断路器

什么是断路器

断路器又叫空气开关，是一种很基本的低压电器，断路器具有过载、短路和欠电压保护功能，能保护线路和电源的能力。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件，一获得了广泛的应用。

断路器的基本参数
Ue：额定电压          （690V）
Ui：额定绝缘电压     （1000V）
Uimp：额定冲击耐受电压（8KV）
断路器是配电系统中主要的保护电器之一，也是功能最完善的保护电器，其主要作用是作为短路、过载、接地故障、失压以及欠电压保护。根据不同需要，断路器可配备不同的继电器或脱扣器。脱扣器是断路器总体的一个组成部分，而继电器，则通过与断路器操作机构相连的欠电压脱扣器、分励脱器来控制断路器。低压断路器一般由脱扣器来完成其保护功能。
标明低压断路器电流特性的参数很多，容易混淆不清。在设计文件中，常常在标明断路器的电流值时，不说明电流值的意义，给定货造成混乱。要完整准确的选择断路器，清楚地标定断路器的各个电流参数是必要的。
1 断路器的额定电流参数
国标《低压开关设备和控制设备 低压断路器》gbl4048.2-94(等效采用iec947-2)对断路器的额定电流使用两个概念，断路器的额定电流1n和断路器壳架等级额定电流1nm，并给出如下定义：
--断路器的额定电流1n，是指脱扣器能长期通过的电流，也就是脱扣器额定电流。对带可调式脱扣器的断路器则为脱扣器可长期通过的最大电流。
--断路器壳架等级额定电流lnm，用基本几何尺寸相同和结构相似的框架或塑料外壳中所装的最大脱扣器额定电流表示。
国标gbl4048.2-94中对断路器额定电流的定义与我们通常所说的概念有些不同。当我们提及“断路器额定电流”这一概念时，通常是指“断路器壳架等级额定电流”而不是“脱扣器额定电流”。例如当我们选择一只dz20y-100／3300-80a型断路器时，通常我们简单地说其额定电流为 100a，脱扣器的额定电流为80a。多数低压断路器供应商所提供的产品资料中，也一般不提“断路器壳架等级额定电流”这一复杂的说法，而只给出“断路器额定电流”这一参数，其实就是“断路器额定电流”作为“断路器壳架等级额定电流”的一种简称，似乎较为合适。也许标准中对额定电流的定义与平时使用的不一致是导致混乱的原因之一。
“断路器壳架等级额定电流”是标明断路器的框架通流能力的参数，主要由主触头的通流能力决定，它也决定了所能安装的脱扣器的最大额定电流值。在选择断路器时，此参数是不可缺少的。
2 过电流脱扣器的电流参数
断路器的脱扣器型式有过电流脱扣器、欠电压脱扣器、分励脱扣器等。过电流脱扣器还可分为过载脱扣器和短路(电磁)脱扣器，并有长延时、短延时、瞬时之分。过电流脱扣器最为常用。
过电流脱扣器其动作电流整定值可以是固定的或是可调的，调节时通常利用旋钮或是调节杠杆。电磁式过流脱扣器既可以是固定的，也可以是可调的，而电子式过流脱扣器通常总是可调的。
过电流脱扣器按安装方式又可分为固定安装式或模块化安装式。固定安装式脱扣器和断路器壳体加工为一体，一旦出厂，其脱扣器额定电流不可调节，如dz20型；而模块化安装式脱扣作为断路器的一个安装模块，可随时调换，灵活性很强，如merlingerin公司的ns型。
标明过电流脱扣器的电流有以下几个参数：
--脱扣器额定电流1n，指脱扣器能长期通过的最大电流。
--长延时过载脱扣器动作电流整定值ir，固定式脱扣器其1r=in，可调式脱扣器其ir为脱扣器额定电流1n的倍数，如1r=0.4～1×1n。
--短延时电磁脱扣器动作电流整定值im，为过载脱扣器动作电流整定值ir的倍数，倍数固定或可调，如im=2～10×ir。对不可调式可在其中选择一适当的整定值。
--瞬时电磁脱扣器动作电流额定值im′，为脱扣器额定电流in的倍数，倍数固定或可调，如im′=1.5～11×in。对不可调式可在其中选择一适当的整定值。
3 断路器的短路特性电流参数
3.1 额定短路分断能力icn
断路器的额定短路分断能力icn应采用icu、ics表示，在具体产品标准中确定。
