浅析负荷开关在地铁车站低压配电系统的应用

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【摘 要】本文结合深圳地铁3期工程实践，对负荷开关和断路器进行对比分析，交流探讨地铁车站如何选用负荷开关。

【关键词】负荷开关；断路器；地铁

0 引言

深圳地铁已建成运行5条线路78个车站，三期在建7、9、11号线计107公里68个车站。地铁车站低压配电系统为单母线分段运行，配线结构以放射式为主，少量树干式。前5条线低压电器开关全部使用断路器，而三期设计时除使用断路器外，部分位置处改用负荷开关。

下面首先对负荷开关（熔断器式）和断路器进行分析比较，再阐述三期设计采用负荷开关的原因，供同行借鉴。

1 负荷开关

结构组成：绝缘底座、夹座（静触头）、闸刀（动触头）、熔断器、操作杠杆、灭弧装置

用途：不频繁地手动接通和分断正常负载电流，并在短路情况下由熔断器分断故障相电流。

特点分析：

・结构简单，刀臂动作直接、故障隐患少。

・各组成零部件直接可视，易发现异常或故障迹象。

・动、静刀口分开时具有明显可见的断开点，间距满足IEC隔离器的电气间隙要求，可用于检修隔离。

・带有简单灭弧装置，具备一定灭弧能力，可以分合额定负载电流，而不用担心如隔离开关的带负荷分合闸的误操作风险。

・短路耐受电流指标高，开关自身动、热稳定性非常好。

・具两段保护（反时限过载和瞬动短路保护），但保护特性曲线不可调。

・保护动作时三相熔断器不能同步分断，易造成负载缺相，需额外配置相序保护。

2 断路器

结构组成：壳体、触头、机械三连杆、脱扣器、灭弧室

用途：可手动不频繁分合负载回路，线路故障时因保护（过载、短路、欠压等）自动分闸切除故障线路。

特点分析：

・高短路电流分断能力，由触头机械分离实现分断短路电流，但是短路耐受电流较负荷开关低，目的是分断短路电流而不是承受。

・有多段保护，保护功能远优于负荷开关。保护启动后可以自动脱扣分闸和发出报警信号。

・保护曲线可微调或自行设置，上下级保护好配合，较易实现选择性。

・灭弧设计完善，分断负载电流时熄弧快。

・分合闸有弹簧加速，过程时间短，因此拉弧小，更易分合大负载电流。

・机械连杆关节多，除分、合位外还多出一个脱扣位，机械可靠性较不如负荷开关。

・结构密闭、紧凑，但组成部件完全隐藏不可视，因此维修较负荷开关复杂。

3 应用对比分析

对比负荷开关和断路器特点，可以总结出两者的功能特点是迥异的。负荷开关最大特点是结构简单，重在有明显线路断开点，你看到开关分闸了，那它就一定分断了。而断路器只能看到开关外部手柄分闸了，但有可能因断路器内部故障而实际触头并没有分离，此时如果检修下端设备就有可能触电。断路器最大优势在于保护性能强大，重在应对故障时自动切除故障线路，其突出目的是为了线路保护。因此，尽管两者都能分合电路，但并不能互相替代任意选择。线路设计时，设计人员要先决定是需要安全隔离还是首要切除故障负载，之后就能明确是用负荷开关还是断路器。国内八十年代后断路器发展迅速，特别是梅兰日兰微断，如此小体积而又高性能指标的开关电器，令不少设计院电气设计人员眼前一亮，认为断路器是先进的产品，应该替代落后的负荷开关，结果是断路器一度风靡天下迅速取代了饱受诟病的HK胶盖负荷开关，其后九十年代建筑电气设计中几乎已看不到负荷开关、熔断器等类别的产品，而是清一色的各式断路器。深圳地铁一、二期车站低压配电就全部采用了断路器（包括框架式、塑壳式和微型断路器）。反观国外，断路器技术的发源地欧洲，熔断器组、刀开关至今仍占据过半江山，并没有被断路器替代。由于回路分配适应设备房间分布的需要，全部采用断路器后车站配电实际超过了三级保护，参数整定上已做不到选择性，造成上下级甚至三级同时跳闸，既扩大停电范围也迷惑故障查找。其二，检修时又缺少电源隔离断开点，运营反映在末级检修时往往要在变电所低压柜抽屉处断电并留人看守，期间要通过对讲通讯协调确认和送电测试，作业效率极低。为此，深圳地铁三期工程对车站断路器的使用进行了专题研讨。分析地铁车站配电系统，为了供电的可靠性，基本上采用了星形配线结构，只有少数回路如检修插座箱采用的是树干式配电。对于星形回路，低压柜馈出选择断路器，在二级配电箱进线处采用负荷开关，配电箱馈出至设备采用断路器，这样配电箱馈出断路器承担负载设备的保护，低压柜馈出断路器承担线路的保护，配电箱负荷开关提供设备检修所需的停电断开点。对于树干式回路，分支处仍旧采用断路器以把故障限制在分支点以下，任一分支检修时主干线停电。由于树干式结构本身对供电可靠性要求低，对于很少同时使用的检修电源如此设计也是完全可以接受的。深圳地铁三期7、9、10号线即按此原则落实车站配电设计。

