断路器论文Word文档格式.docx
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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。
1.3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
2低压断路器的原理与构造
2.1概述
2.1.1断路器的结构
无论是万能式、塑壳式或是小型断路器，断路器的本体的结构基本相同，所不同的是尺寸大小和零部件的形状。
（1）塑壳式断路器的结构，由七个部分组成
过载脱扣器
热动式：
由发热元件与双金属元件组成。
当有一定的过载电流流过发热元件，它发热，热量传递给双金属元件，使之受热膨胀、弯曲、推开锁扣，使四连杆的操动机构动作带动断路器跳闸（以上是旁热式，如果无发热元件，双金属元件直接通电发热为直热式，双金属元件和发热元件串联通电发热为复合式）
电磁式（又称液压式，俗称油杯式）：
由铁心、衔铁、线圈、磁轭等组成，铁心置于油管内，铁心上有复位弹簧，油管内注硅油。
油管外绕上线圈，衔铁上勾住一个反作用力的弹簧。
当发生过载时，铁心受电磁螺管力的作用，缓慢上升，经一定的延时后，铁心升到一定的位置，在克服了衔铁上的反力弹簧力后，衔铁被完全吸下，衔铁脚推动的牵引杆，是断路器跳闸。
复位弹簧和硅油起阻尼作用，即起延时作用，这种过载保护的时间——电流呈反时限特性，即电流越大，螺管力越大，铁心上移的速度越快，动作时间越短。
短路脱扣器
短路脱扣器是一个电磁铁机构。
灭弧装置
灭弧装置的作用是吸引开断大电流时产生的电弧，使长弧被分割成短弧，通过灭弧栅片的冷却，使弧柱极大降温，去游离效果增大，电弧电压上升，最终熄灭电弧。
触头
用来分合电路，遇线路或设备发生过载或短路时，触头被自动打开，动、静触头间产生的电弧被拉长，然后进入灭弧室，因此触头的触点要求具有导电性、耐电弧性、耐熔焊性和耐磨性能良好的银合金材料制作。
对于小型断路器，通常采用银——氧化镉、银——氧化锌，对较大电流规格，采用银——氧化锡、银——镍、银——石墨、银——碳化钨等。
带自由脱扣的操作机构
用手动来操作触头的合、分，在出现过载、短路时可自由脱扣（从四连杆变成五连杆机构），此时与手柄的操作无关。
外壳
用聚酰胺（尼龙）玻璃丝增强压塑或聚酯玻璃丝增强压塑而成，用来装容其他零部件（导电件、保护元件、操动机构、灭弧装置），有绝缘和机械强度要求，保证断路器操作时，不发生任何危险。
接线端子
大多数是用铜或黄铜材料制成（为了防腐蚀和提高导电率，降低温升，它们通常是镀银或镀锡），用来作进出线的连接。
（2）万能式（框架式）断路器
万能式断路器的特点是有一个钢制框架，所有部件包括触头系统、灭弧室、自由脱扣机构、电动转动机构、过电流脱扣器或电子脱扣器、分励脱扣器、欠电压脱扣器、辅助开关、二次接线座等。
都安装在框架内，导电部分加绝缘。
这种断路器有多种变化方式，如多种操动方式（手动、电动）、多种保护方式（过载、短路短延时、短路瞬动、单相接地故障、欠电压等等）、多种接线方式和用途以及不同数量的辅助触头。
其部件多数设计成可拆卸，便于安装和制造。
抽屉式还需增加一个抽屉座。
（3）剩余电流动作断路器
一般在塑壳式断路器上增加一个剩余电流保护部件。
2.1.2断路器的工作原理（以热磁型、电子型脱扣器为例）
断路器用作合、分电路时，依靠扳动其手柄（或通过外部转动其手柄）或采用电动机操动机构使动、静触头闭合或断开。
（1）热磁型动作原理：
在正常情况下，触头能够接通和分断额定电流；
当出现过载时，双金属元件产生变形、弯曲，使锁扣脱钩，碰、顶断路器的牵引杆，断路器跳闸；
