断路器知识

低压断路器的基本知识

发布日期：[2014-02-26] 浏览：6470

第一节概述

一、低压断路器的定义、分类及执行的标准

(一)定义

低压断路器是一种使用于低压电网〔交流(50Hz或 60Hz额定电压在120及以下，直流额定电压在1200v及以下的电路〕的配电电器。按其用途，低压断路器被定义为:能够接通、承载及分断正常电路条件的电流，也能在规定的非正常条件下(如过载、短路、欠电压以及发生单相接地故障时)接通、承载一定时间和分断电流的开关电器。过去也称之为自动开关、空气开关和空气断路器(空开、空断)等。(二)低压断路器的分类

低压断路器按其结构、功能和用途可分为:万能式 (也称框架式)、塑料外壳式、以及灭磁式、爆炸式，真空和选相闭合式等等。后面的四种属于特殊场合使用，就不予论述。万能式、塑料外壳(模具压塑外壳)式两种主要的断路器，按它们的使用类别，国际电工委员会的IEc标准和我国相应标准又再分成A类和B 类两个类型。

A类:是指在短路情况下，断路器无明确指明用作串联在负载侧的另一短路保护装置的选择性保护，即在短路情况卜，选择性无人为的短延时，因而对此种断路器无额定短时耐受电流的要求，属于A类的断路器;在除短路情况外，如可作选择性保护、也可设置短延时，但其短时耐受电流可比标准规定值(12In或5kA ,以及In> 250OA时的30kA小。大量的塑壳式断路器、小型断路器和一部分小电流规格的万能式断路器属于A类，它的明显特征是:保护性能仅有过载长延时、短路瞬时的二段保护。

B类:是指在短路情况下，断路器明确作串联在负载侧的另，一短路保护装置的选择性保护，即在短路情况下，选择性保护有人为短延时(可调节)，这一类断路器要求有额定短时耐受电流，绝大多数的万能式都属于B类。

目前采用智能型控制器(脱扣器)的塑壳式也属于B类，它的明显特征是:保护特性具有过载长延时、短路瞬动、又有短路短延时的三段保护，他们最适宜作选择性保护。

如果再细分、即按保护的对象来分，基本上可分为四种型式:

①配电保护型;②电动机保护型;③家用或类似场所用保护型(以前称为导线保护型，现称为小型或称微型断路器的就属于此类);④剩余电流(漏电)保护型。

表1-1显示按细分的四类断路器的保护特性及其主要用途。

(三)标准

不同类型的断路器，其性能应符合如下标准:

(l)配电型。断路器应符合GB 14048.2《低压开关设备和控制设备，低压断路器》(等效采用IEC 947-2同名标准);

(2)电动机保护型。应符合GB 14048.2和GB 14048.4 (低压开关设备和控制设备、低压机电式接触器和电动机起动器》(等效采用IEC 947-4同名标准);

(3)家用和类似场所保护型。应符合GB 10963(家用和类似家用场所过电流保护断路器》(等效采用

IEC898同名标准);

(4)剩余电流保护型。应符合GB 6829《剩余电流动作断路器的一般要求》和GB 16916.1《家用或类似用途不带过电流保护的剩余电流动作断路器的一般要求》(等效采用IEC1008)、GB 16917 . 1《家用或类似用途带过电流保护的剩余电流动作断路器的一般要求》(等效采用IEC1009。

二、低压断路器的主要技术性能指标

1甲短路电流的通断能力〔短路的接通和分断能力)

短路接通能力:是指断路器在线路发生短路时瞬间的接触，断路器能承受而不引起机械‘电动力)，电气(∫i2dt: 引起的热)，可能造成的机械破损和绝缘热老化的电流值，它是以短路电流的峰值来表示的。

短路分断能力:是指断路器能够分断的线路预期最大短路电流的大小(以周期分量的有效值表示)。接通和分断电流的关系，如表1--2所示。

2，极限短路分断能力与运行短路分断能力

短路分断能力分极限和运行两种:

极限短路分断能力Icu—按规定的试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。它的试验程序是O一t-CO。O表示分断;t表示休息时间，一般为3min(分钟);CO表示接通后立即分断。

运行短路分断能力Ics—按规定的试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。它的试验程序是:O- t -CO- t -CO

由于运行短路分断能力试验后，要继续承载额定电流，试后的验证还必须进行温升试验和5%的电气寿命试验，它比极限分断的试验要求更严酷。因此，IEC标准规定:人，可以是25%、50%、75%、100%的Icu，其中B类(有三段保护性能的断路器)的Ics,最少是50% Icu }无25%Icu这一最低档的指标。

3 限流能力(限流系数)

