低压断路器及其应用 连理枝著 - 图文

低压断路器及其应用

——连理枝 编制

1. 概论.......................................................................................................................... 2

1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 2.1. 2.2.

概述............................................................................................................ 2 低压断路器的发展史 ................................................................................... 2 不同类型断路器的保护特性和它们执行的标准............................................. 4 断路器的发展趋势....................................................................................... 5 概述............................................................................................................ 6 低压断路器的主要技术性能、参数和有关试验............................................. 9

2. 低压断路器的原理与构造 .......................................................................................... 6

2.3. 断路器的电气间隙、爬电距离与飞弧距离.................................................. 14 3. 断路器的应用.......................................................................................................... 19

3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7.

断路器用作配电系统的保护....................................................................... 19 断路器用作电动机的保护 .......................................................................... 21 断路器用作发电机的保护 .......................................................................... 24 断路器用于家用及类似用途场所的保护 ..................................................... 24 剩余电流动作断路器用于漏电（触电）的保护........................................... 26 四极断路器的结构型式和应用场所 ............................................................ 31 断路器的机械、电气联锁与自锁................................................................ 32

3.8. 断路器用于双电源切换装置....................................................................... 37 3.9. 配电系统的后备保护 ................................................................................. 40 3.10. 配电系统的选择性保护.............................................................................. 44 4. 低压断路器的选用................................................................................................... 46

4.1. 4.2.

低压电网产生故障的原因与分析................................................................ 46 断路器的额定电流的选择 .......................................................................... 52

4.3. 断路器附件的功能和选择 .......................................................................... 53 5. 低压断路器的使用与维护 ........................................................................................ 54

5.1. 断路器在不同的场所、条件下的使用......................................................... 54

5.2. 5.3. 5.4.

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断路器的安装与连线 ................................................................................. 57 断路器使用中的降容问题 .......................................................................... 60 断路器的维护与保养 ................................................................................. 60

1. 概论

1.1. 概述

在现代社会，工业、农业、交通运输、国防、文教卫生、金融、商业、旅游服务和人民生活等领域都离不开电能。电力产生后，其输送、使用中，配电是一个极其重要的环节。配电系统所用电气器具包括变压器和各种高低压电气设备，而低压断路器则是一种使用中量大面广的电气产品。

所谓低压是指交流50Hｚ(或60Hｚ)，额定电压≤1200V；直流额定电压≤1500V。 低压电器就是使用在上述电网电压的电气产品。低压电器按其与使用系统之间的关系，可分为配电电器和控制电器两大类。配电电器包括：低压断路器、熔断器、刀开关、转换开关。控制电器包括：接触器、继电器、起动器、主令电器。

什么是低压断路器，低压断路器就是指：能接通、承载以及分断正常电路条件下的电流，也能在所规定的非正常电路（例如过载、短路，特别是短路）下接通、承载一定时间和分断电流的一种机械开关电器。

1) 低压断路器从它的结构、用途和具备功能分

万能式断路器ACB，塑壳式断路器MCCB，小型断路器MCB。 万能式和塑壳式断路器，它们的相同作用是： ? ?

在正常情况下，作不频繁合、分电路或起动、停止电动机。

当线路或电动机等发生过载、短路或欠电压等故障时，能自动切断电路，予以保护。

2) 根据保护的对象不同，断路器又分为四类：

? 配电保护型??保护电源和电气线路（电线、电缆和变压器）； ? ? ?

电动机保护型??专作电动机的不频繁起动、运行中分断，以及在电动机发生过载、短路、欠电压时的保护，一般它所保护电动机的功率多数在200kW及以下。

家用及类似用途保护型：电路末端的照明、家用电器的保护。 剩余电流保护型：有不带过电流保护和带过电流保护。

1.2. 低压断路器的发展史

1885年??诞生世界上最早的断路器，是一种刀开关和过电流脱扣器的组合。 1905年??诞生具有自由脱扣装置的空气断路器。

1930年??随着科学、技术的进步，电弧原理的发现和灭弧装置的发明。 1950年??电子元件兴起，诞生电子脱扣器，到今天已有智能型断路器的问世。 1949年以前，我国几乎没有断路器的制造业。新中国成立后，电器工业有了很大的发展和进步。低压断路器经历了四代的发展过程： 1) 万能式断路器ACB

? 第一代??1950年左右，仿苏联的A15、A2050的DW1、DW2和改进后的DW0 ? ? ?

