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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(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)?煷笥冢常桑钍北匦攵?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)?煷笥冢担桑钍北匦攵?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)?煷笥冢保埃桑钍北匦攵?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(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——20℃时相线的电阻率Ω·mm2/m;
  m——中性线(或PEN线)电阻与相线电阻的比值,或相线与中性线导线截面积之比;
  L——线路长度,单位为m。
  经变换,式(3)可换成式(4)
  L=(4) 
  (现在国际上不少国家采用的计算公式为:
  I=或L=,
  较之公式I=此公式的计算数值要大一些)。
  已知铜质电缆的ρ20=22.5×10-3Ω·mm2/m,铝质电缆的ρ20=36×10-3Ω·mm2/m,铜质绝缘电线的ρ20=18.4×10-3Ω·mm2/m,铝质绝缘电线的ρ20=22.31Ω·mm2/m。
  举例?熒璧继逦?截面积10mm2的PVC铜芯线,线路电流50A,选用的MCB为C50(C型额定电流50A),短路瞬动电流整定值为10In(500A),中性线导线截面积为相线的1/2(即m=2)?熐笏?的最大线路长度Lmax。
  Lmax==42.5m(若中性线截面积与相线大小一样,则m=1,Lmax=63.75m)
  以上计算结果表明,在线路长度为42.5m内,发生短路故障,短路电流为500A时,MCB可在0.1s内切断故障电路。换一个角度讲,在42.5m之内发生短路时(导线为铜质PVC线,截面积为10mm2,m=2),短路电流达到500A(有效值)。
  如果线路拉长至60m,则??
  I==354.3A
  线路拉长至80m,则??
  I===265.7A
  L=60m时,I=354.3A,==7.09倍;
  L=80m时,I=265.7A,==5.31倍。
  查C型的MCB保护曲线(安秒特性曲线)可知,当整定电流I为5.31In和7.09In时。最大的动作时间达5s~10s。如此长的时间,很可能造成设备或线路的烧毁事故。这不是断路器的质量问题,而是电流整定值不对或线路过长引起的,所以线路长度必须受控。
  6 关于选择性保护
  所谓选择性保护是指MCB之间的协作(调)配合。当一个故障出现在设施的任一点时,故障应由在其上的MCB来切断电路,而不涉及上一级的MCB,即上一级的MCB应保持闭合状态。
  如图1所示,当在A点出现故障(短路),应是D2(MCB)切断故障电路,而D1(MCB)不动作,如能做到这一点,就属于选择性保护范畴了。
  在发生过载时,D2延时运作。为确保护D1不动作,设D1的整定电流为I1,D2的整定电流为I2,应使≥2;在发生短路时,D2瞬动,D1不动作,设D1的整定电流为Im1,D2的整定电流为Im2,应≥1.4。
  以上是梅兰日兰公司提供的数字,但是在短路电流很大时,很难保证有全区域的选择性,只能做到局部区域的选择性(短路电流在某一定值及以下范围内实现选择性)。图2为局部区域选择性保护,图3为全区域选择性保护。
  在图2中D2的曲线有一部分与D1曲线相交,故不是全区域而是局部区域选择性保护。
  7 关于GB10963与IEC157—1的关系
  有些制造厂和一些介绍文章说,某些类型MCB符合IEC157—1的要求,这种说法欠妥。因为IEC157—1是工业用低压断路器标准,现已被IEC60947—2所替代。MCB属于建筑电气系统,它只能符合IEC898(即GB10963),它主要涉及的是过载保护特性。IEC898与IEC60947的过载保护特性截然不同,前者的短路分断程序也与后者有很大的差异,所以两个标准不能混淆。

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