选择性保护

选择型低压断路器的技术发展

http://info.byf.com 2010年01月28日

由于低压配电系统的用电设备和分支回路的增多，为了保证低压配电线路供电的连续性和可靠性，选择性保护变得越来越重要。本文介绍近期低压选择型断路器发展的动态，包括：局部选择性提升到全局选择性;低压配电系统的选择性保护范围从电源侧向终端侧延伸;采用机械式短延时的选择性小型断路器。

1 低压配电系统的选择性保护

国际电工委员会的IEC标准和我国国家标准按使用类别把断路器分成A类和B类两种类型，其中A类断路器在短路情况下，无明确指明其有选择性保护功能，而B类断路器则明确指明有选择性保护功能，图1表示低压配电系统前后级断路器安装位置(图a)及其保护特性配合(图b)。选择性保护是指当支路1发生短路时，仅下级支路断路器Q2开断短路电流，而上级开关不动作，这就不会影响其它支路如支路2和3的正常供电，因而选择性保护对提高低压配电系统

的工作可靠性有重要作用，当前供电的连续性和可靠性日趋重要，无论是公共场所、生产企业和家庭电气设备，瞬间的断电会造成巨大的损失和生活上的不便，因而低压配电系统的选择性保护技术近年来有很大的进展。

如何实现配电系统上下级断路顺的选择性匹配，这主要决定于两者保护特性的配合，一般上级断路器采用有三段保护特性的选择型B类断路器。图1b)为上下级断路器保护特性配合，其中上级主开关Q1具有三段保护特性，即作为线路过载保护的长延时，短路情况下的短延时和瞬时三段保护，而断路器Q2作为下级支路开关，仅具有长延时和短路瞬时两段保护特性。当支路1短路时，若短路电流为I1，则从图1b)的特性配合来看，短路电流使断路器Q2首先动作，而主开关Q1由于短延时而没有动作，这就保证了其它支路，如支路2和3的可靠供电。

a 两种断路器的按装位置 b) 保护特性配合

图1 选择性保护的特性配合

生产发展和人民生活的提高，低压配电系统的用电设备和分支回路日益增多，选择性保护变得越来越受到人们关注，当前选择性断路器的技术向以下几方面发展：

(1)局部选择性提升到全局选择性;

(2)低压配电系统的选择性保护范围从电源侧向终端侧延伸;

(3)采用机械式短延时脱扣器的选择性小型断路器。

2 局部选择性提高到全选择性

当两台上下级串联的断路器实现过电流保护时，在规定的条件下，下级断路器动作时不会引起上级断路器动作，这是选择性保护基

本要求。而全选择保护是指当故障电流达到下级断路器最大故障电流时都能实现选择性，而局部选择性只是当下级断路器在规定的故障电流下才能实现选择性保护，因而局部选择性就存在一个选择性门槛，它是实现选择性保护的电流交接值，在此值以下，局部选择性保护可保证选择性，而在此值以上，则不能保证选择性。

图2为一带三段保护特性的选择型断路器的特性曲线，其中短延时的延时时间和瞬时脱扣器整定值都可调节，短延时的延时调节是用于让前后级断路器的动作时间匹配，实现选择性保护，而瞬时脱扣器整定值的调节，也就是调节选择性门槛电流IB，确定上下级选择性匹配的电流范围，而这电流的极限值决定于断路器短时耐受电流ICW(一般取0.5s),如果上级选择性断路器的ICW低于它的开断能力(ICU或ICS)，则即使是瞬时脱扣器的最大整定值可调至远超过额定电流的10～12倍，但这种上下级匹配还是局部的，对上下级断路器实现全选择性必须让上级断路器的ICW等于其开断能力，即

ICW=ICU=ICS，这意味着瞬时脱扣器整定值可调至无穷大，对一般B类断路器通常采用电子式脱扣器，即可使瞬时脱扣器的整定开关处于打开位置。当然要实现全选择性也可从下级断路器着手，让下级断路器有强大的限流功能，当该支路发生短路故障时，它能使支路短路电流限制于上级断路器瞬时脱扣器整定值以下，也可实现全选择性。

