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断路器 MCCB 知识普及 无锡TCL罗格朗低压电器有限公司开发部薛彪2011 07 30 大纲 一 低压断路器简单介绍二 低压断路器的发展及应用三 低压断路器常用材料及制造四 TCL legrand的产品五 公司未来的产品与目标六 交流互动 强电的作用是处理能源 电力 作为动力源 弱电的作用是处理信息 即信息的传送和控制10kV及其以下的电压线路称为配电线路 在电力系统中 36V以下的电压称为安全电压 1000V以下的电压称为低压 1000V以上的电压称为高压 概念 发电变电输电变电配电用电 低压电器 AC1000V及以下或直流额定电压在1500V及以下的电路中使用的电器 低压电器的分类低压电器的用途广泛 功能多样 种类繁多 结构各异 配电电器 用于电能的输送和分配的电器 例如断路器 隔离开关 刀开关 双电源 熔断器等 控制电器 用于各种控制电路和控制系统的电器 例如接触器 继电器 电动机起动器 按钮等 对配电电器的主要技术要求是 断流能力要强 限流效果要好 在系统发生故障时保护动作准确 工作可靠 有足够的热稳定性和动稳定性 概念 一 低压断路器介绍 低压断路器 是一种用于低压电网 交流50Hz或60Hz 额定电压常电路条件下1000V及以下或直流额定电压在1500V及以下的电路中使用配电电器 能够接通 承载和分断正常电路条件的电流 也能在规定的非正常电路条件 过载 短路 下接通 承载一定时间和分断电流的开关电器 过去也叫自动开关 空气开关或空气断路器 空开或空断 低压断路器是低压电器中结构最复杂 技术含量与经济价值最高 在低压配电系统中地位最重要的产品 低压断路器的分类 按结构 功能和用途可分为 万能式 塑料外壳式 灭磁式 爆炸式 真空式和选相闭合式 低压断路器品种主要有ACB MCCB 配电保护 电动机保护 漏电断路器 小型断路器 真空断路器 直流快速断路器 MCCB在配电系统中主要作为支路保护开关 工作可靠 既保证分支路用电可靠 又保证整个配电系统运行安全 概念 一 低压断路器介绍 楼内配电间 公用电 断路器在低压配电系统中 一 低压断路器介绍 低压断路器使用类别分 A类 无额定短时耐受电流要求 即在短路情况下 选择性保护无人为短延时B类 具有额定短时耐受电流要求 即在短路情况下 选择性保护有人为短延时 可调节 低压断路器保护对象分 配电保护型电动机保护型家用或类似场所用保护型 MCB 剩余电保护型 RCBO 概念 一 低压断路器介绍 保护类别 过载保护 保护电器应在过负载电流引起的导体温升对导体的绝缘 接头 端子或导体周围的物质造成损害前分断该过负载电流 过载保护分过载长延时和短路短延时短路瞬时保护 保护电器应在短路电流对导体和连接件产生的热效应和机械力造成危害之前分断该短路电流 欠电压保护 可瞬时也可延时 失压只是欠电压保护的一种形式 对地泄漏电流保护 漏电保护接地故障保护 当发生带电导体与外露可导电部分 装置外可导电部分 PE线 PEN线 大地之间的接地故障时 保护电器必须自动切断该故障电路 以防止人身间接电击 电气火灾等事故 不同的接地系统有不同的保护要求 逆功率 一 低压断路器介绍 低压断路器的电气特性 电压 额定工作电压Ue 额定绝缘电压Ui 额定冲击耐压Uimp电流 断路器壳架电流 Inm 脱扣器额定电流 电流互感器额定电流 In 脱扣电流 热脱扣Ir 磁脱扣Im 电子脱扣器整定值调整 额定频率 50Hz寿命 机械寿命 