微型斷路器的選型和短路分析

摘 要：微型斷路器是電氣終端配電裝置中應(yīng)用最廣泛的一種終端保護(hù)電器，在城軌車輛的配電系統(tǒng)中也被大量使用。文章首先介紹微型斷路器的工作原理、分類及其特點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證其短路保護(hù)特性，分析微型斷路器選型過(guò)程所要考慮的參數(shù)，為城軌車輛的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：微型斷路器；選型；短路保護(hù)

1 概述

微型斷路器也稱小型斷路器（Miniature/Micro circuit breaker，簡(jiǎn)稱MCB），是電氣終端配電系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種終端保護(hù)器件，適用于50Hz或60Hz，額定相電壓不超過(guò)440V，額定電流不超過(guò)125A，額定短路電流不超過(guò)25kA的線路，主要用來(lái)對(duì)終端電氣設(shè)備進(jìn)行過(guò)電流和短路保護(hù)。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，MCB的選型是否得當(dāng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著很大的影響。

2 微型斷路器的工作原理

斷路器用作合、分電路時(shí)，依靠扳動(dòng)其手柄使動(dòng)、靜觸頭閉合或斷開(kāi)。正常情況下，觸頭能接通和分?jǐn)囝~定電流；當(dāng)出現(xiàn)過(guò)載時(shí)，雙金屬元件受熱產(chǎn)生變形、彎曲，頂開(kāi)斷路器的牽引桿，使斷路器脫鉤跳閘；當(dāng)線路短路時(shí)，達(dá)到一定值的短路電流會(huì)使過(guò)電流脫扣器的動(dòng)鐵芯被吸合，帶動(dòng)牽引桿使斷路器分?jǐn)?。微型斷路器的符?hào)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

3 微型斷路器的工作特性和選型原則

3.1 微型斷路器的分類

（1）按額定電流In分：1～63A多種；（2）按瞬時(shí)脫扣電流分：B型（3～5）In、C型（5～10）In、D型（10～14）In；（3）按極數(shù)分：?jiǎn)螛O、二極、三極、四極。

3.2 工作特性

微型斷路器在30°C～35°C環(huán)境溫度下，過(guò)電流保護(hù)特性如表1所示。

表1 微型斷路器過(guò)短路保護(hù)特性

當(dāng)負(fù)載電流小于額定值時(shí)，斷路器不會(huì)脫扣；當(dāng)電流大于額定電流且小于瞬時(shí)脫扣電流時(shí)，脫扣時(shí)間與負(fù)載電流呈反函數(shù)關(guān)系，并隨負(fù)載電流增大而減小；當(dāng)負(fù)載電流大于瞬時(shí)脫扣電流時(shí)，脫扣時(shí)間急劇減小，并隨電流增加成比例減小。

3.3 選型原則

在城軌車輛的設(shè)計(jì)過(guò)程，選擇微型斷路器時(shí)應(yīng)遵循以下幾條基本原則：

（1）額定電壓不應(yīng)小于線路額定電壓；（2）額定電流與過(guò)流脫扣器的額定電流不小于線路的計(jì)算電流；（3）額定短路分?jǐn)嗄芰Σ恍∮诰€路中最大短路電流；（4）選擇時(shí)需考慮短延時(shí)短路通斷能力和延時(shí)保護(hù)級(jí)間配合；（5）當(dāng)用于電動(dòng)機(jī)保護(hù)時(shí)，則需要考慮電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流并使之在啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)部動(dòng)作。

4 微型斷路器的短路分析

根據(jù)MCB的選型原則，在選擇MCB時(shí)，不僅要考慮其參數(shù)是否滿足線路的額定電壓和額定電流的要求，還要考慮它在出現(xiàn)過(guò)電流或短路情況下能否正確動(dòng)作。因此，MCB的參數(shù)選擇并非越大越好，也非越小越好，只有在結(jié)合線路參數(shù)和負(fù)載的額定大小選出合適的MCB才能保證系統(tǒng)的正常工作和故障狀況下正確動(dòng)作。以下將針對(duì)安邦線設(shè)計(jì)中存在的缺陷進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)分析MCB選型不正確可能導(dǎo)致的后果。

4.1 安邦項(xiàng)目MCB的選型缺陷

安邦項(xiàng)目中永久負(fù)載回路選用的MCB為C20型，即額定電流為20A，額定瞬時(shí)脫扣電流為20*10=200A（按C型最大范圍取10 In）。該MCB同時(shí)給四個(gè)支路供電，分別是緊急照明回路（C10）、司控鑰匙回路（C6）、輔助逆變器緊急啟動(dòng)和列車激活回路。但其中的列車激活回路所用電纜為1.5mm2，在列車激活過(guò)程，若激活回路存在短路故障，則可能出現(xiàn)電纜燒損但MCB未跳開(kāi)的情況。

