- 低壓成套開關(guān)設備的原理及其控制技術(shù)(第4版)
- 張白帆編著
- 7991字
- 2024-05-17 10:24:19
1.5 低壓開關(guān)電器的通斷任務和各種不同負載的通斷條件

1.5.1 低壓開關(guān)電器的通斷任務
低壓開關(guān)電器的通斷任務實質(zhì)上也代表了低壓成套開關(guān)設備的通斷任務。這些通斷任務如下:
1.隔離通斷任務
隔離通斷任務是指開關(guān)電器能將配電網(wǎng)的電源與電氣設備隔絕開來,以便電氣人員在對電氣設備進行檢修時確保人身安全和設備安全。
這里的隔離既包括動、靜觸頭之間的隔離,還包括帶電體與接地零部件之間的電氣間隙,以及帶電體與相鄰帶電體之間的隔離。
為了能實現(xiàn)隔離通斷任務,有關(guān)的低壓開關(guān)電器的動、靜觸頭之間必須具有明確的斷點,并且其電氣間隙的技術(shù)要求和爬電距離的技術(shù)要求必須符合相關(guān)的制造標準,有關(guān)電氣間隙的標準參閱國際電工標準IEC 60947-3和我國國家標準GB/T 14048.3—2008。如果在隔離期間需要確保電氣設備一直處于無電狀態(tài),則執(zhí)行隔離通斷任務的低壓開關(guān)電器其操作機構(gòu)必須具有上鎖的功能。
為了確保在整個隔離期間都不會出現(xiàn)帶電狀態(tài),執(zhí)行隔離通斷任務的低壓電器必要時可采用掛鎖鎖住。
2.空載通斷任務
空載通斷任務是在無電流狀態(tài)下接通或斷開低壓電網(wǎng)電路。
由于執(zhí)行空載通斷任務的低壓電器一般不具備帶負荷分斷電路的能力,故在帶負荷的狀態(tài)下強制操作,其觸頭上產(chǎn)生的電弧將損壞低壓電器。執(zhí)行空載通斷任務的低壓電器如刀開關(guān)及負荷開關(guān)等,其中負荷開關(guān)具有一定的帶負荷分斷電路的能力。
3.負載通斷任務
負載通斷任務是接通或斷開正常的負荷電流。由于低壓電器在進行負載通斷時是帶負荷的,故執(zhí)行負載通斷任務的低壓電器必須具備接通與分斷過電流的能力。確定低壓電器執(zhí)行帶負載通斷能力的標準是GB/T 14048.1—2023(等同于IEC 60947-1:2020),摘要如下:
AC-21:1.5倍額定工作電流Ie;
AC-22:3倍額定工作電流Ie;
AC-23:8~10倍額定工作電流Ie。
負載通斷任務與短路電流通斷任務的區(qū)別在于:前者對電路執(zhí)行過載的通斷任務,而后者則對電路執(zhí)行短路的通斷任務。
4.電動機通斷任務
通斷電動機的低壓開關(guān)電器應當滿足各種工作制下的各型電動機。一般用于通斷電動機電路的接觸器都具有AC-3的通斷能力。
在GB/T 14048.4—2020《低壓開關(guān)設備和控制設備 第4-1部分:接觸器和電動機起動器機電式接觸器和電動機起動器(含電動機保護器)》中的表1規(guī)定了接觸器的使用類別及其代號,如下:
標準摘錄:GB/T 14048.4—2020《低壓開關(guān)設備和控制設備 第4-1部分:接觸器和電動機起動器機電式接觸器和電動機起動器(含電動機保護器)》
表1 使用類別

