| 摘要：作为供电系统和用电负载端在目前还都是从电网中获得交流电，再将交流电进行加工后才能用到我们的日常工作和生活中。换言之，交流电已和我们的生活息息相关，因此对交流电的知识必须有所了解。 |
下游开关负载过载时，对应这一负载的断路器开关不跳闸，跳闸的反而是上一级。为了说明问题仍以图11为例。图11所示为某一大学的计算机房配电。PDU的总输出开关为西门子5SX4系列小型断路器三极开关，额定电流In=32A，短路瞬时脱扣特性C类（5~10倍的额定电流In），分断能力ICS是10kA。总输出开关之下分12路支路，UA、UB、UC三相，每相分四路，其中16A一路，10A三路。支路开关采用西门子5SX2系列16A、10A单极小型断路器，短路瞬时脱扣特性也是C类，分断能力ICS是6kA。支路开关下口直接连接到负载机柜的PDU。由于C相上16A支路负载发生短路，造成此16A断路器和32A的三极总断路器跳闸，全部负载掉电。事后UPS工程师查阅了西门子断路器产品手册，发现上级5SX4系列32A断路器同下级5SX2系列16A断路器之间是有选择性的，但是在此系统中却没有实现选择性保护。那么就有这样的问题需要解决。
三、越级跳闸的原因及应对措施
在大越级跳闸的情况下，很多时候是因为整定电流不对。比如某游戏网数据中心，前面的总断路器开关为1000A，但当负载只加到400A多点就跳闸，最后查到此1000A的ATS，发现其整定电流标志是在400A上；又，某金融单位数据中心UPS输入配电柜用的是300A壳式断路器，也是UPS加不上负载，检查发现该断路器的整定电流才40A。再就是要考虑：
上下级断路器要存在选择性应满足哪些条件？
存在选择性的几种断路器应用在实际系统中就一定能实现选择性保护吗？
在一般应用中，通常的习惯认识是，只要满足以下条件就认为上下级断路器之间具有了选择性：
A、断路器的额定电流In要求上一级的要大于下一级。
B、断路器的短路瞬时脱扣电流I》（等于脱扣特性值乘以额定电流，如B类断路器的I》为5In，C类断路器的I》为10In，D类断路器的I》为15In）要求上一级的要大于下一级。
C、断路器的额定短路分断能力ICS要求上一级的要大于下一级。
那么上下级断路器之间的电流容量满足了上述条件就一定能实现选择性保护吗？实际上以上三条只是基本条件，但还不完全。首先来说明一下配电系统中的支路故障，主要有过流和短路（接地故障本文暂不讨论）。
对于过载故障，可分两种情况讨论：
（1）一种是上一级断路器额定电流In大于或等于所有下一级支路断路器额定电流In的总和。通过比较断路器的过载保护时间/电流特性曲线（长延时特性）发现，只要满足条件A，当支路的过载电流超过支路断路器的约定脱扣电流It时，支路断路器就会在约定时间内脱扣，而上级断路器不会动作，从而实现了选择性保护。
（2）另一种是上一级断路器额定电流In小于所有下一级支路断路器额定电流In的总和。假设一种极限情况，所有下一级支路的电流都达到或接近其断路器的额定电流，则上级断路器就会工作在额定或过载状态，如上面“1”的例子。此时支路的任何故障都可能导致上级断路器动作，无法实现选择性保护。因此我们可以在实现选择性保护的条件中再加上一条“D”，即上一级断路器额定电流In要大于或等于下一级支路所有断路器额定电流In的总和一定值。本文案例中支路额定电流总和16A+10A+10A+10A=46A大于上级额定电流32A，肯定存在着隐患。
通过实验发现，对于短路故障而言，只有短路电流小于某一值之前，上一级断路器才不会同下一级支路断路器一起动作，可以实现选择性保护。这个短路电流值被称作“选择性极限电流”，而当短路电流超过“选择性极限电流”时，即使开关在设置上满足A、B、C、D四个条件，上下级断路器也不会实现选择性保护。通过对照西门子公司小型断路器之间的选择性表6.2发现，上级5SX432A断路器同下级5SX216A断路器之间是有选择性，但它们之间的“选择性极限电流”都是300A（0.3kA），处在同一个数值。而当时的短路电流很可能超过了这个值，再加之互相之间存在一定的误差，所以系统没有实现选择性保护。因此可以在实现选择性保护的条件中再加上第二条“E”，即上下级断路器之间的“选择性极限电流”值要大于任一支路中的短路电流值。
