SCHNEIDERTSXP574634M断路器作为最基本的电气保护开关元件，其用途非常广泛，社会保有量巨大，在现代生产和生活中已经成为最重要、最常用、最基本的保护电器，因此，保证断路器能可靠保护线路和负载的安全就显得尤为重要。长期以来一直没有一个确切的断路器负载电流的安全选择数据和计算公式，国家标准GB14048.2断路器是针对断路器的额定电流所制定的检验标准。什么条件下的负载电流在断路器的安全保护范围之内，对于专业技术人员来说是比较繁琐的计算问题，而对于非专业技术人员和操作者更是非常困难的问题。在国内外的相关技术文献中也很难找到相应的计算公式，也没有相关的经验数据可提供。因此，人们设计或选择、使用断路器时都是根据预期的最大负载电流来选择断路器的额定电流，或根据短路分断能力来选择断路器的额定电流，甚至有人为了避免的频繁跳闸现象，把断路器的额定电流选得很大，或者把可调脱扣器的整定电流调得很高，远远高出预期的最大负载电流。导致很多场合的断路器从设计到使用当中根本就不在安全保护线路和负载的范围之内，确切地说：该断路器根本就没有给线路和负载提供任何保护。线路和负载处于无保护状态下，当线路或负载出现过载、短路故障时，不可避免的将发生事故和火灾，甚至造成重大财产损失的人员伤亡。由于人们在选择断路器的额定电流或整定可调脱扣器的断路器的额定电流时，一直没有可量化的确切电流范围，没有可供准确计算断路器安全负载电流的计算公式，以至造成很多人认为只要安装了断路器就能保护线路和负载的安全了，甚至很多行业内的专业人员也有如此认识，造成实际额定负载电流不在断路器的安全保护范围之内，失去非常重要的保护功能，甚至造成重大的技术失误和后患。笔者通过总结多年实践工作经验和分析、实验，参照国家断路器标准GB14048.2及国际标准idtIEC60947-2:1997断路器之规定，，归纳整理出可供准确计算断路器安全负载电流的计算公式，通常只要按公式计算出最低保护极限负载电流，按此公式计算结果选择或整定断路器的额定电流，就可以起到安全保护线路和负载了。断路器的最高极限电流一般不超过断路器的额定电流都能满足要求。1、反时限过载保护特性根据国家断路器标准GB14048.2规定，配电保护型断路器反时限过载保护断开特性约定不动作电流为额定电流或整定电流的1.05倍，约定动作电流为额定电流或整定电流的1.3倍。配电保护型断路器的反时限断开特性（见下表）下表为配电保护型断路器的反时限断开特性通过电流名称整定电流倍数约定时间/hIr≤63AIr＞63A约定不动作电流1.05Ir≥1≥2约定动作电流1.30Ir＜1＜2导出的断路器反时限过载保护安全负载电流计算公式如下：最低极限负载电流为大于：约定不动作电流除以约定动作电流、再乘以断路器的额定电流，即1.3IL＞1.05Ir；IL＞1.05/1.3Ir；即IL＞0.81Ir最高极限负载电流为：断路器的约定不动作电流，即≤1.05Ir注：因为如果大于断路器的约定不动作电流，则反时限保护将开始起控，最终完成脱扣动作。根据以上的断路器的反时限过载保护特性可以计算出最低极限电流IL为：约定不动作电流除以约定动作电流，再乘以断路器的额定电流Ir。断开特性的约定不动作电流比约定动作电流，反应了约定不动作电流占约定动作电流的比例，该比例即为脱扣动作的最低极限范围，再乘以作为标尺的断路器额定电流Ir，即得到该断路器的最低极限脱扣动作电流IL，负载设备的额定电流只有大于断路器的最低极限脱扣动作电流IL，断路器才具有保护线路和负载的相应保护性能。即1.3IL＞1.05Ir；IL＞1.05/1.3Ir；即IL＞0.81Ir也就是说：当负载设备的额定电流小于断路器额定电流的81%以下时，断路器已经失去对该负载设备的正常过载保护功能。