低压断路器及选型.doc

1、实用低压断路器一、低压断路器的分类 低压断路器(曾称自动开关)是一种不仅可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电流，还可以接通和分断短路电流的开关电器。低压断路器在电路中除起通断控制作用外，还具有保护功能，如过负荷、短路、欠压和漏电保护等。低压断路器可以手动直接操作和电动操作，有的还可以实现远方遥控操作。低压断路器的分类：低压断路器的分类方式很多按结构形式可分为：框架式断路器(ACB)又称开启式、万能式断路器。比如ABB的F、Emax系列、施耐德的M、MT系列、穆勒的IZM系列、西门子的WL系列、国产的DW系列等。框架式断路器所有零件都装在一个绝缘的金属框架内，常为开启式，可装设多种附件，更换触头

2、和部件较为方便。有手操动、储能式、非储能式以及电动式等操动形式。按安装方式可分为固定式和抽屉式两种，固定式外壳采用金属材料，外形尺寸较大，防护等级较低；抽屉式采用工程塑料外壳，结构较为紧凑，防护等级高，检修方便，多用在电源端总开关。过电流脱扣器有热磁式、电磁式（单磁）、电子式和智能化脱扣器等几种。断路器具有长延时、短延时、瞬时三段保护及接地保护，每种保护整定值均根据其壳架等级在一定范围内可选择或调整。随着微电子技术的发展，现在部分智能型断路器具有区域选择联锁功能，充分保证了动作的灵敏性和选择性。ACB的最大特点是容量大、极限短路分断能力高和足够的短时耐受电流，有的断路器的额定电流高达5000

3、A,额定短时耐受(允许)电流Icw 高达100kA (1S)。这使得ACB的有很好的选择性和稳定性。ACB的功能完善但价格贵，多用于作为低压配电系统的主开关，以及重要的、负载较大的主干线的保护。塑壳式断路器(MCCB)又称装置式断路器，比如ABB的lsomaxS、Tmax系列、施耐德的NS、NSX系列、国产的DZ20系列等。所有零件都密封于外壳中，辅助触点、欠压脱扣器以及分励脱扣器等多采用模块化，由于结构非常紧凑，MCCB基本不能检修。MCCB多为手动操作，大容量也有选择电动操作。由干电子式保护脱扣器的应用，MCCB也具备了三段保护特性，但由于价格因素，采用热磁式或电磁式脱扣器的断路器用量更大

4、。MCCB的特点是体积小、接触防护好、安装使用方便、价格相对便宜。但与ACB比，MCCB的容量小，短路分断能力低，选择性和短时耐受能力差。近年来新型MCCB容量已经做到3000A，极限短路分断能力高达150kA以上，但因结构上的原因，短时耐受能力是最大短板，使选择型MCCB的应用受到局限。由于上述原因，MCCB主要用于未端线路和一些分干线，主要作电动机、小容量配电线路。还有一类叫微型断路器（MCB）又称微断，比如ABB的S250系列、施耐德的C65系列、国产的DZ47系列等。实际上也是塑壳断路器的一种，因其体积很小把它另列，微断的特点是结构紧凑、接触防护好、安装使用方便、价格便宜，与塑壳式断路

5、器相比容量更小，短路分断能力更低，短时耐受能力更差，主要做微小型电动机、小容量配电线路和照明保护和家用。按保护负载性质和特性可分为：配电保护型、电动机保护型和家用保护型断路器。按脱扣器类型可分为：电磁（单磁）脱扣器、热磁脱扣器和电子脱扣器，电子脱扣器还可分为拨动开关式、智能数显式。 按使用类别分为非选择型(A类)和选择型(B类)。A类，这类断路器不设置任何脱扣延时，只要达到定值立即跳闸。承受短路的时间就是瞬时脱扣器动作的时间。此时选择断路器可按Ics或Icu满足短路预期电流，考虑到更严格一些的使用条件，一般我们习惯按Ics满足短路预期电流选择。 B类，这类断路器为了实现选择性在小于Icw的短路

