谈低压断路器整定应注意的几个问题

李彦来 任志强

摘要：在计算机上建立低压断路器三维虚拟样机，用可视化仿真技术模拟断路器的开断、保护、绝缘和热等特性，需要建立相应的数学模型和拟定求解方法。目前市场上尽管能提供各种场域的仿真软件，包括电磁场、流场、温度场和多体动力学等计算软件，但低压断路器的各种特性往往是多种物理场域的耦合，在创建了仿真的数学模型和计算方法后，还需要通过对商品软件做二次开发或自编程序来获得问题的求解。

关键词：低压断路器；三维虚拟样机；数学模型

中图分类号：G623.58文献标识码：A 文章编号：

低压断路器是低压供配电系统主要的开关电器，随着电力事业的发展，人们对低压断路器不仅在数量上要求大增，对产品性能和可靠性方面更是提出了更高的要求。当前单台低压配电变压器容量增大，低压配电系统进入城市高层建筑，设备安装的空间要求越来越小，因而，开发高性能、小尺寸、智能化和节能型产品是当前低压断路器的发展方向。我国国民经济的飞跃发展给低压电器行业带来前所未有的机遇，要把握好这些机遇，就必须走自主创新的道路，开发具有自主知识产权的低压断路器新一代产品，以适应国内外市场竞争的需要。

一直以来，低压电器的开发主要依靠经验和估算来反复制作样机和试验才能确定设计方案。这种传统的方法导致开发周期很长，样机制作以及试验都要花费很高的成本，而且使得设计的方案达不到最佳的效果。计算机仿真技术的发展一方面人们利用交互式图形技术可在计算机屏幕上建立一个三维的可视样机。并且通过精确的仿真技术，使这个虚拟样机具有和实际样机同样的性能，人们还可以通过交互手段，改变样机的结构和参数，不但可使样机满足预定的技术条件从而可实现优化设计。这种新技术就是虚拟样机技术，它可代替周期长、费钱又费力的传统研发方法。

一、低压断路器的分类以及工作原理

从结构称呼上分目前低压断路器的主要有塑壳式断路器，万能式断路器以及限流型断路器三种。

1、塑壳式断路器，它的主要特征是具有一个塑料外壳，里面安装或封存着断路器的基本部件，具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低和使用安全等优点，常用于非选择性电路，适于独立安装，一般容量较小（比如600A以下）。

2、万能式断路器，其特点具有一个钢制框架（小容量时也有用塑料底板加金属支架构成框架的），所有部件都装于框架内，导电部需加绝缘体，部件大多都设计成可拆卸的，以便于安装好制造。其过电流采用具有瞬间时、短延时和长延时三段保护特性的半导体脱扣器或具有瞬时和延时两段保护特性的热式脱扣器和电磁式脱扣器。欠压脱扣器有瞬时动作和延时动作两种。在触点系统的下方安装短路保护过电流脱扣器，在触点就已断开，从而缩短了固有的动作时间和提高了分断能力。

3、限流型断路器，其特点是能快速断开并有控制短路电流上升的能力，把可能出现的峰值很高的短路电流限制到较小的分断电流上，特别适合用于可能发生较大短路电流的网络之中，限流型断路器的限流方式有以下几种：A、利用电动斥力触头，借助于平行导体中流过的反向电流在导体之间产生的电动斥力使触点快速斥开，且由于电弧产生的电阻对短路电流加以控制，从而能够实现快速分断。B、通过串联在断路器内部主电路中的限流电阻来限制分断电流。限流电阻采用电阻线或电阻板。它们油铜镍合金或者镍铬合金等材料制成，也采用电阻温度系数较大的材料镍铁等。由于短路电流流过该类电阻材料后，温度上升会使电阻值增大，从而限制电流。此类限流型断路器发热和压降大，故不能用在大容量的断路器中。C、在过载电流整定值较低的断路器中，各极的双金属加热绕阻和瞬动式电磁脱扣绕阻的合成电阻值很高，并高到完全能把短路电流限制到不仅使断路器能承受其热效应和电动力效应的作用，并有能力使其分断。这种利用高内阻特性进行限流的断路器又称作抗短路断路器。

