论断路器的选择和它的过电流保护范围.docx

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论断路器的选择和它的过电流保护范围

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论断路器的选择和它的过电流保护范围

Ratedcurrentselectionandover-currentprotectionscope

oflowvoltagebreaker

连理枝

杭州之江开关厂浙江萧山311234

＜摘要＞：

本文对断路器使用于干线、支线中不同负载的额定电流选择以及不同类型断路器的过电流（过载、短路）保护动作和不动作整定电流的内涵作了较全面的阐述。

［关键词］：

断路器、额定电流、过电流保护

由于低压断路器有多种类型（配电用、电动机用及家用和带剩余电流保护等），使用的电路众多（干线、支线、单机配套、电路末端等），保护的负载门类不同（电源、电缆、电线、用电设备等），因此，它们的额定电流选择及过载、短路保护的电流整定值也有较大的差别。

本文拟就使用者经常感到困惑的问题作一论述。

文中所论可能不够正确和全面，丞望读者和同行指正。

一、断路器的额定电流和整定电流

GB/T2900.18-1992《电工术语低压电器》对额定电流、整定电流的定义：

断路器的额定电流In是指：

“在规定条件下，保证开关电器（断路器）正常工作的电流值”，它又称断路器脱扣器额定电流。

断路器的整定电流（又称过载脱扣器的电流整定值）是指：

“脱扣器调整到动作的电流值”。

它以Ir表示。

Ir的意义为

，例如过电流整定到额定电流的1.2、1.3、5、10倍，就写Ir=1.2In、1.3In、5In、10In、…等等。

现在一些电子脱扣器或智能型断路器，它的过载长延时额定电流是可调式的，例如DW45智能型万能式断路器，其可调范围是（0.4~1）倍额定电流，如额定电流为630A的智能控制器，用户可在252A~630A中调，所调整后的电流，其实仍是额定电流。

目前存在的问题是把整定电流和额定电流混为一谈。

有时因概念不清，会使用户与制造厂发生误解，影响供货。

对于辅助触点（微动开关），它的额定工作电流（Ie），是指触点在一定的工作电压下的实际工作电流。

电压与电流的乘积，表示它所控制的电磁铁容量，交流时以伏安（VA）表示，直流时以瓦（W）表示。

二、额定电流和选择

1、配电保护型断路器额定电流的选择

所谓配电型，是指在低压电网中专作电能分配的断路器。

它包括电源总开关和负载的支路开关。

除了通常说的断路器的额定电流≥线路计算负荷电流之补，还应视配电性质和它的特点而定。

断路器过载长延时保护基准电流（断路器的额定电流）≤导线的容许载流量（允许持续载流量）。

导线包括裸线和绝缘的电线和电缆，对采用电线电缆的，可取电线电缆容许载流量的80%。

对具体线路来说：

1）低压干线

假设，电线的容许电流为Iz，一般设备的额定电流为IL，电动机额定电流IM，断路器的额定电流为In。

a一般设备（除电动机外）

Iz≥ΣIL,In≤Iz

b线路负载中包括电动机

当ΣIL＞ΣIM时，Iz≥ΣIL+ΣIM

当ΣIL＜ΣIM时（ΣIM≤50A时），Iz≥ΣIL+1.25ΣIM；

当ΣIL＜ΣIM时（ΣIM＞50A时），Iz≥ΣIL+1.1ΣIM；

而In≤3ΣIM+ΣIL或In≤2.5Iz

2）对于分支线路

a一般设备（除电动机外）

当IL≤50A时

如果导线的截面积为2mm2（导线直径1.6mm），In≤20A；导线截面积为5.3mm2（导线直径2.6mm），In≤30A；导线的截面积为14mm2（导线直径4.2mm），In≤50A；

b配电型断路器保护线路中仅有电动机

当ΣIM≤50A时，Iz≥1.25ΣIM

当ΣIM＞50A时，Iz≥1.1ΣIM

而In≤2.5Iz

因考虑电网电流的正常波动范围（上限为+5%，下限为0），故断路器在1.05In时是不允许脱扣（动作）的。

2、电动机保护型额定电流的选择

电动机保护的任务和目的是保护电动机的绕组，而与它的导线无关，因此，断路器的额定电流=电动机的额定电流。

即In=IM

为满足电动机的工作需要，当电流为In时，断路器不允许脱扣。

3、家用或类似场所用过电流保护断路器

这种断路器主要使用于民用建筑电气（民用住宅、办公楼、公共场所等）

其选择原则是：

IB＜In≤Iz

式中：

IB—被保护的线路的计算负荷电流（即IL）

In—低压断路器的额定电流（脱扣器额定电流）

Iz—被保护导体的容许电流（允许持续载流量）

按日本和欧洲等国的导线规范，电路末端配电用断路器的额定电流不应超过电线容许电流的1.13倍，即电线在通以1.13倍时容许电流时，不影响导线的性能。

因此，GB10963-1999《家用和类似场所用过电流保护断路器》标准规定断路器在1.13In时不允许脱扣。

三、电器开关的额定电流

国家标准对低压电器的额定电流分级，是按

（1.25）优先系数来选择的：

一方面是符合和满足最大线路和电器元件额定电流的需要；另一方面是为了标准化，以取得最佳的使用导体及加工（装配）的效益。

因此它所规定的级别是：

6.3（6）A、8A、10A、12.5A、16A、20A、25A、32A、40A、50A、63A、80A、100A、125A、160A、200A、250A、315A、300A……。

这种规定优点是标准化、系列化，缺点是对大多数电器开关而言，它无法调节，有时只好选高一级额定电流，如线路计算负荷为140A，则只能选160A规格，因此在一定程度上影响它的保护性能。