以下對(duì)此進(jìn)行計(jì)算分析：

線路電阻計(jì)算

安邦項(xiàng)目列車的列車激活回路列車線較長(zhǎng)，初步估計(jì)100m左右（列車長(zhǎng)86.4m），使用的電纜是截面積為1.5mm2的銅導(dǎo)線，銅的電阻率為ρ= 0.0175（Ω·mm2）/m。

線路電阻R= 0.0175（Ω·mm2）/m*100m/1.5mm2=1.167Ω

電源內(nèi)阻計(jì)算

電源的空載電壓110V，負(fù)載電流50A時(shí)的電源端電壓為105V。

電源的內(nèi)阻R0=（110-105）/50=0.1Ω

根據(jù)以上計(jì)算可以得到電路的等效模型，如圖2所示。

由此可求得截面積為1.5mm2導(dǎo)線的短路電流：

短路電流=110V/（1.167+0.1）=86.8A

如果選用C20的MCB，其瞬間脫扣電流達(dá)200A，因此，線路短路時(shí)MCB并不會(huì)立即斷開(kāi)。根據(jù)其脫扣曲線可知，MCB要延時(shí)十秒左右才脫扣。而在線路發(fā)生短路時(shí)，線路功率達(dá)到8.8kW，很可能在短時(shí)間內(nèi)造成電纜發(fā)熱燒毀。

對(duì)于截面積為2.5mm2的電纜：

線路電阻R'=0.0175（Ω·mm2）/m*100m/2.5mm2=0.7Ω

短路電流=110V/（0.7+0.1）=137.5A

這時(shí)如果采用C10型MCB，可以瞬時(shí)脫扣，C20型MCB仍然不會(huì)瞬時(shí)脫扣。

4.2 接地短路試驗(yàn)

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，以下將通過(guò)試驗(yàn)觀察C6、C10、C20三種型號(hào)的MCB開(kāi)關(guān)分別在1.5mm2和2.5mm2兩種電纜（100m）發(fā)生短路時(shí)的動(dòng)作情況，分析MCB開(kāi)關(guān)選型不合適時(shí)線路可能出現(xiàn)的故障。此外，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比電纜發(fā)生穩(wěn)定接地短路和不穩(wěn)定接地短路所產(chǎn)生的后果，分析兩種短路的危害性。

穩(wěn)定接地短路

Step1 基本參數(shù)測(cè)量：用萬(wàn)用表歐姆檔分別測(cè)量1.5mm2和2.5mm2兩根電纜（100m）的電阻，用萬(wàn)用表電壓檔測(cè)量蓄電池組的開(kāi)路電壓。

Step2 電路接線：利用調(diào)試車間充電機(jī)電纜引出蓄電池輸出端的正、負(fù)極，同時(shí)斷開(kāi)列車的負(fù)載輸出線，防止試驗(yàn)損壞車輛設(shè)備。將MCB開(kāi)關(guān)打到斷開(kāi)位，按圖2所示電路圖將蓄電池的正極引出線接到MCB的進(jìn)線端，出線端則和試驗(yàn)電纜串接后連到蓄電池的負(fù)極引出線。

Step3 短路參數(shù)測(cè)量：用鉗型電流表卡到蓄電池正極引出線，合上MCB開(kāi)關(guān)，觀察短路現(xiàn)象，并記錄電流表讀數(shù)和MCB跳閘時(shí)間。

分別將C6、C10、C20三種型號(hào)MCB和1.5mm2、2.5mm2兩根電纜組合，按上述步驟測(cè)試六組數(shù)據(jù)，并做記錄。

不穩(wěn)定接地短路

Step1 基本參數(shù)測(cè)量（同上）

Step2電路接線：利用調(diào)試車間充電機(jī)電纜引出蓄電池輸出端的正、負(fù)極，同時(shí)斷開(kāi)列車的負(fù)載輸出線。將MCB開(kāi)關(guān)打到斷開(kāi)位，將蓄電池的正極引出線接到MCB的進(jìn)線端，出線端連接試驗(yàn)電纜，蓄電池的負(fù)極引出線與鋁塊連接。用鉗型電流表卡到蓄電池正極引出線。

