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论小型断路器的保护性能和作用

2005/11/4 9:38:00              

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(Miniature Circuit Breaker)又称微型断路器(Micro Circuit Breaker),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。

1 MCB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。

2 MCB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)大于3In时必须动作(动作时间t<0.1s)。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)大于5In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)大于10In时必须动作(动作时间<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。

3 MCB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≈24A

4 MCB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O t O t CO(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O t CO t CO,而Icu程序是O t CO。

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(

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