国际电工委员会IEC947 - 2和我国等效采用IEC的GB14048.2《低压开关设备和控制设备 低压断路器》标准规定的短路分断能力有两种;额定极限短路分断能力Icu和额定运行短路分断能力Ics。
1. Icu和Ics的定义
分别定义如下:Icu为按规定的试验程序所规定条件,不包括断路器继续承载其额定电流能力的分断能力;Ics为按规定的试验程序所规定的条件,包括断路器继续承载其额定电流能力的分断能力。
Icu的试验程序为o t co;Ics的试验程序为o t co t co。Ics比Icu的试验程序多了一次co。经过程序试验,能完全分断,熄灭电弧,并无超出规定的损伤,被认为Icu试验通过,而Ics的合格标准,除与Icu相同外,还要增加温升和5%寿命次数的接通、断开额定电压、额定电流的试验,Ics试验条件更苛严。
2. Icu和Ics的关系
Icu和Ics都是断路器的一项重要技术性能指标。从实际情况出发,根据线路保护的需要和断路器的不同结构,IEC947 - 2和GB14048.2确定的Ics有4个或3个值,分别是25%、50%、75%和100%Icu(对A类断路器,即塑料外壳式),或50%、75%和100%Icu(对B类断路器,即万能式或称框架式)。断路器制造厂确定其产品的Ics值,凡符合上面标准规定的Icu百分值都是有效的、合格的产品。
万能式断路器的绝大部分(不是所有规格)都是有过载长延时、短路短延时和短路瞬动的三段保护功能,能实现选择性保护。因此大多数主干线(包括变压器的出线端)都采用它作主(保护)开关,而塑壳式断路器一般不具备短路短延时功能(仅有过载长延时和短路瞬动的二段保护),不能作选择性保护,它们只能使用于支路。
由于使用(适用)的情况不同,IEC92《船舶电气》标准建议:具有三段保护的万能式断路器,偏重于它的Ics,而大量使用于分支线路的塑壳式断路器,应确保它有足够的Icu。笔者对此的理解是:主干线切除故障电流后更换新断路器要慎重,主干线停电时间较久要影响一大片用户的供电,所以发生短路故障时要求有2个co,并且还要求继续承载一段时间的额定电流;而使用于支路的仅有二段保护的断路器,在经过极限短路电流的分断和再次的接通分断后,已完成其使命,它不再承载额定电流,可以更换新的(更换时停电的区域仅限于支路,因此影响较小),而它的Ics就可小于极限短路电流。Ics在两类断路器上规定值也有所不同,塑壳式最小允许的Ics是25%Icu,而万能式的Ics最小是50%Icu。Ics = Icu的断路器是很少的,即使是万能式,也很少有Ics = 100%Icu [有一种采用旋转双分断(点)技术的塑壳式断路器,它的限流性能极好,短路分断能力的裕度很大,可以做到Ics = Icu,但价格很高]。我国的DW15型万能式断路器Ics =(60% ~ 75%)Icu,DW45智能型万能式断路器Ics =(62.5% ~ 65%)Icu,国际上ABB公司的F系列,施耐德公司的M系列Ics也不过达到70%左右的Icu。而塑壳式断路器,国内各种新型号的Ics大多数在(50% ~ 75%)Icu之间。有些厂商的广告或样本中称它的断路器Ics = Icu,如果不是限流型,则是有水分的。选用它,最可靠、最严肃的办法是向他们索取Ics = Icu的试验证书或型式试验报告。
3. Icu和Ics的选用
一台容量为1600kVA的变压器,其副边的额定电流为2312A,阻抗电压百分数uK取6%,最大预期短路电流应为38.5kA,作保护用的断路器额定短路分断能力应是?0?640kA,若选DW15 - 2500Y的2500A或DW45 - 3200的2500A作主开关是能胜任的。由于现代的动力中心的变压器与配电柜相距很近,甚至安装在一起,因此即使是支路,额定电流在100A,它的预期短路电流也是很大的。因此,也要求线路中的塑壳断路器的短路分断能力应达到380V、40kA。
有文章断定某一新型塑壳式断路器(壳架等级电流160A,Icu380V、50kA,Ics380V、35kA)不能选用,理由是它的Ics仅35kA,小于线路预期电流38.5kA。这是一种误解。该型号断路器使用于支路,即使通过支路的短路电流为38.5kA,但此断路器Icu大50kA,完全可以胜任。因此判断塑壳式断路器能否胜任某一线路保护开关,是看它的Icu能否大于线路的预期短路电流。而它的Ics即使小一点,也无碍于它的作用的发挥。因为短路事故多种多样,例如两相短路(其短路电流为三相短路值的二分之根号三),或者离电源较远的地方,如50m、100m,即使是三相短路,由于阻抗的原因,三相短路时,事故电流大约是50% ~ 60%的三相最大预期值。