3.2 额定极限短路分断能力icu
额定极限短路分断能力icu是断路器规定的试验电压及其它规定条件下的极限短路分断电流之值，它可以用预期短路电流表示。要按规定的试验程序o-t-co动作之后，不考虑断路器继续承载它的额定电流。
o-表示分断操作；
co-表示接通操作后紧接着分断操作；
t-表示两个相继操作之间的时间间隔，一般不小于3min。
3.3 额定运行短路分断能力ics
额定运行短路分断能力ics是指断路器在规定的试验电压及其它规定条件下的一种比额定极限短路分断电流小的分断电流值，ics是icu的一个百分数。在按规定的试验程序o-t-co-t-co动作之后，断路器应有继续承载它的额定电流的能力。
对于额定短路分断能力大于1500a的小型断路器，国标《家用及类似场所用断路器》gbl0963(等效采用iecb98)规定应进行额定极限短路分断能力icu和额定运行短路分断能力ics试验。当icu≤6000a时，icu=ics，故只需作ics试验。所以标明短路分断能力为4500a、 6000a的小型断路器，其icu=ics=icn，故一般只提及其额定短路分断能力icn值。
3.4 额定短时耐受电流icw
额定短时耐受电流icw是指断路器在规定的试验条件下短时间承受的电流值。对于交流，此电流值是预期短路电流的周期分量有效值，与额定短时耐受电流有关的时间至少为0.05s。
4 标定断路器的电流参数
断路器的短路电流参数icu、ics、icw在选定断路器时需考虑，断路器型号和壳架等级额定电流inm选定后就已确定，故不需另外标明；而断路器的额定电流参数和所选脱扣器的电流参数需根据实际情况标明清楚。
4.1 小型断路器mcb(miniature circuitbreaker)
对于将塑壳和过电流脱扣器加工为一体的小型断路器mcb而言，如merlingerin公司的c45n系列、abb公司的s230系列、奇胜公司的e4cb系列、国产dzxl9系列等，一般产品资料中只提供“断路器额定电流”一个值，此参数具有断路器壳架等级额定电流inm、脱扣器额定电流in、长延时过载脱器动作电流整定值ir三重含义，也即inm=in=ir，而瞬时电磁脱扣器动作电流额定值im′一般为固定值。因此在选择小型断路器时，只需给出一个电流值即可，不会产生歧义。
4.2mccb(mouldedcasecircult-breaker)
塑壳式断路器产品种类繁多，标定其电流比较复杂。如国产dz20系列、abb公司的sacemodul系列、merlingerin公司的compactns系列均为常用的塑壳式断路器。
当断路器配装固定式的过流脱扣器时，脱扣器额定电流in和长延时过载脱扣器动作电流整定值ir相同，即in=ir，如dz20系列、tc系列、h 系列断路器属此种情况。此时需要标定两个电流值，断路器壳架等级额定电流inm、脱扣器额定电流in(或长延时过载脱扣器动作电流整定值ir)。瞬时脱扣器动作电流整定值im′为固定值，一般不需标明。
当断路器配装可调模块式的过流脱扣器时，脱扣器的各个电流均需明确标定，首先标明断路器壳架等级额定电流inm，然后标明所选择的脱扣器型号和脱扣器的各个电流整定值。如当选择merlingerin公司的compactns系列断路器时，需给出如下完整参数。
nsl00h型，imm=100a，配str22se-40a型电子脱扣器，in=40a，ir=0.8in(32a)，im=5ir
(160a)，im′≤11in(固定值)。
4.3 框架式断路器acb(aircircuitbreaker)
框架式断路器功能完善，多配装可调模块式过流脱扣器，如较me、dwl5、dwxl5型、merlingerin公司的masterpact系列、abb公司的asce－megamax－f系列等。标注电流参数时，首先标明断路器壳架等级额定电流inm，然后标明选择脱扣器和脱扣器的各个电流整定值。
断路器的常用基本相关符号其合义
断路器的常用基本相关符号其合义及相互之间的关系
Inm——断路器壳架等级电流 A ，它所指的含义是本断路器内所能安装的最大开关及脱扣器电流值。