第二代??1958年左右，自行设计的在DW0基础上更新的DW10系列 第三代??1970年左右，80年投放市场的DW15 第四代??90年代中，DW45型智能型万能式断路器

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DW15 DW45 2) 塑料外壳式断路器MCCB ? ? ? ?

第一代??1969年左右， DZ10系列 第二代??1980年，开发了DZ20系列

第三代??90年初，常熟开关厂推出的CM1，天津低压电器公司的TM30,上海电器科学研究所的S系列

第四代??常熟开关厂推出的CM3

DZ20 CM3 3) 家用或类似场所用过电流保护断路器MCB ? 第一代??最初访苏的DZ4 ? ? ?

第二代??60年代中期，DZ5

第三代??70年代，开发了DZ15.DZ12.S060

第四代??80年代后期，天津梅兰日兰的C45N问世，分断能力达到4kA（40A及以下）和6kA（50A及以上）

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4) 剩余电流动作断路器（漏电保护器）

? 第一代??60年代后期，首台电流动作型漏电断路器DZ5-20L ? ? ?

第二代??70年代中后期，全国联合设计的DZ15L,漏电电流有30mA、50mA、75mA。 第三代??80年代，开发了DZL16、DZL18。 第四代??90年代初，天津梅兰日兰的VigiC45ELE

1.3. 不同类型断路器的保护特性和它们执行的标准

断路器适合标准情况：

1) 配电保护型断路器执行??GB14048.2《低压开关设备和控制设备 低压断路器》/等效采用IEC60947-2

2) 电动机保护型断路器执行??GB14048.2和GB14048.4 《低压机电式接触器和电动机

启动器》/等效采用IEC60947-4

3) 家用和类似场所保护型断路器执行??GB10963《家用及类似场所用过电流保护断路

器》/等效采用IEC898 4) 剩余电流保护型断路器执行??GB6829《剩余电流动作保护器的一般要求》、GB16916

《不带过电流保护的剩余电流动作断路器RCCB》/等效采用IEC1008、GB16917《带过

电流保护的剩余电流动作断路器RCBO》/等效采用IEC1009和 IEC755等标准和文件。

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1.4. 断路器的发展趋势

进入行的世纪时，我国低压电器，将按照“小型化、高分断、低噪声、工作可靠、逐步实现智能化”的要求发展，不断创造出符合时代需要的新产品。 1) 万能式低压断路器

全国联合设计的DW45系列智能型万能式断路器已完成全系列壳架电流的研发工作，它的壳架电流已有2000，3200，4000，5000，6300A。可以满足容量从1250，1600，2000，2500，3150kVA单台变压器做主保护开关（6300A规格的短路分断能力达AC400V,120kA）。在短路分断能力及额定电流方面，近五年内能适应电网的要求。因此，它今后发展主要是智能化通信功能。实现更全面的小、中、大区域现场总线的遥控、遥测、遥信、遥调。

2) 塑料外壳式断路器 ? ?

向小型化、高分断、多功能、附件模块化发展 提高塑壳外壳式断路器的工作可靠性

? 智能化（三段保护）

3) 家用或类似场所用过电流保护断路器 ? ? ?

主要发展二极和四极

尺寸模数化、零部件通用化、安装导轨化 短路分断能力从4kA、6kA提高到10～15kA

? 功能方面有分励、欠压、过电压、断相、防窃电、声光报警等 4) 剩余电流动作断路器 ? ? ?

额定电流100～800A

漏电动作方面，除快速动作外，还要有延时型（可调），同时具备漏电预报警（当漏电电流达50％IΔn

为适应不能断电的系统（如消防），应设计开发只报警不脱扣的漏电断路器

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3 200 4 000 5 000 6 300 8 000 10 000 12.5 16 20 25 32 40 16 20 25 32 40 50 22 28 36 45 56 71 32 40 50 63 80 100 40 50 63 80 100 125 45 56 71 90 110 140 50 63 80 100 125 160 63 80 100 125 160 200 80 100 125 160 200 250 100 125 160 200 250 320 1）材料组别Ⅰ、Ⅱ、Ⅲa 、Ⅲb； 2）材料组别Ⅰ、Ⅱ、Ⅲa； 3）该区域的爬电距离尚未确定，因此材料组别Ⅲb一般不推荐用在污染等级3、电压630以上和污染等级4； 4）作为例外，额定绝缘电压127 V、208 V、415/440 V、660/690 V和 830 V的爬电距离可采用相应的较低 的电压值125 V、200 V、400 V、630 V和800 V的爬电距离。 5）印刷线路材料专用的最小爬电距离可以在此两列数值中选定。 注 1绝缘在实际工作电压32 V及以下不会产生漏电起痕，但必须考虑电解腐蚀的可能性，因此规定最小爬电距 离。 2表中电压值按R10数系选定。 例如：额定绝缘电压为660V，污染等级为3，产品使用的绝缘组别为Ⅲa（175≤CTI＜400，CTI为绝缘材料的漏电起痕指数），查得最小爬电距离为10mm。

