高压断路器的最小额定电流是多少低压进线断路器的短时耐受电流参数如何考虑

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低压进线断路器的短时耐受电流参数如何考虑？

宾昭平

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引言

当低压配电系统发生短路故障时，为了保证供电连续性，我们希望靠近故障点的断路器D2切断短路故障（如图1），其上级断路器D1继续保持合闸状态以保证其他回路供电不受影响，即D1断路器和D2断路器之间具备保护选择性。保护选择性可以通过以下几种方式实现：电流选择性、时间选择性、能量选择性、ZSI区域连锁选择性。对于时间选择性，上级断路器D1的长延时保护整定电流要大于下级断路器D2的长延时保护整定电流Ir2，D1的短延时保护整定电流Isd1要大于或等于D2的瞬时保护整定电流Ii2，并设置短延时时间△t（图2）。

正常情况下，当D2侧发生短路故障时，D2断路器动作切除故障，在D2断路器切断短路故障的这段时间内（对于塑壳断路器时间为几个毫秒到几十个毫秒之间，如果是框架断路器设置了短延时保护，时间可能为几百毫秒），上级断路器D1需在一定时间承受短路电流所产生的电动力效应和热效应而不损坏，这就要求其具备一定的短时耐受电流参数。

当低压配电系统发生短路故障时，为了保证供电连续性，我们希望靠近故障点的断路器D2切断短路故障（如图1），其上级断路器D1继续保持合闸状态以保证其他回路供电不受影响，即D1断路器和D2断路器之间具备保护选择性。保护选择性可以通过以下几种方式实现：电流选择性、时间选择性、能量选择性、ZSI区域连锁选择性。对于时间选择性，上级断路器D1的长延时保护整定电流要大于下级断路器D2的长延时保护整定电流，D1的短延时保护整定电流要大于或等于D2的瞬时保护整定电流，并设置短延时时间（图2）。

正常情况下，当D2侧发生短路故障时，D2断路器动作切除故障，在D2断路器切断短路故障的这段时间内（对于塑壳断路器时间为几个毫秒到几十个毫秒之间，如果是框架断路器设置了短延时保护，时间可能为几百毫秒），上级断路器D1需在一定时间承受短路电流所产生的电动力效应和热效应而不损坏，这就要求其具备一定的短时耐受电流参数。

01

短时耐受电流参数

根据GB 14048.2-2008 《低压开关设备和控制设备 第2部分：断路器》标准，在短路条件下，如果一台断路器明确用作串联在负载侧另一短路保护装置的选择性保护元器件，即在短路情况下，具有一个用于选择性的人为短延时（可调节），则该断路器属于 B类的断路器，它具有短时耐受电流参数。低压断路器的额定短时耐受电流Icw是指在规定的使用和性能条件下，断路器在闭合位置时承受一定时间的电流值。

额定短时耐受电流试验是考核断路器在实际运行当中当电路发生短路故障时是否能耐受此电流的一种模拟试验。短路电流通过断路器时，同时会产生电动力效应和热效应，电动力效应在断路器的动、静触头间产生的斥力可使触头接触电阻增大，从而使触头发热，即热效应增加，而热效应可使断路器的载流导体和绝缘支撑件机械强度下降，从而降低了耐受电动力的能力，所以短时耐受试验是对断路器动稳定和热稳定的一种综合考核。试验电流在第一个周波中最大峰值A1应不小于n倍额定短时耐受电流Icw=A2/2√2，对应于该电流的n值按表1选择。由于电动力与电流峰值有关，所以第一个半波的最大峰值A1决定了断路器的动稳定性能，而额定短时耐受电流Icw和电流持续时间决定断路器的热稳定性能。

低压框架断路器（B类断路器）一般用在大电流回路，其短路分断能力（如额定极限短路分断能力Icu）需大于系统预期短路电流Ik，额定短路接通能力Icm需大于系统短路电流峰值ip，那么断路器的短时耐受电流该如何选择呢？对于短时耐受电流Icw等于短路分断能力Icu的断路器，按短时耐受电流Icw大于系统预期短路电流Ik比较容易理解，但是对于短时耐受电流Icw小于短路分断能力Icu的断路器，当断路器的瞬时保护关闭、短延时保护开启的的情况下，如果Ik>Icw（前提：Ik＜Icu），那么断路器在延时时间内承受超过其自身Icw的故障电流，有可能造成断路器损坏，这是否就说明Icw＜Icu的断路器在这种情况下无法保证选择性呢？