In——断路器的额定电流 A ，它所指的含义是该断路器内选用的额定热动型脱扣器电流值，在不可调固定式热脱扣器中In=Ir1。
Ir1——断路器的长延时整定电流 A ，它所指的含义是该断路器的过载保护脱扣器所整定的电流值。
Ir2——断路器的短延时整定电流 A ，它所指的含义是该断路器的短延时脱扣器整定的电流，它的数值在电子可调式脱扣器中为 2～12Irl 左右可调。
Ir3——断路器的瞬时整定电流 A ，它所指的含义是该断路器瞬时脱扣器整定的电流，它的数值在不可调固定式脱扣器中，配电型为5Irl、10Irl两种，电动机保护型为12Ir1，在电子可调式中，为 4～16Irl 左右可调。
Ir4——断路器的单相接地整定电流 A ，它所指的含义是该断路器保护的线路或设备发生单相接地故障时，接地保护脱扣器整定的电流值，它的数值为0.2～0.6Irl 左右可调。
Ire——断路器的漏电动作电流 A ，它所指的含义是该断路器保护的线路或设备发生不正常泄漏电流时，漏电保护脱扣器整定的电流值。它的数值为0.03/0.1/0.3/0.5A几种。
Ir0——断路器预报警动作电流 A ，它所指的含义是该断路器负载电流超出预先设定的电流时，预报警装置发出报警指示信号，它的数值为 0.5～lIr1 左右可调。
Ir2——短延时脱扣器的脱扣时间整定值 s ，可调时间为0.05～0.45s。

断路器的工作原理
在现代人的生活中，断路器绝对是一种举足轻重的电路装置，而且是家用电路中最重要的安全机制之一。一旦房屋配线中的电流流量过大，这种简单的电路装置就会切断电源，直至故障被排除。如果没有断路器（或其替代品——保险丝），家庭用电就会非常不方便，原因在于，仅仅是线路问题和设备故障就可能会造成火灾和其他事故。
在本文中，我们会介绍断路器和保险丝如何监控电流，以及它们在电流水平过高时如何切断电源。我们不难发现，对于可能造成人员伤亡的事故来说，使用断路器不失为一种最简单的解决方案。
电学基础知识
欲了解断路器，不妨先了解一下家用电路的工作原理。
电气属性主要由三个参量来界定：电压 电流 电阻
电压是推动电荷移动的“压力”。电流是电荷之“流”——即电荷流过导体的速率，可在任一定点测量。导体对电流具有一定程度的阻碍作用，称为电阻，阻值的大小由导体的材料和尺寸所决定。
电压、电流和电阻这三者是相互关联的——改变其中一个另两个也会发生改变。电流等于电压除以电阻（一般记作I=v/r）。我们可以直观地想到：如果增大驱动电荷的电压或是降低电阻，电流就会增大。如果降低电压或增大电阻，电流就会减小。
所有这些又是如何来到您家中的呢？
配电网把电流从发电厂输送到您的家中。在家用电路内，电荷会在大电路中流动，大电路又由很多小电路组成。电路的一端是火线，与发电厂相连。另一端称为零线，与地面相连。由于火线与高电位相连，而零线则连往零电位（地面），电路两端就产生了电压——只要电路闭合，电荷就会流动。这样的电流称为交变电流，因为它能迅速地改变方向。断路器设计
基本型
最简单的电路保护装置是保险丝。保险丝只是一根很细的导线，加上一个保护套之后接入电路。电路闭合后，所有电流必须流经保险丝——保险丝处的电流与同一电路上其他各点的电流相同。设计这种保险丝，是为了让它在温度达到某一水平时能够熔断。烧毁保险丝可以造成开路，从而防止过量电流破坏房屋配线。
保险丝的问题是，它只能发挥一次作用。每当保险丝被烧断后，就必须换一个新的。断路器能起到与保险丝相同的作用，却可以反复使用。 只要电流达到危险水平，它就能立刻造成开路 。
电路中的火线与开关两端相连。当开关置于接通状态时，电流从底部终端流出，依次流经电磁体、移动接触器、静态接触器，最终从顶部终端流出。
电流能磁化电磁体（请查阅电磁体工作原理一文，了解具体原因）。电磁体产生的磁力随电流的增强而增强，如果电流降低，磁力也会减弱。当电流跃升到危险水平时，电磁体会产生足够大的磁力，以拉动一根与开关联动装置相连的金属杆。这会使移动接触器倾斜并离开静态接触器，继而切断电路。电流也就中断了。
点击断路器，观看打开开关的情形。