极限短路分断能力(Icu),是指在一定的试验参数(电压、短路电流、功率因数) 条件下,经一定的试验程序,能够接通、分断的短路电流,经此通断后,不再继续承载其额定电流的分断能力。它的试验程序为0—t(线上)C0 (“0”为分断,t 为间歇时间,一般为3min,“C0”表示接通后立即分断)。试检后要验证脱扣特性和工频耐压。
运行短路分断能力(Ics),是指在一定的试验参数(电压、短路电流和功率因数)条件下,经一定的试验程序,能够接通、分断的短路电流,经此通断后,还要继续承载其额定电流的分断能力,它的试验程序为0—t(线上)C0—t (线上)C0。
短时耐受电流(Icw),是指在一定的电压、短路电流、功率因数下,忍受0.05、0.1、0.25、0.5或1s而断路器不允许脱扣的能力,Icw?是在短延时脱扣时,对断路器的电动稳定性和热稳定性的考核指标,它是针对B类断路器的,通常Icw的最小值是:当In≤2500A时,它为12In或5kA,而In>2500A时,它为30kA( DW45_2000的Icw为 400V、50kA,DW45_3200的Icw为400V、65kA)。
运行短路分断能力的试验条件极为苛刻(一次分断、二次通断),由于试后它还要继续承载额定电流(其次数为寿命数的5%),因此它不单要验证脱扣特性、工频耐压,还要验证温升。 IEC947_2(以及1997新版IEC60947_2)和我国国家标准GB14048?2规定,Ics可以是极限短路分断能力Icu?数值的25%、50%、75%和100%(B类断路器为50%、75%和 100%,B类无25%是鉴于它多数是用于主干线保护之故)。
上文提到的选择断路器的一个重要原则是断路器的短路分断能力≥线路的预期短路电流,这个断路器的短路分断能力通常是指它的极限短路分断能力。
无论A类或B类断路器,它们的运行短路分断能力绝大多数是小于它的极限短路分断能力Icu的。
A类:DZ20系列Ics=50%~77%Icu,CM1系列Ics=58%~7 2%Icu,TM30系列Ics=50%~75%Icu,(个别产品Ics=Icu)。
B类:DW15系列Ics=60%左右的Icu,(个别的如630AIcs=Icu,但短路分断能力仅400V时30kA),DW45系列Ics=62.5%~80%Icu?。
不管是A类或B类断路器,只要它的Ics符合IEC947_2(或GB14048.2)标准规定的 Icu?百分比值都是合格产品。
用户在设计选用时只要符合断路器的极限短路分断能力≥线路预期短路电流就能满足要求了,对线路本身来说,例如上面举例的变压器容量为1600kVA的线路,可能出现的短路电流约为43kA,它是仅计算离变压器距离为5m,且把刀开关、互感器和断路器的内阻均看成零来计算的(短路电流因此比实际情况偏大)。这种短路的机率极小。在选用断路器时,只要它的极限短路分断能力>43kA,譬如50kA就足够了。经过“0”一次、“C0”一次就完成了它的使 命,必须更换新的断路器,而运行短路分断能力,例如为50%的Icu?,也达到25kA ,它既可以实现一次分断,二次通断(在25kA短路电流时)故障电流然后还要承载其额定电流 ,任务是非常艰巨的。有些使用者认定要按断路器的运行短路分断能力(Ics)≥ 线路预期短路电流来设计,其实是一种误解,也是不必要的。
有些制造厂的样本里宣传,它的产品Ics=Icu?,如确实,说明它的I cu?指标有裕度,如不确实,说明它有水份,不可全信,而且Ics=Icu?的断路器 ,其售价要高很多,不合算。
应提到的是,所有断路器的短路分断能力(无论是Icu?还是Ics?)都是周期分量有效值。在短路试验中的“C0”的C(close接通)的电流是峰值电流Ich。在试验站进行短路分断试验时,电压、短路电流(有效值)和功率因数(cos)已调整好,它的接通电流也就被确定了。
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