注:AC-3使用類別可用于不頻繁的點動或在有限的時間內(nèi)反接制動。例如機械移動,在有限的時間內(nèi)操作次數(shù)不超過1min內(nèi)5次或者10min內(nèi)10次
5.短路通斷任務
執(zhí)行短路通斷任務一般采用各型斷路器和熔斷器。斷路器是一種既能夠通斷負載電流、電動機電流和過載電流,還能夠執(zhí)行分斷短路電流的開關(guān)電器。
發(fā)生短路時,斷路器在出現(xiàn)電流峰值之前切斷電路,同時有效地熄滅電弧。斷路器通過電磁斥力推動脫扣器執(zhí)行分斷操作,同時利用電流過零熄弧或接通高電阻來限制電弧能量。
(1)電流過零熄弧式斷路器
圖1-35所示為電流過零熄弧式斷路器在分斷時的電流與電壓過程。圖中的斷路器觸頭在t1時刻斷開,由于電壓已經(jīng)將動靜觸頭之間的空氣擊穿,故觸頭之間出現(xiàn)電弧,此電弧延續(xù)到電流過零時才熄滅。所以這種斷路器被稱為電流過零熄弧式斷路器。
絕大多數(shù)低壓斷路器都是電流過零熄弧式斷路器。
(2)限流式斷路器
圖1-36所示為限流式斷流器的熄弧過程。

圖1-35 電流過零熄弧式斷路器在分斷時的電流與電壓過程

圖1-36 限流式斷路器的熄弧過程
第一種限流式斷路器利用安裝雙金屬片導電排來限流。
限流的實質(zhì)是將未受影響的沖擊短路電流限制成較小的允許通過的電流(允通電流)。當發(fā)生短路時,由于斷路器安裝了雙金屬片構(gòu)成的導電排和瞬時短路脫扣器,此時的導電排電阻變得非常大,足以將短路電流限制成為斷路器能夠承受的電動力和熱效應,繼而將較小的短路電流分斷。
第二種限流式斷路器利用合適的觸頭形狀和滅弧室結(jié)構(gòu)滅弧。當電弧產(chǎn)生后,電弧被電磁作用迅速地推到滅弧室中,滅弧室中的柵片將電弧分割成多段局部電弧,再將多段局部電弧進行強力冷卻后滅弧。
當電路中出現(xiàn)短路電流時,斷路器的保護裝置觸發(fā)脫扣器將斷路器的主觸頭打開,再結(jié)合上述的多種方式滅弧。
對于低壓電網(wǎng),當電壓在400V以下時,限流式斷路器的滅弧能力大于電流過零熄弧式斷路器,見圖1-36。
我們看到圖1-36中陰影部分就是限流區(qū)域,它的幅值低于沖擊短路電流峰值,故限流式斷路器開斷時產(chǎn)生的電弧沖擊強度小于過零熄弧式斷路器。不過需要注意的是:若負載是感性的,由于開斷時間短容易產(chǎn)生開斷過電壓,其幅值甚至可達電源電壓的3倍,這是限流式斷路器的開斷感性負載的特征。
圖1-37所示為ABB公司生產(chǎn)的TmaxXT T2S160R160斷路器的限流曲線。

圖1-37 ABB公司的TmaxXT T2S160R160斷路器的限流曲線
圖1-37中預期短路電流的真實值顯示在橫坐標上,短路電流的峰值顯示在縱坐標上。其中曲線A是未加限制的短路電流峰值,曲線B是限流后的短路電流峰值。對于400V低壓線路上出現(xiàn)的40kA短路電流限流后減少為16.2kA,對于400V低壓線路上的84kA預期短路電流則減少了68kA的電流值。
值得注意的是,圖1-37中的曲線A呈現(xiàn)出折線的形態(tài)。觀察橫坐標,這里的Irms表示對稱短路電流,也就是我們熟知的短路周期分量,或者短路穩(wěn)態(tài)電流。我們再觀察曲線縱坐標,它是沖擊短路電流Ip,是短路電流交流分量與直流分量的疊加,所以沖擊短路電流Ip等于Irms(短路電流周期分量乘以峰值系數(shù)n)。
注意:沖擊短路電流峰值與穩(wěn)態(tài)短路電流之比或者沖擊短路電流峰值與短路電流周期分量之比就是第1章1.4.1節(jié)中描述過的峰值系數(shù)n。
再來觀察圖1-37的曲線A,我們發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)階躍之處的Irms值是5kA、10kA、20kA和50kA,相應的IP分別是7.5kA/8.5kA、17kA/20kA、40kA/42kA和105kA/110kA,正好對應于峰值系數(shù)n的階躍值1.5/1.7、1.7/2.0、2.0/2.1和2.1/2.2。
我們由此可以看出,限流特性反映了斷路器切斷沖擊短路電流峰值從而限制短路電流對線路產(chǎn)生的電動力沖擊和熱沖擊的能力。
1.5.2 三相異步電動機的通斷條件
1.有關(guān)三相異步電動機的若干技術(shù)術(shù)語和機械特性
三相異步電動機在現(xiàn)代工業(yè)中占據(jù)重要的地位,在各行各業(yè)中安裝的各類電動機中有95%是三相籠型異步電動機。
三相異步電動機的通斷條件表征了低壓配電網(wǎng)參數(shù)與電動機之間的制約關(guān)系,且涉及三相異步電動機的各種技術(shù)參數(shù)、工作特性、負載特性、起動條件、調(diào)速條件和使用運行參數(shù)等。
表1-24對有關(guān)三相異步電動機的技術(shù)術(shù)語、工作特性和起動條件予以匯總。
表1-24 三相異步電動機的若干技術(shù)術(shù)語