电气寿命动作时间 延时时间 检测时间 分断时间 动作完成时间重要技术参数 额定极限短路分断能力 有效值 Icu Test O CO额定运行短路分断能力 有效值 Ics Test O CO CO额定短时耐受电流Icw 在制造厂规定的试验条件下对断路器确定的短时耐受电流值 以短延时时间为试验时间 交流状况下为有效值 预期短路电流的交流分量在短延时时间内认为是恒定的 短延时时间不应小于0 05S 0 05 0 1 0 2 0 5 1 一 低压断路器介绍 有关分断能力的概念 额定分断能力 在规定的条件下能满意地分断的电流值 额定短路分断能力Icn 在额定工作电压 额定频率和规定的功率因数 交流 或时间常数 直流 下由制造厂对电器 断路器 所规定的短路分断能力电流值 在规定的条件下 它用预期分断电流值 对交流 交流分量有效值 表示 额定短路分断能力Icn分为 额定极限短路分断能力 Icu 是制造厂按相应的额定工作电压规定断路器在GB14048 2 2008中下8 3 5规定的条件下应能分断的极限短路分断能力值 它用预期分断电流 kA 表示 额定运行短路分断能力 Ics 是制造厂按相应的额定工作电压规定断路器在GB14048 2 2008中下8 3 4规定的条件下应能分断的运行短路分断能力值 它用预期分断电流 kA 表示 相当于额定极限短路分断能力规定的百分数中的一档 Icu 25 50 75 100 并化整到最接近的整数 它可用Icu的百分数表示 如 75 Icu 额定短路接通能力 Icm 在制造厂规定的额定工作电压 频率 功率因素下 断路器的短路接通能力 最大预期峰值 Icm根据不同的功率因素对应Icu不同的倍数关系 GB14048 2 2008表2规定 一 低压断路器介绍 短路分断试验装置 示意图 极限短路分断能力试验Icu O t2 CO 其中t2 3分钟运行短路分断能力试验Ics O t2 CO t2 CO 之后测试温升及寿命试验 注 分断时间包括固有分断时间和燃弧时间 O 分闸试验 CO 合 分试验 被测试的元件 已接通 合闸 分闸 分断 断开 已接通 断开 正在接通 分闸 分断 断开 to t1 to t1 t t 短路分断能力试验 一 低压断路器介绍 二 断路器的发展及应用 1879年爱迪生发明了电灯 世界上最早的断路器出现于1885年 它是一种刀开关和过电流脱扣器的组合 1905年 具有自由脱扣装置的空气断路器诞生了 1930年以来 随着科学 技术的进步 电弧原理的发现和各种灭弧装置的发明 逐渐形成了目前的机构 50年代末 电子元件的兴起 就产生了电子脱扣器 20世纪末 由于小型化电脑的发展和普及 又有智能型断路器的问世 现代用电磁场仿真ANSYS和动力学仿真ADAMS虚拟样机技术来设计新的产品 发展 二 断路器的发展及应用 1957测绘仿制前苏联产品 型号为A3系列 1957 1960自行设计试制DZ1系列1970完成全国统一设计产品DZ10系列 1980全国统一设计完成DZX10系列1981年全国统一设计完成DZ15 DZ15L系列 1990年完成更新换代DZ20 DZ20L系列20世纪80年代初引进H系列 TO TG系列 常熟开关厂20世纪90年代中期完成CM1系列 使我国标准型MCCB分断能力提高到50kA 是我国低压电器行业首次由一个企业独立完成重大系列产品开发并成功获得大批量推广 它极大鼓舞了低压电器行业自主开发新产品积极性 CM1和随后仿制的其他产品连同S 富士 SA系列形成我国第三代MCCB 我司TIM1仿ABB的S系列 