低压进线断路器设计选型的两个问题 断路器如何操作

　　低压进线断路器一般用于变压器低压侧，是一个比较重要的断路器，如果选择不当，一旦发生故障或误动，将可能造成较大范围的停电。本文将阐述笔者在低压进线断路器设计选型工作中所遇到的两个实际问题及处理方法，供同行们参考。若有不当之处，望给予指正。

1. 关于断路器短路分断能力

　　断路器一般具有两个反映断路器短路分断能力的参数：其一是额定极限短路分断能力（以下简称极限分断能力）Icu，其试验顺序是o-t-co(o表示分断操作，co表示接通操作后紧接着分断操作，t表示时间间隔，一般为3min)，在按规定的试验顺序动作后，不考虑断路器继续承载它的额定电流；其二是额定运行短路分断能力（以下简称运行分断能力）Ics，其试验操作顺序是o-t-co-t-co，在按规定的试验顺序动作后，需考虑断路器继续承载它的额定电流。

　　断路器设计选型中应采用哪一个参数，规范中没有明确的规定，各种手册也没有明确的说法。大多数手册指出：断路器的额定短路通断能力等于或大于线路中可能出现的大短路电流，一般按有效值计算。具体是极限分断能力还是运行分断能力没有说明。只有个别手册指明采用极限分断能力，但是我认为，对于低压进线断路器应采用运行分断能力，理由如下：

1. 从可靠性方面考虑

　　采用运行分断能力选择断路器，在断路器开短路电流后，还可以保证断路器承受它的额定电流，减少断路器出故障的可能性，从而可以提高断路器运行的可靠性。

2. 从可行性方面考虑

　　对于新型断路器，运行分断能力一般都较大，都能满足短路电流的要求。表1列出了几种有代表性的新型断路器的运行分断能力。

表1

变压器容量KVA 400 630 800 1250 1600 2000

变压器额定电流 A 610 960 1200 1900 2432 3040

变压器电路电压 4 4 4.5 4.5 4.5 4

短路电流有效值KA 13.7 21 23.5 35.2 43.5 66.88

Ics/IcwKA ME 50／30 50／50 50／50 50／50 80／80 80／80

CB11 50／50 50／50 50／50 65／65 65／65 65／65

M 130／65 130／65 130／65 130／75 130／75 130／75

DZ20 25／－ 38／－ 38／－－－－

TM30 75／8 50／15 50／15 50／25 －－

NS（C） 150／－ 150／15 150／15 －－－

　　表中短路电流有效值指变压器10KV侧短路容量按150－200MVA考虑，在距变压器低压出线端3m母线处发生金属性短路时的短路电流。CB11是长征电气十一厂近年推出的框架式断路器，TM30是天津低压开关厂近推出的塑壳式断路器，M、NS（C）为梅兰日兰公司产品。表中所列的Ics和Icw(短时耐受电流)数值均为各系列断路器中满足变压器容量要求的相应壳架电流等级断路器的数值。

　　从表1可以看出，对框架式断路器,除CB11当变压器为2000KVA时，其运行分断能力略显不足外，其他断路器都能满足要求；对于塑壳式断路器，只要容量满足要求，分断能力一般没有问题。

　　对于老型断路器，厂家没有提供运行分断能力这一参数，只有极限分断能力。设计选型中可按Ics=Icu50%考虑。这样选择，当断路器的额定电流合适时，其运行分断能力往往不够，需通过提高断路器的壳架电流等级来满足分断能力的要求。例如对于800KVA的变压器，查表1可知其额定电流为1200A，短路电流为23.5kA，按额定电流可选DW15－1500型断路器，其极限分断能力为40kA，若按极限分断能力选择，它满足要求；若按运行分断能力选择，则不满足要求，需选择更大壳架电流等级的断路器。如DW15－2500型，其极限分断能力为60KA。所以，对于老型断路器，按运行分断能力选择也是可行的。

3. 从经济性方面考虑

　　对于老型断路器，按运行分断能力选择，一般需提高断路器的壳架电流等级，以满足分断能力的要求；对于新型断路器，虽然其运行分断能力较高，一般不需为满足分断能力的要求而提高断路器壳架电流等级，但是其价格比同电流等级的老型断路器高。所以按运行分断能力选择断路器，一般投资会有所增加。

　　但是，由于低进线断路器所需数量较少，其引起的投资增加在整个工程投资中所占比例很小，而且它的重要性又较高，它的故障或误动都将造成较大面积的停电，给生产和生活带来不便，甚至造成较大经济损失。所以，为低压进线断路器的可靠运行增加一点投资，在经济上是合理的。

　　另外，新型断路器取代老型断路器是一种必然趋势。当它完全取代老型断路器后，按运行分断能力选择断路器，将不再存在投资增加问题。到那时，按运行分断能力选择断路器将成为一种必然的选择。

