小型短路器的类型和保护作用

论小型断路器的保护性能和作用小型断路器在建筑电气系统中的使用量很大，用途也不尽相同，因此较全面地了解它的性能并正确选用，具有重要意义。小型断路器（ＭｉｎｉａｔｕｒｅＣｉｒｃｕｉｔＢｒｅａｋｅｒ）又称微型断路器（ＭｉｃｒｏＣｉｒｃｕｉｔＢｒｅａｋｅｒ），是一种适用于家庭或类似场所用的过电流保护断路器（以下简称ＭＣＢ），以前曾称为导线保护开关（断路器）。它的主要用途是保护线路末端的电线（或电缆）和用电设备，有别于干线和主支路使用的工业配电型断路器和电动机保护型断路器。它大量用于住宅、宾馆、办公大楼、商场等场所，属于建筑电气范畴，应该满足ＩＥＣ３６４《建筑物电气要求》的规定。１ＭＣＢ的额定电流选择和过载保护电流的选择ＭＣＢ的额定电流为Ｉｎ，被保护线路的计算电流为ＩＢ，被保护线路（导体）的允许持续电流为ＩＺ，三者关系如下：ＩＢ≤Ｉｎ≤ＩＺ（１）Ｉ２≤１．４５ＩＺ（２）其中Ｉ２为在线路过载时断路器必须在一定延时时间内动作的电流。ＭＣＢ投入运行时，应满足等效采用ＩＥＣ８９８的我国ＧＢ１０９６３《家用和类似场所过电流保护断路器》标准的规定：约定不脱扣电流Ｉ１＝１．１３Ｉｎ，不脱扣时间ｔ≥１ｈ（当Ｉｎ≤６３Ａ时）和不脱扣时间ｔ≥２ｈ（当Ｉｎ＞６３Ａ时）。约定脱扣电流Ｉ２＝１．４５Ｉｎ，脱扣时间ｔ＜１ｈ（当Ｉｎ≤６３Ａ时）和脱扣时间ｔ≤２ｈ（当Ｉｎ＞６３Ａ时）。约定脱扣电流Ｉ３＝２．５５Ｉｎ，脱扣时间１ｓ＜ｔ≤６０ｓ（当Ｉｎ≤３２Ａ时）；１ｓ＜ｔ≤１２０ｓ（当Ｉｎ＞３２Ａ时）。ＭＣＢ的过载特性（约定不脱扣电流和约定脱扣电流等）的确定，是基于以下因素的：如上所述，ＭＣＢ使用于电路末端，按照有关供（用）电规程的规定，即：供电网路的电压偏差，三相供电的电压允许偏差是±７％，单相供电的电压允许偏差是＋７％和－１０％。一般考虑为－７％。为维持足够的用电功率，当电压下偏差为－７％，即供电电压仅９３％的额定电压时，电流将上升至１．０７５２Ｉｎ，加之电网电流正常允许的波动上限为＋５％（０．０５），二者相加为１．１２５２Ｉｎ，取整数１．１３Ｉｎ。此时自然不允许ＭＣＢ动作（它与工业用断路器规定的１．０５Ｉｎ不允许动作的意义是相同的）。而过载，则相当于１．１３×１．３Ｉｎ＝１．４５Ｉｎ（１．３Ｉｎ是工业用断路器过载必须动作的电流，这种断路器常用于保护变压器和电缆）。ＧＢ１０９６３《家用和类似场所过电流保护断路器》与ＩＥＣ８９８同名称标准，都规定了２．５５Ｉｎ和它的动作时间，考虑到电流末端的负载中有一些小型电动机（如冰箱、空调、洗衣机和厨卫设备中的微型电动机）必须躲过它的起动电流，由于这些微型电动机不可能是同时起动的，因此定它为２．５５Ｉｎ。２ＭＣＢ的短路保护功能和选择关于短路保护，ＩＥＣ８９８和ＧＢ１０９６３均分为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四种类型。英国标准ＢＳ３８７１则分为１、２、３、４型。但ＶＤＥ０６４１／６．