塑壳断路器的选用

塑壳断路器的选用

1.引言

塑料外壳式断路器以下简称MCCB，作为低压配电系统和电动机庇护回路中的过载、短路庇护电器，是应用极广的产品。随着现代科技水平的不断进展，新技术、新工艺、新材料不断出现，断路器的生产工艺及各种材质不断改进，使断路器的性能有了很大的提高，除国际知名品牌，如ABB、施耐德外，国内一些公司也不甘落后，自行开发、研制或引进国外先进技术，并加以消化、汲取，也向市场推出了成熟了的产品如常熟开关厂的CMl、天津低压开关厂TM30等。这类产品具有零飞弧、高分断、大容量、进出线方向可以互换、智能型、四极、内部附件结构模块化、安装积木化、体积小型化等特点。实现了MCCB所需的选择性庇护功能和多种辅助功能，并带有通信接口，使低压配电系统实现自动化和组网成为可能；降低了低压成套配电装置的动、热稳定性的要求；缩小了成套配电装置的体积；大大地提高了供配电系统和设备运行的可靠性。

然而，日前在一些电气设计方案中，对MCCB的正确合理选用并不尽人意，往往忽略了所选厂家的MCCB规格、型号、附件等其它电气参数，特殊是对一些新型MCCB的电气参数理解不透，标注不全、应用类别、使用场合及用途等考虑不周。选用了不合适的MCCB，导致成套厂订货困难，庇护的选择性变差，灵敏性，合理性不符合设计规范要求，不但使MCCB 没有物尽所用，反而造成了浪费，降低了配电系统的可靠性，影响了工矿公司的生产和人们的生活。为此，本文结合有关MC;CB的常用参数和国家标准谈谈本身对MCCB正确选用的一些看法。

2.断路器的常用基本相关符号其合义及彼此之间的关系

Inm;;断路器壳架等级电流A，它所指的含义是本断路器内所能安装的最大开关及脱扣器电流值。

In;;断路器的额定电流A，它所指的含义是该断路器内选用的额定热动型脱扣器电流值，在不可调固定式热脱扣器中In=Ir1。

Ir1;;断路器的长延时整定电流A，它所指的含义是该断路器的过载庇护脱扣器所整定的电流值。

Ir2;;断路器的短延时整定电流A，它所指的含义是该断路器的短延时脱扣器整定的电流，它的数值在电子可调式脱扣器中为2～12Irl右左可调。

Ir3;;断路器的瞬时整定电流A，它所指的含义是该断路器瞬时脱扣器整定的电流，它的数值在不可调固定式脱扣器中，配电型为5Irl、10Irl两种，电动机庇护型为12Ir1，在电子可调式中，为4～16Irl右左可调。

Ir4;;断路器的单相接地整定电流A，它所指的含义是该断路器庇护的线路或设备发生单相接地故障时，接地庇护脱扣器整定的电流值，它的数值为0.2～0.6Irl右左可调。Ire;;断路器的漏电动作电流A，它所指的含义是该断路器庇护的线路或设备发生不正常泄漏电流时，漏电庇护脱扣器整定的电流值。它的数值为0.03/0.1/0.3/0.5A几种。

Ir0;;断路器预告警动作电流A，它所指的含义是该断路器负载电流超出预先设定的电流时，预告警装置发出报警指示暗号，它的数值为0.5～lIr1右左可调。

Ir2;;短延时脱扣器的脱扣时间整定值s，可调时间为0.05～0.45s。

3.MCCB的额定分断能力Icu、Ics

按照IEC947;2《低压开关设备和操纵设备，低压断路器》GBl4048.2规范，低压断路器的分断能力有两个标准，一个是极限短路分断能力Icu它所表明的意思是断路器按试验