因为此时即使这个负载设备的实际电流已经超过其额定电流IL的1.3倍，却仍未达到或超过断路器额定电流或整定电流的1.05倍，断路器仍处于约定不脱扣电流的范围内，因此，断路器不会进入脱扣保护状态。式中：Ir为断路器额定电流，IL为线路或电气设备的额定电流例如：一台额定电流为100A的断路器，根据公式IL＞1.05/1.3Ir计算得到负载设备的最低极限电流为81A，而要使断路器脱扣保护动作，其最低脱扣动作电流为大于额定电流100A的1.05倍，即105A。以下验算负载设备的最低极限电流81A的1.3倍Ir是否大于105A，81A×1.3=105.3A，刚好大于断路器脱扣保护动作的最低极限电流105A。2、定时限短路保护特性对于断路器的定时限短路保护断开特性根据国家标准GB14048.2第8.3.3.1.2条规定短路条件下的断开短路脱扣器（见4.7.1）的动作应在脱扣器短路整定电流的80％和120％下进行验证。当试验电流等于短路整定电流的80％时，脱扣器应不动作，当试验电流等于短路整定电流的120％时，脱扣器应动作：——对于瞬时脱扣器，应在0.2s内动作；——对于定时限脱扣器，应在等于制造厂规定的延时时间的2倍的时间间隔内动作。此外，定时限脱扣器应符合8.3.3.1.4的要求。导出的断路器定时限短路保护安全负载电流计算公式如下：最低极限负载电流为大于、等于：约定不动作电流除以约定动作电流、再乘以断路器的额定电流，即IL＞0.8n/1.2nIr；IL＞0.8/1.2Ir；IL＞2/3Ir；IL＞67%Ir最高极限负载电流为：小于断路器的约定动作电流，即＜1.2Ir注：因为如果等于或大于断路器的约定动作电流，则定时限保护将立即起控，完成脱扣动作。式中：n为整定电流的倍数，Ir为断路器的额定电流，nIr为整定电流，通常为Ir的整数倍，一般取2，4，6，8，10，12，20……，IL为线路或负载设备的额定电流。例如：一台额定电流为1,000A的断路器，根据公式IL＞0.8/1.2Ir计算得到负载设备的最低极限电流为667A，而要使断路器脱扣保护动作，其最低脱扣动作电流为大于额定电流的1,000A的0.8倍，即800A。以下验算负载设备的最低极限电流667A的1.2倍Ir是否大于800A，667A×1.2=800.4A，大于断路器脱扣保护动作的最低极限电流800A。即当负载设备的额定电流小于断路器额定电流的67%时，断路器已经失去对该负载设备的短路保护能力。因为此时即使这个负载设备的实际电流已经超过其额定电流IL的过电流倍数，断路器仍处于约定不动作电流的范围内，因此，断路器不会进入脱扣保护状态，此时的断路器仅有开关功能，而没有保护功能，这对输电线路和用电设备的安全是极其危险的！无论是反时限过载保护特性，还是定时限短路保护特性，在最低极限负载电流和最高极限负载电流之间，就是断路器的安全负载电流范围，也就是安全保护区。负载设备的最低极限额定电流等于断路器的约定不动作电流比较约定动作电流，再乘以断路器的额定电流，也就是负载设备的最低极限额定电流=断路器的约定不动作电流/约定动作电流×额定电流。过载保护范围由约定不动作电流至反时限约定动作电流段组成，他的最低极限额定电流也可以用额定电流比较实际过载保护范围计算得到，既nIL＞1.05Ir；IL＞Ir/（1.3－1.05）短路保护范围由定时限约定不动作电流至约定动作电流段组成，他的最低极限额定电流也可以用额定电流比较实际短路保护范围计算得到，即IL＞0.8n/1.2nIr；IL＞0.8/1.2Ir；IL＞2/3Ir；IL＞67%Ir如果已知负载的额定电流IL，计算断路器的最高极限额定电流只需把上面的公式变通一下即可，对于反时限过载保护，断路器的最高极限额定电流为：Ir=1/IL=1/0.81≈1.23IL，即已知负载额定负载电流的1.23倍，断路器的最低极限额定电流等于已知负载的额定电流IL；对于定时限短路保护，断路器的最高极限额定电流为：Ir=1/IL=1/0.67≈1.49IL，即已知负载额定负载电流的1.49倍，断路器的最低极限额定电流等于已知负载的额定电流IL。