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為什么負荷開關(guān)只能部分地取代斷路器

2019/7/10 1:03:59 人評論 次瀏覽 分類:電工基礎(chǔ)  文章地址:http://prosperiteweb.com/tech/2606.html

負荷開關(guān)可以代替斷路器嗎?先說答案:負荷開關(guān)只能部分地取代斷路器,其性能指標與斷路器各具特點,不能一概而論。

為了明確此問題,我們首先需要知道若干基礎(chǔ)概念。


第一個概念:斷路器、隔離開關(guān)和負荷開關(guān)的區(qū)別是什么?

首先,我們來看《一文弄懂斷路器、隔離開關(guān)、負荷開關(guān)的區(qū)別與應(yīng)用》這篇文章,然后我們再看國家標準GB 14048.3-2008/IEC 80947-3:2005中對熔斷器式開關(guān)的定義:
2.3 隔離開關(guān)
在斷開狀態(tài)下能符合隔離器的隔離要求的開關(guān)[IEV 441-14-12]
2.4 熔斷器組合電器
由制造廠或按其說明將一個機械開關(guān)電器與一個或數(shù)個熔斷器組裝在同一個單元內(nèi)的組合電器。[IEV 441-14-04]
注:熔斷器組合電器是對熔斷器開關(guān)電器的總稱(見2.5~1.10定義及表1)(熔斷器開關(guān)電器的定義未列入IEV 441-14-04中)
2.5 開關(guān)熔斷器阻
開關(guān)的一極或多極與熔斷器串聯(lián)構(gòu)成的組合電器。[IEV 441-14-14]
2.6 熔斷器式開關(guān)
用熔斷體或帶有熔斷體載熔件作為動觸頭的一種開關(guān)。[IEV 441-14-17]

再看標準中的表1的附圖中熔斷器式負荷開關(guān)圖形符號


熔斷器式隔離開關(guān)就是負荷開關(guān)。它是熔斷器式開關(guān)和隔離開關(guān)的綜合。注意到熔斷器安裝在動觸頭的刀臂上。


第二個概念:負荷開關(guān)的結(jié)構(gòu)特征是什么?

我們看下圖:
ABB的某款熔斷器開關(guān),也就是負荷開關(guān)
圖:ABB的某款熔斷器開關(guān),也就是負荷開關(guān)


從圖中我們看到了什么?我們發(fā)現(xiàn),這款熔斷器開關(guān)中有觸頭,有熔斷器,有殼體和操作手柄等等,唯獨沒有滅弧裝置。


第三個概念:對于電動機回路,它的主回路中三個主要元件負荷開關(guān)、接觸器和熱繼電器的任務(wù)是什么?

我們再看下圖:
電動機主回路的幾個元件及其任務(wù)
圖:電動機主回路的幾個元件及其任務(wù)


我們來仔細考慮一下。設(shè)想,圖中電動機的A相發(fā)生了短路,即圖中的U端子,于是負荷開關(guān)的熔斷器熔斷。此時會怎樣呢?


由于缺相,B相和C相電流會加大到額定電流的8倍以上,電機會很快燒毀。但由于此電流小于熔斷器的短路保護電流(截斷電流),熔斷器不會再次熔斷。此時熱繼電器FR的缺相保護會起作用,使得接觸器KM跳閘保護。


如果我們采取某種措施,使得負荷開關(guān)的觸頭開斷保護,是否可行?答案是否定的,因為負荷開關(guān)的觸頭沒有滅弧罩,電弧會嚴重燒蝕它的觸頭,并使之損壞。


事實上,負荷開關(guān)的主觸頭屬于隔離器,它只能用于開合可以忽略的電流,即空載電流,見GB/T 14048.3《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第3部分:開關(guān)、隔離器、隔離開關(guān)以及熔斷器組合電器》。


第四個概念:負荷開關(guān)和斷路器的參數(shù)有何不同?