循环分断此电流后，不考核继续承载电流的能力，也就是不再能继续使用了。另一个是运行短路分断能力Ics，它所表明的意思是断路器分断此电流后，需继续承载额定电流。也就是排除故障后能继续在线路中使用。这二个数值均是周期重量的有效值。在生产厂商和设计资料中一般Ics用Icu的％数表明。按断路器的制造规范有Ics=25％、50％、75％、100％Icu四档标准比值，并化整到最接近的整数。这二个分断能力数据是我们在选用MCCB、校验分断能力时必不可少的。在断路器的制造商样本中，一般提供的是Icu按照设计规范要求，低压断路器的开断电流Ifd应大于负荷侧短路电流最大值Id。这就产生一个问题，到底是选用Icu，还是Ics作为Ifd。笔者认为，当该断路器用于较重要的配电线路或设备，排除短路故障后，要求迅速恢复供电的，应当按Ics数值来考虑。假如是一般的配电回路，即可按Icu数值来考核。对于动作时间小于0.02s的MCCB也按Icu数值来考核即可。实际上，在有关设计手册上介绍，对于此时的低压断路器的分断能力检验要求是，断路器的分断能力冲击电流有效值，或峰值电流应大于短路开始第一周期内的全电流有效值或峰值。

4.短时耐受电流Icw

在具有三段庇护特性的MCCB中，还有一个电气参数就是额定短时耐受电流Icw，它所表明的意思就是我们过去通常称的动热稳定电流的概念，即在1s的时间内耐受的电流值，耐受后不影响该断路器的继续使用。它主要是考核断路器在短延时状态下，要继续保证断路器自身的电气参数不变，外壳及构件不变形。在二段庇护特性的MCCB中，无此项数值。

5.庇护类别 A B

传统MCCB采纳的是热庇护加电磁后备庇护，只可实现过载延时和短路瞬时动作的基本庇护功能，即具有二段庇护特性。因此在短路条件下无选择性可言，一般只能用作馈电断路器，而不能作为主断路器使用。由于日前已经有了具有成熟的过载长延时、短路短延时、特大短路瞬时动作的三段可调式庇护特性的大容量、高分断MCCB，使MCCB既可作为主断路器使用，也可用于各级中，并有较好的选择性。因此把MCCB按使用类别分为非选择性断路器，类别为A，选择性断路器，类别为B。

6.额定短路接通能力Icm

在制造厂规定的额定工作电压、额定频率以及必定的cos φ对于交流或时间常数

对于直流下断路器的接通短路电流的能力值，用最大预期峰值电流表明。对交流断路器而言，额定短路接通能力应不小于额定极限短路分断能力乘以表1中所列系数N的乘积；对于直流，Icm应≥Icu。

N为短路接通能力/短路分断能力，表中所列为要求的最小值。Icm持续的时间应≥0.05s，即断路器应在短延时脱扣器的最大延时范围内保持闭合的能力，此时它的瞬时脱扣器不动作，而由下级开关瞬动切除短路故障，或本级短延时时间到，由本开关切断短路故障，从而保证系统的选择性庇护。

此电气参数在国内生产厂商的样本中很少提及，在国外一些品牌MCCB的设计手册中偶有提及，它是MCCB制造商的考核指标之一。

7.庇护特性与选择性

按照被庇护对象和用途MCCB分为5类：配电用、庇护电动机用、三防场合用、船用及核电工业用。在一般建筑电气设计中常用的为前二类，后三类为特别场合用，本文不作赘述。在有关厂商提供的设计样本中，明确要求设计人员在断路器的型号、规格一栏中标注是配电用，还是电动机庇护用。由于一般的标注中，配电用可不标，而电动机庇护用则必需用一个

代号表明，但一些设计人员省略了这一代号，导致了一些庇护电动机场合用的MCCB，错误选用了配电用MCCB，这就带来了隐患。大家知道，电动机在起动瞬间有一个5～7In持续时间为10～20s的启动尖峰电流。避开电动机起动时所引起的这个尖峰电流，庇护单台电动机的断路器，要有个7.2倍Irl下的可返回时间≥电动机实际起动时间的考核指标。对于接有几台电动机的配电线路上的断路器，要考核的3倍Ir1下的可返回时间≥线路中最大起动电流的电动机的起动时间。可返回时间一般有l～15s数档，在设计时可按电动机实际起动时间选用其中的一档。

因此，这二类断路器的使用条件、庇护特性存这个问题。

2A类与B类MCCB的瞬时脱扣器庇护功能不完全一样。B类断路器的瞬时和短延时脱扣器各司其职，它的短延时脱扣器是保证上下级断路器之间的动作选择性，而瞬时脱扣器作为特大短路时庇护线路用，瞬时切除故障。