７８（德国标准）和ＣＥＥ（原欧洲共同体电工产品标准委员会ＣＥＮＥＬＥＣ的缩写）标准都不作分类。四种类型的短路保护范围是：Ａ型：特别适用于测量回路中的互感器保护、具有特长导线的回路保护和有限的半导体保护（它的过载长延时保护范围与Ｂ、Ｃ、Ｄ类相同）。短路保护范围是２Ｉｎ～３Ｉｎ，即≤２Ｉｎ不动作（不动作时间应大于０．１ｓ）ｓ）。但Ａ型的用户极少。ＭＣＢ的短路保护类型一般不提Ａ类，而规定为Ｂ、Ｃ、Ｄ三类（型）。Ｂ型：用于住宅和插座回路。短路保护范围是３Ｉｎ～５Ｉｎ，即≤３Ｉｎ不动作（不动作时间应大于０．１ｓ）时必须动作（动作时间ｔ＜０．１ｓ）。Ｃ型：优先用于接通大电流的电气设备，如灯和电动机。短路保护范围是５Ｉｎ～１０Ｉｎ，即≤５Ｉｎ不动作（不动作时间应大于０．１ｓ）＜０．１ｓ）。Ｄ型：适用于产生脉冲电流的电气设备、电磁阀和电容器。短路保护范围是１０Ｉｎ～５０Ｉｎ，即≤１０Ｉｎ不动作（不动作时间大于０．１ｓ），大于５０Ｉｎ时必须动作（动作时间＜０．１ｓ）。Ａ型＞２Ｉｎ，＜３Ｉｎ；Ｂ型的＞３Ｉｎ，＜５Ｉｎ；Ｃ型的＞５Ｉｎ，＜１０Ｉｎ；Ｄ型的＞１０Ｉｎ，＜５０Ｉｎ。因而可理解为动作也合格，不动作也合格。目前看来，选用Ｂ、Ｃ两种型号的较多（对用于路灯的保护，无论是白炽灯、荧光灯、卤钨灯、高压水银灯、高压钠灯、金属卤化灯等，它们的起动电流为额定电流的４倍～７倍，因此必须选择Ｃ型）。Ｄ型也有用作小型电动机的短路保护的。例如Ｃ４５ＡＤ和ＰＸ２００ＣＡＤ等型号产品。它们的瞬动电流整定值为１０倍～１４倍Ｉｎ（出厂时调在１４Ｉｎ）。这种Ｄ型产品不设过载长延时保护。过电流保护由电动机保护线路中的热继电器承担。电动机的起动和停止，由接触器执行，它们仅起短路保护作用。３ＭＣＢ的基准温度和它的温度降容系数ＧＢ１０９６３规定，家用和类似场所用断路器（ＭＣＢ）的基准（环境）温度为３０℃＋５℃（同类型产品的英国ＢＳ３８７１标准的基准温度为２０℃＋５℃和４０℃＋５℃；美国ＮＥＭＡ标准规定的基准温度为４０℃＋５℃；德国ＶＤＥ０６４１／６．７６规定基准温度为２０℃＋５℃；ＣＥＥ１９规定为２０℃＋５℃），但ＩＥＣ８９８也规定基准温度为３０℃＋５℃。我国目前市场供应最多的ＤＺ４７型（Ｃ４５Ｎ或ＰＸ２００Ｃ型）ＭＣＢ是按基准温度３０℃＋５℃设计的，如果使用温度超过基准温度时，必须降低电流使用，其降低值如表１所示。从总的降容来看，环境温度越高，降容越大（降容系数越小）。大体上环境温度从４０℃～６０℃，降容系数是在０．９５～０．７８范围。额定电流为４０Ａ、５０Ａ、６３Ａ的可参照此降容系数选用。ＭＣＢ常被安装于封闭的外壳中（小型配电箱）。由于散热条件较放置于自由空气中要差，因此需要降低使用电流。对金属防护外壳，降容系数为０．８，对塑料外壳，降容系数取０．７。例如有一批ＭＣＢ，额定电流为３２Ａ，使用于环境温度＋４０℃的场所，置于铁制防护外壳中，则适用的工作电流为３２×０．９３４×０．８＝２３．