限流能力表示:①开断的最大通过电流峰值(kA)与预期的短路电流的周期分量有效值(kA)之比;②以最大通过的(i2t(x 102A2s) As即安培平方一乘秒)与预期短路电流的周期分量有效值(kA)之比(也称断路器的产i2t 特性)，①可做成曲线，纵坐标为最大通过的电流峰值，横坐标为预期短路电流的有效值。它表示由于断路器采用限流技术，在发生颊路时，实际分断(通过)的电流峰值与发生的预期颊路电流有效值之比，限

流系数为E,E值越小越好，对于限流式断路器，一般要求E ≤0.5

4.短路耐受电流Icw。

短时耐受电流是指:在规定的使用和性能条件下，电路或在闭合位置上的断路器在指定的短时间内所能承

受的电流。它是考核在此指定的短时间内，断路器是否会脱扣(动作)，在此严酷条件下，断路器是否会

因电动力和骤热m]’遭受破坏，额定短时耐受电流的最小值，IEC947一2和国标GB 14042.2规定，

应不小于表1-3。

短时耐受电流只限于对B类断路器考核。

5.额定剩余动作电流I△n。

在规定的条件下，使剩余(漏电)电流保护器动作的剩余(漏电)电流，用有效值(r,m,s)表示，几。I△n仅适

用于剩余电流动作保护器(断路器)。它具有0.006,0.01,0.03，0.1,0.3,0.5,1,3,10,20,30A等规格。

6.额定剩余不动作电流(I △no)

在规定的条件下，剩余(漏电)电流保护器不动作的剩余(漏电)电流。几。I no的值通常是I △n的一半，即I △no=?I △n。

8。单相负载时不动作过电流的极限值

单相负载不动作过电流的极限位是指:在没有剩余电流的情况下，能够流过剩余电流保护装置(不论极数多少)而不导致其动作的最大单相过电流值。此一技术性能指标，仅适用于剩余电流动作断路器。

9.剩余短路接通和分断能力

乘余短路接通和分断能力是指:在规定的使用条件和性能条件下，能够接通，在分断时间内，能承受和分

断的预期剩余(漏电)电流值，而不导致剩余电流保护装置失去保护性能。此技术性能指标仅适用于剩余

电流动作断路器。

10，保护特性

断路器的保护特性包括:过载长延时、短路短延时、短路瞬动的三段保护，欠电压保护和单相电弧性接地(对地泄漏电流)，以及单相金属性短路、三相不平衡电流和发电机的逆功率等的保护，常见的是三段保护。

过载长延时保护:较多的是采用双金属元件，而纯电磁式(油杯式脱扣器)是带油阻尼的电磁铁系统〔机构)，智能型脱扣器采用空心互感器、MPU(小型微处理器)、键盘和编码器、驱动器及磁通变换器等来实现长

延时反时限的保护。

短路短延时保护:较早时期是采用钟表延时，现在有电子脱扣器短延时和韧能脱扣器短延时等。

短路瞬动:采用电磁铁机构，电子脱扣器、智能脱扣器等。

欠电压保护:采用欠电压脱扣器，可确保在工作电压下降至70%一35%额定电压时动作(切断故障电路)。欠电压脱扣器有瞬时动作，也可带延时。如果动作电压在35%- 10%额定电压时，就称为失压保护，失

压保护是欠电压保护的一种形式。

对地泄漏电流(剩余电流)保护:即漏电保护。

单相金属性接地:指相线与中性线或PEN线的短路。三相不平衡电流是指反映到中性线的零序电流超过规定值的保护，它们均可由断路器的单相接地故障保护装置来保护。

逆功率(又称逆向);它是保护发电机不致于因输出功率为零，造成发电机从输出功率变成输人功率(电力)而引起的严重后果。因此，它是通过逆功率继电器检出和动作，使保护发电机的万能式断路器跳闸的。11.温升

温升一是指断路器在通以额定工作电流(约定发热电流) 一定时间后，各零部件(如作外部连接的接线端子、人力操作部件，可触及但不是手握的部件等)和线圈(如果有的话)的温度与周围空气温度之差值。极限温

升是指在额定工作制下，断路器零部件的极限允许温度与发热试验规定的周围最高温度的差。允许的极

限温升(也称温升极限)，在断路器的标准中作了规定。按新的国家标准GB 14048.2.，已取消新的断路

器必须测试温升的规定，温升试验是在断路器经，过寿命试验，短路分断试验后的一个验证试验—验证温升。

12 寿命

断路器的寿命是以完成闭合、断开操作的次数来表示的〔试验时，规定了操作的频率，即每小时的闭合一断开(机械寿命)和接通一分断(电气寿命)的次数〕。

寿命分机械寿命和电气寿命两种。机械寿命又称无载寿命。电气寿命又称有载寿命。有载寿命规定了施

加的工作电压、_上作电流和线路的功率因数(功率因数通常是cosφ= 0.8，它与线路的正常情况贴合)。

寿命应按标准规定考核。

第三节断路器各种参数的确定和考虑

一、断路器的额定绝缘电压

额定绝缘电压是在规定的条件下，用来度量断路器及其部件在不同电位部分的绝缘强度、电气间隙和爬

电距离的标称电压值。绝缘电压确定后，就应考虑断路器的绝缘结构，如:电气间隙、爬电距离以及介质试验(耐压)的值，通常它的最小值应等于断路器的最大额定工作电压。在断路器的定型试验、出厂试验时，它不作为一个项目进行验证、考核。