2.3.3. 飞弧距离

断路器在线路出现很大的短路电流时自动分断，其动、静触头打开处产生电弧，电弧被吸入灭弧室予以冷却。但在电弧未熄灭之前，有一部分电弧或电离气体从断路器电源端的喷弧口喷出时，有可能直接喷到开关柜、配电屏等的金属框架上（它们通常是接地的），此时将产生金属导体损毁，线路会出现非正常的浪涌电压，空间有导电尘埃、金属粉末、甚至盐类物质，以至最终烧毁断路器时，从断路器的电源接线端子到开关柜的金属框架，必须提供一个足够的距离——成套电器的设计和制造单位最迫切需要的，断路器的设计制造厂也必须在理论计算和试验实测的基础上向用户提供的这个距离最低值。我国习惯上称之为飞弧距离，国外称隔开距离（Insulating distance）

在产品标准和技术样本上，必须对断路器的以下距离做相应的规定：

类型 定义距离 序号 简图 距离 尺寸示例 在225A以下，接线宽度不1 两个并排断路器之间的最小距离 A1 超出断路器的宽度，A1值可以为0mm；当采用铜排外趴式，第 16 页 共 65 页

A1值最小为40mm。 2 B 0mm 断路器与前板和后板之间的最小距离 3 F 8mm 4 C1 20mm 断路器到开关柜金属边框5 侧边、顶部、底部的最小距离 D1 50mm 6 D2 50mm 7 两个叠装断距路离器之间的最小底部断路器的电源端子，到上端断路器带电导体裸露部位之间的距离 无绝缘铜排连接 H 140mm 第 17 页 共 65 页

底部断路器的电源端子，到上端断路器带电导体裸露部位之间的距离 绝缘电缆连接 H 140mm 底部断路器的电源端子，到上端断路器的负载端子的距离 插入式连接H 140mm 注： 1. 表中“尺寸示例”仅为参考，，具体数值请参阅产品技术样本。 2. 表中“简图”摘自施耐德Compact NSX和ABB Tmax2008年技术样本。

2.3.4. 关于零飞弧

所谓零飞弧，是指断路器分断最大短路电流时其电源端的喷弧口喷出的电弧距离为零。 对于建筑、轻工、冶金等设计院和成套电器制造厂来说，他们希望开关柜、配电箱等设备体积小，占据的空间小。要使体积小，关键的是降低高度。而开关柜、配电箱的高度与断路器等低压电器的飞弧距离有极大的关系。为了适应市场的需要，国内外的低压断路器的设计制造单位，都在致力于零飞弧断路器的研制。

国内从90年代初期（大约1993年前后）开始研制零飞弧塑壳式断路器，最近几年有几家厂商研制了零飞弧断路器，并投放市场取得良好的效果。仔细研究、剖析，他们都有较好的限流效应，又在电源端子的喷弧口内装消游离灭弧器或金属网状的灭焰器，可将开断短路电流时产生的电弧予以吸收和冷却。这些零飞弧断路器一经面世，就受到广大用户的欢迎。但是我们又面临一种一窝蜂的现象，有一些厂家看到零飞弧断路器市场看好，便认为只是喷弧口加一灭焰器就能实现飞弧距离为零。这种认识和做法是片面的，因为此类电器能将喷弧距离缩小，最主要的仍然是断路器的限流效果好，即其真正断开的电弧能量小。如法国M－C公司的C125L，其短路分断能力达AC400V、150kA，而实际分断值仅为预期短路电流的9％，即13.5kA，溢出的电弧极小，真正实现飞弧距离为零。

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3. 断路器的应用

3.1. 断路器用作配电系统的保护 3.1.1. 配电型断路器的过载保护

如下表格为配电保护型断路器的反时限断开特性（GB14048.2） 通过电流名称 约定不脱扣电流 约定脱扣电流 返回特性电流 整定电流倍数 1.05In 1.3In 3.0In 约定时间（ｈ） In≤63A ≥1 ＜1 可返回时间（s） In≤63A 63A＜In≤200A In＞200A 5 8 12 约定不脱扣电流：在基准温度下，通电流整定值的1.05倍的电流，各相极同时通电，断路器从冷态开始，在小于约定的时间内不应发生脱扣。

