断路器设计计算

举例
考虑前面采用过的用来确定UPS额定功率的例子(第1章第21
页)来选择断路器，UPS的输出并联连接了很多的三相负载，分
别为：
计算机系统 - S1 = 4 x 10 kVA、λ = 0.6、起动电流为8In、持续4
个周期(80 ms)；
变频调速器 - S2 = 20 kVA、λ = 0.7、起动电流为4 In、持续5
个周期(100 ms)；
隔离变压器 - S3 = 20 kVA、λ = 0.8、起动电流为10 In、持续6
个周期(120 ms)。

这三个负载的总功率为 54 kW，总的功率因数为0.68。

选定了Galaxy PW，额定功率为100 kVA。

额定电流为In = 100 x1000 / (400 x 3) = 144 A。

我们的目的是选择断路器 CB1 和CB2以及与所需要的选择性相兼容的最关键的断路器CB3(计算机负载的保护断路器) 。

假设上线安装有如下的设备：
20 kV / 400 V 变压器的额定功率为630 kVA ； 400 V 发电机的额定功率为 400 kVA ；
从变压器到主低压开关柜(MLVS)的连接为5米长的铜电缆，每相为4 x 240 mm 2 ；
从母排到断路器CB1或CB2的连接为4米长的铜母排，每相为400 mm² 。

计算CB1和CB2的额定电流和分断能力
分断能力取决于连接到主低压配电盘 (MLVS)一级的 CB1 和CB2下线的短路电流。

最常见的情况是，这个上线的短路电流是由市电提供的，是可以计算的。

但必须确定安装位置上线的总电阻R 和上线的总电抗X ：
三相短路电流可以用下式来计算：
Isc 3相 = 2
2X R 3U
+
U 为无负载时的线电压 (通常取负载电压的 +3 到5%)。

R = ∑ R 上线 ， X = ∑ X 上线
在这个例子中，我们简单地给出经过一系列简化的计算方法。

必须首先计算图中CB1和CB2上线的电阻和电抗。

变压器上线的供电系统
Psc = 上线的短路功率 = 500 MVA = 500 x 106 VA
U 20 = 变压器次级绕组无负载时的线电压 = 400 V + 3%，即 410 V
Rup = 上线电阻 ≈ 15% Xup ，假设 Rup 可以忽略不计 Xup = 等效于变压器次级绕组的上线电抗：
Xup = Psc U 220= 6
2
10x 500410= 0.336 m Ω
和
变压器
Sn = 额定视在功率 630 kVA
In = 额定电流= 630 / U 3= 630 103 / (400 x 3) = 909 A Usc = 变压器的短路电压 = 4% Pcu = 变压器的铜损 = 6500W
Rtr = 变压器的电阻 = 2
90936500
2n I 3Pcu ⨯=≈ 2.6 m Ω Xtr ≈ Ztr = 变压器的阻抗 = Usc x Sn U 2
20= 4102 x 0.04 / 630 103 =
和
从变压器到主电压配电盘(MLVS)的电缆连接 长度为 5 米
横截面积为 4 x 240 mm² ρ = 室温下导体的电阻率
铜导体为：ρ = 22.5 m Ω.mm 2/m ；铝导体为：ρ = 36 m Ω.mm 2/m Xc = 电缆的电抗 (典型值为 0.08 m Ω/m) = 0.08 x 5 = 0.4 m Ω Rc = 电缆的电阻(铜电缆) = ρ S
L = 22.5 x 5 / (4 x 240) = 0.12
和
一般断路器 和
从主低压开关柜到CB1和CB2的母排
Xb = 母排的电抗 (典型值为 0.15 m Ω/m) = 0.15 x 4 = 0.6 m Ω
Rb = 母排的电阻 = ρ
L
= 22.5 x 4 / 400 = 0.225 m Ω
和
在CB1和CB2一级的变压器短路电流Isc
R = 上线的总电阻 = Rup+Rtr+Rc+Rd+Rb = 0.12 + 0.225 m Ω = 0.345 m Ω
X = 上线的总电抗 = Xup+Xtr+Xc+Xd+Xb = 0.33+10.7+0.4+0.15+0.6 = 12.18 m Ω
确定 X 后，由于R 远小于X ，故R 可以忽略不计。

Isc 3相 = 2
2X R 3U +≈ X 3U
310x 18.12x 3410- = 19.4 kA 注：通过假设上线的短路功率为无穷大，用变压器端子上的短路电流也可以提供一个粗略的估算：
I SCT = 变压器端子上的短路电流 = In / Usc ≈ 20 In = 20 x 909 = 18.2 kA
CB1和CB2一级的发电机短路电流Isc 发电机的额定视在功率 = 400 kVA
发电机的额定电流 = 400 / U 3
= 400 103 / (400 x 3) = 577 A
X"d = 发电机的短路电压 = 10%
这就决定了在 5 In 时脱扣 (参阅图1.33)。

I SCG = 发电机端子上的短路电流
CB1的连续电流
这是UPS 的输入电流。

考虑效率后，它必须用
UPS 的额定输出功率乘以1.2，即120 kVA 。

I 输入 = 120 / U 3= 120 103 / (400 x 3
CB2
的连续电流
这是由旁路为负载提供的连续电流，即54 kW ，功率因数为0.68，视在功率S = 54 / 0.68 = 67.5 kVA.
I 负载 = 67.5 / U 3= 120 103 / (400 x 3 ) =
最大的负载起动电流
负载必须在不同的时刻起动。

最大的起动电流应是20 kVA 变压10In ，即 In = 28.8 A ，则10 In =
计算静态开关的最大电流
这是CB3这一级的短路电流，它实际上是 CB2一级的短路电流。

选择参数
结论：CB1= NS250N TM250D Ir整定=0.9 Im整定=9 CB2= NS250N TM160D Ir整定=0.8 Im整定=10
断路器CB3 可能的最大功率
旁路供电时的运行
分断能力
CB3下线的最大短路电流事实上就是CB2的短路电流，因为这里假设出线断路器非常靠近UPS。

结论，CB3的分断能力也为25 kA。

额定电流是由最大的负载确定的，即 4 x 10 kVA 的计算机系统，稳态电流为：
I负载 = 40 x 103 / U3= 40 x 103 / (400 x) 3 = 57 A
应该选择一个60 A 的断路器（NS80H 63A）。

整定
大部分的负载都是配电保护型的，即CB3的Ir 阈值必须小于CB2的Ir/1.6，即 97 A / 1.6 = 61A，即Ir < 61A。

Im 阈值必须小于CB2的Im/2，即小于2.9KA/2 =2320A/2
=1160A，即Im <1160A。

结论：CB3=NS80H TM63D Ir整定=1 Im整定=10
没有旁路时的运行
在这种情况下，下线的短路电流使UPS 限流在2.33 In运行一秒钟。

对梅兰日兰的所有UPS，实验结果已经证明CB3的最大额定电流必须小于0.5 In才能保证选择性。

这是对计算机负载使用的断路器情况：
60 A < 0.5 x 100 x1000 / (400 x 3) = 72 A
＝＝＝完＝＝＝。