数据中心断路器整定值计算（二）

在我的上一篇文章《低压系统第一个断路器的参数设计》中探讨的是断路器的极限分断能力的选型和接地故障保护电流的计算，后来在其它刊物发表这篇文章的时候，我将文章的名称改为《数据中心断路器整定值计算（一）》，我觉得这样更能体现文章的内涵，于是才有接下来本文的成型。

关于断路器的整定值很多项目做得还很不够，有的项目的设计图仅仅给出了整定值数据，但是没有给出计算书和设定依据；甚至有些设计图纸整定值都没有，断路器的出厂整定是什么状态就永远都是这个状态。断路器的整定应该是随着系统负荷的变化而变化，是动态调整过程，它不是一成不变的。数据中心的运维人员应根据系统稳定运行时段内负荷情况和所测定的参数等进行计算后，对各级断路器的整定值参数进行调整，以使系统的各级断路器处于一个可靠的保护状态。如果断路器的各级参数没有根据系统实际的带载情况进行计算调整，当意外发生的时候要么出现伤害事故，要么出现越级跳闸大面积停电的重大损失事故。本文将就数据中心低压系统断路器的作用、各整定值参数的意义、上下级断路器整定参数匹配逻辑等几个方面予以探讨。一、 断路器的作用断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。这句话是百度百科对断路器的定义，煞是拗口。我用通俗的语言来读断路器解的作用：1）保护电缆，按要求分断异常电流，减少对电缆的伤害；2）保证电路正常工作，拒绝误动作。

图1

通过图1来反映断路器在电路的作用。图1将线路的正常工作电流曲线、断路器特性曲线及电缆的特性曲线合并到同一个电流-时间坐标图中。当线路中的电流超过断路器特性曲线的电流大小（断路器反时限特性曲线的右侧）时断路器发生分断动作，从而保护电缆，避免因过大的电流导致电缆温升而加速电缆老化甚至烧毁；当线路的正常工作电流（最大负荷电流和正常启动电流尖峰波）大小不接近断路器反时限特性曲线（电流大小位于断路器反时限特性曲线的左侧），断路器不发生分断动作，线路安全工作。二、 断路器的整定参数断路器按结构形式来分类，常见的有三种：框架式、塑壳式和微型式；按保护对象、脱扣方式分又有很多种，请见下表。

分类

保护功能

保护对象

配电保护

电子脱扣型

（框架式、塑壳式）

过载长延时、短路短延时、短路瞬时（3段保护）

常用于一、二级配电

热磁脱扣型

（塑壳式、微断式）

过载长延时、短路瞬时（2段保护）

常用于二、三级配电

熔丝

短路保护

非重要负载

电动机保护

短路、过载、欠电压

电动机保护

断路器都有其自身的反时限特性曲线，它可以作断路器整定值计算工具。本文利用反时限曲线来阐述数据中心常见的三类断路器的选型、参数整定计算。下图是某断路器的典型特性曲线图，它是一条双线图，双线中间区域为断路器可能动作区域，也可以理解为误差区域，意味着当“电流-时间”落在这个区域时断路器可能发生分断动作也可能不发生分断动作，这个区域越窄，说明断路器的动作精度越高；右侧红线的右侧是断路器必动作的区域；左侧红线的左侧是断路器不动作的区域，也就是正常工作的区域。

 图2

不同的断路器有不同的整定参数，不同的负载设备又对应不同类型断路器的选型或不同的整定值设定，同一系统中各级断路器又有逻辑匹配的关系。断路器的选型和整定值设定有其原则可循：1） 断路器的额定电流（过载长延时电流Ir）大于回路的工作电流（计算电流）；2） 断路器的额定电流（过载长延时电流Ir）小于回路导线的持续承载电流；3） 断路器的极限分断能力大于配电回路该处的最大预期短路电流；4） 断路器的短路短延时电流（短路瞬时电流）小于配电回路该处的最小预期短路电流；5） 电路的启动电流小于保护断路器的短路短延时电流/瞬时电流。以上原则可框定断路器各整定值的设置范围，但各断路器的具体参数如何设定呢？图3是两种不同形式断路器的特性曲线，其中二段式的断路器包含了过载长延时电流和短路瞬时电流及相应时间参数的设定，三段式的断路器包含了过载长延时电流、短路短延时电流和短路瞬时电流及相应时间参数的设定，上述两种形式是框架断路器和塑壳断路器常见保护方式。

