限流型低压断路器的工程应用

限流型低压断路器的工程应用

徐立波

上海电力设计院有限公司 上海 200072

摘要：

随着大功率低压用电设备的广泛接入，配电变压器低压侧容量和短路电流不断增加，对各级低压断路器和连接导体的选型提出了高要求。限流型低压断路器具有限制短路电流峰值能力强，分断速度快的特点，能大幅度降低低压成套配电装置动热稳定性要求。结合工程应用实例，提出选用限流型低压断路器以降低下级断路器和导体的选型标准，体现了限流型低压断路器对配电系统的技术和经济意义。

关键词：低压断路器，限流功能，配电系统，工程应用，级差配合

0 引言

随着数据中心、储能和充电桩等大功率低压用电设备的接入，低压交流配电系统容量显著增大。同时，配电变压器低压侧容量也日益增加，造成低压侧短路电流激增^[1]。例如低压配电系统采用容量为2500kVA，阻抗5%的10/0.4kV配电变压器时，0.4kV母线短路电流高达58kA。当配电系统母线至用电终端距离较近时，用电终端处短路电流将接近20kA，这将产生以下问题：（1）常规方案下终端配电设备难以选用标准分断型低压断路器；（2）短路电流产生的热效应和电动力将大幅增加导体的截面。

针对高短路电流低压配电系统，可选用具有限流功能的低压断路器，通过快速分断限制短路电流，同时减少短路电流产生的电动力和热效应。

1 限流型低压断路器特点

1.1 限流型低压断路器的工作原理

限流型低压断路器是一种分断时间短到能在短路电流达到其预期峰值前分断的一种断路器。限流型低压断路器通常采用电动斥力式的原理^[2]，在短路故障发生时触头迅速打开，产生电弧，相当于在线路中串入一个迅速增长的电弧电压，从而限制并迅速切断故障电流。

限流型低压断路器的通流能量限制能力主要取决于断路器的分断速度。一方面，断路器分断速度越快，则通过断路器的能量越小；另一方面，由于发生短路时短路电流总是由正常工作电流连续上升至短路电流值，此过程需要一定的时间，断路器的动作时间越快也就意味着分断的电流越小，能量会进一步降低。

1.2限流型低压断路器的作用

与常规低压断路器相比，限流型断路器具有减少热效应和机械应力、增强下级断路器的分断能力和提升选择性保护配合能力等作用。

（1）减少热效应

限流型低压断路器通过限制短路电流的幅值并缩短故障时间，从而减少导体的发热并延长导体寿命，同时限流也有利于保证电气设备的寿命。

（2）减少机械应力

限流型低压断路器通过限制峰值短路电流降低产生的电动力，避免过大的电动力对硬导体的损伤。

（3）增强下级断路器分断能力

上级限流断路器与下级断路器的配合使用，即“级联”，可以增强下级断路器的分段能力。上级限流断路器起着对大短路电流的阻拦作用,下级的断路器由此获得增强的分断能力，使得标称分断能力低于其安装处预期短路电流的下级断路器可正常分断，因而下级断路器可选用低分断能力的设备，节省设备采购成本。选用低分断能力的断路器也将节省其在配电柜的占用空间，实现设备紧凑化布置。需要说明的是，限流断路器对通过它的短路电流均进行限制，因此增强的分断能力不仅限于相邻下级断路器，而是适用于所有下级断路器。

（4）提升选择性保护配合能力

常规低压断路器在短路电流保护区域通常采用电流选择性或时间选择性实现上下级的级差配合。限流型断路器除了常规的上述两种选择性外，还具备特有的电弧能量选择性实现级差配合。

常规配电系统中，如果下级断路器最大可能短路电流超过上级断路器的短路脱扣整定电流ImA时，则无法通过电流水平选择性实现选择性保护，引发越级跳闸，断路器B仅具有部分选择性，即在短路电流不超过ImA时才具有选择性。

选用限流断路器则可通过电弧能量的选择性避免上述问题。当上级限流型断路器A和下级限流断路器同时检测到高短路电流时，其触点同时斥开，产生电弧电压限制短路电流，下级断路器B由于受到极高电弧能而脱扣，上级断路器A由于未达到脱扣所需的电弧能而不脱扣。因此，断路器A通过触点斥开限制回路短路电流帮助帮助断路器B脱扣，本身却不脱扣，断路器B实现了完全的选择性。因此，限流型断路器的使用将提升断路器之间的选择性保护配合能力。

2限流型低压断路器的工程应用

如图1所示，某数据中心低压配电系统采用单母线分段接线，由2台2500kVA的10/0.4kV配电变压器供电，低压进线开关QF0选用5000A, 65kA框架断路器，低压馈线开关QF1、UPS输入开关QF2和UPS输出柜开关QF3选用1250A, 65kA框架断路器，配电列头柜进线开关QF4选用250A, 36kA的塑壳断路器，配电列头柜馈线开关QF5选用25A，6kA的微型断路器。

图1 某数据中心低压配电系统图

由于配电变压器容量大，且与数据中心机柜距离较近，短路电流计算值较大。经计算，配电列头柜母线母线处的短路电流约9.6kA，超过常规微型断路器6kA的分断能力。若上级断路器不具备限流功能时，需选用分断能力为10kA的微型断路器。

本配电系统低压断路器拟选用施耐德公司限流型断路。经查阅产品数据表^[3]，列头柜进线开关选用NSX250F限流型塑壳断路器后，列头柜馈线开关的分断能力由原先的6kA增强制25kA，即选用常规型6kA分段能力的微型断路器就具备了25kA的分断能力，大于馈线开关下桩头处的单相短路计算电流值9.6kA，满足工程应用要求。由此可见，选用了限流型断路器后，可大幅降低所有下级断路器标称分断能力的要求，达到节省综合投资的目的。

以下对列头柜进线开关与馈线开关的选择性配合进行校验。若采用非限流型断路器，由于馈线开关下桩头处的单相短路计算电流值9.6kA，远超列头柜进线开关瞬时动作值（2.5kA）和馈线开关瞬时动作值（250A），则仅当短路电流不超过2.5kA时才具备选择性，即不具备完全选择性。本实例中NSX250F和C65N-25C均为限流型断路器，经查阅产品数据表^[3]，这两种限流断路器具备完全选择性，这也印证了限流断路器的能量选择性能够扩大断路器的选择性配合范围。

3 结语

限流型低压断路器具有限制短路电流峰值能力强，分断速度快的特点，可极大减少短路电流产生的电动力和热效应。同时，限流型低压断路器具有“级联”特性，可增强所有下级断路器分断能力，并通过电弧能量的选择性提升上下级的选择性保护配合能力。

高短路电流低压配电系统中，限流型低压断路器能降低下级设备和导体的选型标准，更好地实现上下级低压断路器的选择性配合，从而减少配电系统的投资造价并提升配电系统的可靠性，具有广阔的应用前景。

参考文献

1. 何瑞华,我国新一代低压电器发展中值得探讨的几个问题[J].电器与能效管理技术,2015(1): 15-17

2. 马颖, 限流型低压断路器及其在工程设计中的应用[J].电气开关,2005(3): 1-6

3. Acti 9 iC65系列小型断路器产品目录[EB/OL]. https://www.schneider-electric.cn/zh/download/document/SCDOC1518-CN/

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作者简介：徐立波（1988- ），男，硕士，主要从事电气专业设计工作。