TIM2仿三菱的均为三代产品 目前常熟CM3 正泰NM8 上所联合设计的VM60称为四代产品 国内企业 常熟开关 正泰 诺雅克 德力西 浙江三开关 上海良信 无锡新宏泰 杭州之江 上海人民 长征电器 天津百利 江苏凯帆 江苏凯隆 北京明日 苏州法泰 天正 环宇 华通 人民 长城国外企业 施耐德 ABB 西门子 通用 伊顿 穆勒 海格 三菱 富士 LS 我国断路器 MCCB 的发展历程 公司同行业竞争对手 二 断路器的发展及应用 TN系统S PE线保护功能与接地的N线或与接地的带电导体 相线 分开C PE线保护功能与N线合一 PEN TN系统电力系统有一点直接接地 电气装置的外露可导电部分通过保护线与该接地点相连接 TN系统可分为 TN S系统 整个系统的中性线与保护线是分开的 三相五线 TN C系统 整个系统的中性线与保护线是合一的 三相四线 TN C系统TN C S系统 系统中有一部分线路的中性线与保护线是合一的 TT系统电力系统有一点直接接地 电气设备的外露可导电部分通过保护接地线至与电力系统接地点无关的接地极 IT系统 三相三线制 电力系统与大地间不直接连接 电气装置的外露可导电部分 通过保护接地线与接地级连接 在IT系统中 一般不使用中线 低压配电系统的种类 二 断路器的发展及应用 低压配电系统的种类 二 断路器的发展及应用 双联开关 二 断路器的发展及应用 三 低压断路器中重要的材料及制造工艺 材料 热双金属材料 电阻合金材料 作用 1 利用高电阻来发热把热量传给双金属片 2 串接在回路中 作为限流元件 触头材料 绝缘材料 钎焊材料 磁性材料 弹性材料 软磁合金材料 坡莫合金 三 低压断路器中重要的材料及制造工艺 制造工艺 零件表面镀覆工艺 薄板零件的冲压工艺弹簧制造及测量工 热双金属元件热处理及表面处理 软磁合金材料热处理工艺 塑料制品成型工艺 铆接工艺 焊接工艺 互感器制造工艺 铭牌内容 结构 动作原理 附件 选用 公司产品简介 四 TCL LEGRAND的产品 配电电器 万能式断路器 塑料外壳式断路器TIW1系列TIM1系列TIM2系列TIL1系列 漏电 TIL2系列 漏电 双电源自动转换开关TIQ1系列TIQ2系列TIQ3系列 隔离开关TIG1 100 模数化插座TIA1系列 产品简介 公司产品在配电系统中 TIQ1 TIQ3 TIQ2 TIM2 TIB6 TIB1TIB2 产品简介 TIM1 TIW1 塑壳断路器 MCCB 产品简介 主要内容 铭牌内容 电流 Inm In Ir 电压 Ue Ui Uimp 功率因数 短路性能 Icu Ics Icw 使用类别 A B 其他使用条件 如果适用的话 隔离功能 IT 额定绝缘电压Ui 在任何情况下 最大的额定工作电压值不应超过额定绝缘电压值 此值与介电试验电压和爬电距离有关 不同电位的两个导电部件之间沿绝缘材料表面的最短距离 额定冲击耐受电压Uimp 在规定条件下 电器能够耐受而不击穿的具有规定形状和极性的冲击电压峰值 该值与电气间隙值有关 不同电位的两导电部件的空间直线距离 断路器的耐压 铭牌内容 A类 无额定短时耐受电流要求 即在短路情况下 选择性保护无人为短延时B类 具有额定短时耐受电流要求 即在短路情况下 选择性保护有人为短延时 可调节 使用类别 铭牌内容 带隔离功能的断路器 条件 全级分断 锁定于 分 位置 确定隔离 作以下规定 全视在分断 一个机械装置保证主触头的位置是手柄位置的反映 已断开电气的漏电电流 小于2mA 抗冲击电压 断开的触头之间最小的隔离距离 或者冲击电压验证 12KV时 