3各设计手册在谈到断路器为配合上、下级的选择性，要求上一级的动作电流大于下一级动作电流的1．2倍，但没明确是哪个脱扣器之间的配合。笔者认为，对于B类的MCCB由于短延时脱扣器之间有时间级差己保证了选择性，故不需要再配合，对于上级为B类的MCCB，下级无论有很大的差异，以CMl为例，见表2、3。

对于MCCB过电流脱扣器的整定与计算本文不作具体介绍，可参照有关设计手册，但要注重以下三个问题：

1因为MCCB瞬时动作的动作时间为全分断时间，约20ms右左，而电动机启动电流有周期重量和非周期重量，其峰值约为电动机启动电流的1.8～2.0倍，持续时间约为30ms右左，所以选用A类MCCB瞬时脱扣器动作电流时，要注重为A、B类断路器的瞬时脱扣器，因为上级的动作电流已大于下级断路器庇护范围的最大短路电流的1.1倍，故也不需要配合，当上、下级均为A类MCCB的瞬时脱扣器时，由于脱扣器均按躲过本线路上的尖峰电流原则整定动作电流，而上下两段线路的尖峰电流一般相差较小，若上一级不大于下一级瞬时动作电流1.2倍以上，有可能在发生短路时，上下级同时动作，破坏了选择性，因此在这种情况下必需配合。

8.隔离功能

按照IEC947及GBl4048《低压断路器》中规定：保证触头间达到规定隔离距离的断路器才能适合兼作隔离开关。这一条强调了并不是所有的断路器均能作为隔离电器使用的，特殊是MCCB。由于结构紧凑，有时较难满足隔离器爬电距离、空气间隙等参数要求。因此，在制造厂商的样本中若指明本断路器有隔离功能，我们才可在设计中把本断路器兼作隔离器，或把所有脱扣器取消，单独作为一个隔离开关使用。

9.四极断路器

关于四极断路器的使用场合，以CMl为例：

四极MCCB分为A、B、C、D四种。

A型;;N极不安装过电流脱扣器，且N极始终接通，不与其它三极一起合分。

B型;;N极不安装过电流脱扣器，且N极与其他三极一起合分。

C型;;N极安装过电流脱扣器，且N极与其他三极一起合分。

D型;;N极安装过电流脱扣器，且N极始终接通，不与其它三极一起合分。这里有两个问题要注重：

1在用四极MCCB的场合，必定要注明是选用产品中哪一种，因为同为四极，但在N线上有无安装过电流脱扣器，其作用和目的是不同的。N线上安装过电流脱扣器，它可以用在三相四线配电的单相负荷为主的线路中，或使用在产生大量谐波的非线性负荷如气体放电

灯，可控硅调光、调速线路中，或其它有一些有特别要求的场合。一般设备回路可选用N 线不装过电流脱扣器的MCCB。

2实际上，A、D两种虽然称为四极断路器，但它的N极始终接通，并不随其它三极一起合分，因此，此类MCCB俗称假四极，与三极MCCB无本质的区别，它比三极唯一有用的是在成套柜中，线路的进出可能便利一些。因此，这类MCCB只能适合应用在三极的场合。假如选择错了，不但起不到庇护作用，反而要出大问题，这个是日前设计和使用中最紊乱的一个问题，应引起大家重视。

10.电源端和负载端

日前，国产的MCCB一般电源只能是上端子进线电源端，下端子出线负载端，它的额定分断能力也是在这种状况下测得的。这是由MC－CB的灭弧性能所决定的。国外一些产品由于它在有关灭弧系统方面与传统的MCCB灭弧有很大的改进，可以做到电源端和负载端互换，而分断能力不受影响。在工程中若碰到特别情况要求下进、上出或作为联络断路器使用，笔者认为，首先应选用电源端和负载端可互换的产品，万不得已，则必需严格按照制造厂商提供的有关降容系数换算一般降低20％～30％右左选用合格的MC－CB。

11.限流型断路器

限流型断路器是日前低压断路器中应用很广泛的，当断路器的负载出现短路时，由于断路器具有极快的分断速度，在短路电流未来得及达到预期峰值前即被切断，使实际短路电流产生的能量比预期能量减少，使得电网、用电电器受到的机械应力及热耗大大减小。限流型断路器比一般断路器多一个限流系数概念，它就是指实际分断电流峰值与预期短路电流峰值之比。一般限流型断路器具有快速断开和限制短路电流上升的特点，特殊适用于可能发生特大短路电流的网络中。但正因为限流断路器在短路电流大于或等于其瞬时脱扣器的整定值时，将会在数毫秒内脱扣，故一般不宜用于有下级断路器情况下的选择性庇护。实际上在断路器生产厂商的产品样本与设计使用手册上对限流型断路器的使用类别均标明为：A。