4 负荷开关选型

首先，开关额定电压与所在回路额定电压相适应，还应考虑正常工作时可能出现的最高电压。地铁车站低压配电网是交流220＼380V，考虑夜间停运期间网压升高，选用国内标准普通500V产品即可。

其次，开关的额定电流应大于回路总负载的额定电流，且要避开电动机正常起动电流的热效应。建议按回路额定电流的3-4倍选择，侧重于熔断器做为断路器的短路后备保护而熔断器的过载保护效果不如断路器，所以过载保护以相邻断路器承担优先。

之后，进行短路校验，负荷开关的动稳定电流、热稳定电流应大于安装点预期的三相短路电流峰值。

再后，设计人员需选择确定负荷开关的操作形式。根据安装位置空间条件，选择前或侧面操作、有无辅助杠杆，以便后续确定配电箱尺寸和布线。带辅助杠杆可以减少操作时人员触碰电弧的风险，安全性较好。地铁车站及区间环境潮湿多粉尘，应该使用安全性更好的辅助操作杠杆，在箱门关闭时进行分合闸操作，特别是在分断负荷电流时。

国内负荷开关生产历史并不短，20世纪80年代前应用非常广泛，而且系列众多。综合对比技术差异和价格，地铁车站即使是小负载也不应再选用HK胶盖负荷开关。受制于经济条件，国内80年代前小电流场合普遍使用HK胶盖负荷开关，可以说是一统天下，其虽也能不频繁分断小负荷电流，但灭弧能力差、通断能力差，触刀夹持力不稳定而造成刀柄易松动，且无操作杠杆而需人手近距离贴近操作，起火、伤人案例时有报道，实践证明安全、可靠性远低于其它形式的负荷开关。推荐使用引进欧洲技术的GGLR型负荷开关，除性能指标上均优于国内的HH、HR系列，在细节方面更有较多优点，如组件（下转第128页）（上接第127页）模块化，体积小，外壳封闭带观察窗等等。ABB、施耐德等国际品牌负荷开关的主打系列均是此型技术或基于此型技术。随着技术引进国内，当前不但已国产化且正逐步成为国内负荷开关的主流。地铁车站可能选用的负荷开关在此系列中均可以找到相应的规格。深圳地铁三期车站配电箱负荷开关全部选择此系列产品。

5 总结

车站400V低压配电虽不必在断路器前后均配置隔离开关，但应重视和扩大负荷开关的使用，使设备检修时能就近有隔离断开点。过多级的保护并不是就可靠，反而因为无选择性而扩大影响和增加故障处理难度。本文分析略显粗糙，仅从使用层面简单分析，只是点到并没深入，供同行参考。