6、时延时一定时间脱扣。此时选择断路器就必须按Icw满足短路预期电流。按安装方式分，有固定式、插入式、抽屉式、抽出式和嵌入式等。按极数分，可分为单极、二极、三极和四极式等。二、低压断路器的技术参数含义1.断路器额定电流In。是在给定的环境温度条件下承载的最大连续电流而无异常发热保证断路器正常工作的电流,又称脱扣器额定电流。2.壳架等级额定电流。代表断路器的外形大小的等级,以此表示断路器的最大额定电流。如：施耐德NS160N TMD80，表示为施耐德NS160A壳架，N表示极限分断能力在AC380/415V条件下为36KA，TMD80表示配电用热磁脱扣器额定电流为80A。3.断路器短路分断能力：极限

7、短路分断能力Icu。 它是在规定的电压、电流和cos 的条件下，执行o-co两个试验程序，能完全分断和熄灭电弧，无超出规定的损伤(触头损伤和飞弧损伤)。试品试后经受一定的工频耐压试验，且过载脱扣器在一定的整定电流下能正常脱扣。满足规定的试验程序所规定的条件,不包括断路器连续承载其额定电流能力的分断能力。它用预期分断电流(kA）表示（在交流情况下用交流分量有效值表示）。额定运行（工作）短路分断能力Ics。它是在规定的电压、电流和cos 的条件下，执行o-co-co三个试验程序，能完全分断，熄灭电弧，无超出规定的损伤。试后试品除符合规定的工频耐压和过载脱扣器的验证试验外， 尚须考核温升和操作性能(

8、5 电寿命)的验证。满足规定的试验程序所规定的条件,包括断路器连续承载其额定电流能力的分断能力它用预期分断电流(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并化整到最接近的整数,它可用Icu的百分数表示(例如Ics=25%Icu)。另一方面,当额定运行短路分断能力等于额定短时耐受电流时,它可以按额定短时耐受电流值（kA）规定之，只要它不小于相应的最小值。如果使用类别A的Icu超过200kA，或使用类别B的Icu超过100kA,则制造厂可声明Ics值为50kA。显然Ics比Icu的考核严格。换言之，作了Ics试验后，产品还能继续使用，而Icu则不然，经过Icu试验后，产品不能再用。

9、我们在选择断路器时，为保证能够可靠的断开故障电流，而不致使故障扩大，并在故障过后能够使供电连续性得到保证。一般按Ics来选择断路器的短路分断能力。额定短时允许（耐受）电流Icw。断路器在短时期内（0.5或1S）可以承受且无特性变化的最大短路电流。反映了断路器在短时间内所承受的短路热稳定性能。由于使用情况不同，具有三段保护的重要回路断路器，偏重于它的额定运行短路分断能力值，而用于非重要的回路断路器主要确保它有足够的极限短路分断能力值。对此我的理解是：重要回路切除故障电流后断路器要求能够继续供电，承载一段时间的额定电流，在适当的时间更换。而份重要回路，经过极限短路电流的分断和再次的合、分后，已完成

10、其使命，可以停电更换新的（停电的影响较小）。但是无论是框架式或塑壳式断路器，都有必须具备Icu和Ics这两个重要的技术指标。只是Ics值在两类断路器上表现略有不同，塑壳式的最小允许Ics可以是25%Icu，框架式最小允许Ics是50%Icu，Ics=Icu的断路器比较少见，采用旋转双分断（点）技术的塑壳式断路器，它的限流性能极好，分断能力的裕度很大，可做到Ics=Icu，但价格很高。在实际中应该根据使用情况来选择，有人按其所计算的线路预期短路电流选择断路器时，以断路器的额定运行短路分断能力衡量，来判定某断路器（此断路器的极限短路能力大于线路预期短路电流，而运行短路分断能力则低于计算电流）为不合

11、格。这是一个误解。4.断路器的过载、短路保护特性。 在断路器所保护的配电系统中，当发生故障时，距故障点最近的断路器能够按规定的保护特性正确的有选择的动作将故障切除，而其他各级断路器不动作，从而将故障所造成的断电限制在最小范围内，使其他无故障供电回路仍能保持正常供电，这就是对断路器保护所要求的。断路器所配备的保护脱扣器有四种： 具有反时限特性的长延时热过载保护，具有一定时限的短路短延时保护，短路瞬时保护，接地保护。在日常的使用中，根据使用意图和技术经济比较，可以选择带四种保护，也可以选长延时、瞬时或短延时三种保护组成三段式保护，还可只选长延时、瞬时两种保护两段式保护，短路瞬时分闸时间一般在203