在实际应用中，系统支路的短路电流有时难以确定（尽管肯定不会高于支路断路器的额定短路分断能力ICS），为了实现系统的选择性保护，就要求上下级断路器之间的“选择性极限电流”尽可能大，甚至是接近支路断路器的额定短路分断能力。“选择性极限电流”的大小取决于上下级断路器的额定电流、短路瞬时脱电流和额定短路分断能力（见表6.2）。当上下级断路器的额定电流确定以后，要想提高“选择性极限电流”值，就要拉大上下级断路器短路瞬时脱扣电流I》之间的差值距离。
以表6西门子小型断路器为例，上下级断路器的额定电流确定为100A和32A时：，
①上级短路瞬时脱扣电流I》当选用5SX7-7C类In=100A时它就是1000A，下级断路器短路瞬时脱扣特性（值）如果也选C类即5SX2C类In=32A时为320A，两者相差了680A，则“选择性极限电流”为1kA。如果下一级选B类5SX2B类32A时，I》就是160A，两者相差了840A，由表中查得“选择性极限电流”为1.2kA。
②下一级短路瞬时脱扣电流I》在选用5SX2C类额定电流为32A时，I》为320A，上级断路器短路瞬时脱扣特性（值）如果也选C类5SX7-7C类100A时，I》为1000A，两者相差680A，则“选择性极限电流”为1kA，如上级选D类5SX7-8D类100A时，I》为1500A，两者相差1180A，则“选择性极限电流”为2.5kA。
③如果上一级短路瞬时脱扣特性（值）D类5SX7-8D类I》为1500A，下级断路器短路瞬时脱扣特性B类的5SX2B类I》为160A，两者相差就是1340A，则“选择性极限电流”可达到3kA。
表6西门子公司的小型断路器之间的选择性表
以上是以小型断路器在“总开关和末端开关”这种二级的配电结构中应用为例，分析“选择性保护、选择性极限电流、短路瞬时脱扣电流”它们之间的关系。这种通过断路器的短路瞬时脱扣电流大小不同来实现选择性保护是属于电流型选择。其实不只是小型断路器之间，我们经常使用的塑壳断路器，在塑壳与塑壳之间的选择性也是属于电流型选择，这种电流型选择适用于中小容量配电系统（60kVA以下）或局部保护。
对于更大容量（60kVA以上）和有着更多级配电结构的系统，对电源侧（干路）要求具备更高的“选择性极限电流”，这样才有利于下级支路实现选择性保护。拉大上下级断路器短路瞬时脱扣电流I》之间的差距（电流型选择）对提升“选择性极限电流”的作用是有限的，如果能够延迟上级断路器的短路脱扣时间，使下级断路器在允许的时间内充分发挥自身的分断能力来断开故障回路，这不是更能有效地提高“选择性极限电流”从而更可靠地实现选择性保护吗？
基于这一认识，大容量系统的干路开关普遍采用带有短路短延时脱扣保护功能的选择型断路器。这里要分清两个概念，“断路器的选择性”和“选择型断路器”是有区别的，我们前面提到的普通塑壳断路器和小型断路器，它们上下级之间虽然存在着选择性，但这两种断路器还不能称为选择型断路器，选择型断路器是指除了具备普通断路器的过载长延时脱扣和短路瞬时脱扣保护外，还要具备短路短延时保护功能，即通常所说的三段保护功能，如图12所示。这种选择型断路器可以设定短路脱扣时间（从50ms至1s不等）。
图12选择型断路器的三段保护功能图
这种通过延长断路器的短路脱扣时间实现来选择性保护，是属于时间型选择，同电流型选择相比，其优势在于能够更有效的提升上下级断路器之间的“选择性极限电流”（甚至可以达到下级断路器的额定短路分断值），更可靠地实现选择性保护，适合用作电源侧（干路）保护。
另外要说明的一个问题是，非选择型塑壳断路器同小型断路器之间也存在着选择性，而且尽管它们之间瞬时脱扣电流I》的差小于小型断路器之间瞬时脱扣电流I》的差，但是塑壳断路器同小型断路器之间的“选择性极限电流”却大于小型断路器之间的“选择性极限电流”，还以西门子断路器为例，如表8.3所示。上下级断路器的额定电流仍定为100A和32A。上级短路瞬时脱扣电流I》在选定3VF3时，其值为800A，下级断路器短路瞬时脱扣电流在选定5SX2C类时，其脱扣电流值为320A，两者相差480A，“选择性极限电流”为3kA；如果上级选5SX7-8D类时，扣电流I》值为1500A，两者相差1180A，“选择性极限电流”为2.5kA。这是为什么呢？这是因为非选择型塑壳断路器虽然不具备短路延时脱扣功能，但它的短路瞬时脱扣时间（一般在15毫秒左右）都长于小型断路器的短路瞬时脱扣时间（一般4毫秒左右），这也从一个侧面说明了时间型选择比较起电流型选择来，对提升“选择性极限电流”更明显。因此，为了实现选择性保护，