当线路短路时，则一定值的短路电流会使过电流脱扣器的动铁心被吸合，带动牵引杆使断路器分断；
当线路出现欠电压在电压低于70％Un（额定电压）时，其衔铁释放，触动牵引杆，使断路器跳闸；
要远距离控制断路器跳闸，可采用分励脱扣器，分励脱扣器通电时，它的衔铁被吸合，使牵引杆逆时针运动，断路器断开。
（2）电子型脱扣器
电子脱扣器是由半导体保护装置和执行元件（电磁式脱扣器、电磁感应式脱扣器和永久磁铁的释放式脱扣器）组合而成。
交流半导体保护装置由信号检测、信号比较、延时电路、触发电路、电源等组成。
用电流互感器进行信号检测，信号取出后，经桥式整流电路和阻容滤波电路，变换成直流电压，再经电阻分压，输入信号比较环节，当信号电压超过稳压管的击穿电压，它们便导通，且有信号输出。
借控制电容器的充电时间获取所需的延时时间。
触发环节采用斯密特触发器以触发晶闸管，使之导通。
延时电路和触发器均由一个电源变压器供电。
当触发器导通后，将使电磁式脱扣器或电磁感应式脱扣器的衔铁吸合，使牵引杆运动，断路器跳闸。
2.1.3断路器的分类
分类
分类方式
断路器的分类
按使用类别分
A类：
没有短时耐受电流；
B类：
有短时耐受电流。
按选择性保护分
非选择性保护：
下方位负载侧发生短路，下级的断路器瞬动，而此故障短路电流也要流向上方位，如果上方位断路器没有短路短延时，则在下方位发生故障的一瞬间，上方位断路器也会一起跳闸。
选择性保护：
上方位断路器有短路短延时，当下方位的断路器跳闸（通常在0.02～0.03s之内），上方位断路器有0.1s（为0.02s的5倍）延时，则可确保上方位断路器不动。
按安装方式分
固定式
抽屉式
按用途分
配电保护
电动机保护
家用和类似用途
剩余电流保护
按接线方式分
板前接线
板后接线
插入式接线
抽出式接线
导轨式接线
按极数分
单极
二极
三极
四极
按操作方式分
手动
电动
按脱扣器型式分
仅有瞬时动作脱扣器（电磁脱扣器）
热动+电磁脱扣器（复式）
全电磁型脱扣器（液压式）
电子脱扣器（信号采取+对比电流+晶闸管+斯密特触发器）
智能脱扣器（有CPU，可实现“四遥”）
2.1.4断路器的正常使用条件和安装条件
断路器的正常使用条件和安装条件如下：
使用的环境
正常使用条件和安装条件
（1）周围空气温度不超过＋40℃，周围空气温度下限为－5℃，且其24h内的平均温度值不超过＋35℃；
（2）安装地点的海拔不超过2000m；
（3）在空气温度为＋40℃时，空气的相对湿度不超过50%，在较低的温度下可以允许有较高的相对湿度，例如20℃时达90%。
对由于温度变化偶尔产生的凝露应采取特殊的措施；
（4）无明显的颠簸、冲击和振动的地方；
（5）无介质爆炸危险，且介质中无足以腐蚀金属和破坏绝缘的气体或导电尘埃的地方；
（6）无雨雪侵袭的地方；
（7）污染等级：
工业用3级，家用及类似场所用2级；
（8）安装条件：
基本安装方式为垂直安装，其他安装方式见样本或使用说明书。
超过以上使用条件的，有用户和制造厂协商解决。
2.2低压断路器的主要技术性能、参数
2.2.1断路器的主要技术性能和参数
说明
参数
定义
额定电压
一般指相间电压，即线电压。
如企业用电380V，矿用660V。
额定频率
50Hz或60Hz
额定电流
在规定的条件下，保证断路器正常工作的电流，又称脱扣器额定电流。
温升
断路器通以壳架等级中最大额定电流一定时间。
它的各部件温升必须小于规定值。
工频耐压根据绝缘电压等级，对断路器的进出线（断路器断开）之间、断路器相与相之间、断路器合上，各级并联后与金属外壳之间施以规定值工频电压（绝缘电压Ui大于300V，小于660V时，工频电压为2500V，施加时间（1min）不允许闪络或击穿。
为了真正实现绝缘配合，国际电工委员会又规定了冲击耐受电压。