02

B类断路器（Icw=Icu）与A类断路器之间的选择性

对于B类断路器（Icw=Icu）与A类断路器（无Icw宣称）之间的选择性，如果某配电系统预期短路电流为50kA，低压进线断路器选择MTZ2-12N2型断路器（图4中红线），其额定极限短路分断能力Icu=Icw短时耐受电流等于50kA，出线断路器型号为NSX250N（蓝线），短路分断能力为50kA，无短时耐受电流参数。

为保证进、出线断路器之间保护选择性，一般将进线断路器的瞬时保护关闭，短延时保护打开。例如对于本例中的MTZ2-12N2断路器，我们将其瞬时保护关闭，短延时保护电流设置为10Ir（Ir=0.8In，In=1600A）, 延时时间0.4s。

当出线断路器侧发生短路故障（Ik≤50kA），在NSX250N分断短路电流的这段时间内，上级断路器MTZ2-12N2短延时保护开始延时，直至下级断路器NSX250N切除短路故障（几个毫秒到十几个毫秒）。即使下级断路器由于某种原因拒动，上级断路器MTZ2-12N2会延时0.4s后再动作，由于MTZ2-12N2的短时耐受电流为50kA/1s，所以耐受小于等于50kA的短路电流0.4s后再分断，不会对断路器造成损害，也就是说Icu=Icw的B类断路器，与A类断路器可以实现完全选择性，选择性极限电流等于其短路分断能力，也等于其规定耐受时间内的短时耐受电流值。选择性极限电流意味着在此电流之前两台断路器可以保证选择性。

03

B类断路器（Icw<Icu）之间的选择性

我们以施耐德框架断路器MTZ106-16 H2断路器与大塑壳断路器NS630b选择性配合表为例（图5），来探讨B类断路器（Icw＜Icu）在保护选择性时有哪些需要注意的地方。表中上级断路器为MTZ106-16 H2框架断路器，H2代表短路分断能力50kA(220V/415V) ，短时耐受电流为42kA/1s（图6）；下级断路器为NS630b N/H断路器，N/H短路分断能力为50/70kA，短时耐受电流为19.2kA/1s（图7），两种断路器的短时耐受电流参数都小于其短路分断能力。

假如某低压配电系统预期短路电流Ik=50kA，进线断路器选择短路分断能力为50kA的MTZ16 H2，其中一台出线断路器选择短路分断能力为50kA的NS630b N。如果两台断路器的瞬时保护都开启，通过表3我们发现二者的选择性极限电流为16kA（Micrologic2.0X脱扣器瞬时保护最大设定电流为10Ir，最大为1600A）和24kA（Micrologic5.0X-6.0X-7.0脱扣器瞬时保护最大设定电流为15In, In最大为1600A）。

假如上级断路器MTZ16 H2的瞬时保护关闭，同时短延时保护电流设定为8Ir（此处为举例），延时时间为0.4s，下级断路器NS630b N瞬时保护开启，这时候我们发现两台断路器之间的选择极限电流为42kA，这是为什么呢？为何是42 kA而不是其他电流值？原因要从MTZ断路器的自我保护—DIN保护说起。

04

瞬时超越脱扣保护工作原理

我们看MTZ1和NS630b断路器参数中有一栏“集成瞬间保护，峰值±10%”，这其实就是施耐德框架断路器和大塑壳断路器的DIN保护（DIN是法语Déclencheur INstantané的缩写），英文翻译为Instantaneous self-protection release，中文翻译见GB14048.2中8.3.5中的定义——瞬时超越脱扣器（Instantaneous Override）,也简称HSISC。对于具备短时耐受电流参数的B类断路器，瞬时脱扣器在电流大于其短时耐受电流值时动作，这种型式的脱扣器叫 “瞬时超越脱扣器” 。瞬时超越脱扣器只存在于Icw＜Icu的断路器上 ，例如对于ABB Emax 2断路器，当故障电流小于其短时耐受电流值时，分断时间为40ms，当故障电流大于其短时耐受电流值时，分断时间为25ms。GE 的M-PACT Plus框架断路器部分型号的瞬时超越脱扣电流阈值为80kA。