二、低压断路器整定

1、瞬时过电流脱扣器动作电流的整定。在产生短路电流或电流超过瞬时过电流脱扣器的动作电流时，只要分断的熔断器能将电流限制在断路器的脱扣电流下，则也存在着选择性。如果短延时过电流脱扣器的延时时间高于熔断曲线不少于100ms，则由经验可知必定存在着短路的选择性保护，而在低压断路器所保护的对象中，有某些电器设备在启动过程中，会在短时间内产生数倍于其额定电流的高峰值电流，从而使低压断路器在短时间内承受较大的尖峰电流。瞬时过电流脱扣器的动作电流必须躲过线路的尖峰电流。在选用断路器时，应注意使低压断路器的瞬时过电流脱扣器的整定电流躲过尖峰电流，以免引起低压断路器的误动作。

2、额定工作电压的整定。断路器的额定工作电压不小于线路的稳态电压，此时应注意，断路器的额定工作电压与通断能力以及使用类别有关。用一种断路器产品可以有几个额定工作电压和与之相应的通断能力与使用类别。

3、长延时过流脱扣器动作电流和动作时间的整定。长延时过流脱扣器主要是用来保护过负荷，其动作电流Iopl只需要躲过线路的最大负荷电流即计算电流I30，即Iopl≥Krel.I30，式中Krel—可靠系数。长延时过流脱扣器的动作时间应躲过允许短时过负荷的持续时间，以免引起低压断路器的误动作。

4、脱扣器的整定。分励脱扣器和欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压，是否需要欠电压脱扣器这要根据是否有这方面需要来做决定。在某些供电质量较差、电压经常波动的系统中应考虑对分励和欠电压保护有适当的延时，否则会引起不希望的断电，长延时脱扣器的整定电流不小于线路的计算，实际可按计算电流的1到1.1倍选取。瞬时或短延时脱扣器的整定电流大于线路的尖峰电流。具体多少，要根据所负载性质不同而选取。短延时过流脱扣器的动作电流Iops，也应躲过线路的尖峰电流Ipk，即Iops≥Krel•Ipk，式中Krel为可靠系数。短延时过流脱扣器的动作时间一般分0.2S、0.4S和0.6S三种，按前后保护装置的保护选择性来确定，应使前一级保护的动作时间比后一级保护的动作时间长一个时间级差。

5、额定电流的整定。断路器的额定电流大于线路计算的负荷电流。如果所选定的断路器，其额定电流正好等于负载电流而没有留余量，则必须考虑下列情况：A实际负载满载电流可能与实际电流有差异；B负载设备经过一段时间运转后其满载电流会增大。因此，断路器的额定电流至少应按负载电流的1.1～1.5倍选定。此外，如果环境温度偏高，还要对热脱扣器等断路器的额定电流再留有更多的裕量。

在计算机上建立低压断路器三维虚拟样机，用可视化仿真技术模拟断路器的开断、保护、绝缘和热等特性，需要建立相应的数学模型和拟定求解方法。目前市场上尽管能提供各种场域的仿真软件，包括电磁场、流场、温度场和多体动力学等计算软件，但低压断路器的各种特性往往是多种物理场域的耦合，在创建了仿真的数学模型和计算方法后，还需要通过对商品软件做二次开发或自编程序来获得问题的求解。

参考文献：

[1]Klaus Kosack（德）主编，胡明忠，胡沫菲译．低压开关电器和开关设备手册，选用准则与设计指南．北京：机械工业出版社，1999．

[2]杨兴瑶．低压电器、控制线路和网络通信．北京：中国电力出版社．2007．

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