1. 关于断路器结构型式选择

　　低压断路器按结构型式分，可分为塑壳式和框架式两大类。

　　作为进线开关，一般选择框架式断路器，但是框架式断路器有体积大、价格高、接触防护较差等弱点，所以作为进线断路器，它并不是佳选择。

　　塑壳式断路器有体积小，安装紧凑、外形美观、价格低、接触防护好等特点，以往它没有成为进线开关的*，主要受到其容量小，短路分断能力低，选择性和短时耐受能力差这几方面因素的限制，但是随着技术的发展和新产品的推出，这些问题已经获得了不同程度的改进。下面我将就这几方面的问题分别加以说明。

2.1容量问题

　　对于老式塑壳式断路器，其大容量一般是600A左右，这样的容量，作为进线开关是显得太小了。但是现在的新型壳式断路器，其容量已经有了大幅度的提高，例如DZ20型大可达1250A，TM30型大可达2000A，有的产品甚至高达3000A。所以对于新型断路器，其容量对于大型变压器尚显得不足，但是对中小型变压器，已经完全可以胜任了。

2.2分断能力问题

　　近年来，我国生产的断路器，不论是框架式，还是塑壳式，其短路分断能力都有了大幅度提高。

　　就塑壳式而言，其分断能力提高的幅度非常惊人。例如以往是常用的DZ10型断路器，其大短路分断能力的峰值也仅仅达到40kA，而新型断路器的运行分断能力有效值都已经达到了很高水平。从表1就可以看出，DZ20型的运行分断能力高可达50kA、TM30更高达到75kA，两种型号的极限分断能力有效值均可高达到100kA。

　　所以就分断能力而言，塑壳式断路器完全可以胜任作为低压进线断路器的要求。

2.3 选择性问题

　　老式塑壳式断路器一般没有短延时脱扣器，很难实现选择性保护。但是现在生产的部分新型断路器已经具备了这一功能。例如TM30系列的智能脱扣器就可以实现短延时功能，完成选择性保护；NS系列的电子脱扣器也可以实现这一功能。按照低压断路器智能化、模块化、组合化、电子化、多功能化的发展趋势，今后具有选择性功能的塑壳式断路器将会越来越多，选择性对于塑壳式断路器将不会再成为一个问题。

2.4 短时耐受能力问题

　　短时耐受能力是塑壳式断路器一个弱项，目前多数塑壳式断路器厂家都没有提从额定短时耐受电流Icw这一参数。不过已有部分厂家提供了这一参数。

　　表1中列出了TM30和C序列断路器的额定短时耐受电流。从表中数据看，塑壳式断路器的短时耐受电流与框架式断路器相比，还有很大差距，其值还远小于变压器低压侧短路电流的数值，但是作为进线开关，只要选好断路器瞬时脱扣器的整定电流，将短延时电流限制在断路器可以承受的耐受电流范围内，塑壳式断路器就可以满足耐受电流的要求。

　　例如，有一台630kVA变压器，查表1可知，其变压器低压侧额定电流为960A，短路电流为21kA，可选择TM30－1000型断路器，其运行分断能力为50kA，满足要求；其短时耐受电流为15kA，不满足要求。这时可以将断路器的瞬时脱扣器动作电流整定在15kA，当短路电流超过15kA时，使断路器瞬时跳闸。这样做的后果是损失了保护的部分选择性。

　　要想大幅度提高塑壳式断路器的短时耐受能力，尚需等待技术的进一步发展和新材料的出现。

　　对于不需要选择性保护的场合，塑壳式断路就可以避开其弱点，使其优越性更得以表现。

　　从以上分析可以看出，作为低压进线开关，塑壳式断路器在一定条件下已经可以取代框架式断路器。

　　真空断路器的优越性不仅是无油化设备，而且还表现在它具有较长的电寿命、机械寿命、开断绝缘能力大、连续开断能力强、体积小、重量轻、可频繁操作、免除火灾、运行维护少、故障率低等优点，是无人值守变电所较为理想的电气设备。目前国内外都在大量开发和使用，并具有完全替代油灭弧介质的趋势。目前，变电所大多采用了多功能微机(电子)保护装置，综合自动化程度也随之提高，趋向无人值守的要求已经基本具备。因此，对主电气设备要求具有一定的在线检测(自检)功能，真空断路器也不应例外。真空断路器的常见故障主要表现有两大部分：

　　(1)　机械故障。由于这类故障率与电气故障率相比，几率较小，要实施在线检测还待有关部门进一步在构造、尺寸、组合方式上统一方案。

　　(2)　电气故障。这类故障是直接威胁电网*持久稳定运行的主要问题，而且它的几率不容忽视。就真空断路器的一次电气故障与机械故障相对而言，不仅故障性质严重而且有较大的隐蔽性、突发性、随机性、并且难以及时预报。因此，也常见到厂家在出厂报告中提醒用户观察真空灭弧室的断弧物理现象。因此，这类故障不仅威胁电网的*也是极易造成人身、国民经济损失的主要问题。

