低压交流断路器的选择与应用

(德州恒力电机有限责任公司，山东德州 253002)

0 引言

低压交流断路器是接通和分断正常负荷电流和过负荷电流，并可分断线路故障短路电流的开关电器。在运行电路中起到控制接通作用，并且具有过负荷、短路、欠压和漏电保护等功能。低压交流断路器按使用类别可分为保护装置参数可调的选择型和保护装置参数不可调的非选择型。按灭弧介质分为空气式和真空式。按其使用类别可分为配电型断路器、电机保护型断路器、家用保护型断路器、漏电断路器。按结构形式可分为万能式(DW系列)和塑壳式(DZ系列)。低压断路器容量范围很大，最小为4A，最大5000A。既可用在主电路中，也可用在控制电路中。在配电动力电路中可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电器设备实行保护，当它控制的线路或电气设备发生严重的过载、短路、欠压等故障时能自动切断电源，断开故障电路。故障排除后，不需要变更零部件，即可重新接通电源线路。广泛用于低压配电系统各级输出线路，各种机械设备的电源控制和用电终端的控制和保护。

1 低压断路器的基本结构和参数

低压断路器主要由触头系统、保护装置、灭弧装置、操作机构组成。触头系统一般由主触头、弧触头和辅加触头组成。灭弧装置采用栅片灭弧方法，即一般由长短不同的钢片交叉组成灭弧栅，放置在绝缘材料的灭弧室内构成灭弧装置，其结构原理示意图如图1所示。

图1 低压断路器结构原理图

图中，L1、L2、L3端为负载接线端。手动合闸后，动、静触点闭合，脱扣连杆被锁扣的锁钩钩住，它又将合闸连杆钩住，将触点保持在闭合状态。发热元件与主电路串联，有电流流过时发出热量，使热脱扣器的下端向左弯曲。发生过载时，热脱扣器弯曲到将脱扣锁钩推离脱扣连杆，从而松开合闸连杆，动、静触点受弹簧的作用而迅速分开。电磁脱扣器有一个匝数很少的线圈与主电路串联。发生短路时，电磁脱扣器使铁心脱扣器上部的吸力大于弹簧的反力，脱扣锁钩向左转动，最后也使触点断开。同时，电磁脱扣器兼有欠压保护功能，这样断路器在电路发生过载、短路和欠压时起到保护作用。如果要求手动脱扣时，按下按钮2就可使触点断开。脱扣器的脱扣量值都可以进行整定，只要改变热脱扣器所需要的弯曲程度和电磁脱扣器铁心机构的气隙大小就可以了。当低压断路器由于过载而断开后，应等待2～3min才能重新合闸，以保证热脱扣器回复原位。保护装置由过电流脱扣器、热脱扣器和失压脱扣器完成短路、过载、失压等保护功能。

低压断路器的主要技术参数包括额定电压，额定电流，故障短路时的分断电流。额定电压又分为额定工作电压和额定绝缘电压，额定工作电压与通断能力及使用类别有关，同一台断路器可以有几个额定工作电压和相对应的通断能力使用类别；额定绝缘电压是断路器的最大额定工作电压值，电气间隙和爬电距离应参照这些值确定，在任何情况下，断路器的最大额定工作电压不超过额定绝缘电压。额定电流是断路器壳架等级额定电流，指框架或塑料外壳中能装进的最大脱扣器额定电流，对带可调式脱扣器的断路器是可长期通过的最大电流。例如DZ10-100/3300型低压断路器壳架额定电流为100A，脱扣器额定电流等级有15A，20A，25A，30A，40A，50A，60A，80A，100A等九种。其中最大的额定电流100A与壳架等级额定电流一致。额定短路分断能力，是指断路器在规定条件下所能分断的最大短路电流值。

2 低压断路器的工作原理

低压断路器的工作原理如图2所示。

图2 断路器工作原理示意图

图2中为低压断路器的三副主触头，串联在被保护的三相主电路中。当按下绿色按钮时，主电路中三副主触头，由锁链钩住搭钩，克服弹簧的拉力，保持在闭合状态。 当线路正常工作时，电磁脱扣器中线圈所产生的吸力不能将它的衔铁吸合。如果线路发生短路和产生较大过电流时，电磁脱扣器的吸力增大，将衔铁吸合，并撞击杠杆，把搭钩顶上去，切断主触点。如果线路上电压下降或是去电压时，欠电压脱扣器的吸力减小或失去吸力，衔铁被弹簧拉开，撞击杠杆，把搭钩顶开，切断主触头。

3 低压断路器选择的主要要素和注意事项

低压断路器的选择需要考虑：断路器所控制设备的电气特性；断路器的使用环境，包括周围环境温度，气候条件；短路电流分断和接通能力；断路器操作要求，如分级跳闸、遥控要求和指示及相关辅助触点，辅助跳闸线圈以及它们间的连接要求；安装规定，特别是对人身的保护；负荷特性，如电动机、荧光灯、低压变压器等。下面主要从电气特性和短路电流保护方面说明低压断路器的选择。