(續(xù))

電力拖動系統(tǒng)由電動機、生產(chǎn)機械和傳動機構(gòu)三大部分構(gòu)成,這三大部分之間存在互相制約的關(guān)系,這些制約關(guān)系可以通過電動機的機械特性曲線直觀地顯現(xiàn)出來。表1-25~表1-27對電動機的機械特性予以匯總。
表1-25 電動機的機械特性

(續(xù))

表1-26 改變電壓的人工機械特性

(續(xù))

表1-27 負載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系特性

(續(xù))

2.三相異步電動機的通斷條件
異步電動機在起動剛開始的瞬間,異步電動機的轉(zhuǎn)子尚處于靜止狀態(tài),此時電動機定子繞組中流過的是沖擊電流峰值Ip,此電流相當于額定電流的8~14倍。所以在給電動機回路配置斷路器或者熔斷器時必須考慮到這種影響,如圖1-38所示。

圖1-38 異步電動機直接起動時的時間-電流特性曲線
圖中
In——異步電動機的額定電流;
Is——異步電動機的起動電流;
Ip——異步電動機的起動電流峰值;
ts——異步電動機的起動時間;
tp——異步電動機起動電流峰值時間。
我們從圖1-38中可以看出異步電動機的起動過程:
電動機定子繞組電流從得電開始后的20~30 ms內(nèi)出現(xiàn)起動電流峰值,起動電流峰值Ip為8~14倍額定電流,且異步電動機的轉(zhuǎn)子尚未運轉(zhuǎn);當電動機的轉(zhuǎn)子從開始旋轉(zhuǎn)過渡到正常轉(zhuǎn)速的起動狀態(tài),大約經(jīng)歷了數(shù)秒到數(shù)十秒的時間,在此起動狀態(tài)下起動電流Is為4~8.4倍額定電流In;當電動機起動完成后,電動機電流迅速降低到額定電流In。
(1)異步電動機在低壓電網(wǎng)中的起動條件
對于不頻繁起動的異步電動機來說,短時大電流沒有什么關(guān)系;對于頻繁起動的異步電動機來說,頻繁出現(xiàn)的短時大電流會使電動機內(nèi)部發(fā)熱較多而過熱,但是只要限制每小時最高起動次數(shù),電動機也是可以承受得住的。因此,如果只從電動機本身來說,是可以直接起動的。
電動機起動電流主要影響對象是低壓電網(wǎng)的電源電壓。
三相異步電動機起動電流過大會使電力變壓器低壓側(cè)電壓下降。若電力變壓器額定容量相對較小則低壓側(cè)電壓下降更多,有可能超過正常規(guī)定值(例如ΔU>15%或更多)。低壓電網(wǎng)電壓下降會影響到如下幾個方面:
因為電動機的最初起動轉(zhuǎn)矩Ts與電網(wǎng)電壓的二次方成正比,所以電動機在負載很重時有可能無法正常起動。
影響同一配電網(wǎng)的其他負載:例如電燈變暗、數(shù)控和計算機設備失常、重載的異步電動機可能停止運行等。
判斷電動機是否允許直接起動需要考慮多種因素,包括變壓器容量、低壓配電網(wǎng)電壓、同時運行的電動機數(shù)量、工作制以及各級配電之間的電纜截面及長度等,計算時比較麻煩。當電力變壓器獨立配電,且容量不是太大,系統(tǒng)中的電動機也不太多的情況下,可用如下簡易的經(jīng)驗公式來判斷低壓配電網(wǎng)是否允許電動機直接起動:

式中 KM——電動機的直接起動判據(jù)系數(shù),其中
KM≥6則允許直接起動;
4≤KM<6時要采用星-三角起動;
KM<4時建議采用軟起動器起動;
Sn——電力變壓器的容量,單位為kV·A;
Pn——電動機的容量,單位為kW。
只有滿足直接起動條件的電動機才允許直接起動,否則要采用減壓起動。
將KM=6代入式(1-64)中,可得Sn=21Pn。也就是說,如果變壓器的容量大于電動機功率20倍以上,則電動機在此低壓配電網(wǎng)中可以直接起動。
【例1-14】電動機電網(wǎng)條件之一:電力變壓器的容量為2500kV·A,電動機的功率是75kW;電動機電網(wǎng)條件之二:電力變壓器的容量為1000kV·A,電動機的容量是75kW。試求該兩種電網(wǎng)條件下的電動機的起動判據(jù)系數(shù)。
解:將電網(wǎng)條件之一的數(shù)據(jù)代入式(1-64)右邊,得到75kW電動機的起動限制條件:

可知75kW的電機允許在該低壓電網(wǎng)中直接起動。
將電網(wǎng)條件之二的數(shù)據(jù)代入式(1-64)右邊,得到75kW電動機的起動限制條件:

因為KM=4.08,所以75kW的電動機不允許在該低壓電網(wǎng)中直接起動,該電動機的起動必須配套采用某種減壓起動措施,或者采用軟起動器起動。
注:式(1-64)較適用于現(xiàn)場人員和低壓開關(guān)柜制造廠人員估算電動機的起動條件。若需要準確判斷,則建議還是采用規(guī)范的設計方法。
關(guān)于電動機起動經(jīng)驗公式有關(guān)論述見第5章5.4節(jié)“經(jīng)驗分享與知識擴展”。
(2)電動機的各種起動方式
我們來看電動機的各種起動方式,見表1-28。
表1-28 三相交流異步電動機的起動方式

(續(xù))

1)三相異步電動機的直接起動:
三相異步電動機的起動電流(有效值):

三相異步電動機的空載電流(有效值):

