冲击下,断路器和线路一同崩溃掉,显然这是不行的。

短路电流对断路器的第一个冲击作用,就是发热。而断路器抵御短路电流发热作用的参数叫做短时耐受电流Icw。Icw又叫做断路器的热稳定性。

短路电流对断路器的第二个冲击作用,就是电动力。不过,这里所指的电动力不是断路器内部导电线路之间的电动力,而是动触头和静触头之间的霍姆斥力。

在图3中,电流从下方的静触头流向上方的动触头,我们看到电流线会收缩。再用右手螺旋定则判断磁力线方向,用左手定则判断电动力方向,我们会发现触头的电动力是斥开的。这种斥力叫做霍姆力,以纪念电接触理论的创始人霍姆。

当触头间流过短路电流时,触头斥力有可能大于触头压力。触头一旦斥开,就会产生电弧。同时,电流开始下降,触头将重新闭合,然后再次斥开。几次过后,触头要么发生粘连,要么被电弧严重烧蚀。这种作用,就是短路电流对断路器的电动力影响,而断路器抵御这种作用的能力叫做动稳定性。

断路器的极限短路分断能力Icu与动稳定性密切相关。

极限短路分断能力Icu,指的是断路器分断完极限短路分断能力的电流后,断路器就损坏了。

在断路器的型式试验中,我们首先将断路器闭合,也即CLOSE,简称为“C”。然后让最大短路电流流过断路器,断路器脱扣器将驱动断路器操作机构执行开断操作,也即OPEN,简称为“O”。如果断路器损坏了,则此电流就是Icu。所以,Icu对应的断路器操作有一个CO。

如果断路器完成一个CO后,接着又闭合(CLOSE),然后再次打开(OPEN),我们把它叫做两个CO。此时所对应的电流就是运行短路分断能力Ics。

一般地,Ics小于等于Icu。两者之比是可以选择的,从50%、75%到100%。

下表是ABB的某款断路器参数表,供参考:

断路器不管是否会损坏,它的导电结构能够接通的最大电流叫做短路接通能力Icm。

Icm与Icu的比值叫做峰值系数n,它是短路电流最大值与稳态值之比,并且依据短路电流稳态值(就是我们平时使用和计算的短路电流值)的大小而取不同的值。在国家标准GB14048.1《低压成套开关设备和控制设备 第1部分:总则》中有峰值系数的表,如下:

我们按大小关系把以上这些电流排列起来,如下:

,式2

式2是断路器自身的保护参数不等式。虽然具体参数值依断路器型号规格不同而不同,但式2的关系却是通用的。

现在,我们把式1和式2综合起来,得到断路器电流参数不等式,如下:

这个式子非常重要,它是我们解读题主主题的关键,也是我们日常工作中选配断路器的依据来源。

我们看下图:

在图6中,曲线就是短路电流。在时刻零之后10毫秒,短路电流出现了冲击短路电流峰值Ipk。之后,等短路电流直流分量消耗殆尽,短路电流进入到稳态值Ik。

对于断路器而言,它的I参数电流值I3就是断路器启动线路保护的门限电流值,见图6所示,我们看到I3远小于Ipk,由此体现了断路器的限流特性。

由于断路器执行短路保护需要时间,其时间长度一般按15毫秒计算(实际中会短至数毫秒,见所附断路器特性参数表)。我们看到,断路器必须要承受冲击短路电流峰值Ipk的影响,因此,断路器的的短路接通能力Icm必须要大于Ipk。

当短路电流进入稳态值Ik后,断路器对应的参数就是极限短路分断能力Icu。由于冲击短路电流Ipk与Ik之比是峰值系数n,而断路器的Icm与Icu之比也是峰值系数n,因此我们只要让断路器的极限分断能力Icu大于短路电流稳态值Ik,我们就可以确保Icm大于Ipk。

由此可见,Icu>Ik是关键!只要满足这一点,断路器就不会损坏,我们就可以再次使用这台断路器。

那么Ics在这里起了何种作用?Ics只不过加高了Icu抵御短路电流Ik的能力而已。

我们来设想,河流堤坝抵御洪水的能力用50年一遇、70年一遇和100年一遇来衡量。如果堤坝高度和强度按50年一遇来设计,它自身的风险就大一些;如果堤坝高度和强度按100年一遇来设计,它自身的风险当然就弱很多。

例如我们采用Ics=50%Icu,也即Icu=2Ics。同时,我们让Ics=Ik,则Icu的值其实就是2倍的Ik,显然,断路器自身抵御短路电流冲击的能力极大地提高了;如果我们采用Ics=100%Icu,而Icu=Ik,断路器自身抵御短路电流冲击的能力就是常规值。

我们看到,Icu/Ics之比非常类似XX年一遇的关系。例如Ics=50%Icu,则Icu/Ics之比等于2;Ics=70%Icu,则Icu/Ics之比等于1.42;Ics=100%Icu,则Icu/Ics之比等于1。

在实际工作中,我们不用Icu>Ik来选择断路器,而是用Ics>Ik来选用断路器,的确提高了系统抵御短路电流冲击的能力,但却极大地提高了设备成本。更何况短路电流的值其实是按系统中可能出现的最大值来设计的,因此采用Ics来选择断路器是划不来的事。

问题回答:

我们来看看题主的问题,如下:

一款3P空气开关,额定电流是630A,额定电压380V。该款断路器的Icu=Ics=70kA。当短路电流达到70kA的时候分断,断路器时候还能使用?如果能使用,那Icu已经达到极限,会矛盾,如果不能使用,那Ics是70KA,说明是可以使用,是否冲突?

回答:

从这段说明中我们能看出,题主把断路器脱扣器的短路分断门限值I3当成了极限短路分断能力Icu,将断路器执行线路保护与断路器保护自身的电流参数等同起来。

由前面的描述中我们看到,两者的数量级差别很大,且原理也完全不同。可见,题主的提问是错误的!题主必须把这些概念彻底地厘清才好。

我们由题主给出的具体数值,知晓断路器的额定电流是630A,它的磁脱扣器开断短路电流的最大值 。

题主给出Icu=70kA。根据Icu必须大于Ik的原则,我们姑且认为Ik=60kA。我们把它乘以阻抗电压Uk=0.06,得到3600A,由此折算出电力变压器的容量为2500kVA。反过来计算出系统的短路电流为:

题主说明Icu=Ics=70kA,可见选项是正确的,并且该断路器执行完开断短路电流的任务后,能够继续运行而不会损坏。

如果我们选择的断路器它的Ics=0.7Icu,也即Ics=49kA,这个值小于60.1kA。也就是说,当线路中的短路电流小于60.1kA时,此断路器开断短路电流后能继续使用。反之,若短路电流在49~70kA之间时,该断路器开断完成后,必须仔细检查,确认没有损坏后才能继续使用。若短路电流超过70kA,则该断路器开断完成后必须更换。