低壓交流斷路器的選擇與應(yīng)用

(德州恒力電機(jī)有限責(zé)任公司，山東德州 253002)

0 引言

低壓交流斷路器是接通和分?jǐn)嗾Ｘ?fù)荷電流和過(guò)負(fù)荷電流，并可分?jǐn)嗑€路故障短路電流的開(kāi)關(guān)電器。在運(yùn)行電路中起到控制接通作用，并且具有過(guò)負(fù)荷、短路、欠壓和漏電保護(hù)等功能。低壓交流斷路器按使用類別可分為保護(hù)裝置參數(shù)可調(diào)的選擇型和保護(hù)裝置參數(shù)不可調(diào)的非選擇型。按滅弧介質(zhì)分為空氣式和真空式。按其使用類別可分為配電型斷路器、電機(jī)保護(hù)型斷路器、家用保護(hù)型斷路器、漏電斷路器。按結(jié)構(gòu)形式可分為萬(wàn)能式(DW系列)和塑殼式(DZ系列)。低壓斷路器容量范圍很大，最小為4A，最大5000A。既可用在主電路中，也可用在控制電路中。在配電動(dòng)力電路中可用來(lái)分配電能，不頻繁地啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，對(duì)電源線路及電器設(shè)備實(shí)行保護(hù)，當(dāng)它控制的線路或電氣設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重的過(guò)載、短路、欠壓等故障時(shí)能自動(dòng)切斷電源，斷開(kāi)故障電路。故障排除后，不需要變更零部件，即可重新接通電源線路。廣泛用于低壓配電系統(tǒng)各級(jí)輸出線路，各種機(jī)械設(shè)備的電源控制和用電終端的控制和保護(hù)。

1 低壓斷路器的基本結(jié)構(gòu)和參數(shù)

低壓斷路器主要由觸頭系統(tǒng)、保護(hù)裝置、滅弧裝置、操作機(jī)構(gòu)組成。觸頭系統(tǒng)一般由主觸頭、弧觸頭和輔加觸頭組成。滅弧裝置采用柵片滅弧方法，即一般由長(zhǎng)短不同的鋼片交叉組成滅弧柵，放置在絕緣材料的滅弧室內(nèi)構(gòu)成滅弧裝置，其結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示。

圖1 低壓斷路器結(jié)構(gòu)原理圖

圖中，L1、L2、L3端為負(fù)載接線端。手動(dòng)合閘后，動(dòng)、靜觸點(diǎn)閉合，脫扣連桿被鎖扣的鎖鉤鉤住，它又將合閘連桿鉤住，將觸點(diǎn)保持在閉合狀態(tài)。發(fā)熱元件與主電路串聯(lián)，有電流流過(guò)時(shí)發(fā)出熱量，使熱脫扣器的下端向左彎曲。發(fā)生過(guò)載時(shí)，熱脫扣器彎曲到將脫扣鎖鉤推離脫扣連桿，從而松開(kāi)合閘連桿，動(dòng)、靜觸點(diǎn)受彈簧的作用而迅速分開(kāi)。電磁脫扣器有一個(gè)匝數(shù)很少的線圈與主電路串聯(lián)。發(fā)生短路時(shí)，電磁脫扣器使鐵心脫扣器上部的吸力大于彈簧的反力，脫扣鎖鉤向左轉(zhuǎn)動(dòng)，最后也使觸點(diǎn)斷開(kāi)。同時(shí)，電磁脫扣器兼有欠壓保護(hù)功能，這樣斷路器在電路發(fā)生過(guò)載、短路和欠壓時(shí)起到保護(hù)作用。如果要求手動(dòng)脫扣時(shí)，按下按鈕2就可使觸點(diǎn)斷開(kāi)。脫扣器的脫扣量值都可以進(jìn)行整定，只要改變熱脫扣器所需要的彎曲程度和電磁脫扣器鐵心機(jī)構(gòu)的氣隙大小就可以了。當(dāng)?shù)蛪簲嗦菲饔捎谶^(guò)載而斷開(kāi)后，應(yīng)等待2～3min才能重新合閘，以保證熱脫扣器回復(fù)原位。保護(hù)裝置由過(guò)電流脫扣器、熱脫扣器和失壓脫扣器完成短路、過(guò)載、失壓等保護(hù)功能。

低壓斷路器的主要技術(shù)參數(shù)包括額定電壓，額定電流，故障短路時(shí)的分?jǐn)嚯娏鳌ｎ~定電壓又分為額定工作電壓和額定絕緣電壓，額定工作電壓與通斷能力及使用類別有關(guān)，同一臺(tái)斷路器可以有幾個(gè)額定工作電壓和相對(duì)應(yīng)的通斷能力使用類別；額定絕緣電壓是斷路器的最大額定工作電壓值，電氣間隙和爬電距離應(yīng)參照這些值確定，在任何情況下，斷路器的最大額定工作電壓不超過(guò)額定絕緣電壓。額定電流是斷路器殼架等級(jí)額定電流，指框架或塑料外殼中能裝進(jìn)的最大脫扣器額定電流，對(duì)帶可調(diào)式脫扣器的斷路器是可長(zhǎng)期通過(guò)的最大電流。例如DZ10-100/3300型低壓斷路器殼架額定電流為100A，脫扣器額定電流等級(jí)有15A，20A，25A，30A，40A，50A，60A，80A，100A等九種。其中最大的額定電流100A與殼架等級(jí)額定電流一致。額定短路分?jǐn)嗄芰?，是指斷路器在?guī)定條件下所能分?jǐn)嗟淖畲蠖搪冯娏髦怠?/p>