过载、短路保护特性二段保护：
过载长延时+短路瞬时
三段保护：
过载长延时+短路短延时+短路瞬时
单相接地故障保护
剩余动作电流在规定条件下，使剩余电流保护器动作的剩余电流
剩余不动作电流在规定条件下，使剩余电流保护器不动作的剩余电流
寿命包括电寿命（又称有载寿命）和机械寿命（又称无载寿命）
短路分断能力又分极限短路分断能力Icu和运行短路分断能力Ics
短时耐受电流Icw在规定的条件下，断路器能承载而不损坏的短时耐受电流值
断路器的本体功耗之断路器在通以最大额定电流时，因其本身的电阻发热而产生的功率损耗，通常以三相总功率瓦表示。
安装类别安装类别Ⅰ：
信号水平级
安装类别Ⅱ：
负载水平级
安装类别Ⅲ：
配电水平级
安装类别Ⅳ：
电源水平级
污染等级污染等级1：
无污染或仅有干燥的非导电性污染。
污染等级2：
一般情况仅有非导电性污染，但是必须考虑到偶然由于凝露造成短暂的导电性。
污染等级3：
有导电性污染，或由于凝露使干燥的非导电性污染变为导电性的。
污染等级4：
造成持久性的导电性污染，例如由于导电尘埃或雨雪所造成的污染。
防护等级IP外壳能防止直径超过规定值，如IP30
C1a）第一位数码
防止固体异物进入
防止人体接近
危险部件
IP
要求
举例
无防护
50
1
直径50mm的球形物体不得完全进入，不得触及危险部件
手背
12.5
2
直径12.5mm的球形物体不得完全进入，铰接试指应与危险部件有足够的间隙
手指
3
直径2.5mm的试具不得进入
工具
4
直径1.0mm的试具不得进入
金属线
5
允许有限的灰尘进入（没有有害的沉积）
6
完全防止灰尘进入
C1b）第二位数码
防止进水造成有害影响
防水
简述
防止垂直下落滴水，允许少量水滴入
垂直滴水
防止当外壳在15°
范围内倾斜时垂直下落滴水，允许少量水滴入
与垂直面成15°
滴水
防止与垂直面成60°
范围内淋水，允许少量水进入
少量淋水
防止任何方向的溅水，允许少量水进入
任何方向的溅水
防止喷水，允许少量水进入
任何方向的喷水
防止强烈喷水，允许少量水进入
任何方向的强烈喷水
7
防止15cm～lm深的浸水影响
短时间浸水
8
防止在有压力下长期浸水
持续浸水
（Clc）附加字母（可选择）
IP要求举例防止人体接近
（1）用于第一位
数码为0直径50mm的球形物体进入到隔板，不得触及危险部件手背
（2）用于第一位
数码为0、1最大为80mm的试指球进入不得触及危险部件手指
（3）用于第一位
数码为1、2当挡盘部分进入时，直径为2.5mm，长为10mm的金属线不得触及危险部件工具
（4）用于第一位
数码为2、3当挡盘部分进入时，直径为1.0mm，长为100mm的金属线不得触及危险部件金属线
2.3断路器的电气间隙
2.3.1断路器的电气间隙
电气间隙的定义：
具有电位差的两个导电部件之间的最短直线距离
确定断路器产品的电气间隙，必须依据低压系统的绝缘配合，而绝缘配合则是建立在瞬时过电压被限制在规定的冲击耐受电压优先系数的基础上。
外来的瞬时过电压必须低于电源系统规定的冲击耐受电压，而系统中的电器或设备产生的瞬时过电压也必须低于电源系统规定的冲击电压，因此：
（1）电器的额定绝缘电压Ui≥电源系统的额定电压Ue
（2）电器的额定冲击耐受电压Uimp≥电源系统的额定冲击耐受电压。
（3）电器产生的瞬态过电压应≤电源系统的额定冲击耐受电压。
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
整定电流倍数
约定时间（ｈ）
In≤63A
In＞63A
约定不脱扣电流
1.05In
≥1
≥2
约定脱扣电流
1.3In
＜1
＜2
返回特性电流
3.0In
可返回时间（s）
63A＜In≤200A
In＞200A
