微型斷路器的技術(shù)突破

選擇性配合和后備配合

選擇性配合和后備配合在各種雜志文獻中已經(jīng)談得很多了，這里僅從應用的角度談幾個(gè)觀(guān)點(diǎn)：

1) “配合”是指至少兩個(gè)上下級過(guò)流保護裝置之間的保護協(xié)調，不考慮另一方的配合是不存在的。

2) 選擇性配合和后備保護實(shí)施的手段不同。如果僅從改變上級過(guò)流保護裝置(斷路器為例)的特性看：

A) 通常用延遲上級斷路器的動(dòng)作以等待下級斷路器動(dòng)作，從而獲得較好選擇性配合

B) 通常用加快上級斷路器的動(dòng)作以限制短路能量，從而為下級斷路器提供后備保護

當然，改善上下級選擇性配合的手段并非局限于動(dòng)作時(shí)間配合，還可基于電流配合、能量配合、邏輯

控制等手段。當然，最好斷路器本身就能為其他過(guò)流保護裝置提供良好的選擇性和后備保護。

3) 要求選擇性配合的目的是減小故障停電范圍;要求后備配合的目的是降低投資成本。

4) 從兩種配合不同的目的和不同的實(shí)施手段看，兩種配合之間是存在沖突的。

注： 低壓過(guò)流保護裝置以斷路器為主， 下文中如果沒(méi)有說(shuō)明，用斷路器指代過(guò)流保護裝置。

終端配電連續性現狀

從終端配電現狀看，電纜敷設和設備安裝的專(zhuān)業(yè)化程度不高，但用電設備的分布范圍廣，亂拉亂接的情況比較普遍;非專(zhuān)業(yè)用戶(hù)多，超載現象普遍，過(guò)載或短路故障概率很高。尤其在負載高峰時(shí)段，供電部門(mén)忙于應付各類(lèi)跳閘停電事故。又因為終端配電很少考慮選擇性配合，單一短路故障可能造成整個(gè)樓層或樓宇停電，這又使供電部門(mén)的故障定位和恢復供電工作雪上加霜。

從電氣設計角度看，在一般住宅單元的內部，對于電擊傷害的防護也存在誤區，有的設計者只考慮在住宅總開(kāi)關(guān)處安裝一個(gè)剩余電流保護電器，或者整個(gè)住宅單元只用一個(gè)回路供電，或未考慮上下級斷路器的動(dòng)作時(shí)間差等，這些都可能產(chǎn)生因短路或接地故障造成全屋停電，包括安全系統停電失效、冰箱和維生系統(魚(yú)缸)停電，網(wǎng)絡(luò )中斷(路由器失電)等。

在一般住宅單元的外部，設計人員可能未考慮供電側過(guò)流保護裝置的選擇性配合。用戶(hù)入戶(hù)側安裝有進(jìn)戶(hù)熔斷器或斷路器，但屬于供電部門(mén)的管轄范圍。如果這些過(guò)流保護裝置因選擇性配合不佳而誤動(dòng)作(下級斷路器已經(jīng)切斷故障)，顯然也是不必要地增加了供電部門(mén)出勤檢修工作量，并大大增加了故障斷電時(shí)間。

選擇性配合的研究途徑

因終端配電中選擇性配合日趨重要，本文主要討論選擇性配合。一般而言，研究選擇性配合有兩種研究途徑，但它們互相支持，配合使用：

A) 通過(guò)研究上下層斷路器間的配合，尋找提高選擇性的方法

B) 通過(guò)研究斷路器本身結構的改進(jìn)，尋找提高選擇性的方法

配電變壓器的低壓側往往有三或四層配電(常用電壓220/380V，IEC電壓標準230/400V), 在第一或第二配電層， 設計者會(huì )視用戶(hù)要求考慮選擇性配合，但所關(guān)聯(lián)的斷路器數量不多，分布集中，往往可選智能化斷路器滿(mǎn)足選擇性配合要求;但選擇性設定復雜，并需要專(zhuān)業(yè)人員管理。在這些場(chǎng)合，往往采用 A) 研究途徑。

第三或第四層屬終端配電，因成本原因很少考慮選擇性或供電連續性。此層的負載分散復雜，用戶(hù)也非專(zhuān)業(yè)人員。需要一個(gè)成本合理、實(shí)施簡(jiǎn)單的方案來(lái)保證日益增長(cháng)的供電連續性要求。在這些場(chǎng)合，我們往往采用 B) 研究途徑，即研發(fā)新一代斷路器來(lái)滿(mǎn)足選擇性要求。

早在2004年，在中國智能建筑技術(shù)情報網(wǎng)、中國建筑設計研究院和ABB中國有限公司組辦的“中國智能建筑青島電氣沙龍”交流會(huì )上， ABB德國的高級專(zhuān)家Mr. Bernd Siedelhofer先生介紹了S700 帶選擇性的過(guò)電流保護斷路器的結構、原理和應用。與會(huì )專(zhuān)家對ABB具有全選擇性功能的S700 SMCB作了積極的肯定，并強調在國內的終端配電中應提高選擇性配合要求，而ABB的 S700 SMCB的成熟應用是個(gè)很好的借鑒。