在约定时间结束后，立即使电流上升至电流整定值的1.30倍，即达到约定脱扣电流断路器应在小于后者规定的约定时间内脱扣。

注：基准温度是指断路器的时间一电流特性所基于的周围空气温度。 按配电型断路器的标准规定，1.05Iｎ时，应在1h（当Iｎ≤63A时）或2h（当Iｎ＞63A时）不动作。1.05Iｎ是考虑电网正常波动允许的上限为5％。当经过1h或2h时间，断路器的温升已稳定。

In＞63A ≥2 ＜2

配电型断路器过载长延时保护的标准定在1.3Iｎ时，应在1h（当Iｎ≤63A时）或2h（当Iｎ＞63A时）内动作。这个1.3倍Iｎ是为了保护电源（变压器或发电机）及电线、电缆的需要，也就是说整定电流Iｒ1必须小于或等于电源和电线、电缆允许承受的过电流及其持续时间。

可返回特性：断路器在一定的电流整定值下，通电且持续一定时间，称为可反时间。然后将此电流返回到断路器的额定电流（或0.9额定电流），断路器应不脱扣的特性。其目的

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是考核断路器是否能躲过线路中电动机的起动电流。

配电型断路器，它所保护的主干线或分支线路中既有电热设备、各种控制电器、电子设备、家用电器，又有大大小小的各种电动机。而各种电动机，一般是不可能同时起动的，因此可返回特性的电流整定值取3Iｎ（这是无数线路的实测数据）。它的可反时间确定为大于线路中最大容量电动机的起动时间。

3.1.2. 配电型断路器的短路保护

短路短延时特性 短路短延时特性：短路短延时是为线路保护的选择性需要而设置的。如果支路选用无短延时性能的塑壳断路器，一旦支路发生短路故障，此短路电流也流过其上一级的干线支路或干线，倘干线支路也选用无短延时的断路器，则干线支路的断路器一起被切断，使无故障的支路失电，这在配电系统中显然是一个很大的问题。为避免出现这个问题，上一级线路应设置具有短路延时功能的三段保护性能的断路器。其延时时间可以是0.1s、0.2s、0.3s和0.4s。支路发生短路，其所在的断路器可在20～30ms内切断电路，上一级断路器只要有0.1s(100ms)，就足可以躲过下一级的短路故障。

通常的试验是，在规定的短路电流下，延时时间应不小于0.05s，也不大于1s。在此延时时间内，断路器应不动作，经此试验，断路器不因相间产生的电动力而遭机械破损，也不致因极大的∫i2dt而使温升提高，破坏零部件的绝缘性能。

短路短延时动作电流整定值

Ir2≥1.1（IL+1.35KIMｍ） 式中 IL——线路计算负荷电流，A；

K——最大一台电动机的起动电流倍数； IMｍ——最大一台电动机的额定电流，A；

例如：假设IL＝250A，线路中最大一台电动机的功率为50kW， Iｍ＝100A，K为6，则按上式计算：

Ir2≥1.1（250+1.35×6×100） ＝1060A 所以：

电路在1060A时实行短路短延时保护，整定电流 Ir2≥1060/250 IL＝4.24 IL 具体应根据电网线路上下级配合的需要来确定Ir2的值及其延时时间，同时短路电流值应小于同台断路器的瞬时动作整定值，但应大于下级断路器的瞬动电流值，一般来说断路器的短延时电流为1.2倍下级断路器的瞬动电流整定值。

短路瞬时特性

瞬时动作整定值：

Ir3≥1.1（IL+K1KIMｍ）

式中 IL——线路计算负荷电流，A；

K1——最大一台电动机起动电流的峰值系数；K1＝1.7～2

K——最大一台电动机的起动电流倍数；

IMｍ——最大一台电动机的额定电流，A；

例如：假设IL＝250A，线路中最大一台电动机的功率为75kW， Iｍ＝140A，K为7，则按上式计算：

Ir3≥1.1（250+2×7×140） ＝2431A

电路在2431A时实行短路瞬时保护，整定电流 Ir3≥2431/250 IL＝9.72 IL

当断路器的Iｎ≥400A时，由于它所保护线路中的电动机，大部分是采用自耦减压起动器或是星－三角起动器起动的，因此起动电流倍数大大降低。

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