12、0ms之内，还可选用只有瞬时速断保护的断路器。5.额定工作电压Ue 。 一般表示相间的电压。对于三相四线中性线接地系统是指相地间电压，包括相间电压（例如277/480V ),对于三相三线不接地或阻抗接地系统表示相间电压（例如480V ).断路器额定频率。如果规定断路器只用于一个频率时，则应标明额定频率(6.其它还有：使用类别，结构形式、极数、安装方式、安装尺寸，额定工作制，防护等级(如果不是IP20时)，基准周围空气温度(如果不是30时);隔离功能。隔离的含义：出于安全的原因，通过使其与所有电源分开的方法切断整个装置或其中一个独立部分的电源。三、低压断路器的选择主要根据负载特点和安装地点使用要

13、求选用断路器的技术参数。1额定电流、断路分断能力参数的选择断路器的主要技术参数主要有：1.额定电流，2.断路器短路分断能力，此外还要考虑断路器保护特性。1.1 额定电流的选择额定电流的选择受若干因素的影响，可按下式计算：In =IlABCDEFG式中：In- 断路器的额定电流Il-负载电流的计算值A- 环境温度系数B-连接导线截面积系数C- 负载类别系数D-海拔高度系数E-电源频率系数F-安全系数G-断路器的工作制系数1.1.1 安装环境温度系数环境温度对断路器过载脱扣电流的影响断路器的过载保护依靠热脱扣器来完成,通常热脱扣器额定电流是根据IEC898标准,在基准温度为30条件下整定的。热脱扣

14、器与环境温度有直接关系,温度变化会导致断路器额定电流值发生变化。当温度偏离基准温度时,应根据制造商提供的温度与截流系数修正表,来修正断路器的额定电流值。考虑断路器实际安装处的周围温度对断路器发热、过载保护延时特性的影响，一般系数A都由相应产品的校正系数给出。如缺乏相关数据，系数A可按下式选用： A 式中：K- 断路器安装在配电柜内时，柜内、外环境温度之差 K- 断路器接线端的允许温升 (1)K由配电柜的结构型式确定。当柜外的空气温度为+40，一般抽屉柜内的温度约为+55 ，密封柜约为+60 。断路器允许使用的环境温度按国家标准GBl4048.2的规定为+40。当它装于配电柜中时：对于一般抽屉柜

15、例如GCK、GCL、GCS等，K=55-40= l5()，对密封柜K =60-40=20()。(2)对镀银的铜排(新)取 K=7O。据此计算系数为：抽屉柜 A =1.24对密封柜 A=1.3显然对已经使用的产品,则应考虑降容使用，降容系数=A-1。对抽屉柜：=A-1= 1.24-1=0.8l。对密封柜：=A-1= 1.3-1=0.77。1.1.2 导线截面系数B连接导线载面积的大小对断路器的发热的保护特性有直接影响。当实际导线比标准导线的截面小时，导线的热量将流向断路器，导致断路器接线端及触头温升增高，并出现断路器早跳，同时导线的绝缘老化也加速。反之，当实用导线的截面大于标准导线的截面时，断路

16、器触头系统的热量可流向导线使开关动作时间延长，甚至不动作。导线截面大小影响系数可参考表1。表l 导线截面大小影响系数实用导线与标准导线截面之比0.5O0.600.7O0.800.901.001.251.5O B1.401.251.151.O71.3O1.000.990.97这里应指出的是导线材料为标准铜。1.1.3 负载类别系数C负载类别系数C，按表2选用。表2 负载类别系数负载类别 C 负载类别C成组断路器(12个以上)1.1O单台电动机(正常负载)1.25通断电容器1.50单台电动机(重任务)1.50通断电磁铁1.25其他负载1.001.1.4 海拔高度系数DGB l4048.2规定断路器

17、正常使用的海拔高度为2000 m。当高于2000 m时，由于空气密度降低，对流散热条件变坏，对产品散热不利。同时，灭弧条件也变坏。因此，要考虑海拔高度系数D。有的产品给出不同海拔高度时，产品降容使用系数d，而d=D-1。当未知产品的系数D时，可按下式进行计算：D =H0.025H式中：H-断路器安装的海拔高度，kmH- 断路器实际安装海拔与2km的高度差，km计算结果列于表3。 表3 海拔高度系数D计算结果HHDd=D-12O1.001.003l1.030.97421.070.93531.13O.881.1.5 电源频率系数E在多数情况下无论电源频率是50Hz或60Hz,对主电路均可不考虑,即