終端電器提高選擇性配合能力的困惑

按照IEC60898/GB10963技術(shù)標準，終端配電用微型斷路器(MCB)一般是需要快速動(dòng)作的，以盡快切斷短路故障。換言之，它不需要按照IEC60947/GB14048的規定，承受“額定短時(shí)耐受電流Icw”，所以同電流等級的MCB體積遠小于MCCB的體積。

如果期望提高上下級MCB的選擇性配合能力，則需要提升上級MCB承受短路電流的時(shí)間，以讓下級MCB迅速切除故障區域的短路電流;同時(shí)，為了保證“祖父級(Grandfather)”的短路保護裝置不至因短路電流過(guò)大、時(shí)間過(guò)長(cháng)而誤動(dòng)作，也需要控制上級MCB的限流特性和動(dòng)作時(shí)間。換言之，帶選擇性的過(guò)電流保護斷路器SMCB應要解決多級保護器件之間的選擇性問(wèn)題。ABB研發(fā)的 S700/S750 SMCB在技術(shù)上獲得成功突破，解決了“熊和魚(yú)掌不可兼得”的難題。

S700/S750 SMCB 的功能-選擇性+后備保護

SMCB 是“帶選擇性的過(guò)電流保護斷路器”英文定義的首字母縮寫(xiě)。

SMCB 的設計目標是：當它和普通斷路器配合時(shí)，允許采用分斷能力低于安裝點(diǎn)預期短路電流的負載側斷路器，并保證完全選擇性。

當短路發(fā)生時(shí)，電源側斷路器觸頭產(chǎn)生短暫分離以達到限流目的，在保護脫扣器尚未動(dòng)作但下級斷路器“確?！币逊謹鄷r(shí)，觸頭再次接通維持供電。同時(shí)電源側斷路器動(dòng)作機構應有延時(shí)功能。

此外，還必須驗證SMCB和祖父級(Grandfather)短路保護電器(熔斷器)的選擇性配合。

顯然，需要特別設計的觸頭系統和脫扣系統，才能實(shí)現上述目的。

右圖是S750 SMCB動(dòng)作原理簡(jiǎn)圖。

如果短路發(fā)生在下級MCB的負載端，因線(xiàn)路阻抗的原因，其短路電流不可能太大，但這已足夠使下級MCB脫扣(C特脫扣特性：5～7 In)。SMCB在此短路電流的電磁力作用下，其主觸點(diǎn)會(huì )產(chǎn)生斥開(kāi)限流現象，但不足以使SMCB的脫扣機構脫扣;與此同時(shí)，限制電阻R 及其熱元件會(huì )控制短路電流：既要允許MCB動(dòng)作又不能使SMCB實(shí)質(zhì)性地脫扣。下級MCB完全切除短路電流后，SMCB主觸點(diǎn)回復到閉合位置，繼續為其他負載提供電源。萬(wàn)一MCB拒動(dòng)或不能分斷時(shí)，選擇性熱元件使SMCB 在稍加延遲后(300mS)脫扣。

如果短路發(fā)生在SMCB的負載端，其預期短路電流相當大(視短路容量而定)，可能達到幾十千安水平，此時(shí)SMCB可承擔其最大分斷能力，短路電流電磁力驅動(dòng)脫扣機構快速分斷。

右圖是SMCB在下級MCB分斷時(shí)動(dòng)作過(guò)程三步曲的示意圖。

1. 故障前： 正常運行

2. 故障中： 負載端短路， SMCB+MCB限流，MCB動(dòng)作

3. 故障后： SMCB仍接通(滿(mǎn)足選擇性)， MCB斷開(kāi)

需要強調的是，由于S700/750 特殊結構和限流功能，它不但提升和下級MCB的選擇性，也提供了后備保護。經(jīng)驗證，其選擇性電流極限值甚至高于下級MCB Icn值。

同理，S700/750 也改善了和祖父級短路保護電器的選擇性配合。在合理配置祖父級熔斷器時(shí)，它和SMCB的選擇性電流極限最高可達SMCB的Icn值。

S700/S750 脫扣特性的選擇

根據VDE0645/GB24530技術(shù)標準，S700/S750推薦使用E脫扣特性，因為它具有相對靈敏的過(guò)載保護脫扣曲線(xiàn)，可有效延長(cháng)電纜的使用壽命和減少電纜過(guò)熱引起火災的可能性。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：折衷的短路保護脫扣曲線(xiàn)，既可避免因電纜遠端短路電流值不足而被迫放大電纜;也能躲避電機負載的起動(dòng)電流的干擾而誤動(dòng)作。

在有很高起動(dòng)電流負載的回路中，也可考慮使用Cs 脫扣特性的SMCB。所幸在一般終端配電回路中，很高起動(dòng)電流的負載并不常見(jiàn)。

S700/S750 其他性能要求

SMCB主要用于住宅終端MCB前級保護，或既要求選擇性又要后備保護的場(chǎng)合，實(shí)現選擇性+后備保護的目的。在國外， SMCB往往安裝在低壓用戶(hù)的進(jìn)線(xiàn)側，應符合過(guò)電壓分類(lèi)為IV級以保證電路隔離的安全性，這是一般MCB(過(guò)電壓分類(lèi)為III級)不能滿(mǎn)足的要求。

隨著(zhù)低壓電網(wǎng)容量的擴大和預期短路電流的增加，也需要SMCB具有更高的分斷能力，如25kA。按照IE