二、断路器的电气间隙和爬电距离的设计

在讨论断路器的电气间隙和爬电距离之前，必须首先了解系统的绝缘配合对断路器的要求。断路器用于

电源系统的条件应是:

( 1)断路器的额定绝缘电压，应高于或等于电源系统的额定电压;

(2)断路器的额定冲击电压，应高于或等于电源系统的额定冲击耐受电压;

(3)断路器产生的瞬态过电压，应低于或等于电源系统的额定冲击耐受电压。

十是就涉及额定冲击耐受电压如何确定的原则:

首先要考虑的参数是由电源系统电压确定的相对地电压 (交流有效值或直流)和断路器的安装类别，并由此来确定它的额定冲击耐受电压。安装类别义称过电压类别，分四种，即:I信号水平级;II负载水平级;III配电水平级;IV 电源水平级。一般的断路器安装类别是III级，其控制电路电器为II级，但作电源进线处变

压器出线处的主开关为IV级。而空气中的最小电气问隙是由额定冲击耐受电压的大小与断路器安装处的朽染等级(断路器的污染等级1般为3级、控制电路电器为2级)来决定的。冲击电压越大，污染等级越高，电气间隙就要求越大。

爬电距离:断路器的爬电距离是与它的额定绝缘电压 (或实际工作电压)，污染等级和绝缘材料的组别等因

素有关。污染等级越高，额定绝缘电压越高，材料组别越低，爬电距离就越大。

三、绝缘材料的组别绝缘材料的组别可分为I,II,IIIa,IIIh.四组，其分组的技术依据(指标)是CTI,CTI称之为相比泄漏(漏电)起痕指数(Comparative Tracking Index)，它表示绝缘材料表面经50滴电解液

[0.1%NH4CI(氯化铵)水溶液(A液)或0.1%NH4CI+0.5%R·C10H6·SO3Na(蔡磺酸钠)溶液(B液)的滴入，绝缘材料之上为两个夹角为60度的电极，通电，测试试样(绝缘材料)的5个点，试样不出现漏电痕迹(绝缘材料表面因局部劣化所形成的不完全导电通道)的最高试验电压。绝缘材料四个组别中，IIIb组为100≤CTI ＜175, IIIa组为175≤ CTI＜ 400; II组为400≤ CTI ＜600 ;I组600≤ CTI。

CTI越高，绝缘材料耐漏电起痕性能越好，绝缘性能相应越好。

常用绝缘材料的CTI值见表1-4:.

四、断路器触头三要素的考虑

断路器触头三要素是指触头的开距(断开距离)、触头的压力和触头的超额行程(超行程)。

触头的开跟，也称触头行程，Fs的作用是:①当动静触头打开时，确保一定的距离，以便将电弧拉成长弧，增加其电弧电压(加速电弧的熄灭);②为了在规定的试验电压下，不致于在电弧熄灭后(通过一定的灭弧措施)被再击穿，使电弧重燃。

触头的压力:分初压力和终压力两种。

初压力:是动、静触头刚接触时，由触头弹簧产生的触头压力，它是触头弹簧的预压力，它的作用是限制

和防止触头刚接触时产生的机械振动—由于机械振动过程会产生小放电电弧，使触头增加磨损，降低寿命。终压力:是触头完全闭合，即动触头已不再继续运动时的触头压力。它是保证触头在闭合状态下接触电阻

最小，从而使触头温升不致超过容许值所必须的技术措施。终压力的另·作用是，在触头通过较大故障电流时，不致因为大的电流产生的电动斥力，而使其断开。这一克服电动斥力的作用只限于不应该动作的

电流范围。例如:电动机起动时的电流 (5一7倍的额定电流);当一些具有限流作用的断路器发生短路电流故障时(例如几万安培时)，要求断路器的瞬动机构未动作前，先山其产生的极大电动斥力把动静触头斥开，这与上而说的克服电动斥力，不致断开是两个概念。

触头的超额行程(超程):是指触头在闭合位置后，将静触头移开、动触头所能够移动的距离。规定超程是

保证触头在其寿命终结前(整个使用寿命之内)能够可靠地接触的必要值。

五、断路器的分断时间

断路器的分断时间包括固有分断时间和燃弧时间。

断路器的固有分断时间—指断路器从断开操作开始瞬间到所有极触头(弧触头，如果有的话)都分开瞬间为止的时间(断开操作是指脱扣器引起断路器断开的操作); 燃弧时间—指断路器分断电路过程中，从触头断开出现电弧的瞬间开始，至电弧完全熄灭为止的时间。