９２≈２４Ａ４ＭＣＢ的短路分断能力由于ＭＣＢ是安装于电路的末端，会碰到各种短路故障，因此ＧＢ１０９６３标准通过对小型断路器的定型等试验，规定了短路条件下的低电流（５００Ａ）、１５００Ａ电流、额定运行短路分断能力、极限短路分断能力等试验。额定运行短路分断能力在极限短路分断能力为≤６０００Ａ时，与极限短路分断能力有相同的值。在现有规格中，我们所说的短路分断能力是指极限短路分断能力Ｉｃｕ（也是运行短路分断能力Ｉｃｓ）。Ｉｃｕ和Ｉｃｓ的试验程序是有区别的，如Ｉｃｓ，单极二极试验程序为ＯｔＯｔＣＯ（Ｏ是开断，ＣＯ是接通后立即开断，ｔ是两个程序之间的时间间隔），三极程序是ＯｔＣＯｔＣＯ，而Ｉｃｕ程序是ＯｔＣＯ。符合ＧＢ１０９６３标准的ＭＣＢ，其额定短路分断能力规定为：Ｉｎ在１Ａ～４０Ａ时为６０００Ａ；Ｉｎ在５０Ａ、６３Ａ时为４０００Ａ。在同一个机壳内，将短路分断能力分为两档的原因是：作短路保护瞬时动作的是一种电磁铁，它的铁心和衔铁（动铁心）对各种电流规格都是一样的，只是电磁铁系统的线圈的线径和匝数不同而已。电磁铁是电流型，可将衔铁吸向铁心，从而使断路器脱扣的电磁吸力Ｆ是和它的磁势ＩＷ成正比的（Ｉ为电流值，Ｗ为线圈的匝数）。额定电流越小，要达到一定值的ＩＷ，线圈匝数就需要增加（反之电流大匝数就可以少一些），匝数越多，线圈的阻抗越大；另外ＭＣＢ的过载长延时脱扣器是采用热双金属元件直接通电发热（５０Ａ、６０Ａ是采用电阻材料发热，将热量传给双金属元件的）。使之膨胀、弯曲的直热式或傍热式。热源是Ｉ２Ｒ，电流越大，电阻越少，反之电流越小，电阻越大。额定电流在１Ａ～４０Ａ时其线圈匝数比５０Ａ、６０Ａ多，双金属元件的材料电阻率也大。总的进出线的阻抗大（电流规格大，总的进出线阻抗相对要小），阻抗大限制了短路电流，电阻大使得功率因ｃｏｓφ大，这都有助于开断短路电流时电弧的熄灭。因此，１Ａ～４０Ａ阻抗大，限流作用大，短路分断电流大；而５０Ａ、６３Ａ是采用发热电阻材料通电发热，传给双金属元件发热电阻材料的电阻率很小，限流小，分断电流就小。尽管有些文章在计算线路短路电流时，把断路器本身的阻抗忽略了，但其实是不应该忽略的，忽略了它，计算电流偏大，而且使断路器失去了它的限流作用。关于ＭＣＢ的额定短路分断能力应定在４０００Ａ（Ｉｎ＝５０Ａ、６３Ａ时）和６０００Ａ（Ｉｎ＝１Ａ～４０Ａ时），能否满足其保护线路最大预期短路电流时的保护的要求，是许多使用者迫切想知道的。从大量使用ＭＣＢ的场所来看，电源变压器的容量并不大，绝大部分在６３０ｋＶＡ及以下（如２００ｋＶＡ、３１５ｋＶＡ、４００ｋＶＡ、５００ｋＶＡ），除非是较大的民居区或商业集中区，变压器容量可达到１０００ｋＶＡ～１６００ｋＶＡ，尽管电源容量大，但到电路的末端，发生的短路故障电流也是有限的。表２是各种容量变压器的副边电流和预期短路电流。从表２可知，短路电流的大小，在规定的工作电压下，是取决于变压器功率（容量）和阻抗电压。但是不同的短路点的短路电流值，还取决于敷设的电缆、电线（或铜排）的阻抗。电缆（或电线、铜排）越长，阻抗越大，该短路点的短路电流便越小（即衰减作用越大）。