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电路保护——最小短路电流的计算

发布日期:2016/05/16已有 2431 人浏览

一般来说,低压电路中一台保护设备可对所有的电流水平进行保护,从过载临界值到该设备的最大额定短路断流容量。
但是在某些情形下,会分别使用过载保护设备和独立的短路保护设备。
如果电路中的一个保护设备仅用于防护短路故障,最基本的要求是该设备一定要在电路上可能出现最小短路电流的情况下动作。

>>该类方案举例


图表 G40 ~ 图表 G42 说明的是一些常见的方案,其中过载和短路保护分别由不同的设备承担。

图表 G40: 由 aM 型熔断器保护的电路

图表 G41: 由不带热过载继电器的断路器保护的电路
图表 G40 和图表 G41 说明的是最常见的使用单独设备分别控制和保护电动机的电路。
图表 G42a) 构成了对基本保护规则的缩减,一般用于预制的母线线槽、照明轨道。

图表 G42a: 断路器 D 提供直至 (包括) 负荷点的短路故障保护

>变速驱动
图表 G42b) 说明了变速驱动提供的各种功能以及是否需要由断路器、热继电器和RCD 提供额外保护。

提供的保护

一般保护由变速驱动提供的

附加保护

电缆过载

是 = (1)

如果 (1),则不需要

电动机过载

是 = (2)

如果 (2),则不需要

下有短路

 

变速驱动过负荷

 

过电压

 

欠电压

 

断相

 

上游短路

 

断路器(短路脱扣)

内部故障

 

断路器(短路和过负荷脱扣)

下游接地故障 (间接触)

自我保护

RCD ≥ 300 mA

直接接触故障

 

RCD ≤ 30 mA

图表 G42b: 为变速驱动应用提供的保护

>>应考虑的条件
保护装置必须满足:
● Im 瞬动脱扣整定值 < Isc (最小值) 采用断路器
保护;
● Ia 熔断电流 < Isc (最小值) 采用熔断器保护。
保护装置因而必须满足以下两个条件:
● 其故障电流分断额定值 > 其安装点处的三相短路电流 Isc;
● 在时间 tc 内,清除电路中可能出现的最小短路电流,满足电路导线所允许的发热量,即:
(对于 tc < 5s 适用)
将保护装置的脱扣或熔断性能曲线与导线发热量的限制曲线相比较,显示出如果存在以下关系,则该条件就能满足:
● Isc最小值 > Im (瞬间或短延时断路器的脱扣器整定电流值), 见图表 G43;
● 对于熔断器保护来说 Isc最小值 > la 电流 Ia 的值对应于熔断曲线与电缆热度耐受曲线的交点, 见图表 G44 和图表G45.

图表 G43: 断路器保护

图表 G44: aM 型熔断器保护

图表 G45: gl 型熔断器保护

>>计算 Lmax 的实用方法

实践中这意味着保护装置下游的电路长度不得超过计算最大长度

必须要就长电路导线的阻抗对短路电流值的限制作用进行考察,电路长度必须相应加以限制。
计算最大允许长度的方法已经在 TN- 和 IT- 接地系统中就单一和双重接地故障分别进行了讨论(见 TN系统间接接触防护 和 IT系统间接接触防护)。
对以下两种情况讨论:
>1 - 三相三线电路 Lmax 的计算
当电路远端发生两相导线短路时就会出现最小短路电流 (见图表 G46).

图表 G46: 三相三线电路中 L 的确定
使用“惯用方法”,假定保护 P 处的电压在短路故障时等于额定电压的 80 %,则
0.8 U = Isc Zd,
式中: 
Zd - 故障回路的阻抗;
Isc - 短路电流 (相 / 相);
U - 额定相电压。对于横截面积 ≤120 mm2的电缆,电抗可以忽略不计,因此:

 式中: 
ρ - 短路时平均温度下铜的电阻系数;
Sph - 相导线的横截面积 mm?;
L - 长度,m。
Im ≤ Isc为使电缆不会因过热而损坏的条件,Im 为 CB 磁脱扣整定值
这导致 , 并得到

当 U = 400 V时
ρ = 1.25 x 0.018 = 0.023 Ω·m2/m
Lmax – 电路最大长度,m。

>2 - 三相四线 230/400 V 电路的 Lmax 计算
当短路出现在相线与中性线之间时,就会出现最小的 Isc。
需要进行与上面例 1 相似的计算,但要使用以下公式(对于横截面积 ≤ 120 mm2: ?
● 当中性线的 Sn 等于相线的 Sph 时: ?