断路器额定电流选择计算公式是在按预期的最大负载电流来选择断路器额定电流的基础上，给出断路器最低保护极限电流，选择原则是负载的额定电流在断路器的额定电流至最低保护极限电流之间的任意值上，这就是选择断路器大小的基本原则和依据。通过“断路器额定电流选择计算公式”计算出的断路器最低保护极限电流，按此最低保护极限电流选择或整定断路器的额定电流，能保证最小负载电流时也在断路器的安全保护动作范围之内，使断路器真正起到安全保护的作用。负载曲线的平均负载系数越高，为达到损耗电能越小，要选用损耗比越小的变压器；负载曲线的平均负载系数越低，为达到损耗电能越小，要选用损耗比越大的变压器。将负载曲线的平均负载系数乘以一个大于1的倍数，通常可取1-1.3，作为获得最佳效率的负载系数，然后按βb＝（1/R）1/2计算变压器应具备的损耗比。1、变压器损耗计算公式（1）有功损耗：ΔP＝P0＋KTβ2PK-------（1）（2）无功损耗：ΔQ＝Q0＋KTβ2QK-------（2）（3）综合功率损耗：ΔPZ＝ΔP＋KQΔQ----（3）Q0≈I0％SN，QK≈UK％SN式中：Q0——空载无功损耗（kvar）P0——空载损耗（kW）PK——额定负载损耗（kW）SN——变压器额定容量（kVA）I0％——变压器空载电流百分比。UK％——短路电压百分比β——平均负载系数KT——负载波动损耗系数QK——额定负载漏磁功率（kvar）KQ——无功经济当量（kW／kvar）上式计算时各参数的选择条件：（1）取KT＝1.05；（2）对城市电网和工业企业电网的6kV～10kV降压变压器取系统最小负荷时，其无功当量KQ＝0．1kW／kvar；（3）变压器平均负载系数，对于农用变压器可取β＝20％；对于工业企业，实行三班制，可取β＝75％；（4）变压器运行小时数T＝8760h，最大负载损耗小时数：t＝5500h；（5）变压器空载损耗P0、额定负载损耗PK、I0％、UK％，见产品资料所示。2、变压器损耗的特征P0——空载损耗，主要是铁损，包括磁滞损耗和涡流损耗；磁滞损耗与频率成正比；与最大磁通密度的磁滞系数的次方成正比。涡流损耗与频率、最大磁通密度、矽钢片的厚度三者的积成正比。PC——负载损耗，主要是负载电流通过绕组时在电阻上的损耗，一般称铜损。其大小随负载电流而变化，与负载电流的平方成正比；（并用标准线圈温度换算值来表示）。负载损耗还受变压器温度的影响，同时负载电流引起的漏磁通会在绕组内产生涡流损耗，并在绕组外的金属部分产生杂散损耗。变压器的全损耗ΔP=P0PC变压器的损耗比=PC/P0变压器的效率=PZ/（PZΔP），以百分比表示；其中PZ为变压器二次侧输出功率。3、变压器节能技术推广1）推广使用低损耗变压器；（1）铁芯损耗的控制变压器损耗中的空载损耗，即铁损，主要发生在变压器铁芯叠片内，主要是因交变的磁力线通过铁芯产生磁滞及涡流而带来的损耗。最早用于变压器铁芯的材料是易于磁化和退磁的软熟铁，为了克服磁回路中由周期性磁化所产生的磁阻损失和铁芯由于受交变磁通切割而产生的涡流，变压器铁芯是由铁线束制成，而不是由整块铁构成。1900年左右，经研究发现在铁中加入少量的硅或铝可大大降低磁路损耗，增大导磁率，且使电阻率增大，涡流损耗降低。经多次改进，用0．35mm厚的硅钢片来代替铁线制作变压器铁芯。