图2 带三段保护特性的选择型断路器的特性曲线

为了达到ICU=ICS=ICW，作为选择型断路器主要类型的框架断路器目前采用各种新技术来实现全选择性保护，如国内外正在发展新型双断点框架断路器，通过触头系统电动力的过补偿来达到这一目标，图3为双断点框架断路器的结构简图，它与传统单断点结构不同，触头系统斥开部分设置在静触头，使双断点结构作用在触头上，由于接触处电。

图3双断点框架断路器的结构简图

流线收缩而引起的霍姆(Holm)电磁斥力仅作用于一个触头，并且由于导电回路的布置，使作用在静触头上的回路电动斥力皆为补偿力(即吸力)，加上用夹头代替静触头与出线母排的软连结，因而大大提高了其电动稳定性。日本TERASAKI公司生产的双断点框架断路器TemPower系列，其ICU=ICS=ICW 最高可达100kA。

3 配电系统的选择性保护从电源端向终端配电延伸长期以来，低压配电系统的选择性保护一般只用于变压器出线端的功率配电系统，近年来由于工业生产和人民生活的提高，工控系统、公共场所和家庭

用电设备和配电分支回路大增，因而负载侧和终端配电的选择性保护提到日程上来，不少国际著名低压电

图4施耐德公司新老型号配电系统的对比

气企业推出相应的用于负载和终端侧的选择性断路器，例如施耐德公司最新推出的新型旋转双断点塑壳断路器NSX与老型号NS相比，其主要特点之一是额定电流为100A的小规格断路器也带有micrclogic电子脱扣器，具有短路短延时保护，其延时调节范围为20～500ms，短路短延时电流整定值和瞬时脱扣器整定值都可以调节，它与用于终端的小型断路器Multi9配合可实现完全的选择性保护。老型号NS在小规格断路器中没有短路短延时功能，因而为了实现局部选择性配合，利用电流匹配原则，不得不把上级断路器的额定电流选

大些，新系列塑壳断路器NSX可实现更为经济的迭择性匹配，与微型断路器配合使完全选择性从100A壳架电流就可实现。这一改进带来了很多好处：节省安装时间，无需过高选择断路器规格，使断路器和开关柜的尺寸变小。图4为新老型号配电系统的对比。

4 采用机械式短延时的选择性小型断路器

用于终端的小型断路器采用电子式脱扣器来实现短路短延时保护，结构复杂、成本高，特别是小型断路器还是单极的，因而当前国际上的发展，是选择型小断路器采用机械式短延时结构，并且为了达到上下级小断路器的全选择性配合，引入了限流辅助回路，使发生短路故障时在开断过程中限制短路电流，以提高断路器对短路电流的电动和热稳定性。图5为国内外目前开发成功的一种选择性小型断路器的结构和工作原理。这种小型断路器依靠双金属片获得短延时作用，它由二个回路组成，主触头放置于主回路上，它可由操作机构操作，在短路故障下，由冲击电磁铁推动，辅助回路由短延时双金属片，限流电阻和辅助触头组成。断路器还有长延时双金属片作过载保护用。当短路电流通过时，冲击电磁铁打击主触头，使之断开。这时电流就转移到辅助回路，但辅助回路有限流电阻，使短路电流限至几百安培，短延时双金属片提供短延时作用，当后一级小型断路器限流开断，则复位弹簧使主触头重新闭合，使之不影响下一级其它分支回路供电，

若后一级小断路器不能动作，则经过短延时双金属片延时后，使断路器操作机构动作，同时打开主触头和辅助触头。正常情况下，操作机构同时操作主辅回路触头的合分，由于正常运行时，辅助回路电阻大，电流主要通守主回路来导通。这种选择型小断路器它当短路故障时只有短路短延时特性，因而相当于把瞬时脱扣器关断，所以它与后一级小断路器的配合是全选择性的。

图5 一种选择性小型断路器的结构和工作原理

[1] 日本TERASAKI公司的双断点框架断路器TemPower系列产品说明书

[2] 施耐德公司塑壳断路器NSX系列产品说明书

[3] ABB公司选择性小断路器S700系列产品说明书

作者简介：

陈德桂，1955年毕业于上哈交通大学，1983-1984年赴英国利物浦大学电气与电气工程系留学一年。现为西安交通大学电气工程学院教授，博士生导师，全国电工技术学会理事，低压电器专委会主任，全国电器工业协会通用低压电器分会专家组组长。IEEE高级会员。