18、E=l(按GBl4048.32002之8.3.2.1.3b)对额定电流大于800A的电器,即使在60Hz时仍应考虑涡流及趋肤效应的影响,作发热试验,除非制造厂与用户之间有协议,允许在60 Hz下使用)。但当电源频率6O400 Hz时,由于涡流及趋肤效应引起导体发热,温升升高,故应考虑电源频率对主电路的影响系数E,见表4。表4 电源频率与电源频率系数关系电源频率HzE电源频率HzEDC1.001802401.255O601.002403501.40l5018O1.O7350400l.50值得指出的是，即使5060 Hz对欠电压继电器(电磁式)等长期工作的部件，应考虑50 Hz与60 Hz的转换系

19、数。至于对分励脱扣与电动操动机构等短时工作的部件，因其工作电压范围较宽，可不考虑5OHz与60Hz的区别。 1.1.6 安全系数F主要考虑断路器的额定极限与实际电路计算值的相适应，一般取F=1.1。1.1.7 工作制系数G工作制系数G,见表5。表5 工作制系数工作制持续工作制(带载工作大于3h)断续工作制(带载工作小于3h)C1.251.001.2 断路器分断能力的选择1.2.1 断路器的分断指标的意义按GB14048.2-200l标准的规定，断路器的分断能力有两个指标。(1)额定极限短路分断能力Icu。(2)额定运行（工作）短路分断能力Ics。(3)额定短时耐受电流Icw主要是指短路情况下热

20、稳定能力。在选择电源进线和配电线路的断路器时，偏重按产品的Ics来选择，这有利于保证主干线的持续供电,而对于末端断路器则按断路器的Icu来选择,这样使停电的影响较小。但不能把不小于线路计算预期短路电流值作为选择的唯一的标准。因为Ics1.3In下，即In上124In下。例如：下级100A的MCCB，上级至少要125A的MCCB。 上级MCCB与下级MCB的配合(符合标准为GB14048.2对GB10963)应满足1.05In上 1.45In下，即In上1.38In下。例如：下级32A的MCB,上级至少要44.16A的MCCB，则应选用50A的MCCB。 上级MCB与下级MCB的配合(符合标准为

21、GB10963对GB10963)应满足1.13In上 1.45In下,即In上1.28In下。例如：下级l0A的MCB，上级至少要l2.8A的MCB，则应选用16A的MCCB。 在施奈德低压电器应用指南中要求，上下级过载（长延时）保护脱扣器整定值之比应大于1.6 才能保证过载脱扣保护的选择性。过载脱扣特性的上下级断路器的配合如表1所示 表1 过载脱扣特性的上下级断路器的配合 (2)瞬动脱扣特性的上下级配合。配合原则是上级断路器的瞬动不动作电流大于下级断路器的瞬动动作电流的峰值。 上级ACB或MCCB与下级MCCB的配合(符合标准为GB14048.2对GB14048.2)应满足上级特性的下限值(

22、8In上)大于下级特性的上限峰值(21/212In下),即In上2.12In下。例如：下级63A的MCCB,上级至少要133.56A的MCCB,则应选用160A或以上的MCCB。 上级MCCB与下级C型MCB的配合(符合标准为GB14048.2对GB10963)应满足上级特性的下限值(8In上 )大于下级特性的上限峰值(21/210In下)，即In上1.77In下。例如：下级40A的C型MCB，上级至少要7O.8A的MCCB，则应选用80A或以上的MCCB。 上级MCCB与下级D型MCB的配合(符合标准为GB14048.2对GB10963)应满足上级特性的的下限值(8In上)大于下级特性的的上