三相異步電動機的起動時間Tn:在正常情況下起動時間Tn小于10s,在重載情況下起動時間Tn大于10s,且起動電流大于6倍In。
當運行中的三相異步電動機需要不經(jīng)停機階段直接逆向運行時則電流峰值會更大,特別當發(fā)生堵轉(zhuǎn)的情況下三相異步電動機將達到最大的起動電流。
2)三相異步電動機的星-三角起動:當三相異步電動機按星-三角聯(lián)結(jié)方法起動時,電動機定子繞組的接線方法為星形聯(lián)結(jié);當三相異步電動機在按星-三角聯(lián)結(jié)方法運行時,電動機定子繞組的接線方法為三角形聯(lián)結(jié)。
三相異步電動機按星形聯(lián)結(jié)起動時電流降低到直接起動時的1/3,電動機定子繞組的相電壓降低到直接起動的,電動機的起動轉(zhuǎn)矩也降低到直接起動的1/3。
星-三角的起動方式只能應用在三角形聯(lián)結(jié)的電動機上。由于實現(xiàn)電動機星-三角的起動方式相對簡單,應當優(yōu)先采用。
3)通過自耦起動變壓器來起動三相異步電動機:三相異步電動機在起動時以星形聯(lián)結(jié)接在自耦起動變壓器的抽頭上,一般接在額定電壓的70%上,在這種情況下,起動轉(zhuǎn)矩降低到直接起動的49%。
自耦起動變壓器起動三相異步電動機的優(yōu)點是起動轉(zhuǎn)換相對星-三角起動方式比較平穩(wěn),起動轉(zhuǎn)矩較大。但自耦變壓器的體積和重量比較大,接線較多,所以已經(jīng)很少采用了。
4)通過軟起動器起動三相異步電動機:三相異步電動機利用軟起動器起動具有許多優(yōu)點,主要有:
①可限流起動:當采用軟起動器以限流方式起動電動機時,軟起動器輸出的電壓迅速增加,直到輸出電流達到限定值Im,接著在保持輸出電流不大于Im下將電壓逐步提高,使電動機加速。當電動機達到額定電壓和額定轉(zhuǎn)速時,輸出電流迅速下降到額定電流,起動過程結(jié)束。
采用軟起動器起動電動機時可根據(jù)實際負載的情況進行設定,電流范圍為0.4倍額定電流Ie至8倍額定電流Ie,如圖1-39所示。
因為電動機的轉(zhuǎn)矩與電壓的二次方成正比,若僅調(diào)整電壓而不作對應處理將會造成電動機的機械特性變軟,出現(xiàn)電動機起動轉(zhuǎn)矩不足的問題。為了提高電動機低速時的轉(zhuǎn)矩,軟起動器對輸出電壓配置了負反饋,并由此大幅地提高了電動機的起動轉(zhuǎn)矩。所以在各種電動機起動方式中,軟起動器具有最優(yōu)良的起動效果和性價比。
②電壓斜坡起動:當采用電壓斜坡起動時,軟起動器的電壓快速地上升至初始電壓U1,然后在設定的時間t內(nèi)逐漸上升,電動機隨著電壓的上升不斷加速,達到額定電壓Ue和額定轉(zhuǎn)速時起動過程結(jié)束。
圖1-40所示為電壓斜坡起動的特征曲線。
U1的設定范圍為0~380V,t的設定范圍為0~600s。

圖1-39 軟起動器以限流方式起動電動機時的電流特性

圖1-40 軟起動器的電壓斜坡起動特征曲線
除了以上兩種常用的起動方式外,軟起動器還具有斜坡限流起動、斷相保護、過電流保護、過載保護等功能,以及自由停機和軟停機等功能。
電動機利用軟起動器起動和利用自耦變壓器起動的主要性能比較見表1-29。
表1-29 軟起動器起動和利用自耦變壓器起動的主要性能比較

(3)各種起動方式的比較
各種電動機的起動方式見表1-30。
表1-30 各種電動機的起動方式比較

(續(xù))

1.5.3 照明設備的通斷條件
開關(guān)電器在接通照明設備的瞬間要允許通過較高的電流,這是開關(guān)電器在接通照明設備時必須滿足的通斷條件。
白熾燈使用的鎢絲冷態(tài)與熱態(tài)電阻相差近15倍,且白熾燈上標明的電壓和功率數(shù)據(jù)是熱態(tài)參數(shù),所以在大量白熾燈構(gòu)成的照明線路中,交流接觸器必須滿足AC-5B。
白熾燈中充入鹵素后將會增加光輸出量,燈的壽命也將加倍。對于高壓鈉燈和金屬鹵化物燈具,在5~10min的起動期間流過的電流約為額定電流的2倍。
白熾燈的電流可由式(1-67)得出

式中 In——白熾燈的額定電流;
PN——白熾燈的額定功率;
U——三相電源時取線電壓,單相電源時取相電壓。
白熾燈的功率和電流關(guān)系見表1-31。
表1-31 白熾燈的功率和電流關(guān)系

熒光燈的電流可由式(1-68)得出

式中 In——熒光燈額定電流;
PB——熒光燈鎮(zhèn)流器的功率,一般可取為25%PN;
PN——熒光燈燈管的功率;
U——單相電源的相電壓;
cosφ——熒光燈燈具的功率因數(shù)。
一般來說,熒光燈燈管上標注的功率不包括鎮(zhèn)流器的功率消耗。
對于熒光燈來說,可以并接上校正電容器來提高功率因數(shù),見式(1-69)。