首先进行额定电压的选择，低压断路器的额定电压≥线路的额定电压；再是额定电流的选择，低压断路器的额定电流﹥线路的计算负载电流。一般断路器的额定电流比实际负载电流大20%左右，考虑到过载保护和短路保护，如果选择过大的额定电流，过载保护有可能失去作用，受负载线路的粗细及长短的影响，负载端的短路电流可能达不到瞬时脱扣器的整定电流动作值，使短路保护失效。

其次是断路器的额定短路分断能力，是断路器选择时需要考虑的最主要因素，低压断路器的极限通断能力≥线路中最大的短路电流。线路末端单相对地短路电流≥1.25倍低压断路器瞬时或短延时脱扣整定电流。断路器是用来保护电缆线路，防止发生火灾，所以要根据所用电气设备来选择电缆，根据电缆来选择断路器，如果断路器选择过大，将起不到保护电缆的作用，电缆超载断路器不会断开，就会烧坏电路。所以选择低压断路器时要注意以下因素：(1) 低压断路器的额定电流和额定电压应不小于线路的正常工作电压和计算负荷电流，所有负载工作时的总电流，根据实际情况乘以经验系数。(2) 热脱扣器的整定电流应等于所控制负载的额定电流。(3)电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流应大于负载正常工作时可能出现的峰值电流。用于控制电动机的断路器，其顺时脱扣整定电流应大于或等于(1.5～1.7)倍的电动机启动电流。(4)欠压脱扣器的额定电压应等于线路的额定电压。(5)断路器的极限通断能力应不小于电路最大短路电流，如果通断能力小于电路最大短路电流，会导致短路时没能及时断开而使触点烧死或引起线路火灾。

4 低压断路器过流保护的整定原则

低压断路器过流保护的整定原则是：用电设备正常工作和正常起动时，所装设的断路器不应切断电路，设备正常起动时，断路器不会跳闸。线路故障时，各级保护电器应选择性地切断电路。断路器过流脱扣器的保护特性分为长延时特性，短延时特性和瞬时特性。长延时型脱扣器主要是保护过负荷，整定电流应大于或等于线路的计算负载电流，可按计算负载电流的1～1.1倍确定，同时应不大于线路导体长期允许电流的0.8～1倍；选择动作电流可调的短延时脱扣器整定值时，应躲开线路的短时负荷尖峰电流，根据线路最大一台电机的启动电流计算峰值电流；选择动作电流可调的瞬时脱扣器整定值时，应躲开线路的尖峰电流，考虑线路最大一台电机全启动电流因素，同时要考虑可靠系数1.2。《低压配电设计规范》GB 50054—2011第3．1．1条要求：“电器的额定电流不应小于所在回路的计算电流；电器应满足短路条件下的动稳定和热稳定的要求；用于断开短路电流的电器应该满足短路条件下的接通能力和分断能力”。第6．2．1条要求：“配电线路的短路保护电器，应在短路电流对导体和连接处产生的热作用和机械作用造成危害之前切断电源”。第6．2．4条要求：“当短路保护电器为断路器时，被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍”。

5 电机用低压断路器保护分断电流的计算与选择

电机保护型断路器的选择。电动机有两个特点：一是起动电流通常是额定电流的几倍；二是具有一定的过载能力。所以，选择断路器保护电动机时必须要注意到电动机的这两个特点，为保障电动机可靠运行，在选择断路器时应注意以下几点：(1)以电动机的额定电流来确定断路器的长延时动作电流整定值。(2)断路器的6倍长延时动作电流整定值的可返回时间>电动机的实际起动时间，一般为15s。(3)断路器的瞬时动作电流整定值：笼型电动机应为8～15倍脱扣器额定电流；绕线型电动机应为3～6倍脱扣器额定电流。通常笼型三相异步电动机的短路电流是额定电流的十几到几十倍不等，受负载线路的粗细及长短的影响较大，笼型三相异步电动机的短路电流分为三相短路，两相短路和单相接地短路，其中三相短路电流最大，一般为电机额定电流的20～35倍，两相短路电流一般为电机额定电流的20倍左右，单相接地短路电流最小，一般为额定电流的8～15倍，三相短路电流发生的概率最小，单相接地短路电流产生的概率最大。在“断路器+接触器”的电动机控制电路中，断路器的额定电流选择一般为1．5～2倍电动机的额定电流，这样能躲过电动机的起动电流。这与配电用的断路器选型不同，配电用一般为1～1．2倍回路电流即可。

6 结语

在使用低压断路器的过程中如何科学地选型，避免因断路器选型不当，安装不合理，造成不能发挥应有的控制与保护作用，在运行中造成一定安全隐患，既降低系统保护运行的可靠性，又对使用人员的人身安全构成威胁。所以如何科学合理地选择使用低压断路器是保证系统安全有效运行的关键。要做好低压配电线路断路器的选择，需要全面、准确地理解相关规范中的各项要求。并正确选择断路器的形式及参数。只有全面、完整、系统地对保护电路进行科学分析和计算，才能正确选择断路器，确保低压配电线路安全、稳定、可靠地运行。