● 如果中性线的 Sn < Sph,则:


当横截面积大于表中值时,就必须将电抗值与这些电阻值综合考虑,得出阻抗值。电缆的电抗值可取 0.08 mΩ/m (50 Hz 时)。对于 60 Hz 的情况可取 0.096 mΩ/m。

>>Lmax 的表查值

下面的图表 G47 给出了以下两种情况下的电路最大长度 (Lmax),单位为 m: ?
● 三相四线 400 V 电路 (即,带中性线); ?
● 一相二线 230 V 电路。
由通用断路器保护。
在其他情况下,将修正系数 (图表 G51 给出的) 应用到所得出的电路长度上。这些计算是基于前述的方法,而且短路脱扣水平在调整值 Im 的 ± 20% 内。


 对于 50 mm2 的横截面积,计算的基础为 47.5 mm2 的实际横截面积。 

瞬时电磁脱扣器的工作电流值 (A)

导线的横截面积 (mm 2)

 

1.5

2.5

4

6

10

16

25

35

50

70

95

120

150

185

240

50

100

167

267

400

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

63

79

133

212

317

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

80

63

104

167

250

417

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

50

83

133

200

333

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

125

40

67

107

160

267

427

 

 

 

 

 

 

 

 

 

160

31

52

83

125

208

333

 

 

 

 

 

 

 

 

 

200

25

42

67

100

167

267

417

 

 

 

 

 

 

 

 

250

20

33

53

80

133

213

333

467

 

 

 

 

 

 

 

320

16

26

42

63

104

167

260

365

495

 

 

 

 

 

 

400

13

21

33

50

83

133

208

292

396

 

 

 

 

 

 

500

10

17

27

40

67

107

167

233

317

 

 

 

 

 

 

560

9

15

24

36

60

95

149

208

283

417

 

 

 

 

 

630

8

13

21

32

63

85

132

185

251

370

 

 

 

 

 

700

7

12

19

29

48

76

119

167

226

333

452

 

 

 

 

800

6

10

17

25

42

67

104

146

198

292

396

 

 

 

 

875

6

10

15

23

38

61

95

133

181

267

362

457

 

 

 

1000

5

8

13

20

33

53

83

117

158

233

317

400

435

 

 

1120

4

7

12

18

30

48

74

104

141

208

283

357

388

459

 

1250

4

7

11

16

27

43

67

93

127

187

253

320

348

411

 

1600

 

5

8

13

21

33

52

73

99

146

198

250

272

321

400

2000

 

4

7

10

17

27

42

58

79

117

158

200

217

257

320

2500

 

 

5

8

13

21

33

47

63

93

127

160

174

206

256

3200

 

 

4

6

10

17

26

36

49

73

99

125

136

161

200

4000

 

 

 

5

8

13

21

29

40

58

79

100

109

128

160

5000

 

 

 

4

7

11

17

23

32

47

63

80

87

103

128

6300

 

 

 

 

5

8

13

19

25

37

50

63

69

82

102

8000

 

 

 

 

4

7

10

15

20

29

40

50

54

64

80

10000

 

 

 

 

 

5

8

12

16

23

32

40

43

51

64

12500

 

 

 

 

 

4

7

9

13

19

25

32

35

41

51

图表 G47 : 以米计的铜导线最大电路长度 (对于铝导线,长度需乘以 0.62)

下页的图表 G48 ~ 图表 G50 给出了以下两种情况下以米计的最大电路长度 (Lmax): ?

● 三相四线 400 V 电路 (即,带中性线); ?

● 一相二线 230 V 电路。

两种情况下均由家用型断路器或类似的脱扣 / 电流特性的断路器加以保护。
在其他情况下,将修正系数应用到所指明的长度上。这些系数见下页的图表 G51。

断路器的额定电流 (A)

导线的横截面积(标称横截面积)mm2)

1.5

2.5

4

6

10

16

25

35

50

6

200

333

533

800

10

120

200

320

480

800

16

75

125

200

300

500

800

20

60

100

160

240

400

640

25

48

80

128

192

320

512

800

32

37

62

100

150

250

400

625

875

40

30

50

80

120

200

320

500

700

50

24

40

64

96

160

256

400

560

760

63

19

32

51

76

127

203

317

444

603

80

15

25

40

60

100

160

250

350

475

100

12

20

32

48

80

128

200

280

380

125

10

16

26

38

64

102

160

224

304

图表 G48: 由 B 型断路器保护的铜导线电路的最大长度 (m)