断路器之间存在选择性的条件是：
a.断路器的额定电流In——上一级的要大于下一级。
b.断路器的短路瞬时脱扣电流I》——上一级的要大于下一级。
c.断路器的额定短路分断能力ICS——上一级的要大于下一级。
断路器之间实现选择性保护的条件是：
a.断路器之间要存在选择性——上面a.b.c.三条。
b.上一级断路器额定电流In要大于或等于下一级支路所有断路器额定电流In的总和（按一相算）。
c.上下级断路器之间的“选择性极限电流”值要大于支路中的短路电流值。
表7西门子公司的塑壳断路器3VF3同小型断路器之间的选择性表
提高“选择性极限电流”的方法为：
a.拉大上下级断路器短路瞬时脱扣电流I》之间的距离，电流型选择，适用于局部（支路或末端）保护。
b.延迟上级断路器的短路脱扣时间，采用时间型选择，适用全局（电源侧、干路）保护。
为了方便选型，表8给出了各种类型断路器的特点及应用范围。表中列出了选择性断路器和非选择性断路器的分断能力和脱扣类型。从前面的介绍已经知道“选择型断路器是指除了具备普通断路器的过载长延时脱扣保护、短路瞬时脱扣保护外，还要具备短路短延时保护功能”，同时从表中还可以看出，选择性断路器和非选择性断路器在分断能力上也是有区别的。同样是100A以上的额定电流，对应选择性断路器而言，其分断能力在35kA以上；但对于非选择性断路器而言，其分断能力在35kA以下。在非选择性断路器中塑壳断路器的分断能力比小型断路器大一些，前者在25kA以上，而后者的分断能力只在10kA以下，所以在用途上也各有自己的领域。选择型断路器主要用于60kVA以上容量多级配电系统的干路或主要支路。由于其跳闸脱扣时间可调比如短路短延时就是跳闸时间可调的指标，所以它避免越级跳闸的功能就强一些，对保证干路和主要支路的可靠供电很有意义。而非选择型断路器在脱扣时间上一般就不可调，所以在上下级开关选择的配合上就要多费一些心思。
表8各种类型断路器特点及应用范围
四、UPS输入输出断路器上下游开关同时或不规则跳闸
有相当数量的UPS供电系统由于断路器的容量配置不当而导致故障。其开关安装位置原理图如图13所示。往往会有这样的发现，当UPS输入和输出采用同样规格的断路器时，在输出并未过载的情况下为什么输入断路器开关Si就跳闸呢？在同样不过载的情况下有时输出断路器So也跳闸，是不是断路器开关Si和So出了问题呢？如果不是S和So的问题那又是什么问题呢？
图13UPS输入输出开关电原理图
实际上还真不是Si和So的问题，问题的关键是出在设计者的误解上。首先在输入输出开关的选择上二者就不能完全一样，另一方面也忽略了影响开关容量的因素。
五、断路器的选择
（1）输出断路器的选择
有些用户在选择UPS输出开关时是根据其输出功率的计算结果进行的，为了有一个量的概念讨论更直接一些，用实例来说明。
例：一台容量为30kVA三进三出的UPS应配多大容量的断路器开关？
由于是三进三出，当然要配置三极断路器，经过每极的电流应当是：
按照断路器的标准规格选50A一档的产品似乎就已经给出了富裕，其实不然，还有几个因素没有考虑到。
高次谐波的影响UPS一般都时带的非线性负载，比如未经输入功率因数校正的PC机，由于其要求输入的是脉冲电流，所以它的输入功率因数才是0.60.7。这就造成了输入波形的失真，电流中出现了很大比例的高次谐波，这些高次谐波虽然是无功电流，但经过断路器触点时照样是触点发热，而这个热量的额外的。断路器的过载保护一般是靠热电偶的变形来触动执行机构使其跳闸。因此应把这个附加发热的因素考虑进去。
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