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。
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≥1060/250IL＝4.24IL
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）
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；
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≥2431/250IL＝9.72IL
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。
3.1.3配电型断路器的欠电压保护
线路因负载（功率）大于电网提供的功率（输出功率）等原因而使电压降低，电压的降低会引起：
减少发电机的出力；
线路的损耗增加；
电动机的电流增大，温升升高；
控制电器中的电磁铁吸力不足，操作控制失灵，触头烧损严重，使电动机无法起动；
照明亮度减少，照明器具寿命降低；
电视机画面模糊不清，抖动，变形；
当电压降低到70％Uｅ时，称为崩溃电压。
它产生的后果非常严重。
因此配电型断路器的欠电压保护，应在（70％～35％）Uｅ时动作（断路器跳闸）。
3.2断路器用于家用及类似用途场所的保护
家用或类似用途场所的用电，一般属于电路末端。
这种电路的低压用电设备、保护电器的选择、安装和使用所依据的是国际电工委员会IEC的出版物364“建筑物电气要求”。
我国也依据该标准，指定了相应的标准。
GB50054《低压配电设计规范》、JGJ/T16《民用建筑电气设计规范》
3.2.1故障电路危害性的表现
（1）危害人身
将在下一节细述
（2）危害设备
由于线路或设备的过载而出现过高的温升
由于线路或设备的短路而出现过高的温升
（3）引发火灾
故障电流出现时，因过高的电弧能量，使故障处燃烧。
3.2.2家用和类似用途断路器的过载保护
表为家用和类似用途断路器的过载脱扣特性GB10963
试验
型式
试验电流
起始状态
脱扣或不脱扣时间极限
预期结果
附注
a
B、C、D
1.13In
冷态*
t≥1h（In≤63A）
t≥2h（In＞63A）
不脱扣
b
1.45In
紧接着
a项试验
t<
1h（In≤63A）
2h（In＞63A）
脱扣
电流在5s内稳定地上升
c
2.55In
1s＜t<
60s（In≤32A）
120s（In>
32A）
d
B
C
D
3In
5In
10In
t≥0.1s
闭合辅助开关接通电源
e
50In
t＜0.1s
对于使用在干线或主要支线的配电断路器来说，考虑到电网电流波动的允许上限为0.05倍In；
因此其不动作电流被限制在1.05倍的In。
但线路末端，因线损而引起的电压偏低，无论是三相供电（380V）或是单相供电（220V），其下差7％，则电流上升为1.075In，加上正常的波动0.05，合计为1.125，取1.13In。
即在线路末端，正常运行最大的有1.13倍In的值，其保护断路器应保证在1.13倍In时不动作。
同样原因，当线路过载达1.3倍In时，断路器必须在1h或2h内动作，而电路末端的断路器，也是由于线损和电流的正常波动，而规定过载电流达1.45In时，它们必须在1h或2h内动作。
基于上述，作为家用或类似用途的断路器，对线路过载的保护特性应满足下列要求：
IB≤In≤IZ
Ir1≤1.45IZ
式中：
IB——被保护线路的计算符合电流，A
In——低压断路器的额定电流，A
IZ——被保护导体的允许持续电流，A
Ir1——保住断
升级会员 