2 低壓斷路器的工作原理

低壓斷路器的工作原理如圖2所示。

圖2 斷路器工作原理示意圖

圖2中為低壓斷路器的三副主觸頭，串聯(lián)在被保護(hù)的三相主電路中。當(dāng)按下綠色按鈕時(shí)，主電路中三副主觸頭，由鎖鏈鉤住搭鉤，克服彈簧的拉力，保持在閉合狀態(tài)。 當(dāng)線路正常工作時(shí)，電磁脫扣器中線圈所產(chǎn)生的吸力不能將它的銜鐵吸合。如果線路發(fā)生短路和產(chǎn)生較大過(guò)電流時(shí)，電磁脫扣器的吸力增大，將銜鐵吸合，并撞擊杠桿，把搭鉤頂上去，切斷主觸點(diǎn)。如果線路上電壓下降或是去電壓時(shí)，欠電壓脫扣器的吸力減小或失去吸力，銜鐵被彈簧拉開(kāi)，撞擊杠桿，把搭鉤頂開(kāi)，切斷主觸頭。

3 低壓斷路器選擇的主要要素和注意事項(xiàng)

低壓斷路器的選擇需要考慮：斷路器所控制設(shè)備的電氣特性；斷路器的使用環(huán)境，包括周圍環(huán)境溫度，氣候條件；短路電流分?jǐn)嗪徒油芰Γ粩嗦菲鞑僮饕?，如分?jí)跳閘、遙控要求和指示及相關(guān)輔助觸點(diǎn)，輔助跳閘線圈以及它們間的連接要求；安裝規(guī)定，特別是對(duì)人身的保護(hù)；負(fù)荷特性，如電動(dòng)機(jī)、熒光燈、低壓變壓器等。下面主要從電氣特性和短路電流保護(hù)方面說(shuō)明低壓斷路器的選擇。

首先進(jìn)行額定電壓的選擇，低壓斷路器的額定電壓≥線路的額定電壓；再是額定電流的選擇，低壓斷路器的額定電流﹥線路的計(jì)算負(fù)載電流。一般斷路器的額定電流比實(shí)際負(fù)載電流大20%左右，考慮到過(guò)載保護(hù)和短路保護(hù)，如果選擇過(guò)大的額定電流，過(guò)載保護(hù)有可能失去作用，受負(fù)載線路的粗細(xì)及長(zhǎng)短的影響，負(fù)載端的短路電流可能達(dá)不到瞬時(shí)脫扣器的整定電流動(dòng)作值，使短路保護(hù)失效。

其次是斷路器的額定短路分?jǐn)嗄芰?，是斷路器選擇時(shí)需要考慮的最主要因素，低壓斷路器的極限通斷能力≥線路中最大的短路電流。線路末端單相對(duì)地短路電流≥1.25倍低壓斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)脫扣整定電流。斷路器是用來(lái)保護(hù)電纜線路，防止發(fā)生火災(zāi)，所以要根據(jù)所用電氣設(shè)備來(lái)選擇電纜，根據(jù)電纜來(lái)選擇斷路器，如果斷路器選擇過(guò)大，將起不到保護(hù)電纜的作用，電纜超載斷路器不會(huì)斷開(kāi)，就會(huì)燒壞電路。所以選擇低壓斷路器時(shí)要注意以下因素：(1) 低壓斷路器的額定電流和額定電壓應(yīng)不小于線路的正常工作電壓和計(jì)算負(fù)荷電流，所有負(fù)載工作時(shí)的總電流，根據(jù)實(shí)際情況乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。(2) 熱脫扣器的整定電流應(yīng)等于所控制負(fù)載的額定電流。(3)電磁脫扣器的瞬時(shí)脫扣整定電流應(yīng)大于負(fù)載正常工作時(shí)可能出現(xiàn)的峰值電流。用于控制電動(dòng)機(jī)的斷路器，其順時(shí)脫扣整定電流應(yīng)大于或等于(1.5～1.7)倍的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流。(4)欠壓脫扣器的額定電壓應(yīng)等于線路的額定電壓。(5)斷路器的極限通斷能力應(yīng)不小于電路最大短路電流，如果通斷能力小于電路最大短路電流，會(huì)導(dǎo)致短路時(shí)沒(méi)能及時(shí)斷開(kāi)而使觸點(diǎn)燒死或引起線路火災(zāi)。