Step3 短路參數(shù)測(cè)量：用絕緣鋼絲鉗夾住試驗(yàn)電纜的活動(dòng)端（注意不能和讓導(dǎo)線碰到任何物體），合上MCB，將電纜活動(dòng)端觸碰鋁塊，出線電弧即移開(kāi)（模擬電纜的不穩(wěn)定接地短路），注意觀察并記錄短路電流和短路現(xiàn)象（防止弧光灼傷眼睛，須通過(guò)電焊面罩觀察）。

分別將C6、C10、C20三種型號(hào)MCB和1.5mm2、2.5mm2兩根電纜組合，按上述步驟測(cè)試六組數(shù)據(jù)，并做記錄。

試驗(yàn)記錄：

由于測(cè)試條件有限，MCB動(dòng)作時(shí)間測(cè)量不夠精確，小于1s的可認(rèn)為是瞬斷，大于或等于1s的認(rèn)為是延時(shí)斷。由于MCB瞬斷過(guò)程很短，部分電流值有誤差。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 導(dǎo)線截面大小對(duì)短路電流的影響

根據(jù)以上試驗(yàn)記錄，1.5mm2和2.5mm？?jī)煞N電纜的導(dǎo)體電阻與計(jì)算結(jié)果相符，說(shuō)明其它條件相同時(shí)，導(dǎo)體截面越大電阻就越小，從而，短路時(shí)短路電流就越大。

根據(jù)斷路器工作特性的分析，斷路器的過(guò)電流保護(hù)脫扣時(shí)間與電流的大小呈反函數(shù)關(guān)系，電流越大，脫扣時(shí)間就越短。表2中C20的穩(wěn)定接地短路試驗(yàn)時(shí)，1.5mm2和2.5mm2兩種電纜對(duì)應(yīng)脫扣時(shí)間分別為4s和1s，試驗(yàn)結(jié)果和分析相符合。

對(duì)比表2中C6、C10、C20三種MCB在短路時(shí)的動(dòng)作情況可以發(fā)現(xiàn)，C20在兩種電纜發(fā)生短路時(shí)都不能瞬斷，尤其是1.5mm2電纜，延時(shí)達(dá)4s。如果在列車發(fā)生短路時(shí)，很可能因?yàn)镸CB未能及時(shí)斷開(kāi)而造成嚴(yán)重的后果。

4.3.2 不穩(wěn)定接地短路的危害

不穩(wěn)定接地短路試驗(yàn)是模擬電纜在絕緣損壞、破皮等故障時(shí)發(fā)生的短路，這時(shí)由于短路處接觸不牢固，一方面會(huì)產(chǎn)生高溫電弧，很可能會(huì)損壞周圍的電纜和設(shè)備；另一方面由于接觸電阻較大以及電弧產(chǎn)生壓降，短路電流比穩(wěn)定接地短路時(shí)小得多，這時(shí)可能造成MCB不動(dòng)作或延時(shí)動(dòng)作。

對(duì)比表2中穩(wěn)定接地和不穩(wěn)定接地兩種情況下MCB動(dòng)作情況，可以看出不穩(wěn)定接地時(shí)，短路電流明顯比穩(wěn)定接地的小。其中C10型MCB在1.5mm2電纜穩(wěn)定短路時(shí)會(huì)瞬斷，而在不穩(wěn)定短路時(shí)沒(méi)有順斷，說(shuō)明不穩(wěn)定接地短路會(huì)影響MCB的動(dòng)作時(shí)間。并且在短路時(shí)產(chǎn)生明顯的電弧，甚至把鋁塊和線芯燒蝕，如圖3所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

回到安邦項(xiàng)目的設(shè)計(jì)缺陷，如果永久負(fù)載回路在空載或低載狀態(tài)下發(fā)生線路短路（穩(wěn)定或不穩(wěn)定），1.5mm2的導(dǎo)線的短路電流很可能達(dá)不到C20型MCB瞬斷的最小電流，從而造成線路和設(shè)備燒毀。因此，應(yīng)該將永久負(fù)載回路中的緊急照明（C10）、車內(nèi)電鑰匙（C6）、輔助逆變器緊急啟動(dòng)3條支路分離出來(lái)，將永久負(fù)載MCB型號(hào)改為C6，以確保該回路在發(fā)生短路故障時(shí)能通過(guò)MCB跳閘切斷故障，保證系統(tǒng)的安全。

文章通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)對(duì)比分析了微型斷路器在線路發(fā)生短路時(shí)的工作特性，說(shuō)明了在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，尤其是對(duì)于城軌車輛的設(shè)計(jì)，斷路器的選型不合適可能會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的后果。

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作者簡(jiǎn)介：梁世興，2013年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)，工學(xué)碩士，從事城軌車輛電工調(diào)試。