現(xiàn)在,我們從負荷開關(guān)和斷路器的參數(shù)來看兩者的區(qū)別。方便起見,我用ABB的產(chǎn)品來說明:
ABB的某款熔斷器開關(guān)(負荷開關(guān))
圖:ABB的某款熔斷器開關(guān)(負荷開關(guān))
 
ABB的某款斷路器
圖:ABB的某款斷路器


①額定電壓Ue和額定電流Ie

負荷開關(guān)和斷路器都有額定電壓Ue和額定電流Ie參數(shù)。
額定電流其實就是開關(guān)電器在長期工作制下按溫升最大值確定的運行電流。
額定電壓則與觸頭開距有關(guān)和內(nèi)部絕緣材料的絕緣能力有關(guān),它的值取決于了開關(guān)電器的介電能力和絕緣能力。額定電壓的最大值叫做額定絕緣電壓。

②額定短時耐受電流Icw和額定短路接通能力Icm

短時耐受電流指的是開關(guān)電器內(nèi)部的導電材料,在1秒鐘時間內(nèi)能夠承受的最大短路發(fā)熱電流。我們把短時耐受電流又叫做開關(guān)電器的熱穩(wěn)定性。
短路接通能力是指開關(guān)電器的觸頭流過短路電流時,由于霍姆斥力的原因,觸頭被斥開。斥開后霍姆力消失,觸頭再次閉合,然后再次斥開。在此過程中,觸頭間會產(chǎn)生電弧燒蝕。Icm指的就是觸頭系統(tǒng)能夠承受的最大沖擊電流。由于它與電動力有關(guān),故叫做開關(guān)電器的動穩(wěn)定性。
負荷開關(guān)和斷路器都具有額定短時耐受電流參數(shù),也都具有鄂東南短路接通能力參數(shù)。

③保護參數(shù)

對于斷路器而言,它既有過載保護參數(shù),也有短路保護參數(shù)。同時,它還有額定極限短路分斷能力Icu。Icu的意思是,短路電流若高于或者等于Icu,則斷路器分斷完成后就損壞了,必須更換。
短路接通能力Icm與極限短路分斷能力Icu之比,叫做短路電流的峰值系數(shù)n。在GB/T 14048.2《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分:總則》中,有關(guān)于峰值系數(shù)的定義表,如下:
峰值系數(shù)的定義表

峰值系數(shù)的意義十分重大,它與計算短路電流關(guān)系密切。
我們看下圖:
短路電流穩(wěn)態(tài)值Ip和沖擊短路電流峰值Ipk
圖:短路電流穩(wěn)態(tài)值Ip和沖擊短路電流峰值Ipk


從圖中我們看到,在時刻零發(fā)生了短路。由于短路點的阻抗很小,而短路前后電壓基本不變,由此產(chǎn)生了短路電流的穩(wěn)態(tài)值Ik。Ik又叫做短路電流的周期分量Ip。


又因為短路瞬間系統(tǒng)中存在一定的電流值,它在電力變壓器的繞組中產(chǎn)生了反向電動勢,并由此出現(xiàn)了短路電流量的直流分量Ig,它隨著系統(tǒng)中的電感與電阻之比的時間常數(shù)而衰減。直流分量Ig又叫做短路電流的非周期分量。


當短路后0.01秒,直流分量和交流分量的疊加構(gòu)成了沖擊短路電流Ipk。
注意:為了計算方便,在國家標準中把Ipk與IK之比叫做峰值系數(shù)n。有了峰值系數(shù)n,我們就可以繞開系統(tǒng)的電阻R和感抗X,用簡便方法來計算短路電流。

對于負荷開關(guān)和斷路器來說,它們的短路接通能力Icm必須大于Ipk,而極限短路分斷能力Icu必須大于短路電流Ik。


我們再看ABB的某款斷路器參數(shù),會發(fā)現(xiàn)它的短路接通能力Icm與極限短路分斷能力Icu之比,就是峰值系數(shù)n。


我們再看負荷開關(guān)。由于負荷開關(guān)中執(zhí)行短路電流開斷任務(wù)的是熔斷器,而熔斷器切斷短路電流的參數(shù)叫做截斷電流Ic(也有叫做遮斷電流的),所以負荷開關(guān)的開斷能力就用截斷電流來定義。


我們看下圖:

熔斷器的截斷電流與額定電流及短路電流的關(guān)系
圖:熔斷器的截斷電流與額定電流及短路電流的關(guān)系


圖中舉了一個例子:短路電流是50kA,熔斷器的額定電流是100A,我們從橫坐標的50kA處往上與100A曲線的交點處,往左在縱坐標處查得截斷電流Ic,Ic大約等于11kA,說明熔斷器和負荷開關(guān),它的實際短路動作電流就是11kA。