4 低壓斷路器過(guò)流保護(hù)的整定原則

低壓斷路器過(guò)流保護(hù)的整定原則是：用電設(shè)備正常工作和正常起動(dòng)時(shí)，所裝設(shè)的斷路器不應(yīng)切斷電路，設(shè)備正常起動(dòng)時(shí)，斷路器不會(huì)跳閘。線路故障時(shí)，各級(jí)保護(hù)電器應(yīng)選擇性地切斷電路。斷路器過(guò)流脫扣器的保護(hù)特性分為長(zhǎng)延時(shí)特性，短延時(shí)特性和瞬時(shí)特性。長(zhǎng)延時(shí)型脫扣器主要是保護(hù)過(guò)負(fù)荷，整定電流應(yīng)大于或等于線路的計(jì)算負(fù)載電流，可按計(jì)算負(fù)載電流的1～1.1倍確定，同時(shí)應(yīng)不大于線路導(dǎo)體長(zhǎng)期允許電流的0.8～1倍；選擇動(dòng)作電流可調(diào)的短延時(shí)脫扣器整定值時(shí)，應(yīng)躲開(kāi)線路的短時(shí)負(fù)荷尖峰電流，根據(jù)線路最大一臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)電流計(jì)算峰值電流；選擇動(dòng)作電流可調(diào)的瞬時(shí)脫扣器整定值時(shí)，應(yīng)躲開(kāi)線路的尖峰電流，考慮線路最大一臺(tái)電機(jī)全啟動(dòng)電流因素，同時(shí)要考慮可靠系數(shù)1.2。《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50054—2011第3．1．1條要求：“電器的額定電流不應(yīng)小于所在回路的計(jì)算電流；電器應(yīng)滿足短路條件下的動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定的要求；用于斷開(kāi)短路電流的電器應(yīng)該滿足短路條件下的接通能力和分?jǐn)嗄芰Α?。?．2．1條要求：“配電線路的短路保護(hù)電器，應(yīng)在短路電流對(duì)導(dǎo)體和連接處產(chǎn)生的熱作用和機(jī)械作用造成危害之前切斷電源”。第6．2．4條要求：“當(dāng)短路保護(hù)電器為斷路器時(shí)，被保護(hù)線路末端的短路電流不應(yīng)小于斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流的1.3倍”。

5 電機(jī)用低壓斷路器保護(hù)分?jǐn)嚯娏鞯挠?jì)算與選擇

電機(jī)保護(hù)型斷路器的選擇。電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)特點(diǎn)：一是起動(dòng)電流通常是額定電流的幾倍；二是具有一定的過(guò)載能力。所以，選擇斷路器保護(hù)電動(dòng)機(jī)時(shí)必須要注意到電動(dòng)機(jī)的這兩個(gè)特點(diǎn)，為保障電動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行，在選擇斷路器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)以電動(dòng)機(jī)的額定電流來(lái)確定斷路器的長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)作電流整定值。(2)斷路器的6倍長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)作電流整定值的可返回時(shí)間>電動(dòng)機(jī)的實(shí)際起動(dòng)時(shí)間，一般為15s。(3)斷路器的瞬時(shí)動(dòng)作電流整定值：籠型電動(dòng)機(jī)應(yīng)為8～15倍脫扣器額定電流；繞線型電動(dòng)機(jī)應(yīng)為3～6倍脫扣器額定電流。通常籠型三相異步電動(dòng)機(jī)的短路電流是額定電流的十幾到幾十倍不等，受負(fù)載線路的粗細(xì)及長(zhǎng)短的影響較大，籠型三相異步電動(dòng)機(jī)的短路電流分為三相短路，兩相短路和單相接地短路，其中三相短路電流最大，一般為電機(jī)額定電流的20～35倍，兩相短路電流一般為電機(jī)額定電流的20倍左右，單相接地短路電流最小，一般為額定電流的8～15倍，三相短路電流發(fā)生的概率最小，單相接地短路電流產(chǎn)生的概率最大。在“斷路器+接觸器”的電動(dòng)機(jī)控制電路中，斷路器的額定電流選擇一般為1．5～2倍電動(dòng)機(jī)的額定電流，這樣能躲過(guò)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流。這與配電用的斷路器選型不同，配電用一般為1～1．2倍回路電流即可。

6 結(jié)語(yǔ)

在使用低壓斷路器的過(guò)程中如何科學(xué)地選型，避免因斷路器選型不當(dāng)，安裝不合理，造成不能發(fā)揮應(yīng)有的控制與保護(hù)作用，在運(yùn)行中造成一定安全隱患，既降低系統(tǒng)保護(hù)運(yùn)行的可靠性，又對(duì)使用人員的人身安全構(gòu)成威脅。所以如何科學(xué)合理地選擇使用低壓斷路器是保證系統(tǒng)安全有效運(yùn)行的關(guān)鍵。要做好低壓配電線路斷路器的選擇，需要全面、準(zhǔn)確地理解相關(guān)規(guī)范中的各項(xiàng)要求。并正確選擇斷路器的形式及參數(shù)。只有全面、完整、系統(tǒng)地對(duì)保護(hù)電路進(jìn)行科學(xué)分析和計(jì)算，才能正確選擇斷路器，確保低壓配電線路安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。