12.级联庇护

级联庇护技术是断路器限流特性的应用形式，它利用上级断路器QFl的分断能力大于或等于下级K点预期短路电流的特点见图1。当下级选用的额定分断能力低于K点预期短路电流的断路器时，通过线路的短路电流由QF1限流型断路器进行限制，使原来QF2分断不了的短路电流，由QF1和QF2同时分断，这样可使QF2较顺利地分断比它额定分断能力要大的短路电流，无形中下级断路器的实际分断能力大大相对增强了。

但级联庇护也是有必定要求的。必需是QF2的分断能力至少要大于K处最大预期短路电流的50％，只有这样才能符合《民规》第8.6.25条两个庇护电器特性的配合，应使短路时通过的能量不致造成负荷侧庇护电器和导线的损坏的规定。而级联庇护是用牺牲部分选择性庇护的方法来解决断路器分断能力不够的问题，是迫不得已的做法，应慎重决定，再说，现在低压断路器的分断能力越做越高，同一壳架等级的低压断路器也多有高、中、低几种分断能力可供选择，对于日前一般低压电网的配电要求来说，应当足够有余，故笔者认为非万不得己，尽量不要采纳级联庇护。

13.使用环境温度

日前的建筑电气设计中，为了节省有限的空间和提高设备互换性以及生产厂商的标准化生产，大量使用低压抽出式成套开关设备，这些低压断路器通常安装于空间很紧凑的抽屉内，由于动力配电中心PC一个柜内可安装小容量的MC～CB多达十几个，因此发热量较大。

笔者建议，对这类配电设备最好优先采纳零飞弧、热脱扣器有温度补偿的MCCB，不然的话，必需注重热脱扣器受温度变化的影响，切断短路电流时断路器喷出的电弧引起的放电等问题。并且不要疏忽断路器在成套柜中的降容系数，一般为0.85右左。

电动机作为一个终端设备，通常使用于配电网络的末端，一般30kW右左的小型电动机的短路电流多不大，不会超过10kA。但是，日前一些工矿公司为了减少传输过程中的电能损耗，往往将电动机的庇护断路器放置于变配电站内的电动机操纵中心MCC内，导致电动机庇护用断路器与变压器的母排很近，使得阻抗很小，尽管电动机功率很小，但电动机供电回路短路电流却很大。因此，电动机的庇护断路器必需选用较高分断容量，在设计时必需视具体情况进行必要的短路电流计算。

(一)交流断路器选用计算

1．选择电气参数的一般原则

(1)断路器的额定工作电压大于或等于线路额定电压。

(2)断路器的额定电流大于或等于线路计算负载电流。

(3)断路器的额定短路通断能力大于或等于线路中可能出现的最大短路电流，一般按有效值计算。

假如选用的断路器额定电流与要求相符，但额定短路通断能力小于断路器安装点的线路最大短路电流，必需提高选用断路器的额定电流，而按线路计算负载电流选择过电流脱扣器的额定电流。假如这样还不能满足要求，则可考虑下述三种方案解决：

1）采纳级联庇护(或称串级庇护)方式，利用上一级断路器和该断路器一起动作来提高短路分断能力。采纳这种方案时，需将上一统断路器的脱扣器瞬动电流整定在下级断路器额定短路通断能力的80％右左。

2)采纳限流断路器。

3)采纳断路器加后备熔断器。

(4) 线路末端单相对地短路电流大于或等于1.25倍断路器瞬时(或短延时)脱扣器整定电流。这对负载电流较小，配电线路较长的情况尤为重要。因为线路较长时，末端短路电流较小，单相对地短路电流就更小。在三相四线制中相零短路时，对地短路电流还要小些，有时比道电流脱扣器整定的电流还要小，不能使过电流脱扣器动作，因而在单相对地时失去庇护。在这种情况下，考虑在零线上装设电流互感器(其二次接电流继电器，对地短路时，继电器动作使断路器分断)，或采纳带零序电流互感器的线路(或漏电继电器)来解决。采纳这些方法时，变压器中性点均应接地。