近年来世界各国都在积极研究生产节能材料，变压器的铁芯材料已发展到现在最新的节能材料——非晶态磁性材料如2605S2，非晶合金铁芯变压器便应运而生。使用2605S2制作的变压器，其铁损仅为硅钢变压器的1／5，铁损大幅度降低。（2）变压器系列的节能效果上述非晶合金铁芯变压器，具有低噪音、低损耗等特点，其空载损耗仅为常规产品的1／5，且全密封免维护，运行费用极低。我国S7系列变压器是1980年后推出的变压器，其效率较SJ、SJL、SL、SL1系列的变压器高，其负载损耗也较高。80年代中期又设计生产出S9系列变压器，其价格较S7系列平均高出20％，空载损耗较S7系列平均降低8％，负载损耗平均降低24％，并且国家已明令在1998年底前淘汰S7、SL7系列，推广应用S9系列。S11是目前推广应用的低损耗变压器。S11型变压器卷铁心改变了传统的叠片式铁心结构。硅钢片连续卷制，铁心无接缝，大大减少了磁阻，空载电流减少了60～80，提高了功率因数，降低了电网线损，改善了电网的供电品质。连续卷绕充分利用了硅钢片的取向性，空载损耗降低20～35。运行时的噪音水平降低到30～45dB，保护了环境。非晶合金铁心的S11系列配电变压器系列的空载损耗较S9系列降低75％左右，但其价格仅比S9系列平均高出30％，其负载损耗与S9系列变压器相等。2）选择与负载曲线相匹配的变压器案例分析：配电变压器的容量选择?お?A、按变压器效率最高时的负荷率βM来选择容量当建筑物的计算负荷确定后，配电变压器的总装机容量为：S＝Pjs/βb×cosφ2(KVA)(1)式中Pjs——建筑物的有功计算负荷KW；cosφ2——补偿后的平均功率因数，不小于0.9；βb——变压器的负荷率。因此，变压器容量的最终确定就在于选定变压器的负荷率βb。我们知道，当变压器的负荷率为：βb＝βm＝（1/R）1/2时效率最高。(2)R=PKH/Po（即变压器损耗比）式中Po——变压器的空载损耗；PKH——变压器的额定负载损耗，或称铜损、短路损耗。以国产SGL型电力变压器为例，其最佳负荷率计算如下：表国产SGL型电力变压器最佳负荷率βm容量(千伏安)500630800100012501600空载损耗(瓦)185021002400280033503950负载损耗(瓦)48505650750092001100013300损耗比R?豹豹豹豹?2.622.693.133.203.283.37最佳负荷率βm61.861.056.655.255.254.5由表可见，如果以βm来计算变压器容量，必将造成容量过大，使用户初期投资大量增加。其原因Pjs是30分钟平均最大负荷P30的统计值，例如民用建筑的用电大部分时间实际负荷均小于计算负荷Pjs，如果按βm计算变压器容量则不可能使变压器运行在最高效率βm上，这样不仅不能节约电能且运行在低β值上，则消耗更多的电能，因此按变压器的最佳负荷率βm来计算变压器的容量是不合理的。B、按变压器的年有功电能损耗率最小时的节能负荷率βj计算容量由于实际负荷总在变化，无法精确计算出变压器的电能损耗。然而对于某类电力用户，它的最大负荷利用小时数，最大负荷损耗小时数可依据同类用户统计数据来近似计算。变压器的年有功电能损耗可按下式估算△Wb＝PoTbPKH(Sjs/S2e)²τ＝PoTbPKHβ²τ(3)式中β——计算负荷率，等于变压器的计算视在容量Sjs与额定容量Seb之比Tb——变压器年投运时间τ——年最大负荷损耗时间，可由年最大负荷利用时数Tm查Tm-τ关系曲线。