题主的原题是“过载与短路的区别”,我写得差不多了,没想到隔了一个晚上,主题变成“短路与过载保护的区别”,更改主题比我换衣服还快!原先写的舍不得废弃掉,加个说明就留着吧,
第一部分:过载电流与短路电流的区别
区别之一:过载电流会流过负载,而短路电流不会流过负载。
区别之二:过载电流一般为负载额定电流的数倍,而短路电流可达负载电流的十几倍到几十倍。
区别之三:过载电流对线路和开关电器带来的热冲击和电动力冲击不是很大,但短路电流带来的冲击就大得多。也因此,开关电器承受短路电流冲击的能力叫做动、热稳定性。
区别之四:过载与负载的运行温升相关,短路则与线路的过热损毁相关。
也因此,电缆必须进行短路热冲击发热校核,以确保使用安全。
我们来看一个实例:
图1:配电系统图
我们先来计算变压器的额定电流:
再来计算变压器的短路电流:
我们再来计算17kW负载的电流:
我们看到,就算实际运行电流只有变压器额定电流的70%,即
,17kW用电负载的电流也只是总电流的零头而已。如果负载电流过载了1倍,约为64A,依然是总电流的零头。
现在,我们假定图1的二段母线处发生了短路。由于母线存在阻抗,它会对短路电流限流,但即便如此,母线系统的短路电流不会低于变压器低压侧短路电流的75%,也即
,它是负载侧过载电流的
倍!
由此可见,过载和短路差别有多大!
我们再来看看电动力的差别。
设主母线的规格是60X6的铜排,铜排间距是100毫米,铜排竖直放置,铜排的长度是10米。我们来计算当母线流过两倍过载电流(2X909=1818A)时和流过短路电流15.2kA时,母线之间的电动力分别是多少?
图2:求三相母线间的过载电动力和短路电动力
按比奥萨法尔定律,计算母线间电动力的公式是:
,在这里,L是母线长度,d是母线截面中心距,Kc是截面系数,Kc=0.85。
我们把数据代入到上式中:
过载电流电动力:
大约为9.5千克力。
短路电流电动力:
大约为668千克力。
我们看到,两者相差的近70倍。其实,这个倍率就是电流之比的平方。
由于这是三相系统,流过的其实是正弦电流。因此,A相和C相所受到的短路暂态电动力最大值为2.65F=17347N,相当于1770千克力;而B相受到的短路暂态电动力最大值为2.8F=18329N,相当于1870千克力。
想象一下吧:1.8吨的摇摆电动力作用在B相母线上,母线和开关柜将会发生何种现象?我们把开关柜抵御最大短路电流电动力的能力用峰值耐受电流来定义。一般地,峰值耐受电流大概在数十千安到一百多千安的范围,具体要看开关柜产品型号和规格而定。
由此可见,过载电流与短路电流的区别是巨大的。
第二部分:短路保护与过载保护的区别
我们已经知道了过载电流与短路电流的区别。对于负载和线路的前接断路器来说,过载保护与短路保护的区别也很大。
我们首先建立一个概念,就是反时限保护特性,一般用符号L表示。
所谓反时限保护,指的就是电流越大,断路器的动作时间越短。断路器动作时间t与电流的倒数成正比,或者与电流平方的倒数成正比。
反时限保护一般用于过载保护。如果系统中存在上下级断路器,为了在配电网末端发生小规模短路时确保距离故障点最近的断路器先跳闸,小规模短路也配套反时限保护,它的符号是S。
我们再来看定时限保护。
对于短路保护,由于短路一旦发生,它的破坏力很大,所以短路现象一旦发生,断路器立即执行开断操作。这种关系叫做定时限保护,也就是不加时延的保护,用符号I表示。
我们来看下图:
图3:保护特性曲线
图3的1图是过载保护特性曲线,我们看到它是反时限的。
图3的2图既有过载保护曲线,也有水平的短路保护曲线,两者中间的垂直连线,是短路保护的门限设定项。2图的曲线又叫做LI特性曲线。
图3的3图是完整的LSI特性曲线。我们看到,L过载保护具有反时限功能,S短路短延时保护为定时限功能,I短路瞬时保护亦为定时限功能。
我们来看一个实例:
图4:电动机保护器的过载保护、缺相保护和短路保护电路
图4是用晶体管电路构建的电动机过载、缺相和短路保护电路。图4的左侧绿框内是主电路。我们看到,它由熔断器开关QS、交流接触器KM和电流互感TA1~TA3构成。
我们来仔细看看图4右侧的控制电路:
图5:图4的控制电路说明
由图5我们看到,在故障电流采集及电流电压变换电路中,故障电流从电流互感器TA1~TA3的副边引入至桥式整流电路,整流桥的直流侧配套了滤波电容和可变电阻RP1。RP1的任务是把电流信号变成电压信号。注意到RP1滑动臂的输出电压被引至正或门电路,正或门电路的输出信号被送往后续的施密特触发器和反相器,由执行继电器K实施接触器KM的开断操作。
注意:继电器K在正常时是闭合的。
我们看图5的可变电阻RP1滑动臂的输出电压,它与流过电流互感器的故障电流大小以及滑动臂的整定门限有关。当滑动臂电压超过门限Ip后,经过一段短暂的执行时间K,接触器就开断。系统的动作时间有如下关系:
,式1
我们把这种工作特性叫做定时限特性,它适用于短路电流的操动,它的时间-电流特性曲线如下:
图6:定时限短路保护特性曲线的说明
我们再看图5的RP1,它的电压降通过一只稳压二极管后送到积分电路。稳压二极管的作用是削幅,而积分电路的作用是对过载电流信号实施积分操作。积分电容上的电压通过或门电路驱动后续执行电路。
由于有了积分电路,我们很容易想到,过载电流越大,积分电容上的电压达到或门所需要的动作门限值就越快,等效于动作时间越短。
我们知道,电容上的电压等于:
,这里的电流ic其实就是RP1上的电压减去稳压二极管的电压后,再除以限流电阻得到的电流。可见,ic的大小与过载电流直接相关。也因此,我们有:
,这里的Udw就是稳压二极管上的电压,而
是系统的时间常数,t就是反时限动作时间。一旦发生了过载,经过时间t,Uc达到了动作门限,则后部的驱动电路将执行接触器分断操作。
这种过载保护的反时限特性见下图:
图7:过载保护的反时限特性曲线和短路保护的定时限特性曲线
至此,我们应当明白过载保护与短路保护的区别了。
我们来看看一款实用断路器的保护特性曲线,如下:
图8:框架断路器电子式脱扣器的特性曲线
图8中,红色的是过载保护特性,它分成左侧和右侧两支,体现了门限调节范围,是0.4~1.05倍额定电流;绿色的是短路短延时曲线,它的门限范围是1倍到10倍额定电流,并且脱扣动作时间t与电流的关系是
;黄色的是短路瞬时特性曲线。注意到黄色线是水平线,它的门限范围是1.5倍到14倍额定电流。
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最后,给题主提个问题:
我们看下图:
图9:断路器允通能量曲线
所谓允通能量,指的是电流的平方与时间的乘积,它反映了断路器和系统因为短路电流流过而产生的发热情况。我的问题是:为何曲线中有台阶?这说明了什么?