注意看圖中100A熔斷器的曲線,它一直向左側(cè)延伸,并與周期分量的峰值相交,交點在橫坐標中值是7kA。這說明,當短路電流大于7kA后,熔斷器具有限流能力,而小于7kA時,熔斷器的分斷能力具有不確定性,原因與熔斷器的熔斷時間有關(guān)。


由此我們得出一個重要結(jié)論:負荷開關(guān)和熔斷器,不適合用于過載保護

 
現(xiàn)在,昌暉儀表來總結(jié)一下。
①由于負荷開關(guān)中的熔斷器不具有過載保護能力,所以主回路中必須配套熱繼電器;
②負荷開關(guān)的本質(zhì)其實是隔離器加熔斷器,因此它不能帶載拉閘,避免出現(xiàn)電弧傷害操作者和設(shè)備。當需要拉閘時,首先要用接觸器開斷負載,然后在空載條件下拉開負荷開關(guān);
③負荷開關(guān)的熔斷器實施短路保護時,一般是某相先熔斷。由于首開相熔斷后,另外兩相的電流會加大,我們把此電流叫做轉(zhuǎn)移電流。轉(zhuǎn)移電流會對負荷開關(guān)的觸頭及熔體產(chǎn)生很大的沖擊。同時,電動機會出現(xiàn)缺相運行狀態(tài),很容易燒毀電機。此時就要依靠熱繼電器和接觸器來執(zhí)行缺相保護。

如果是斷路器,會發(fā)生以上問題嗎?昌暉儀表來對比一下:

①斷路器具有過載保護能力
由于電動機控制主回路中熱繼電器的任務(wù)就是執(zhí)行過載保護,它與斷路器的過載保護重復。因此在實際線路中,用于電動機控制主回路的斷路器一般采用單磁的,即取消過載保護的斷路器。
由此可見,采用單磁斷路器與采用負荷開關(guān),在此方面是一致的。
對于非電動機的饋電回路,采用斷路器當然比采用負荷開關(guān)更好。

②普通的固定式斷路器不具有隔離器功能

所謂隔離功能,指的是在開斷狀態(tài)下,我們能明確地看到它的斷點,并且可以用鎖扣(也可以是掛鎖)來鎖定開關(guān)電器。
在這一點上,負荷開關(guān)能夠做到,而最常見的固定式斷路器做不到,只有抽出式斷路器可以實現(xiàn)此功能。
這一點很重要。

我們看下圖:

電動機控制電路(采用單磁斷路器)
圖:電動機控制電路(采用單磁斷路器)


圖中,我們看到斷路器是單磁的,它的作用與熔斷器類似。另外,注意到整個電路安裝在電動機抽屜內(nèi),電路的一次回路和二次回路都有接插符號,可見當電動機抽屜抽出后,它具有明確的斷點。因此,圖中的斷路器上方可不必安裝隔離開關(guān)。


如果圖的電動機控制回路中沒有接插符號,也即屬于固定式的安裝,則斷路器之前必須安裝隔離開關(guān)。如此一來,還不如直接使用負荷開關(guān)更加方便便捷。


③斷路器可以實現(xiàn)三相同時開斷

這一點斷路器比負荷開關(guān)好。斷路器開斷后,不會造成電動機缺相運行。

④斷路器可以實現(xiàn)更加完善的電動機保護功能

例如電動機堵轉(zhuǎn)保護、電動機繞組超溫保護、電動機過載和短路保護、電動機相不平衡保護、電動機空載保護和重載保護、電動機失壓重啟功能等等。利用電動機型斷路器很容易實現(xiàn),而負荷開關(guān)則望塵莫及。

⑤負荷開關(guān)熔斷器的截斷電流Ic高于斷路器的極限短路分斷能力Icu,在高分斷容量條件下,負荷開關(guān)更具優(yōu)勢

負荷開關(guān)熔芯的截斷電流開斷容量在50kA以上是很容易實現(xiàn)的,但對于斷路器來說卻很難,即便實現(xiàn),其成本很高。
因此,當系統(tǒng)短路容量大于50kA后,采用負荷開關(guān)比斷路器更具優(yōu)勢。

⑥保護動作后的恢復及運行成本

負荷開關(guān)的熔芯熔斷后,需要換新的,運行成本比斷路器高,操作也相對麻煩。
注意,這里指的是低壓電器。主要就是這些,等想到后再補充。

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