用户电力负荷消耗的年有功能为：W＝βSebcosφTm(4)则变压器的年有功电能消耗率为：△W＝△Wb/W＝（PoTbPKHβ²τ）/βSebcosφTm(5)令d△Wdβ＝0求出变压器年有功电能损耗率最小时的节能负荷率βj；βj＝（PoTb/PKHτ）1/2＝（Tb/τ）1/2*βM(6)即配电变压器按照节能负荷率βj计算容量时，其年有功电能损耗率最小。由式(6)可见，变压器的节能负荷率与年最大负荷损耗时间有关，τ越低βj越高。然而由于Tm值及Tm值所对应的τ值，对于高层民用建筑还没有这方面的统计资料，可参考工业企业的类似资料。Tb按7500h，而根据高层民用建筑的不同功能，τ值在2300-4500范围内选取，因此βj=(1.3-1.8)βM。从表(1)干式变压器的最佳负荷率βM值，可求出节能负荷率βj。对于高层写字楼，由于五天工作制，且晚上下班后的其余时间均处于轻载，其电力负荷的运行特点，相当于工业企业的单班制生产，变压器的节能负荷率βj=0.85-0.98；对于高层宾馆及高层建筑中以商业为主的大厦，其相当于工业企业的两班制生产，变压器的节能负荷率βj=0.71-0.85。由此可见，按节能负荷率计算变压器的容量，要小于按最佳负荷率所计算的变压器的容量，这样不但年电能损耗小且一次性投资省。C、按变压器的经济负荷率计算容量上节分析可知按年有功电能损耗率最小时的节能负荷率βj计算变压器的容量有利于节省初投资。然而相当于二班制运行特点的高层建筑中的配电变压器，按β?璲计算出的容量还是偏大，必将增加用户的一次性投资。如何能做到既能节省一次性投资，又能使电能损耗小，或者说能否做到初投资省和电耗小这对矛盾在变压器运行在负荷率的某一区域内获得相对统一，下面我们对变压器的年有功电能损耗率公式作进一步的分析。对同一变压器，在某一负荷率β运行情况下的年有功电能损耗率如式(5)，而在节能负荷率下的年有功电能损耗率为：△Wj＝（PoTbPKHβ2jτ）/βjSebcosφTm(7)用(5)式的两边除以(7)式的两边，并用(6)式代入，整理后得：△W/△Wj＝1/2（β/βjβj/β）(8)上式为变压器运行在某一负荷率β时的年有功电能损耗率相对于运行在节能负荷率βj时的年有功电能损耗率随相对节能负荷率变化的函数关系。该式中当β＝βj时，△W/△Wj＝1，当β＞βj或β＜βj时，△W/△Wj均大于1。?サ宝?/βj从1.0增加到1.3，增加30时，△W/△Wj从1.0增加到1.035，只增加了3.5；当β/βj从2.0增加到2.3，增加15时，△W/△Wj从1.25增加到1.37，增加了9.6。可见在β/βj的低值区，△W/△Wj的增加值相对于β/βj的增加值是非常微小的，且增加的速率也是很小的，也就是说，在该区域中，我们用微小的年电能损耗率增加值来换取变压器的容量的较大减小使得一次性投资的明显降低，因此，我们选择相对节能负荷率β/βj在1-1.3范围内，即经济负荷率为：βjj＝(1～1.3)βj(9)我们按经济负荷率βjj选出的变压器容量，要比按节能负荷率βj选出的变压器容量降低一级，由此而节约的初投资远大于配电变压器的年有功电能损耗费用，做到了经济性与节能性这对矛盾的相对统一，显然这是一种既科学又经济合理的方法。这里讨论的配电变压器容量的计算方法，主要是针对高层建筑中所使用的变压器，即使用干式或环氧树脂浇注变压器，然而该方法也适用于使用其他配电变压器的场合。结论：①负载曲线的平均负载系数越高，为达到损耗电能越小，要选用损耗比越小的变压器；负载曲线的平均负载系数越低，为达到损耗电能越小，要选用损耗比越大的变压器。②将负载曲线的平均负载系数乘以一个大于1的倍数，通常可取1-1.3，作为获得最佳效率的负载系数，然后按βb＝（1/R）1/2计算变压器应具备的损耗比。③对于实际负载，变压器本身应具有较佳的损耗比，而且总损耗最小，即空载损耗与负载损耗之和要尽可能地小。)