Полное руководство по выбору автоматических выключателей и расчету настроек

Как выбрать и настроить автоматические выключатели

1. Типы автоматических выключателей

1.1 Воздушный автоматический выключатель (ACB)
Также известен как литой или универсальный автоматический выключатель, все компоненты которого установлены в изолированном металлическом корпусе. Обычно он открытого типа, что позволяет легко заменять контакты и детали, а также может быть оснащен различными аксессуарами. ACB обычно используются в качестве основных выключателей питания. Отключающие устройства при перегрузке по току включают электромагнитные, электронные и интеллектуальные типы. Они обеспечивают четырехступенчатую защиту: долговременную задержку, короткую задержку, мгновенную и защиту от заземления, с возможностью регулировки каждого параметра защиты в зависимости от размера рамы.

ACB подходят для сетей переменного тока 50 Гц с номинальным напряжением 380 В или 660 В и номинальными токами от 200 А до 6300 А. Они主要用于电力分配和保护，防止过载、欠压、短路和单相接地。这些断路器提供多种智能保护功能和选择性保护。在正常条件下，它们可用于不频繁的电路切换。额定电流高达1250A的ACB还可以在380V/50Hz系统中保护电机免受过载和短路的影响。 常见应用包括变压器400V侧的主出线开关、母联开关、大容量馈电开关和大型电机控制开关。 **1.2 塑壳断路器 (MCCB)** 也称为插拔式断路器，其端子、灭弧装置、脱扣单元和操作机构都安装在一个塑料外壳内。辅助触点、欠压脱扣单元和分流脱扣单元通常是模块化的，设计紧凑。MCCB通常不可维修，主要用于分支电路保护。 大多数MCCB包括热磁脱扣单元。较大的型号可能具有固态脱扣传感器。过流脱扣单元可以是电磁式的或电子式的。电磁MCCB通常是非选择性的，仅提供长延时和瞬时保护。电子MCCB提供四种保护功能：长延时、短延时、瞬时和接地故障。一些较新的型号包括区域选择性联锁。 MCCB常用于馈电电路控制和保护、小型配电变压器的主出线开关、电机控制终端以及各种机械的电源开关。 **1.3 小型断路器 (MCB)** MCB是建筑电气系统中最常用的终端保护设备。它们保护单相和三相电路，最大可达125A，防止短路、过载和过电压。有1P、2P、3P和4P配置。 MCB由操作机构、触点、保护装置（各种脱扣单元）和灭弧系统组成。触点手动或电动闭合，并由自由脱扣机构保持。过流脱扣单元的线圈和热脱扣单元的加热元件与主电路串联连接，而欠压脱扣线圈与电源并联连接。 在建筑电气设计中，MCB用于过载、短路、过电流、欠压、接地故障、漏电保护、双电源自动切换以及不频繁的电机启动和保护。 **2. 断路器的主要技术参数** - **额定工作电压 (Ue)** 设计断路器连续运行的标称电压，在指定条件下。在中国，对于220kV及以下系统，最大工作电压为系统额定电压的1.15倍；对于330kV及以上系统，为1.1倍。断路器必须在系统的最大工作电压下保持绝缘并执行切换操作。 - **额定电流 (In)** 在环境温度不超过40°C的情况下，脱扣单元能够持续承载的电流。对于可调脱扣单元，这是最大可调电流。