双金属条设计依据的是相同的原理，区别在于这里无需给电磁体能量，而是让金属条在高电流下自行弯曲，继而启动联动装置。还有些断路器靠填充易爆物来移置开关。当电流超过某一水平时，就会点燃易爆材料，继而驱动活塞打开开关。
增强型
更先进的断路器摒弃了简单的电气设备，转而使用电子器件（半导体设备）来监测电流水平。这些元件的精度要高得多，而且能更为迅速地切断电路，但价格也要贵得多。因此，多数家庭仍使用传统电气断路器。
接地故障断路器（GFCI）是一种新型断路器。这种断路器，不仅能预防房屋配线损毁，而其能保护人免遭电击。GFCI 会不断监测电路中零线和火线上的电流。一切正常时，两条线上的电流应当完全相同。一旦火线直接接地（例如有人不慎触碰火线），火线上的电流会突然猛增，而零线则不会。GFCI 在检测到这种情况后会立即切断电路，以防止触电伤亡事故。由于 GFCI 无需等到电流上升到危险水平就能采取行动，因而其反应速度要比传统断路器快得多。
房屋内的所有线路都应汇聚到中央断路器仪表板（或保险盒仪表板），仪表板通常位于地下室，或在一个壁橱内。典型的中央仪表板大约有十二个断路开关，它们连接着家庭电路中不同的支路。应当有一条支路能将客厅所有的电源插座汇集起来，还应有一条支路专门负责一楼的照明工作。大型的家用电器一般都使用专用电路，例如中央空调系统或电冰箱。
配电网以恒定的电压输电（在美国是120或240伏），但每个家庭的电阻却是不同的（因而电流也不尽相同）。尽管灯泡及其他电器种类各异，但它们都带有某个数值的电阻，也称为负载。正因为有了电阻的存在，电器才能工作。例如，灯泡里面的灯丝对电流有很强的阻碍作用。电荷为了克服电阻，就会发热并使灯丝的温度升高，导致灯泡发光。
在家用电路中，火线和零线绝不能直接相连。电路中的电荷总是要流经电器，而电器起到了电阻的作用。这样，电器对电流的阻碍作用就限定了电路中电荷的流量（电压和电阻恒定时，电流也是恒定的）。设计家用电器时，应考虑如何将电流维持在比较低的水平，以确保用电安全。如果某一时刻电路中的电流过大，就会导致家用电器和房屋配线的温度升高，如达到危险水平，就有可能导致火灾。
这样可以确保电力系在绝大多数时间里，都能平稳地运行。但有些时候，出于某种原因，火线可能会与零线（或其他接地导体）直接相连。例如，一部电风扇的电动机可能会因温度过高而熔化，并将火线与零线熔在一起。再者，也许有人会往墙里钉钉子，不巧的是，他钉中了一根电线。当火线直接接地时，电路中形成了一个最小阻抗，因而在电压的推动下，会有大量的电流流过导线。如果这一过程持续下去，导线就会因温度过高而起火。断路器的职责是在电流高于安全水平时切断电路。

如果选择断路器

1．按线路预期短路电流的计算来选择断路器的分断能力精确的线路预期短路电流的计算是一项极其繁琐的工作。因此便有一些误差不很大而工程上可以被接受的简捷计算方法：
（1）对于10/0.4KV电压等级的变压器，可以考虑高压侧的短路容量为无穷大（10KV侧的短路容量一般为200～400MVA甚至更大，因此按无穷大来考虑，其误差不足10[%]）。
（2）GB50054-95《低压配电设计规范》的2.1.2条规定：“当短路点附近所接电动机的额定电流之和超过短路电流的1[%]时，应计入电动机反馈电流的影响”，若短路电流为30KA，取其1[%]，应是300A，电动机的总功率约在150KW，且是同时启动使用时此时计入的反馈电流应是6.5∑In。
（3）变压器的阻抗电压UK表示变压器副边短接（路），当副边达到其额定电流时，原边电压为其额定电压的百分值。因此当原边电压为额定电压时，副边电流就是它的预期短路电流。
（4）变压器的副边额定电流Ite=Ste/1.732U式中Ste为变压器的容量（KVA），Ue为副边额定电压（空载电压），在10/0.4KV时Ue=0.4KV因此简单计算变压器的副边额定电流应是变压器容量x1.44～1.50。
（5）按（3）对Uk的定义，副边的短路电流（三相短路）为I（3）对Uk的定义，副边的短路电流（三相短路）为I（3）=Ite/Uk，此值为交流有效值。
（6）在相同的变压器容量下，若是两相之间短路，则I（2）=1.732I（3）/2=0.866I（3）
