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(yīng)用的角度談幾個觀點：

1) “配合”是指至少兩個上下級過流保護裝置之間的保護協(xié)調(diào)，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施的手段不同。如果僅從改變上級過流保護裝置(斷路器為例)的特性看：

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

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

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

控制等手段。當(dāng)然，最好斷路器本身就能為其他過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施手段看，兩種配合之間是存在沖突的。

注： 低壓過流保護裝置以斷路器為主， 下文中如果沒有說明，用斷路器指代過流保護裝置。

終端配電連續(xù)性現(xiàn)狀

從終端配電現(xiàn)狀看，電纜敷設(shè)和設(shè)備安裝的專業(yè)化程度不高，但用電設(shè)備的分布范圍廣，亂拉亂接的情況比較普遍;非專業(yè)用戶多，超載現(xiàn)象普遍，過載或短路故障概率很高。尤其在負載高峰時段，供電部門忙于應(yīng)付各類跳閘停電事故。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樓層或樓宇停電，這又使供電部門的故障定位和恢復(fù)供電工作雪上加霜。

從電氣設(shè)計角度看，在一般住宅單元的內(nèi)部，對于電擊傷害的防護也存在誤區(qū)，有的設(shè)計者只考慮在住宅總開關(guān)處安裝一個剩余電流保護電器，或者整個住宅單元只用一個回路供電，或未考慮上下級斷路器的動作時間差等，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(tǒng)停電失效、冰箱和維生系統(tǒng)(魚缸)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(shè)計人員可能未考慮供電側(cè)過流保護裝置的選擇性配合。用戶入戶側(cè)安裝有進戶熔斷器或斷路器，但屬于供電部門的管轄范圍。如果這些過流保護裝置因選擇性配合不佳而誤動作(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出勤檢修工作量，并大大增加了故障斷電時間。

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) 通過研究斷路器本身結(jié)構(gòu)的改進，尋找提高選擇性的方法

配電變壓器的低壓側(cè)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(shè)計者會視用戶要求考慮選擇性配合，但所關(guān)聯(lián)的斷路器數(shù)量不多，分布集中，往往可選智能化斷路器滿足選擇性配合要求;但選擇性設(shè)定復(fù)雜，并需要專業(yè)人員管理。在這些場合，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(xù)性。此層的負載分散復(fù)雜，用戶也非專業(yè)人員。需要一個成本合理、實施簡單的方案來保證日益增長的供電連續(xù)性要求。在這些場合，我們往往采用 B) 研究途徑，即研發(fā)新一代斷路器來滿足選擇性要求。

早在2004年，在中國智能建筑技術(shù)情報網(wǎng)、中國建筑設(shè)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”交流會上， ABB德國的高級專家Mr. Bernd Siedelhofer先生介紹了S700 帶選擇性的過電流保護斷路器的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用。與會專家對ABB具有全選擇性功能的S700 SMCB作了積極的肯定，并強調(diào)在國內(nèi)的終端配電中應(yīng)提高選擇性配合要求，而ABB的 S700 SMCB的成熟應(yīng)用是個很好的借鑒。

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)一般是需要快速動作的，以盡快切斷短路故障。換言之，它不需要按照IEC60947/GB14048的規(guī)定，承受“額定短時耐受電流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承受短路電流的時間，以讓下級MCB迅速切除故障區(qū)域的短路電流;同時，為了保證“祖父級(Grandfather)”的短路保護裝置不至因短路電流過大、時間過長而誤動作，也需要控制上級MCB的限流特性和動作時間。換言之，帶選擇性的過電流保護斷路器SMCB應(yīng)要解決多級保護器件之間的選擇性問題。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“帶選擇性的過電流保護斷路器”英文定義的首字母縮寫。

SMCB 的設(shè)計目標是：當(dāng)它和普通斷路器配合時，允許采用分斷能力低于安裝點預(yù)期短路電流的負載側(cè)斷路器，并保證完全選擇性。

當(dāng)短路發(fā)生時，電源側(cè)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作但下級斷路器“確?！币逊謹鄷r，觸頭再次接通維持供電。同時電源側(cè)斷路器動作機構(gòu)應(yīng)有延時功能。

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(shè)計的觸頭系統(tǒng)和脫扣系統(tǒng)，才能實現(xiàn)上述目的。

右圖是S750 SMCB動作原理簡圖。

如果短路發(fā)生在下級MCB的負載端，因線路阻抗的原因，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，其主觸點會產(chǎn)生斥開限流現(xiàn)象，但不足以使SMCB的脫扣機構(gòu)脫扣;與此同時，限制電阻R 及其熱元件會控制短路電流：既要允許MCB動作又不能使SMCB實質(zhì)性地脫扣。下級MCB完全切除短路電流后，SMCB主觸點回復(fù)到閉合位置，繼續(xù)為其他負載提供電源。萬一MCB拒動或不能分斷時，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(yù)期短路電流相當(dāng)大(視短路容量而定)，可能達到幾十千安水平，此時SMCB可承擔(dān)其最大分斷能力，短路電流電磁力驅(qū)動脫扣機構(gòu)快速分斷。

右圖是SMCB在下級MCB分斷時動作過程三步曲的示意圖。

1. 故障前： 正常運行

2. 故障中： 負載端短路， SMCB+MCB限流，MCB動作

3. 故障后： SMCB仍接通(滿足選擇性)， MCB斷開

需要強調(diào)的是，由于S700/750 特殊結(jié)構(gòu)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，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(jù)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載保護脫扣曲線，可有效延長電纜的使用壽命和減少電纜過熱引起火災(zāi)的可能性。另外一個優(yōu)點是：折衷的短路保護脫扣曲線，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電流的干擾而誤動作。

在有很高起動電流負載的回路中，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，很高起動電流的負載并不常見。

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合，實現(xiàn)選擇性+后備保護的目的。在國外， SMCB往往安裝在低壓用戶的進線側(cè)，應(yīng)符合過電壓分類為IV級以保證電路隔離的安全性，這是一般MCB(過電壓分類為III級)不能滿足的要求。

隨著低壓電網(wǎng)容量的擴大和預(yù)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