ＳＬ７系列变压器的三相短路电流，变压器容量为１２５ｋＶＡ，配导线型号为１２０ｍｍ２的三芯铝质电缆，短路点与变压器距离为０ｍ，短路电流为４５２０Ａ；远离变压器１００ｍ处，短路电流为２８００Ａ；变压器容量为１６０ｋＶＡ，采用１５０ｍｍ２三芯铝质电缆，短路点距变压器为０ｍ，短路电流为５７８０Ａ；若距离１００ｍ处短路电流降为３８５０Ａ；变压器为２００ｋＶＡ，采用的配导线型号为１８５ｍｍ２的三芯铝质电缆，在变压器为０ｍ处短路，短路电流为７２２５Ａ；若距离为１００ｍ处短路，则短路电流降为４７４０Ａ。把这种型号的变压器远离１００ｍ处的短路和０ｍ短路作一比较，可知１００ｍ处短路的电流分别为０ｍ短路电流的６１．９４％、６６．６０％和６５．６０％；又计算，若是短路点距变压器５０ｍ，则５０ｍ处的短路电流值分别是０ｍ的７７．８％、８１．１４％和８０．２７％。再例如：一台６３０ｋＶＡ的变压器，三相的导线截面积均为１８５ｍｍ２，三根平行电缆将变压器与距１０ｍ处的总配电柜相连，连接电缆的衰减作用很小，只是将接线柱的短路电流从１４．８ｋＡ降到１４ｋＡ。而通过截面积为７０ｍｍ２，长度为７５ｍ的导线后，进入支配电柜的短路电流就只有７．１ｋＡ。如将截面积再减到１０ｍｍ２，长度延长至３０ｍ，则末端负载电动机的接线柱上的短路电流只有２．１９ｋＡ（２１９０Ａ）。ＭＣＢ选用时，其额定电流应≥线路的计算电流，额定短路分断能力必须≥线路的预期短路电流。而任何工程设计者应对其负载线路可能出现的预期短路电流进行计算。接照上述的变压器容量和ＭＣＢ安装处后面与电源变压器的距离以及线路的截面积，线路的长短，相间的距离（三相时取平均距离）等，可以算出线路的电阻、电抗，再根据有关资料，算出变压器的电阻和电抗。然后求出Ｚ＝（Ｒ＝ＲＴ＋ＲＬ·Ｘ＝ＸＴ＋ＸＬ，ＲＴ为变压器的正序电阻；ＲＬ线路电阻；ＸＴ为变压器正序电抗；ＸＬ为线路电抗），短路电流Ｉ（３）＝其中，Ｉ（３）表示三相短路电流。ＲＴ和ＸＴ与变压器的功率有关，Ｉ（２）＝０．８６６Ｉ（３）、Ｉ（１）可按Ｉ（１）＝计算（Ｉ（１）为相线与中性线或ＰＥＮ线的短路电流，Ｕｐｈ为相电压，取２２０Ｖ）。根据此实例和计算原理，在额定电流６３Ａ及以下的末端电流选用，短路分断电流在４０００Ａ和６０００Ａ范围是足够了，不必去选用超越实际的高分断ＭＣＢ（短路分断能力越高的ＭＣＢ，价格越高）。当然，分支距离电源较近，线路较短，短路电流较大（譬如超过６０００Ａ），是应该选用较高短路分断能力的ＭＣＢ的。５安装和使用ＭＣＢ，其保护范围（线路长度）必须受控ＭＣＢ在确定其瞬动电流整定值后，导体（线路）的长度是有一定限制的，即其保护范围必须受控。很早以前的ＩＥＣ１２００—５３文件，就提出一个“在得不到供电部门数据时，三相有中性线线路可采用简化法计算其短路电流”。Ｉ＝（３）式中：Ｉ——预期短路电流（或短路瞬动电流整定值）；Ｕ０——相与中性线之间的电压，取２２０Ｖ；Ｓ——导线截面积，ｍｍ２；ρ２０——２