熒光燈的功率和電流關(guān)系見表1-32。
表1-32 熒光燈的功率和電流關(guān)系

對于帶并聯(lián)校正電容和鎮(zhèn)流器的熒光燈燈具,其接通電流峰值為按功率計算的電流的10倍左右。
因此,在設計照明回路開關(guān)電器的時候必須考慮到這些工作條件。
1.5.4 電熱設備的通斷條件
電熱設備包括用戶室內(nèi)取暖和電阻性工業(yè)爐等。
對于電阻性電熱元件(例如電阻絲),其接通電流為1.4倍額定電流。考慮到電網(wǎng)電壓可能升高10%,電阻絲電熱元件的工作電流也將相應地提高。
使用電熱設備時一般使用類別為AC-1或DC-1作為設計依據(jù),使用具有相應通斷能力的開關(guān)電器就足以滿足通斷這種負載。因此要充分注意到電阻爐在冷態(tài)下起動的瞬間對低壓電網(wǎng)會產(chǎn)生短暫而又強烈的電流沖擊。
一般地,小型電熱回路大多數(shù)采用單相工作,所以一般使用多極并接式開關(guān)電器,這樣能提高允許的負載電流。
對于大功率的工業(yè)電阻爐,經(jīng)常需要配套以晶閘管控制方式工作的電壓調(diào)整器控制爐內(nèi)溫度。正是因為采用了晶閘管,造成電源中存在大量的諧波,污染了供電電源。所以對使用了大量工業(yè)電阻爐的工作場所,一定要配套能夠消除電源諧波的裝置。表1-33為工業(yè)電阻爐的功率和電流的關(guān)系。
表1-33 工業(yè)電阻爐的功率和電流關(guān)系

對于工業(yè)電阻爐,為了減小對低壓電網(wǎng)的沖擊,常常采用晶閘管調(diào)功器實現(xiàn)功率調(diào)整,并且晶閘管的觸發(fā)方式采用過零觸發(fā)。這樣處理后,有效地抑制了高次諧波。
晶閘管的過零觸發(fā)雖然能抑制高次諧波,但缺點是對電網(wǎng)的沖擊較大,而且配電網(wǎng)中會出現(xiàn)分數(shù)次諧波。所以具體采用哪種觸發(fā)方式要由現(xiàn)場條件來決定。圖1-41所示為晶閘管移相式觸發(fā)和過零觸發(fā)的波形比較圖。