在温度超过40°C（最高60°C）时，允许降额。 - **过载脱扣电流设定值 (Ir)** 当电流超过Ir时，断路器将延时跳闸，这代表断路器在不跳闸的情况下可以承载的最大电流。Ir必须大于最大负载电流 (Ib)，但小于电缆的允许电流 (Iz)。对于热磁断路器，Ir通常可从0.7到1.0In调节；电子脱扣单元提供更宽的范围，通常为0.4到1.0In。对于固定脱扣单元，Ir = In。 - **短路脱扣电流设定值 (Im)** 瞬时或短延时脱扣单元激活以在高故障电流下快速断开电路的阈值。 - **额定短时耐受电流 (Icw)** 断路器在规定时间内能够承受而不发生热损伤的电流。 - **分断能力** 断路器能够安全中断的最大故障电流，与其额定电流无关。常见值包括36kA和50kA。它分为极限分断能力 (Icu) 和服务分断能力 (Ics)。 **3. 断路器选择的一般原则** - 额定工作电压 ≥ 电路额定电压。 - 额定短路接通/分断能力 ≥ 计算的负载电流。 - 额定短路接通/分断能力 ≥ 电路中可能的最大短路电流。 - 电路末端的单相对地短路电流 ≥ 1.25 × 瞬时（或短延时）脱扣设定值。 - 欠压脱扣单元的额定电压 = 电路额定电压。 - 分流脱扣单元的额定电压 = 控制电源电压。 - 电动操作机构的额定电压 = 控制电源电压。 - 对于照明电路，将瞬时电磁脱扣电流设置为负载电流的6倍。 - 单台电机短路保护：1.35× 电机启动电流（DW系列）或1.7×（DZ系列）。 - 多台电机：1.3× 最大电机启动电流 + 其他电机的运行电流之和。 - 作为主变压器低压侧开关：分断能力 > 变压器的低压短路电流；脱扣额定电流 ≥ 变压器额定电流；短路设定 = 6–10× 变压器额定电流；过载设定 = 变压器额定电流。 - 初步选型后，与上下游断路器协调，防止级联跳闸，最小化停电范围。 **4. 断路器的选择性** 断路器分为选择性和非选择性两种。选择性断路器提供两阶段或三阶段保护：短路时的瞬时和短延时，过载时的长延时。非选择性断路器通常是瞬时（仅短路）或长延时（仅过载）。通过使用不同时间设置的短延时脱扣单元来实现选择性。关键考虑因素： - 上游瞬时脱扣设定值 ≥ 1.1 × 下游断路器输出处的最大三相短路电流。 - 如果下游是非选择性的，上游短延时脱扣设定值 ≥ 1.2 × 下游瞬时脱扣设定值，以保持选择性。 - 如果下游也是选择性的，上游短延时延迟时间 ≥ 下游短延时延迟时间 + 0.1秒。 通常，Iop.1 ≥ 1.2 × Iop.2。 **5. 级联保护** 在系统设计中，上下游断路器之间的协调确保了选择性、速度和灵敏度。适当的协调允许选择性故障隔离，保持健康电路的供电。级联利用上游断路器（QF1）的限流效应。当下游（QF2）发生短路时，QF1的限流作用减少了实际故障电流，使QF2能够中断高于其额定容量的电流。这允许使用成本更低、分断能力较低的下游断路器。条件包括相邻电路上没有重要负荷（因为QF1跳闸会导致QF3停电），以及瞬时设定值的适当匹配。级联数据通过测试确定，并由制造商提供。 **6. 断路器的灵敏度** 为了确保在最小故障条件下可靠运行，灵敏度 (Sp) 必须 ≥1.3（根据GB50054-95）： **Sp = Ik.min / Iop ≥ 1.3** 其中，Iop是瞬时或短延时脱扣设定值，Ik.min是在系统最小运行条件下受保护线路末端的最小短路电流。对于具有短延时和瞬时脱扣的选择性断路器，只需验证短延时脱扣的灵敏度。 **7. 脱扣单元的选择和设定** (1) 瞬时过流脱扣设定值。必须超过电机启动期间电路的峰值电流 (Ipk)： **Iop(0) ≥ Krel × Ipk** (Krel = 可靠性系数) (2) 短延时过流脱扣设定值和时间 Iop(s) ≥ Krel × Ipk。时间延迟通常为0.2秒、0.4秒或0.6秒，设置以确保上游操作时间比下游多一个时间步长。 (3) 长延时过流脱扣设定值和时间 防止过载：Iop(l) ≥ Krel × I30（最大负载电流）。时间设定必须超过允许的短期过载持续时间。 (4) 脱扣设定值与电缆容量的协调。 为防止电缆过热或火灾而不跳闸： **Iop ≤ Kol × Ial** 其中，Ial = 电缆的允许载流量，Kol = 短期过载系数（瞬时/短延时脱扣为4.5；长延时脱扣作为短路保护为1.1；仅过载保护为1.0）。如果不满足，则调整脱扣设定值或增加电缆尺寸。