微型斷路器的技術(shù)突破

選擇性配合和后備配合

選擇性配合和后備配合在各種雜志文獻(xiàn)中已經(jīng)談得很多了，這里僅從應(yīng)用的角度談幾個(gè)觀點(diǎn)：

1) “配合”是指至少兩個(gè)上下級(jí)過(guò)流保護(hù)裝置之間的保護(hù)協(xié)調(diào)，不考慮另一方的配合是不存在的。

2) 選擇性配合和后備保護(hù)實(shí)施的手段不同。如果僅從改變上級(jí)過(guò)流保護(hù)裝置(斷路器為例)的特性看：

A) 通常用延遲上級(jí)斷路器的動(dòng)作以等待下級(jí)斷路器動(dòng)作，從而獲得較好選擇性配合

B) 通常用加快上級(jí)斷路器的動(dòng)作以限制短路能量，從而為下級(jí)斷路器提供后備保護(hù)

當(dāng)然，改善上下級(jí)選擇性配合的手段并非局限于動(dòng)作時(shí)間配合，還可基于電流配合、能量配合、邏輯

控制等手段。當(dāng)然，最好斷路器本身就能為其他過(guò)流保護(hù)裝置提供良好的選擇性和后備保護(hù)。

3) 要求選擇性配合的目的是減小故障停電范圍;要求后備配合的目的是降低投資成本。

4) 從兩種配合不同的目的和不同的實(shí)施手段看，兩種配合之間是存在沖突的。

注： 低壓過(guò)流保護(hù)裝置以斷路器為主， 下文中如果沒(méi)有說(shuō)明，用斷路器指代過(guò)流保護(hù)裝置。

終端配電連續(xù)性現(xiàn)狀

從終端配電現(xiàn)狀看，電纜敷設(shè)和設(shè)備安裝的專業(yè)化程度不高，但用電設(shè)備的分布范圍廣，亂拉亂接的情況比較普遍;非專業(yè)用戶多，超載現(xiàn)象普遍，過(guò)載或短路故障概率很高。尤其在負(fù)載高峰時(shí)段，供電部門(mén)忙于應(yīng)付各類跳閘停電事故。又因?yàn)榻K端配電很少考慮選擇性配合，單一短路故障可能造成整個(gè)樓層或樓宇停電，這又使供電部門(mén)的故障定位和恢復(fù)供電工作雪上加霜。

從電氣設(shè)計(jì)角度看，在一般住宅單元的內(nèi)部，對(duì)于電擊傷害的防護(hù)也存在誤區(qū)，有的設(shè)計(jì)者只考慮在住宅總開(kāi)關(guān)處安裝一個(gè)剩余電流保護(hù)電器，或者整個(gè)住宅單元只用一個(gè)回路供電，或未考慮上下級(jí)斷路器的動(dòng)作時(shí)間差等，這些都可能產(chǎn)生因短路或接地故障造成全屋停電，包括安全系統(tǒng)停電失效、冰箱和維生系統(tǒng)(魚(yú)缸)停電，網(wǎng)絡(luò)中斷(路由器失電)等。

在一般住宅單元的外部，設(shè)計(jì)人員可能未考慮供電側(cè)過(guò)流保護(hù)裝置的選擇性配合。用戶入戶側(cè)安裝有進(jìn)戶熔斷器或斷路器，但屬于供電部門(mén)的管轄范圍。如果這些過(guò)流保護(hù)裝置因選擇性配合不佳而誤動(dòng)作(下級(jí)斷路器已經(jīng)切斷故障)，顯然也是不必要地增加了供電部門(mén)出勤檢修工作量，并大大增加了故障斷電時(shí)間。

選擇性配合的研究途徑

因終端配電中選擇性配合日趨重要，本文主要討論選擇性配合。一般而言，研究選擇性配合有兩種研究途徑，但它們互相支持，配合使用：

A) 通過(guò)研究上下層斷路器間的配合，尋找提高選擇性的方法

B) 通過(guò)研究斷路器本身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，尋找提高選擇性的方法

