低压配电系统短路电流限制技术及应用

      分析了市场上各种常用的低压配电系统短路电流限制技术的特点，详细介绍了基于高分断微型断路器技术的新型短路电流限制方案自复位短路电流限制器，以及该方案在新能源、船舶等领域的应用。

引言

      随着电力系统规模的快速发展，电源容量不断扩大，系统中的短路电流也随之增大。据统计，超过90%的电力系统故障都发生在中低压配电系统中，而短路故障是电力系统中最常见、危害最大的电气故障之一，所以，分析和研究低压配电系统的短路电流限制技术具有十分重要的实际意义。

1 、低压配电系统短路电流带来的危害

     短路故障引起的短路电流，其带来的热效应及电动力不仅会造成故障电气设备本身的严重损坏，还会殃及其相关的非故障设备，影响到整个配电系统的稳定运行，甚至会危及人身安全。同时，为了适应越来越高的预期短路电流，相关的电气设备不得不相应地提高动热稳定性能，其中开关设备的短路分断能力也要相应提高，这些因素都将导致电气设备的投入成本大幅度提高。因此，短路电流限制技术一直是国内外电气设计人员和制造厂商研究的热点。

2、 低压配电系统短路电流限制技术的发展

    低压配电系统短路电流限制技术的研究主要从两个角度出发，一是从电源本身着手，提高其阻抗或者降低系统容量。提高电源阻抗一般是通过提高变压器阻抗或者串联电抗器的方法实现，这种方法技术成熟、效果明显，但会导致系统的损耗变大。而降低系统容量则是通过合理选择电源的接线方式，比如采用变压器低压侧分列运行的方式，实施简单、成本低，但系统的可靠性会相应变差，必要时需增加备用电源自动投入装置，而且这种方法不适用于单机容量比较大的系统。

    另一个角度则是从进线及馈线回路的开关元件出发，采用各种快速的短路电流检测和分断技术，有效地限制和降低开关元件负载侧的短路电流，如市场上广泛采用的双断点技术、各种新型灭弧技术、快速动作的操作机构等。

    对于进线开关，快速地分断必然会与整个系统的连续性运行产生冲突，为了实现IEC 60947-2和GB 14048.2定义的选择性保护，可以采用诸如断路器的区域选择功能，而对于IEC 60947-2和GB 14048.2定义的后备保护，则正是利用电源侧断路器快速限流的特性，帮助负载侧的（通常是多个）装置分断高于它们自身分断能力的短路电流，这种应用方案显然具有更高的经济性。

3、 基于高分断微型断路器技术的自复位短路电流限制器

    本公司于1923年发明了全球第一台微型断路器，经过90多年的更新完善，如今，微型断路器已经广泛应用于工业及民用低压配电的末端（即终端配电保护领域）。近年来，市场上终端配电保护方面的新产品、新技术不断涌现，S800-SCL-SR自复位短路电流限制器（图1）即是其中的创新型产品之一，它是在高分断微型断路器S800系列产品（图2）的相关技术基础上研发出来的。

    S800系列高分断微型断路器的额定极限短路分断能力高达50kA，这主要得益于其双灭弧室等创新设计，使其具备优异的限制短路电流特性。以发生50kA预期短路电流为例，该高分断微型断路器（In=125A，Un=240/415V）的允通能量仅为98600A2s，允通限流仅为12000A，可以于1.5～2ms瞬间安全地灭弧，而常规产品的灭弧时间通常需要6ms。为了在单极宽度只有27mm的紧凑尺寸下实现上述性能，该产品的设计方面还做到了耐高温、耐高压、有效降温和释放气流、触头抗粘连，可耐电弧温度达到8000℃，短路瞬间可耐气压12bar，增加了降低气压的排气通道等。

     S800-SCL-SR是基于S800技术的自动复位短路电流限制模块，与下游的保护装置配合使用，在发生短路时，电流达到8 In～12In，触头打开但不脱扣，有效地限制短路电流，直到其下游的保护装置脱扣，切断故障电流，电流低于8In时自动复位，与下游保护装置并联的所有分支回路保持正常运行。如果把两个自复位短路电流限制器串联使用，可以把短路分断能力提高到100kA（690VAC），自复位短路电流限制器工作原理如图3所示。

4 、短路电流限制器的应用

     因为有些特殊应用场合的预期短路电流较高，而常规低压开关的短路分断能力有限，五大满足需求，这使得自复位短路电流限制器得以广泛应用。S800-SCL-SR可以和S800或手动电动机启动器（MMS）配合使用，既可以与单个断路器或电动机启动器配合使用，也可以与多个断路器或电动机启动器配合使用。常用的三种典型应用如图4所示。

     风力发电设备中的电动机控制方案就是自复位短路电流限制器的典型应用之一。MMS在交流400V电压下，短路分断能力Icu通常能够达到50～100kA，但在风力发电设备中，电动机的工作电压为交流690V，相应的MMS短路分断能力通常只有不到10kA，狭小的安装空间又不允许选用体积较大的塑壳断路器等设备。因此，结构紧凑、限流能力突出、类似S800-SCL-SR的自复位短路电流限制器成为了理想的解决方案。根据厂家提供的技术资料，手动电动机启动器MS132-4.0及以上规格在690VAC下的Icu为3kA，显然不能满足系统的要求，但是S800-SCL-SR与MS132组成的组合方案在690VAC下的Icu达到50kA，大幅度提高了组合保护方案的短路分断能力，且一个自复位限流器可以在下游带多个MMS，经济性较好。

     船舶行业的低压配电盘通常离变压器较近，因而除了工作电压（690VAC）较高之外，预期短路电流值也比较大，加之空间有限，自复位短路电流限制器得以广泛应用，包括应用在船舶自身、船厂的起重机、接驳支柱、码头的设备电源等场所。以S800-SCL-SR与S800S组成的组合方案为例，其中S800S独立使用在690VAC场合下的Icu为4.5～6kA；而与自复位短路电流限制器配合使用，组合方案的Icu达到50kA（690VAC），达到这一性能主要依靠的就是自复位短路电流限制器的限流作用。

    此外，自复位短路电流限制器还广泛应用于电厂和低压配电柜，如MNS系列低压配电柜的出线单元等，这些应用场合的共同特点都是电压高、短路电流大、空间有限。

5 结束语

     基于高分断微型断路器技术的自复位短路电流限制器能够有效地限制短路电流，因而可以满足高达100kA预期短路电流的保护要求，与断路器或者MMS配合，能够为线路或者电动机保护应用需求提供尺寸紧凑的解决方案，一个自复位短路电流限制器可以带多个下游设备，所以经济性，同时，由于自复位短路电流限制器在短路故障切除后能够自动闭合，其他下游设备及负载依然保持正常运行，可见该组合方案具有完全选择性，可以确保整个系统运行的连续性，满足大多数工业行业的应用要求。