污染等级2情况下 14mm 隔离功能 铭牌内容 热继电器的脱扣等级 4级 10A 10 20和30 是在7 2Ir时的脱扣时间基础上为保护继电器规定的 表明的是对电动机启动时间的适应性 热脱扣等级 电动机保护 铭牌内容 IPXX 用数字表示外壳提供的保护程度 第一个数字代表防止固体进入0 无防护1 防止直径大于50mm固体进入2 防止直径大于12 5mm固体进入3 防止直径大于2 5mm固体进入4 防止直径大于1mm固体进入5 防尘 无有害沉积 6 完全防尘 第二个数字代表防止水进入0 无防护1 防止垂直滴水2 防止垂直方向15 范围内滴水3 防止垂直方向60 范围内淋水4 防止各个方向的喷水5 防止各个方向的强烈喷水6 防止浸水7 防止持续浸水 防护等级 铭牌内容 结构 MCCB主要组成外壳灭弧系统触头系统 导电系统 操作机构脱扣系统 结构 TIM2内部图 结构 TIL2内部图 结构 脱扣器的型式 有两种型式的脱扣器 热磁式脱扣器 直热式 傍热式 复式加热 TA式电子式脱扣器两种脱扣器的主要功能 过电流保护使电流过载的回路断开漏电脱扣器的主要功能 对线路或设备进行漏电保护 结构 结构 直热式 傍热式 原理 热双金属片 热双金属片 受热变形后向一侧弯曲 起过载保护作用 示意的热脱扣曲线 Ir kxInIr 热保护整定值k取决于断路器 Int k1xIr约定不脱扣电流k1 1 05 MCCB 1 13 MCB 1小时In 63A2小时In 63A 在过电流持续一段时间后双金属片的弯曲足以引起脱扣 必定不脱扣区域 可能脱扣区域 必定脱扣区域 Ir Int It 1h 双金属片原理 过载保护的脱扣曲线 t I 原理 热双金属片 脱扣机构 双金属片 高 示意的瞬时脱扣曲线 利用电磁原理 认为电流是短路电流 Im短路脱扣电流整定值Imnt Imt为动作最小值最大值 必定脱扣区域 可能脱扣区域 必定不脱扣区域 Imnt Im Imt I time 短路保护的脱扣曲线 原理 瞬时脱扣 动铁芯 静铁芯 大电流 脱扣机构 弹簧 原理 电磁系统 电磁铁原理 电流流过导体时 在导体周围产生磁场 电流越大 磁场越强 起短路保护作用 导体 动铁芯 静铁芯 弹簧 原理 热磁系统 热磁式脱扣器动作曲线图 过载保护特性 短路保护特性 原理 电子式 电子式脱扣器动作曲线图 原理 电子式 电子式脱扣器动作曲线图 反时限曲线 定时限曲线 原理 触头系统 断路器触头三要素 开距 压力 超程开距 动触头的行程 断开时离静触头最大距离 作用 a 打开时 拉长电弧 增加电弧电压 加速电弧熄灭 b 不让电弧击穿 引起电弧重燃 压力 分初压力与终压力二种初压力 动静触头刚接触时的触头压力 作用是限制和防止刚接触时产生的机械振动 以免产生电弧使触头增加磨损而降低了寿命 终压力 动静触头完全闭合时的触头压力 作用是保证接触电阻最小 控制温升 另一方面不会因为有较大的期故障电流 就因为电动斥力而断开 超程 触头闭合后 移去静触头后动触头所能移动的距离 作用 它是保证触头在其寿命终结前能够可靠地接触的必要值 注 这三要素是产品所必需控制的值 但不是个死值而是根据不同的产品在经过多次的试验所确定下的 设计时只是采用了经验值 原理 机构 四连杆机构 通过运动副相连的3个活动构件和一个固定机架断路器的动作机构是一种四连杆机构 操作机构 传动机构 脱扣机构 断路器的分合闸及断开动作是由操作机构 传动机构 脱扣机构等来实现 原理 机构 再扣状态 与分闸同一状态 注 再扣同分闸同状态 但动作过程不同 四连杆状态 有一个自由度 