配電變壓器的低壓側(cè)往往有三或四層配電(常用電壓220/380V，IEC電壓標(biāo)準(zhǔn)230/400V), 在第一或第二配電層， 設(shè)計(jì)者會(huì)視用戶要求考慮選擇性配合，但所關(guān)聯(lián)的斷路器數(shù)量不多，分布集中，往往可選智能化斷路器滿足選擇性配合要求;但選擇性設(shè)定復(fù)雜，并需要專業(yè)人員管理。在這些場(chǎng)合，往往采用 A) 研究途徑。

第三或第四層屬終端配電，因成本原因很少考慮選擇性或供電連續(xù)性。此層的負(fù)載分散復(fù)雜，用戶也非專業(yè)人員。需要一個(gè)成本合理、實(shí)施簡(jiǎn)單的方案來(lái)保證日益增長(zhǎng)的供電連續(xù)性要求。在這些場(chǎng)合，我們往往采用 B) 研究途徑，即研發(fā)新一代斷路器來(lái)滿足選擇性要求。

早在2004年，在中國(guó)智能建筑技術(shù)情報(bào)網(wǎng)、中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院和ABB中國(guó)有限公司組辦的“中國(guó)智能建筑青島電氣沙龍”交流會(huì)上， ABB德國(guó)的高級(jí)專家Mr. Bernd Siedelhofer先生介紹了S700 帶選擇性的過(guò)電流保護(hù)斷路器的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用。與會(huì)專家對(duì)ABB具有全選擇性功能的S700 SMCB作了積極的肯定，并強(qiáng)調(diào)在國(guó)內(nèi)的終端配電中應(yīng)提高選擇性配合要求，而ABB的 S700 SMCB的成熟應(yīng)用是個(gè)很好的借鑒。

終端電器提高選擇性配合能力的困惑

按照IEC60898/GB10963技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，終端配電用微型斷路器(MCB)一般是需要快速動(dòng)作的，以盡快切斷短路故障。換言之，它不需要按照IEC60947/GB14048的規(guī)定，承受“額定短時(shí)耐受電流Icw”，所以同電流等級(jí)的MCB體積遠(yuǎn)小于MCCB的體積。

如果期望提高上下級(jí)MCB的選擇性配合能力，則需要提升上級(jí)MCB承受短路電流的時(shí)間，以讓下級(jí)MCB迅速切除故障區(qū)域的短路電流;同時(shí)，為了保證“祖父級(jí)(Grandfather)”的短路保護(hù)裝置不至因短路電流過(guò)大、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而誤動(dòng)作，也需要控制上級(jí)MCB的限流特性和動(dòng)作時(shí)間。換言之，帶選擇性的過(guò)電流保護(hù)斷路器SMCB應(yīng)要解決多級(jí)保護(hù)器件之間的選擇性問(wèn)題。ABB研發(fā)的 S700/S750 SMCB在技術(shù)上獲得成功突破，解決了“熊和魚(yú)掌不可兼得”的難題。

S700/S750 SMCB 的功能-選擇性+后備保護(hù)

SMCB 是“帶選擇性的過(guò)電流保護(hù)斷路器”英文定義的首字母縮寫(xiě)。

SMCB 的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：當(dāng)它和普通斷路器配合時(shí)，允許采用分?jǐn)嗄芰Φ陀诎惭b點(diǎn)預(yù)期短路電流的負(fù)載側(cè)斷路器，并保證完全選擇性。

當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，電源側(cè)斷路器觸頭產(chǎn)生短暫分離以達(dá)到限流目的，在保護(hù)脫扣器尚未動(dòng)作但下級(jí)斷路器“確?！币逊?jǐn)鄷r(shí)，觸頭再次接通維持供電。同時(shí)電源側(cè)斷路器動(dòng)作機(jī)構(gòu)應(yīng)有延時(shí)功能。