23、限峰值(21/214In下)，即In上2.47In下。例如：下级40A的D型MCB,上级至少要98.8A的MCCB，则应选用100A或以上的MCCB。 上级是C型MCB与下级C型MCB的配合(符合标准为GB10963对GB10963)应满足上级特性的的下限值(5In上 )大于下级特性的的上限峰值(21/210In下)，即In上2.83In下。例如：下级10A的C型MCB，上级的C型MCB至少要28.3A，则应选用32A及以上的C型MCB。 上级是C型MCB与下级D型MCB的配合(符合标准为GB10963对GB10963)应满足上级特性的的下限值(5In上)大于下级特性的的上限峰值(21/214

24、In下)，即In上3.96In下。例如：下级10A的D型MCB，上级的C型MCB至少要39.6A，则应选用40A及以上的C型MCB。 在施奈德低压电器应用指南中要求，要满足上下级断路器的全选择性，上下级断路器额定电流之比要大于2.5才可以。瞬动脱扣特性的上下级断路器的配合如表2所示。表2 瞬动脱扣特性的上下级断路器的配合表1.2.2 时间选择性通过上级断路器较下级断路器的延时动作来实现选择性(实际上正因为它的“延时”性能，而就使其不动作了)。对于A类断路器(MCCB)，在过载区，可选择到上下级脱扣曲线不重合或不相交。但在瞬动区不能避免交叉或重合。所以，实现时间选择性，上级必须用B类断路器(B类

25、断路器具有短路短延时和短时耐受电流能力的断路器)。时间选择性配合如图3所示。 图3 上下级断路器的时间选择性配合1.2.3 能量选择性这是基于上下级断路器都具有限流能力并其脱扭陛能能灵敏反映线路中短路能量的一种选择性。当两个断路器检测到大电流时，下级断路器限流非常快，其限制的能量不足以使上级断路器脱扣。上下级断路器的能量曲线如图4所示，当下级的能量曲线位于上级的下方时，就能实现能量选择性。 图4 断路器的能量曲线1.2.4 逻辑选择性(区域选择性联锁)是基于上下级断路器都具备某些智能化功能和通信功能，可以实现逻辑选择性。图5为逻辑选择性的工作示意图。 图5 逻辑选择性的工作示意通过区域选择性联

26、锁(ZSI)的工作程序为： 下级断路器B检测到故障并向上级断路器A发送不脱扣信号； 上级断路器A接收到B的信号，保持不脱扣； B断路器切除故障区的电源； A断路器保持闭合，或在设定时间内B仍不脱扣时，A才脱扣。2.1 限流在断路器中的作用 (1)降低短路电流对线路、设备及断路器本身的危害。这种危害体现在3方面： 热效应：对绝缘的破坏，加速绝缘材料老化； 电动力效应：使设备或其零部件变形、损坏； 电磁效应：电流骤变时产生的电磁场对周围的电磁干扰，尤其对电子设备造成影响。图6为限流效果示意图。由于限流作用，降低了短路电流在热、力、磁等方面的破坏或影响。 (2)提高了断路器的短路分断能力。断路器限流

27、，不仅保护了本身，而且使断路器能使用在有更高预期短路电流的电路中。 图6 限流效果示意图2.2 限流在选择性保护中的作用(1)可降低对上级断路器分断能力的要求。(2)由于下级的限流，保证了上级不跳闸，保证选择性保护的实现。(3)上级断路器的限流，构成级联保护技术。(4)级联保护技术。级联技术是利用“联”接成上下“级”关系的两个断路器的限流特性可以“提升”上下级断路器的分断能力，也为选择性保护的实现提供技术支持。当出现短路电流时，级联保护的过程可分解为： 下级断路器的触点开始打开； 上级断路器触点由于(下级的)限流而微微斥开，又进一步降低了短路电流； 下级断路器在降低了的短路电流下成功分断； 上

28、级断路器的触点(因电流被分断，电动力消失)再次闭合。归纳起来，实现级联保护技术的基础是利用断路器的限流能力；上级断路器微微斥开而产生的电弧，对短路电流相当于一附加阻抗，从而限制了短路电流，因而可降低对下级断路器分断能力的要求，亦即允许使用分断能力低于预期短路电流的下级断路器。既保护可靠，又降低成本。2.3 限流的实现2.3.1 电动力限流这是最常用的限流方法。设计断路器中电流的u形路径、适当的触头臂长，使短路电流未达到预期峰值时，产生的电动力已能克服触头弹簧反力，而将动触头斥开。电动力为F2I2LH式中I为电流；L为U形臂长；H为两臂间距离。须注意的是，电动力是“双刃剑”，设计不良，会造成触头