(5) 断路器欠电压脱扣器额定电压等于线路额定电压。

是否需要欠电压庇护，应按使用要求而定，并非所有断路器都需要带欠电压脱扣器。在某些供电质量较差的系统，选用带欠电压庇护的断路器，反而会因为电压波动造成不希望的断电。如必需带欠电压脱扣器，则应考虑有适当的延时。

(6)具有短延时的断路器，若带欠电压脱扣器，则欠电压脱扣器必需是延时的，其延时时间应大于或等于短路延时时间。

(7)断路器的分励脱扣器额定电压等于操纵电源电压。

(8)电动传动机构的额定工作电压等于操纵电源电压。

2．配电用断路器的选用计算

除考虑上述一般选用原则外，还需考虑把系统的故障限制在最小范围内，防止故障时扩大停电区域，为此，需增加下列选用原则：

(1)断路器的长延时动作电流整定值小于或等于导线认可载流量。对于采纳电线电缆的情况，可取电线电缆容许载流量的80％。

(2)3倍长延时动作电流整定值的可返回时间大于或等于线路中最大起动电流的电动机的起动时间。

(3)短延时动作电流整定值按下式选用

式中Isd;;短延时动作电流，A；

Id;;线路计算负载电流，A；

KS;;电动机的起动电流倍数

IN;;电动机额定电流，A。

(4)瞬时电流整定值按下式选用

式中Iin ;; 瞬时电流，A；

Kp ;;电动机起动电流的冲击系数，一般取Kp＝1.7;2；

INm;;最大的1台电动机的额定电流，A。

(5)短延时的时间阶梯，按配电系统的分段而定，一般时间阶梯为2;3级。每级之间的短延时时差为0.1-0.2s，其可返回时间应保证各级的选择性动作。选定短延时阶梯后，最好按被庇护对象的热稳定性加以校核。

3．电动机庇护用断路器的选用计算

电动机庇护用断路器可分为两类：

1)断路器只作庇护而不负担正常操作。

2)断路器兼作庇护和不频繁操作用。

选用原则：

(1) Isd = In

式中Isd ;;长延时电流整定值，A；

IN ;;电动机额定电流，A。

(2)瞬时整定电流Iin

1)庇护笼型异步电动机时

2)庇护绕线转子异步电动机时

4．导线庇护断路器的选用计算

(1) Isd ≥ Id

式小Isd ;; 长延时整定电流值，A；

Id;;线路计算负载电流，A；

(2) Iin ＝(6～20)Id

式中Iin;;瞬时整定电流值，A。

5．断路器与上下级电器庇护特性配合要求

(1)断路器的长延则特性应低于被庇护对象的认可过载特性。

(2)低压侧主开关短延时脱扣器与高压侧过电流庇护继电器的配合级差为0.4;0.7s，视高压侧庇护继电器的型式而定。

(3)低压侧主开关过电流脱扣器庇护特性低于高压侧熔断器的熔化特性。

(4)上级断路器短延时整定电流大于或等于1.2倍下级断路器短延时或瞬时(若下级无短延时)整定电流。

(5)上级断路器的庇护特性和下级断路器的庇护特性不能交叉。在级联庇护方式时可以交叉，但交点短路电流应为下级断路器的80％。

(6)断路器与熔断器配合时，一般熔断器作后备庇护。应选择交接电流IB小于断路器的额定短路通断能力的80％，当短路电流大于IB时，应由熔断器动作。

(7)在具有短延时和瞬时动作的情况下，上级断路器瞬时整定电流小于或等于断路器的延时通所能力，大于或等于1.1倍下级断路器进线处的短路电流。

(二)直流断路器选用计算

直流断路器的选用条件

(1)额定工作电压＞直流线路的电压,考虑到反接制动和逆变条件，应大于2倍电路电压。

(2)额定电流≥直流线路的负载电流。对于周期负载，可按其等效发热电流考虑。

(3)过电流动作整定值≥电路正常工作电流最大值，对于起动直流电动机，应避过电动机的起动电流。

(4)逆流动作整定值＜被庇护对象认可的逆流数值。

(5)额定短路通断能力＞电路可能出现的最大短路电流。对于快速断路器初始电流上升陡度(初始di／dt)＞电路可能出现最大短路电流的初始上升陡度。

(6)快速断路器分断的I2t＜与其配合的快速断路器的I2t.