此外，還必須驗(yàn)證SMCB和祖父級(jí)(Grandfather)短路保護(hù)電器(熔斷器)的選擇性配合。

顯然，需要特別設(shè)計(jì)的觸頭系統(tǒng)和脫扣系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)上述目的。

右圖是S750 SMCB動(dòng)作原理簡(jiǎn)圖。

如果短路發(fā)生在下級(jí)MCB的負(fù)載端，因線路阻抗的原因，其短路電流不可能太大，但這已足夠使下級(jí)MCB脫扣(C特脫扣特性：5～7 In)。SMCB在此短路電流的電磁力作用下，其主觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生斥開(kāi)限流現(xiàn)象，但不足以使SMCB的脫扣機(jī)構(gòu)脫扣;與此同時(shí)，限制電阻R 及其熱元件會(huì)控制短路電流：既要允許MCB動(dòng)作又不能使SMCB實(shí)質(zhì)性地脫扣。下級(jí)MCB完全切除短路電流后，SMCB主觸點(diǎn)回復(fù)到閉合位置，繼續(xù)為其他負(fù)載提供電源。萬(wàn)一MCB拒動(dòng)或不能分?jǐn)鄷r(shí)，選擇性熱元件使SMCB 在稍加延遲后(300mS)脫扣。

如果短路發(fā)生在SMCB的負(fù)載端，其預(yù)期短路電流相當(dāng)大(視短路容量而定)，可能達(dá)到幾十千安水平，此時(shí)SMCB可承擔(dān)其最大分?jǐn)嗄芰?，短路電流電磁力?qū)動(dòng)脫扣機(jī)構(gòu)快速分?jǐn)唷?

右圖是SMCB在下級(jí)MCB分?jǐn)鄷r(shí)動(dòng)作過(guò)程三步曲的示意圖。

1. 故障前： 正常運(yùn)行

2. 故障中： 負(fù)載端短路， SMCB+MCB限流，MCB動(dòng)作

3. 故障后： SMCB仍接通(滿足選擇性)， MCB斷開(kāi)

需要強(qiáng)調(diào)的是，由于S700/750 特殊結(jié)構(gòu)和限流功能，它不但提升和下級(jí)MCB的選擇性，也提供了后備保護(hù)。經(jīng)驗(yàn)證，其選擇性電流極限值甚至高于下級(jí)MCB Icn值。

同理，S700/750 也改善了和祖父級(jí)短路保護(hù)電器的選擇性配合。在合理配置祖父級(jí)熔斷器時(shí)，它和SMCB的選擇性電流極限最高可達(dá)SMCB的Icn值。

S700/S750 脫扣特性的選擇

根據(jù)VDE0645/GB24530技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，S700/S750推薦使用E脫扣特性，因?yàn)樗哂邢鄬?duì)靈敏的過(guò)載保護(hù)脫扣曲線，可有效延長(zhǎng)電纜的使用壽命和減少電纜過(guò)熱引起火災(zāi)的可能性。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：折衷的短路保護(hù)脫扣曲線，既可避免因電纜遠(yuǎn)端短路電流值不足而被迫放大電纜;也能躲避電機(jī)負(fù)載的起動(dòng)電流的干擾而誤動(dòng)作。

在有很高起動(dòng)電流負(fù)載的回路中，也可考慮使用Cs 脫扣特性的SMCB。所幸在一般終端配電回路中，很高起動(dòng)電流的負(fù)載并不常見(jiàn)。

S700/S750 其他性能要求

SMCB主要用于住宅終端MCB前級(jí)保護(hù)，或既要求選擇性又要后備保護(hù)的場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)選擇性+后備保護(hù)的目的。在國(guó)外， SMCB往往安裝在低壓用戶的進(jìn)線側(cè)，應(yīng)符合過(guò)電壓分類為IV級(jí)以保證電路隔離的安全性，這是一般MCB(過(guò)電壓分類為III級(jí))不能滿足的要求。

隨著低壓電網(wǎng)容量的擴(kuò)大和預(yù)期短路電流的增加，也需要SMCB具有更高的分?jǐn)嗄芰?，?5kA。按照IE