合 原理 机构 合闸状态 四连杆状态 有一个自由度 分 原理 机构 自由脱扣状态 五连杆状态 有二个自由度 绕A点向左或向右运动 A 原理 结构 电气附件 插入式 电气附件 抽屉式 电气附件 内部附件 分励脱扣器 分励脱扣器用于远距离控制断路器分闸 分励脱扣器用于远距离控制断路器分闸 当电源电压等于额定控制电源电压Ue的70 110 之间的任一电压时 则在断路器的所有操作条件下应导致分励脱扣器脱扣 K 分励脱扣器内部与线圈串联的微动开关为常闭触头 当断路器分闸后 该触头自行断开 合闸时闭合 Inm 125 160A时 DC24V分励脱扣器无此微动开关 直接用导线连接 电气附件 内部附件 分励脱扣器当采用额定控制电源电压DC24V规格分励脱扣器时 铜导线最大长度 两根导线中每根长度 须满足下表条件 当不能满足上述表中要求时 推荐采用右图进行分励脱扣器控制回路设计 方案保证了断路器可靠断开但这种方法只是对DC24V分励脱扣器的压降过大时所推荐的一种解决方案 对用户来说并不是最好的方案 原因 1 增加了制造成本 还不符合原设计 2 如在消防系统中并不完全符合要求 3 中间继电器所带来的不可靠性 电气附件 内部附件 欠电压脱扣器 用作线路及电源设备的欠电压保护用 串联一个常闭按钮可以实现分励脱扣器的功能 长期工作制 电气附件 内部附件 辅助触头 报警触头 辅助触头用于断路器的控制回路作为自动控制用 如断路器的分断及合闸的信号指示 报警触头用于对断路器负载电流的过载 短路 线路和设备的欠电压故障断开时作为报警用 250以下 电气附件 外部附件 CD2型电动操作机构 用于远距离控制断路器合闸 电动机合闸及分闸兼有手动合闸和断开断路器 具有手动紧急断开按钮功能 用户可装置断开位置锁 防止断路器合闸 电气附件 外部附件 手操作机构 在断路器上旋转手柄控制断路器的合闸和分断 在开关小室门外用旋转手柄控制断路器的合闸和分断 用旋转手柄操作机构与小室门进行联锁 防止断路器在合闸状态下 小室门被打开 用户可装置断开位置锁 防止断路器合闸 电气附件 外部附件 手操作机构 A 1型 A 2型 F1 1型 F1 2型 F2型 中心式CS1 偏心式CS2 手柄 操作机构 选择的一般要求 按正常工作条件选择额定电压额定电流保护特性按短路工作条件选择短时耐受电流短路分断能力 按使用环境条件选择多尘环境腐蚀环境高原地区热带地区特殊场所 断路器选用 选型 一般选用原则 1 断路器的额定工作电压 线路额定电压 2 断路器的额定电流 线路负载电流 3 断路器的额定短路通断能力 线路中可能出现的最大短路电流 按有效值计算 4 线路末端单相对地短路电流 1 25倍断路器瞬时脱扣器整定电流 5 断路器的欠电压脱扣器额定电压 线路额定电压 6 断路器分励脱扣器额定电压 控制电源电压 7 电动传动机的额定工作电压 控制电源电压 8 校核断路器允许的接线方向 有些型号断路器只允许上进线 有些型号允许上进线或下进线 断路器选用 不同的负载应选用不同类型的断路器 最常见的负载有配电线路 电动机和家用与类似家用 照明 家用电器等 三大类 以此相对应的便有配电保护型 电动机保护型和家用及类似家用保护型的断路器 这三类断路器的保护性质和保护特性是不相同的 对配电型断路器而言 它有A类和B类之分 A类为非选择型 B类为选择型 所谓选择型是指断路器具有过载长延时 短路短延时和短路瞬时的三段保护特性 TIM1 TIM2系列仅有过载长延时 短路瞬时的二段保护 它们是属于非选择型的A类断路器 断路器选用 四极断路器的型式 