DIN保护是断路器的一种自我保护，对于短时耐受电流小于短路分断能力的断路器，如果短路电流小于其短路分断能力但是大于其短时耐受电流参数，且瞬时保护处于关闭状态，断路器先承受一定时间短路电流后再分断，由于短路电流已经超过了断路器自身的短时耐受电流值，意味着短路电流产生的热效应和电动力EDW（Electrodynamic Withstand）会超出了断路器能承受的范围（图8），那么出于自身保护的要求，即使短延时保护开启（瞬时保护关闭），断路器DIN保护会快速动作，动作时间小于25毫秒。

断路器保护单元功能结构如图9，铁芯CT提供电源给所有功能模块，包括故障脱扣线圈的电源，电流的测量由空心CT（罗氏线圈）完成。长延时保护、短路短延时保护以及瞬时保护情况下的电流信号先经过ASIC集成电流处理，再经过微处理器MCU分析、判断；如果电流大到一定程度，那么就直接由ASIC集成电路发出脱扣命令，即MCR&HSISC脱扣，施耐德叫DINF&DIN保护脱扣。

MCR叫接通分断保护，当断路器合闸在潜在的短路故障线路上时，如果短路电流超过了断路器的MCR保护阈值，那么断路器会立即跳闸，也是断路器的一种自我保护方式。常规的三段保护脱扣和MCR&HSISC脱扣原理有明显的区别，如图10所示，通常P4.7为经过MCU处理后的电流信号，经过比较器比较，触发单稳态电路，执行脱扣动作----常规三段保护脱扣；但当短路电流很大达到一定程度时，不经过MCU处理，直接由电压比较电路后脱扣，所以脱扣时间更短-----MCR&HSISC保护脱扣。

CR&HSISC保护工作原理图见图10，当断路器合闸电压刚加载时，C2上的电压很低（即N13反相端输入电压），运算放大器N13输出高电平，使N14也输出高电平，VT2饱和导通，VT2的集电极、发射极之间电压很小，N15同相输入端a点电压为Ua=R4/（R3 R4）×5V数值较低。因N15为跟随器，所以a、b、c三点电压相等，也就是断路器合闸瞬间的电压比较电路的基准电压较低，这个基准电压即为MCR(DINF)保护的参考电压值；但当电容C2充电到电压超过N13同相端电压时（约经过100毫秒），N13输出变为低电平，N14也输出低电平，VT2截止，Ua’=（R4 R5）/（R3 R4 R5）×5V，此时基准电压值为HSISC保护（DIN保护）的参考电压值。MCR保护（DINF保护）与HSISC保护（DIN保护）参考电压转换时间就是电容C2的充电时间，图10中为100毫秒。

N15 和N16构成反相电路，N15 和N16输出电压互为反相，这样无论信号在正半周还是负半周都能得到比较，当IA、IB、IC、IN中的峰值信号超过正基准电压或低于负基准电压时，图中左边N1~N8运算放大器输出高电平到比较器，当输出的信号宽度超过抗干扰脉冲宽度时，触发单稳态电路，执行脱扣动作。不同型号的断路器所需要的MCR和HSISC值也不一样，调节电压比较电路中的各个电阻值的大小就可以得到不同的参考电压，满足不同断路器的保护需求。

通过上述分析可以看出MCR（DINF）保护是在断路器合闸时起作用，经过100ms (MTZ是50ms)之后切换成HSISC（DIN）保护，DIN保护在断路器正常运行时，如果出现大于其短时耐受电流值的短路故障，DIN保护直接跳过短延时保护和瞬时保护的运算逻辑，快速动作切除故障。短延时保护、瞬时保护、MCR（DINF）保护、HSISC（DIN）保护之间的对比关系见表2。

表2 各种保护特性对比