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低压断路器的基本知识

发布日期:[2014-02-26]     浏览:13215

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=½I △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。