断路器的额定电流 (A)

导线的横截面积 (标称横截面积)mm2)

1.5

2.5

4

6

10

16

25

35

50

6

100

167

267

400

667

10

60

100

160

240

400

640

16

37

62

100

150

250

400

625

875

20

30

50

80

120

200

320

500

700

25

24

40

64

96

160

256

400

560

760

32

18,0

31

50

75

125

200

313

438

594

40

15.0

25

40

60

100

160

250

350

475

50

12.0

20

32

48

80

128

200

280

380

63

9.5

16.0

26

38

64

102

159

222

302

80

7.5

12.5

20

30

50

80

125

175

238

100

6.0

10.0

16.0

24

40

64

100

140

190

125

5.0

8.0

13.0

19.0

32

51

80

112

152

图表 G49: 由 C 型断路器保护的铜导线电路的最大长度 (m)

断路器的额定电流 (A)

导线的横截面积 (标称横截面积) mm2)

1.5

2.5

4

6

10

16

25

35

50

1

429

714

2

214

357

571

857

3

143

238

381

571

952

4

107

179

286

429

714

6

71

119

190

286

476

762

10

43

71

114

171

286

457

714

16

27

45

71

107

179

286

446

625

848

20

21

36

57

86

143

229

357

500

679

25

17.0

29

46

69

114

183

286

400

543

32

13.0

22

36

54

89

143

223

313

424

40

11.0

18.0

29

43

71

114

179

250

339

50

9.0

14.0

23

34

57

91

143

200

271

63

7.0

11.0

18.0

27

45

73

113

159

215

80

5.0

9.0

14.0

21

36

57

89

125

170

100

4.0

7.0

11.0

17.0

29

46

71

100

136

125

3.0

6.0

9.0

14.0

23

37

57

80

109

图表 G50: 由 D 型断路器保护的铜导线电路的最大长度 (m) 

电路详细情况

三相三线 400V 电路或一相二线 400V 电路 (无中性线)

1.73

一相二线(相线与中性线)230V 电路

1

三相四线 230V/400V 电路或二相三线 230V/400V 电路 (即带中性线)

S 相线 / 中性线 = 1

1

S 相线 / 中性线 = 2

0.67

图表 G51: 应用到图表 G47 ~ G50 中已得出的电路长度上的校正系数
注意: 对于 D 型断路器来说,IEC 60898 中短路电流脱扣范围为10 ~ 50 In。然而,欧洲标准以及图表 G50 则是以10 ~ 20 In 的范围为基础,这一范围覆盖了大量多数的家用及类似装置。

>> 举例

>例 1
在一个单相二线装置中,采用一台 NSX80HMA 50 A 断路器进行保护,其短路瞬时脱扣整定值为 500 A (精确度为 ± 20%),即在最不利的情况下需要 500 ×1.2 = 600 (A) 来跳 闸。电缆的横截面积为 10 mm2 且导线材料为铜。
在图表 G47 中,Im = 500 A一行与横截面积为 10 mm2 一列的交叉点处的 Lmax 值为67 m。断路器对电路进行短路故障保护,因此,得出其长度不得超过 67 m。
>例 2
在一个三相三线 400 V 装置 (无中性线) 中,采用一台 NSX250N 220 A 断路器进行保护,其 MA 型短路瞬时脱扣整定值设定在 2000 A (± 20%),即最不利情况下 2400 A 肯定能够跳闸。电缆的横截面积为 120 mm2且导线材料为铜。
在图表 G47 中,Im = 2000 A 一行与横截面积为 120 mm2 一列的交叉点处的 Lmax 值为200 m。由于是一个三相三线 400 V 装置 (无中性线),必须使用图表 G51 中的修正系数。可看出该系数为 1.73。断路器将对电路进行短路故障保护,因此,得出其长度不得超过 200 ×1.73 = 346(m)。

>> 备注:

1.^ 对于较大切面的导体,考虑到导体中不均匀的电流密度 (由于“集肤效应”和“邻边效应”),电阻值必须增大。适合的值如下:
150 mm2: R + 15%;
185 mm2: R + 20%;
240 mm2: R + 25%;
300 mm2: R + 30%。
2.^ 或者是铝的,根据导线材料而定。 3.^ a b 电阻率值高是由于当短路电流通过时导线的温度上升所致。