什么是断路器

什么是断路器

断路器是指切断电流的设备，就相当于水龙头，它控制的水流，而断路器控制的是电流。

断路器，主要用于对电路出现短路电流的保护，当电路中出现短路时，立即断开电路，保护负载的安全。断路器的额定分断能力分为额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力两种。

国标《低压开关设备和控制设备低压断路器》(GB14048.2—94)对断路器额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力作了如下的解释：

(1)断路器的额定极限短路分断能力(Icn)：按规定的实验程序所规定的条件，不包括断路器继续承载其额定电流能力的分断能力；

(2)断路器的额定运行短路分断能力(Icn)：按规定的实验程序所规定的条件，包括断路器继续承载其额定电流能力的分断能力；

(3)额定极限短路分断能力(Icn)的试验程序为O—t—CO。 其具体试验是：把线路的电流调整到预期的短路电流值(例如380V ，50kA)，而试验按钮未合，被试断路器处于合闸位置，按下试验按钮，断路器通过50kA短路电流，断路器立即开断(open简称O)，断路器应完好，且能再合闸。t为间歇时间，一般为3min，此时线路仍处于热备状态，断路器再进行一次接通(close简称C)和紧接着的开断(O)，(接通试验是考核断路器在峰值电流下的电动和热稳定性)。此程序即为CO。断路器能完全分断，则其极限短路分断能力合格。

(4)断路器的额定运行短路分断能力(Icn)的试验程序为O—t—CO—t—CO。它比Icn的试验程序多了一次CO，经过试验，断路器能完全分断、熄灭电弧，就认定它的额定运行短路分断能力合格。 因此，可以看出，额定极限短路分断能力Icn指的是低压断路器在分断了断路器出线端最大三相短路电流后还可再正常运行并再分断这一短路电流一次，至于以后是否能正常接通及分断，断路器不予以保证；而额定运行短路分断能力Ics指的是断路器在其出线端最大三相短路电流发生时可多次正常分断。

IEC947—2《低压开关设备和控制设备低压断路器》标准规定：A类断路器(指仅有过载长延时、短路瞬动的断路器)的Ics可以是Ics的25％、50％、75％和100％。B类断路器(有过载长延时、短路短延时、短路瞬动的三段保护的断路器)的Ics可以是Ics的50％、75％和100％。因此可以看出，额定运行短路分断能力是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。 一般来说，具有过载长延时、短路短延时和短路瞬动三段保护功能的断路器，能实现选择性保护，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。不具备短路短延时功能的断路器(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。

IEC92《船舶电气》指出：具有三段保护的断路器，偏重于它的运行短路分断能力值，而使用于分支线路的断路器，应确保它有足够的极限短路分断能力值。 无论是哪种断路器，虽然都具备Icu和Ics这两个重要的技术指标。但是，作为支线上使用的断路器，可以仅满足额定极限短路分断能力即可。现在出现的较普遍的偏颇是宁取大，不取正合适，认为取大保险。但取得过大，会造成不必要的浪费(同类型断路器，其H型—高分断型，比S型—普通型的价格要贵1.3倍～1.8倍)。因此支线上的断路器没有必要一味追求它的运行短路分断能力指标。而对于干线上使用的断路器，不仅要满足额定极限短路分断能力的要求，同时也应该满足额定运行短路分断能力的要求，如果仅以额定极限短路分断能力Icu来衡量其分断能力合格与否，将会给用户带来不安全的隐患。

断路器的术语定义

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。

如何选用断路器

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。