圖1-41 晶閘管移相式觸發(fā)和過零觸發(fā)供電方式
圖1-41中描述了工業(yè)大功率電熱裝置中晶閘管的電源供電方式。其中移相式觸發(fā)方式是當電壓過零后,觸發(fā)脈沖在延遲一段時間后觸發(fā)晶閘管使之導通。調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖延遲的時間來調(diào)節(jié)功率和工業(yè)爐爐溫。移相式觸發(fā)方式的缺點是因為電壓被切除了一部分,由此產(chǎn)生了大量的諧波。
過零觸發(fā)時每次電壓過零就觸發(fā),電壓波形基本完整,不會產(chǎn)生諧波。過零觸發(fā)的控制功率的方式是:將每秒50個電壓周波按溫度需求來導通,溫度高就減少導通的周波數(shù),溫度低就增加導通的周波數(shù)。過零觸發(fā)的控溫精度高,但缺點是對低壓電網(wǎng)的沖擊較大。
1.5.5 電容器的通斷條件
在接通電容器時,電容器經(jīng)過振蕩過程后被充電到它的穩(wěn)定值,此時頻率從幾百Hz提高到幾千Hz,于是在電容電路中出現(xiàn)極高的電流尖峰。正是由于這種原因,接通電容器對開關(guān)電器提出了特殊要求。對電容器接通后的充電電流振幅和頻率起重要作用的是接通回路中的電抗、電容器電容和電網(wǎng)電壓。
隨著被接通電容器的數(shù)量增加,這些已經(jīng)接通的電容器此時成為附加的能源,因此系統(tǒng)中的電容器充放電電流越來越大,此時往往需要配備電抗器來限制接通電流的峰值。
控制電容器的開關(guān)電器其負載能力決定于:
1)被接通的電容器與已經(jīng)接入電網(wǎng)的電容器之間的容量比;
2)電容器之間連接導線的長度即線路電阻。
使用特殊的切換電容器接觸器或電容器—接觸器組合裝置可以通過前置的預充電電阻將電容器接入電網(wǎng),這樣處理后使得電容器的充電電流得到顯著的衰減,并且能達到較高的操作頻率,同時對三相電網(wǎng)的反作用為最小。
當電容器被釋放后,電容器上存儲的能量也必須被釋放掉,電容器同樣利用放電電阻泄放掉這些電能。
1.5.6 低壓小型變壓器的通斷條件
低壓小型變壓器在低壓電網(wǎng)中使用非常廣泛,常常用于控制回路輔助供電、照明系統(tǒng)供電或用于接地系統(tǒng)變換(例如醫(yī)院手術(shù)室中將TN-S系統(tǒng)變換為IT系統(tǒng))等場所。
在接通低壓變壓器時會出現(xiàn)短時的電流峰值,其中包括直流分量。在考慮低壓電網(wǎng)的保護方案時必須充分認識到變壓器負載的這一特點。圖1-42所示為低壓變壓器的勵磁涌流。

圖1-42 低壓變壓器的勵磁涌流
圖1-42中
Is——變壓器的勵磁涌流;
In——變壓器的額定電流。
變壓器在首次送電時,其勵磁涌流峰值取決于電源的電壓等級、變壓器的阻抗電壓、變壓器勵磁磁通的大小和極性、變壓器負荷阻抗等。
計算變壓器的勵磁涌流峰值可近似地用變壓器的沖擊短路峰值來代替,見式(1-70):

式中 In——變壓器額定電流;
SN——變壓器額定容量;
Ud——三相電源時取線電壓,單相電源時取相電壓;
Uk%——變壓器阻抗電壓。
式(1-70)的上式為三相變壓器計算勵磁涌流的近似公式,下式為單相變壓器計算勵磁涌流的近似公式。
例如若三相變壓器的阻抗電壓Uk%為4%時勵磁涌流Is等于變壓器額定電流In的25~30倍。對于一般的單相小型變壓器,其勵磁涌流一律按25倍的額定電流計算。低壓小型變壓器的額定容量和額定電流對照表見表1-34。
表1-34 低壓小型變壓器的額定容量和額定電流對照表

考慮到通用情況,低壓變壓器的阻抗電壓Uk%的一般取值為5%,因此變壓器的起動沖擊電流等于變壓器額定電流的25~30倍,起動沖擊電流維持的時間一般不會大于0.2s。
注意:低壓變壓器的容量越小,則阻抗電壓越大,但一般不會超過8%。
若采用低壓斷路器來保護低壓變壓器,斷路器的保護脫扣只有過載長延時、短路短延時和短路瞬時等三種反時限保護參數(shù)。在這里我們用斷路器的短路短延時S參數(shù)保護來實現(xiàn)斷路器對變壓器的起動閉鎖和短路保護。
在具體的使用中將L參數(shù)用于變壓器的常態(tài)過載保護,而S參數(shù)則用于變壓器對起動沖擊電流實施脫扣屏蔽:將S參數(shù)的脫扣電流設置為變壓器的沖擊電流,將S參數(shù)的延時時間設置為0.1~0.2s,這樣就能夠使得斷路器既能夠滿足變壓器順利起動又能夠?qū)崿F(xiàn)對變壓器的短路保護。
顯見,為變壓器執(zhí)行通斷任務的斷路器必須具備S參數(shù)短延時保護功能,所用斷路器其使用類別必須為B類。見3.5.2節(jié)有關(guān)斷路器使用類別的說明。
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