断路器选用 TIM1 TIM2系列A型 N极装过电流脱扣器 且N极与其他三极一起分合B型 N极不装过电流脱扣器 且N极与其他三极一起分合 C型 N极不装过电流脱扣器 且N极始终接通 不与其他三极一起分合 D型 N极装过电流脱扣器 且N极始终接通 不与其他三极一起分合 注 1 TIM1型无D型2 N级装中性线断线保护器 极与其他三极一起分合 A型和D型适用于三相负载不平衡的情况 且负载中有大量电子设备 谐波成分很大 导致N线的电流等于或大于相线电流 N线过载而无法借助于三个相线的过电流脱扣器的动作来切断过载故障的情况 B和C型式适用于中性线电流不超过相线电流的25 的正常状态 其中C型适用于TN C系统 PEN线不允许断开 注2型适合于在中性线断线时 切断三相及中线 以保护单相设备避免损毁和间接触电事故的发生 断路器选用 四极断路器的应用 选用四极断路器 应以能否确保系统供电的可靠性 安全性为准 1 TN C系统 TN C系统中 N线与保护线PE合二为一 PEN线 考虑安全 任何时候不允许断开PEN线 因此禁用四极断路器 可用C型 2 TT系统 TN C S系统和TN S系统可使用四极断路器 以便在维修时保障检修者的安全 但是TN C S和TN S系统 断路器的N极只能接N线 而不能接PEN或PE线 3 装设双电源切换的场所 由于系统中所有的中性线 N线 是通联的 为了确保被切换的电源开关 断路器 的检修安全 必须采用四极断路器 4 用于380 220V系统的剩余电流保护器 漏电断路器 中性线必须穿越保护器的零序电流互感器 铁心 防止无中性线的穿过 使220V的负载有泄漏电流而误动作 此时应选用四极或带中性线的二极剩余电流保护器 四极断路器的应用 断路器选用 对于直接保护电动机的电动机保护型断路器 它只要有过载长延时和短路瞬时的二段保护性能就够了 也就是说它可选择A类断路器 包括塑壳式和万能式 TIM1 TIM2及TIW1等系列除有配电保护的性能外 它们的400A及以下规格均有保护电动机的功能 家用和类似场所的保护 过去又称它为导线保护或照明保护 也是一种小型的A类断路器 其典型产品有TIB1 TIB2 TIB6等 配电 线路 电动机和家用等的过电流保护断路器 因保护对象 如变压器 电线电缆 电动机和家用电器等 的承受过载电流的能力 包括电动机的起动电流和起动时间等 有差异 因此 选用的断路器的保护特性也是不同的 断路器选用 保护类型 断路器的短路分断能力 线路的预期短路电流 假设某电源 SL710 0 4kV变压器 的容量为1600kVA 二次电流为2312A 其出线端5m处的短路电流为42 96kA 某一支路的额定电流为125A 由于此支路离变压器很近 如在10m处 则此支路的断路器需要考虑采用TIM1H 125型塑壳式断路器 它的极限短路分断能力为400V 50kA 但是离变压器50m处 由于汇流排等的电阻和电抗值影响 50m处的短路电流已经降到34 5kA 而100m处 降为28 8kA 对此就可选择TIM1S 125型塑壳式断路器 它的极限短路分断能力为400V 35kA In S US 变压器容量U 额定电压In 变压器饱和电流Isc In ZIsc 短路电流Z 变压器的阻抗 断路器选用 断路器的短路分断能力 线路的预期短路电流 用户在设计选用时只要符合断路器的极限短路分断能力 线路预期短路电流就能满足要求了 对线路本身来说 例如上面举例的变压器容量为1600kVA的线路 可能出现的短路电流约为43kA 它是仅计算离变压器距离为5m 且把刀开关