断路器的分断时间，又称断路器的全分断时间，是指固有分断时间和燃弧时间的总和。

通常，塑壳式断路器的全分断时间≤0.02s，(20ms)，万能式断路器的全分断≤时间0.03s。

六、断路器的开断速度

断路器的开断速度是指断路器的操动机构(四连杆机构)从解扣(锁扣脱开)到完全断开过程的速度。开断速度越快，固有分断的时间越短。一般要求是6m/s(每秒6米) 一丝高水平的限流断路器达到10 m/s 七、断路器的外壳防护等级

外壳防护等级是指按标准规定的检验要求，对(断路器的)外壳能防止外界固体异物进入壳内触及带电部分或运动部件以及防止水进人壳内的防护程度。防护等级以IP加后面的数字表示:第一个数字及数后补充字母表示电路具有对人体和壳内部件的防护，共9个等级，即

IPOX,IP1X,IP2LX,IP2X,IP3LX,IP4X,IP4LX,IP5X和IP6X;第二表征数字表示由于外壳进水而引起有害影响的防护，也分9个等级:IPX0，IPX1，IPX2，IPX3，IPX4，IPX5，IPX6，IPX7，IPX8。

断路器的外壳防护等级，一般选用的是IP2L0或IP3L0

IP2L0能防止直径大于12.5mrn固体异物进人壳内和防止手指或长度大于88MM的类似物体触及壳内带电部分或运动部件，但不带防水进入的措施。

IP3L0一一一能防止直径大于2.5MM的固体异物进人壳内和防止长度大于100MM，直径为2.5MM，的试验探针触及壳内带电部分和运动部件。

八、工频耐压问题

G B/T 14048.1《低压开关设备和控制设备总则》规定了产品(断路器)按其额定绝缘电压的值所对应的工频耐压试验电压值(交流有效值)，例如额定绝缘电压Ui ≤60v时耐压为1000v, 60V < Ui ≤3 00V时为2000V，300v < Ui≤660v时为2500 .…这些耐压值是对接在电网主回路的电器产品而言的，而不接主回路的控制电器，如分励脱扣器和辅助触头、报警触头等，其工频耐压值为:当Ui≤60v时，工频耐压为1000v(交流有效值)，Ui> 60时，为2Ui+1000(交流有效值)，但不小于1 500

现在的问题是有一些断路器的附件，如电动机、电子线路板等，它们的电源都是取自于电网的主回路，尽管它们的绝缘电压是大于60v而小于300V，或者是大于300V而小于 660v,可是工频耐压仅是1500或最大为1800v，应如何办?

符合IEC60947--2的GB 14048.2.《低压开关设备和控制设备低压断路器》(新版)，对此作了规定:“断路器的电路包括诸如电动机、测量仪表、微动开关和半导体装置等元件时，若这些元件已按其有关规定进行了低于8.3.3.2.3... (主回路的试验电压值)规定的介电试验电压的试验时，则应在断路器进行其介电强度试验前将这些元件拆除”。

还应该说明的是:断路器的介电强度试验(带电部件与接地部件之间，极与极之间，断开触头之间以及有关的固体绝缘)是应能承受施加的额定冲击耐受电压的。标准还明确规定，产品有关试验后的验证，允许采用工频耐压，同时也适合于没有规定额定冲击耐受电压的电器产品作介电性能考核。而如果类似Dw45万能式断路器，去掉智能控制器和传感器，仅作隔离器用时，就应该进行额定冲击电压试验，而不能以工频耐压代替。

脱扣曲线是断路器速断脱扣器的动作特性曲线。

脱扣曲线分为A、B、C、D、K等几种，各自的含义如下:

C曲线:脱扣电流为(5~10)In，适用于保护配电线路以及具有较高接通电流的照明线路;

D曲线:脱扣电流为(10~20)In，适用于保护具有很高冲击电流的设备，如变压器电磁阀等;

K曲线:具备1.2倍热脱扣动作电流和8~14倍磁脱扣动作范围，适用于保护电动机线路设备，有较高的抗冲击电流能力。

如果是微断的话:B型是3~5倍额定电流时脱扣C型是5~10倍额定电流时脱扣D型是10~14倍额定电流时脱扣按断路器脱扣反时限的特性(也就是说过载电流越大，脱扣时间越短)，和脱扣特性曲线图(主要是看在多大的电流下多长时间左右脱扣)。然后按用电设备的要求来选用。一般照明可以选B型或C型(选C型情况更多，属于常用的)，动力设备或小型(小功率)电机可以选D型。