图3

额定电流In是断路器过载长延时的最大值，即Ir=1.0In；回路的工作电流是通过计算确定的，它同设备数量、设备功率和设备同时系数有关系；回路导线的承载电流，是同导线的选型有关，包括截面积、材料、敷设方式、导线热效应等因素，可以查电缆特性参数表获取；断路器极限分断能力在断路器的产品标识上可查；回路某处的预期短路电流可以直接测定或测量环路阻抗计算得出。微型短路器是没有可以整定的参数，微型断路器位于终端设备的前方，是直接保护负载设备的，虽然它没有参数可以设定，但是对于用途不同的设备需要选用不同型号的微型断路器。微型断路器分为B、C、D三种类型的断路器，但是它们的瞬时脱扣范围不一样，B型：瞬时脱扣范围3~5In；C型：瞬时脱扣范围5~10In；D型：瞬时脱扣范围5~10In；那么D型微型断路器用于保护起动电流大的冲击性负荷 (如：电动机，压缩机等动力设施)，这样可以避免动力设备启动时的启动电流（尖峰电流）触发断路器非正常脱扣（原理如图1）。启动电流是根据设备的功率特性计算得出，常用方法I=Ic+（Ist-In）其中：Ic---用电设备组的计算电流；Ist-In---用电用设备组内单台设备的启动电流同额定电流之差的最大值；三、 上下级断路器整定参数的匹配逻辑断路器保护的配电线路中，当发生电气故障时，位于故障点上游最近的断路器动作分断供电线路，从而将断电的影响控制在最小的范围内，而不是越级分断更上游的断路器。故上下级断路器整定参数匹配的逻辑关系对断路器的参数设定也是非常重要的，断路器的整定参数指标有电流等参数、时间等参数和能量匹配，在本文上节的整定值设定原则中，主要说明了断路器的电流等参数。断路器的分断时间等参数包括：过载长延时时间、短路短延时时间、瞬时脱扣时间和接地保护脱扣时间，本文以施耐德系列断路器为例说明，其中：过载长延时时间、短路短延时时间、接地保护脱扣时间的参数，在不同型号的断路器上部分可调或全部可调，瞬时脱扣时间则是固化在断路器上默认为20ms（不可调）。 

图4

图5

断路器从故障电流从产生到被分断这一段时间内电流所产生的热效应会加载在上游的各级断路器上，那么断路器保护的正常逻辑是下级断路器能量达到分断临界点时，上级断路器能量尚处于一个可以接受的范围。各级断路器的整定参数既要满足自身整定的计算原则又要满足上下级断路器整定参数的逻辑关系，最好的办法是将各级断路器的特性曲线、回路启动电流特性曲线及电缆的特性曲线绘制在同一个坐标图内，就能直观的显示出各级断路器的匹配关系。某厂家曾经在2008年左右推出过一个很好的工具软件，它能绘制断路器的特性曲线，并将多个断路器的特性曲线绘制在同一个坐标系内，方便对比，简单好用（甚至通过参数的调整可模拟其它品牌断路器的特性曲线），后来好像这款软件停止更新了，也不再对外发布。

图6

在图6中各级断路器的特性曲线有序排列，互不重叠，下级断路器曲线位于上级断路器曲线的左侧，无论是从电流、时间和能量方面都具备良好的匹配关系。某厂家对上下级断路器的整定电流In、Ir、Isd之间的匹配关系提出了的设定要求“为实现整个故障范围的完全选择性---整定电流In、Ir、Isd上下级断路器的比值须保持在2.5。”

图7 在图7中当线路中发生较严重的短路故障时，末端的微型断路器可能不跳闸而上级断路器跳闸，直接导致大面积停电的情况。由上文可见，断路器的整定值计算素材来源于回路中负载性质、负载容量、测定的供电回路参数、断路器及线路特性。那么设计阶段设计人员应根据最大计算负荷给出系统配置以及系统满载时各级断路器参数整定的建议；运营阶段维护人员应根据数据中心负荷增长情况和实测的回路参数，阶段性的调整断路器的整定值，确保系统的各级断路器时刻处于一个可靠的保护状态。