（7）以上计算均是变压器出线端短路时的电流值，这是最严重的短路事故。如果短路点离变压器有一定的距离，则需考虑线路阻抗，因此短路电流将减小。例如SL7系列变压器（配导线为三芯铝线电缆），容量为200KVA，变压器出线端短路时，三相短路电流I（3）为7210A。短路点离变压器的距离为100m时，短路电流I（3）降为4740A；当变压器容量为100KVA时其出线端的短路电流为3616A。离变压器的距离为100m处短路时，短路电流为2440A。远离100m时短路电流分别为0m的65.74[%]和67.47[%]。所以，用户在设计时，应计算安装处（线路）的额定电流和该处可能出现的最大短路电流。并按以下原则选择断路器：断路器的额定电流In≥线路的额定电流IL断路器的额定短路分断能力≥线路的预期短路电流因此，在选择断路器上，不必把余量放得过大，以免造成浪费。
断路器的制造厂所确定的Ics值，凡符合上述标准规定的Icu百分值都是有效的、合格的产品。万能式（框架式）断路器，绝大部分（不是所有规格）都具有过载长延时、短路短延时和短路瞬动的三段保护功能，能实现选择性保护，因此大多数主干线（包括变压器的出线端）都采用它作主（保护）开关，而塑壳式断路器一般不具备短路短延时功能（仅有过载长延时和短路瞬动二段保护），不能作选择性保护，它们只能使用于支路。由于使用（适用）的情况不同，IEC92《船舶电气》建议：具有三段保护的万能式断路器，偏重于它的运行短路分断能力值，而大量使用于分支线塑壳断路器确保它有足够的极限短路能力值。我们对此的理解是：主干线切除故障电流后更换断路器要慎重，主干线停电要影响一大片用户，所以发生短路故障时要求两个CO，而且要求继续承载一段时间的额定电流，而在支路，经过极限短路电流的分断和再次的合、分后，已完成其使命，它不再承载额定电流，可以更换新的（停电的影响较小）。
但是，无论是万能式或塑壳式断路器，都有必须具备Icu和Ics这两面三刀个重要的技术指标。只有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，万能式最小允许Ics是50[%]的Ics=Icu的断路器是很少的，即使万能式也少有Ics=100[%][国外有一种采用旋转双分断（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。我国的DW45智能型万能式断路器的Ics为62.5[%]～65[%]Icu，国际上，ABB公司的F系列，施耐德的M系列也不过是70[%]左右，而塑壳式断路器，国内各种新型号，Ics大抵在50[%]～75[%]Icu之间。
断路器的电气间隙与爬电距离确定电器产品的电气间隙，必须依据低压系统的绝缘配合，而绝缘配合则是建立在瞬时过电压被限制在规定的冲击耐受电压，而系统中的电器或设备产生的瞬时过电压也必须低于电源系统规定的冲击电压。因此：
（1）电器的额定绝缘电压应≥电源系统的额定电压
（2）电器的额定冲击耐受电压应≥电源系统的额定冲击耐受电压
（3）电器产生的瞬态过电压应≤电源系统的额定冲击耐受电压。
四极断路器的应用关于四极断路器的应用，目前国内还没能对国家标准或规程之类作硬性的使用要求的规定，虽然地区性四极电器（断路器）的设计规范已经出台，但安装与不安装四极电器的争论还在进行中，某些地区的使用近年来出现一窝蜂的趋势，各断路器制造厂也纷纷设计，制造各种型号的四极断路器投放市场。笔者同意一种意见，就是用或不用应以是否能确保供电的可靠性、安全性为准，因此大体上是：
（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，因此绝对禁用四极断路器；
（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）进入住宅的单相总开关，宜选用带N极的二极断路器（检修时作隔离器之用）
（5）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。