2　解决真空断路器的在线检测方法

　　目前，有关真空断路器的在线检测方法不少，常见的有下列几种：①电容感应法；②人工中性点法；③高压电场感应法；④阻容分压法；⑤光电遥感法。

　　除此以外还有利用潘宁放电原理(电磁风)构成的真空断路器在线测量方法。

　　概括起来看，各有特点。它们虽然也能在特定的情况下，获取真空灭弧室因漏气而导致真空断路器断口开断能力下降的信号，经过电化处理达到告警、闭锁的目的。若要全面推广使用还有许多问题可以商榷。

图1　人工中性点法示意图

　　就人工中性点法的方法来看(见图1)，图中的C、R用高压电容或者高值电阻来形成人工中性点，尽管整体回路阻(抗)值或很大(用高压电容构成时容抗很大)，在正常工作状态下对整个系统确实没有多大影响。用高压电位与N(接地)点参考来进行真空断路器是否完好状态的检测，是有一定道理和特点。如果该类方法大量使用，而部分真空断路器检修或者故障时，显而易见它们是主系统与地之间形成的一个虚拟接地点，因此在*工作和继电保护的定值计算，运行配网的组织方案上是不能不考虑的。至于其他的方案也不免存在体积大、结构繁、抗干扰差、抗震能力低、数据不易远传以及只能对玻璃外壳或者便于观察的真空断路器有效等。因此使这些方法在普及和实际采纳时都要认真考虑实际影响和可行性。

　　其实，真空断路器的在线检测也是可以用其他方法实现的，而且也不算十分复杂。这个课题的兴趣是测量真空灭弧室的负压变化情况。它的要点是在线检测装置本身不仅要有较好的电气绝缘能力和较小的体积、可靠的运行性能，还要尽量具备*规范、标准合理、使用方便、维护少、周期稳定。此外，还要具有数据远传和就地告知的双重功能，通讯方面也要具备标准的传输特点，不能象继电保护那样各树一帜。

　　要搞好真空断路器灭弧室在线检测的工作必须符合当前电网的运行机制和反馈要求，否则一相情愿的结果也只能解决一个局部问题而带来一些不必要的重复工作或累赘。

3　具体方法的实现

　　实现的基本方法是利用机械传感器来改变光纤传输光信号的折射角度和导通量，以改变接受端光纤的传送量，然后经过后续处理电路来判别、处理、传讯等工作，从而达到在线检测的目的。利用这个方法的好处是：

　　(1)　可以很好地解决高压电器对地的绝缘问题。

　　(2)　检测灵敏度不但实际而且比较高。

　　(3)　对光电、磁场、辐射、震动以及环境污染等都有比较强的抗拒能力。

　　(4)　结构简单，与真空灭弧室自成一体

　　(5)　使用非常方便，基本无需检修。

　　(6)　具有实现就地和远方监控的基本条件。

　　(7)　寿命持久，基本与真空灭弧室同等寿命。

　　(8)　成本低廉。

　　在真空灭弧室的顶或地盖部有一个压力检测部件--传感器(波纹管、弹性薄膜或者其他弹性元件下同)，在其内部设有一个辅助张力元件，以增强检测器件的抗疲劳能力。在检测器件顶部还设有调整装置和信息传递元件一道构成信息传感器。在正常情况下，压力检测部件(在真空灭弧室内部呈现高度真空状态下)受外界自然大气压的作用呈现高度压缩状态。当真空灭弧室有泄漏后(外界大气进入)，将会改变真空灭弧室的内部真空度压力，从而迫使压力检测部件改变它的压缩状态，启动信息传感器、改变发射与接收光纤的光源传递接合部；改变光纤B接受光纤A的照射量。后继处理电路(见图2)的光电转换器G1随着光纤B的传送量改变而改变IC1(运算放大器)的输出参量。然后经过后继处理电路对此参量进行再一次加工，以终达到报警、闭锁目的。

图2　在线检测基本方法示意图

　　该方法的可行性不仅具有选材方便、整体设计结构合理、电气绝缘能力较高的优点，而且实现方法简单和即使断路器严重事故时也不会因为检测装置的存在而给电网造成额外影响。该方法可实施的理由是：

　　(1)　用特殊材料制造的检测器件具有自由恢复钢度好，测量能力可以达到10-7。

　　(2)　有机光纤具有较好的导光性能(短距)，并且自身转换特性具有一定的线性能力。

　　(3)　有机光纤具有较好的电气绝缘能力，平均可以达到每kV/cm以上。

　　(4)　有机光纤在短距离内传送信号不需要做专门的光电转换工作。

　　(5)　有机光纤的柔韧性、防腐能力、阻燃能力比较好，比较适合此项目使用。

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