29、接触不良或损坏结构件。2.3.2 机械结构限流从机构设计上实现当一定过载时，使动触头强行断开的结构，在触动脱扣机构的同时，也在拉动动触头加速脱扣。2.3.3 灭弧限流设计断路器有良好的灭弧能力是有效的限流方法。分断大电流时，应使触头问尽早形成电弧电压，且能尽快地灭弧，也就实现了限流。燃弧时的等效电路如图7所示。 图7 燃弧时的等效电路按此等效电路，方程为E=IhR+Uh+Ldlhdt (1)式中：E为电源电压；Ih为电弧电流；Uh为电弧电压；L为线路电感；R为线路电阻。由于LR，则式(1)简化成dIhdt=(E-Uh)/L可知:当Uh0,电弧在增强。当UhE时，dIhdt0,电弧减弱。所以,欲

30、使电弧熄灭，就要尽快提高电弧电压。采取提高动触头分闸速度、加引弧片、磁吹、气吹、加产气片、加隔弧栅片、用双断点、以至利用电弧产生的高温气体膨胀压力加速触头运动等技术,都是为此目的的措施。在限流方面,我公司规定变压器二次断路器只作为负荷开关使用,不设保护,这样在选择断路器时就不能考虑上级断路器的级联和限流作用。这就产生了几个问题,就是没有了上级断路器的限流作用,各配出断路器必须按Ics或Icw（带延时保护的）满足安装地点预期短路电流考虑；各配出断路器保护整定必须与变压器一次过流保护配合；如果把变压器二次断路器只作为负荷开关使用,还不如直接选择同规格的负荷开关，省去了保护部分可省下不少投资。另外在

31、选择电动机断路器时还应考虑是两元件还是三元件，我们厂一般都是三元件方式。两元件方式,断路器即作为过载保护又作为短路保护,应选择至少两段保护式才能满足要求,而三元件方式,因为有热继电器作过载保护,故可选用只有速断保护的断路器。但我倾向于三元件也选择两段以上保护的断路器,特别是对于较大电机最好选择带可调短延时断路保护的断路器,这样在与上级保护配合时比较容易些。在过去设计和使用中，短路保护采用瞬时过电流脱扣器的居多，这就存在几个不利因素：第一，与下级断路器的配合，只有电流选择性，没有时间选择性，因此上下级断路器配合动作的选择性相对较差；第二，对于大电动机，启动电流瞬时峰值很大，为了保证电动机的可靠启

32、动，必须将断路器速断保护定值调的很大，如设计规范中要求的22.5倍启动电流，这样就使本级保护与上级保护很难配合；第三，低压侧出线断路器一般选用塑壳断路器，不同品牌的塑壳断路器其热磁脱扣器的瞬时整定倍数，有的可调(如ABB及施耐德的STR53UE)，有的不可调(如施耐德中的STR22SESTR22GESTR23SE)，电子脱扣器的瞬时(或短延时)整定倍数也是如此。如果整定倍数不可调,对整定校验单相短路电流的可靠性不利。下面来分析单相短路电流与断路器过电流脱扣器整定电流的关系：根据GB 50054-1995低压配电设计规范第423条有Idd1 1.3Idzj 式中Idd1为线路末端单相短路电流,A

33、；Idzj为出线断路器瞬时(或短延时)过电流脱扣器动作电流,A。 Idzj=KqIr 式中 Kq为出线断路器瞬时(或短延时)脱扣器整定倍数；Ir为出线断路器长延时过电流整定电流。当瞬动倍数越大,Idzj越大,要求线路末端单相短路电流就越大式中X2P为出线回路的相保电抗，R2P为出线回路的相保电阻。如果出线回路线路较长,且电缆截面较小,则Idd1较小,当发生单相短路时,因不满足Idd11.3Idzj 出线断路器拒动,就起不到保护作用。解决的办法有两个：第一,增大电缆截面,由于电缆截面增大,引起敷设钢管或电缆桥架增大及荷载增大,最终导致投资增大；第二，选用整定倍数可调的断路器来减小整定倍数,当然必须满足断路器的瞬时(或短延时)脱扣器整定电流大于线路的尖峰电流。瞬时脱扣器整定时躲过