但是自从电子脱扣器和智能化脱扣器问世后，额定电流可由制造厂按用户需要调节或者用户自己调节，就解决了这个问题。

四、断路器故障电流（过载、短路）保护整定值的内涵

1、配电保护型断路器

1）过载长延时的电流整定值Ir1=1.3In，脱扣（动作）时间：

1h内（当In≤63A时）或2h内（当In＞63A时）。

Ir1定在1.3倍是为了保护电源（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。

按GB1097标准生产的油浸式变压器允许过负荷运行的时间见表1、表2，不明标准的变压器允许过负荷倍数及时间见表3，干式变压器可参照表1表2或按制造厂提供的数据。

表1

事故过负荷与额定负荷之比

1.3

1.45

1.60

1.75

2.0

过负荷允许持续时间min

120

80

45

20

10

油浸自然循环冷却变压器过负荷允许时间（h:

min）表2

环境温度℃

过负荷

额定负荷

0

10

20

30

40

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

︰

︰

︰

2.0

24:

00

24:

00

23:

00

8:

00

4:

45

0:

40

24:

00

24:

00

10:

00

5:

10

3:

10

0:

22

24:

00

13:

00

5:

00

3:

10

2:

10

0:

11

19:

00

5:

50

3:

00

1:

45

1:

10

0:

06

7:

00

2:

45

1:

30

0:

55

0:

35

/

不明标准的变压器允许事故过负荷允许时间表3

事故负荷与额定负荷之比

1.30

1.60

1.75

2.0

2.40

3.0

过负荷允许的持续时间min

120

30

15

7.5

3.5

1.5

关于电缆在短时过负荷所允许的电流按以下原则确定：

电缆在事故情况下或紧急情况下，允许通过短时过载电流，一般的过载时间不超过2h。

对于3kV及以下电缆允许过载10%；6～10kV电缆允许过载15%；20kV以上不允许过载。

在正常运行下，10kV及以下的电缆，如果在过载前5h的负荷率符合表4的规定，则其允许过载的倍数和过载时间也如表4所示。

表4

导线截面积

mm2

过载前5h内的负荷率%

0

50

70

过载时间h:

min

过载时间h:

min

过载时间h:

min

0.5

1

0.5

1

0.5

50~95

1.15

120~240

1.25

1.2

240以上

1.45

1.2

1.4

1.15

1.3

表4数据不全，对于导线截在50mm2及以下，现在导线厂家已经对其过载率提高到145%，过载时间在1h或2h。

将电源和电缆、电线等允许过载倍数和持续时间取一定平均值，并规定断路器在Ir1为1.3In时，随In的大小，确定脱扣时间为≤1h或≤2h，是符合实际的。

（旧标准JB1284-85《低压断路器》是等效采用IEC157-1的，它的整定电流是：

当In≤63A时，Ir1=1.35In，In＞63A时，Ir1=1.25In。

从1989年起IEC157-1已被IEC947-2代替，JB1284-85标准已被淘汰，由GB14048.2替换，Ir1均规定为1.30Ir，动作时间不变）。

2）可返回特性

可返回特性表示，断路器在一定的电流整定值下，通电且延续一定时间（称为可返回时间），再将此电流返回到断路器的额定电流（或0.9倍额定电流），保持2-4倍可返回时间，断路器不脱扣（跳闸）的特性。

目的是考核断路器能否躲过线路中电动机的起动电流。

配电保护型断路器，又称线路保护型。

前述的主干线或分支线路中是既有电热设备、各种控制电器、家用电器、以及静电电容器等其他耗电设备，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）。

它的可返回时间确定为大于线路中最大容量电动机的起动时间。

断路器的标准对不同额定电流下的可返回时间分为：

当In≤63A时是5s，63A＜In≤200A时为8s,In＞200A时为12s。

（而一些带特重负荷的电动机，可返回时间可能超过12s）

3）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式断路器，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，倘干线支路也是选用无短延时的断路器，则支路发生短路故障，支路及其上级干线支路或干线上的断路器同时分断，就使干线支路下面的无故障电路一起被切断，“城门失火，殃入鱼池”这在电网配电中显然是一个很大的问题。

为解决好这个问题，上一级线路设置了具有短路短延时特性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，其断路器可在20 ms内切断电路，而上一级延时只要0.1s（100ms），就可躲过下级的短路故障。

与短路短延时一起考核的是短时耐受电流（Icw）,通常它是最大的短路电流，延时1s时间，断路器应不动作。

经此短路短时耐受电流试验后，断路器不因相间产生的电动力而遭机械损坏，也不致因极大的

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+1.35kIM）

（1）

式

（1）中：

IL——线路计算负荷电流；

k——最大一台电动机的起动电流倍数；

IM——最大一台电动机的额定电流。

假设IL为250A，线路中最大一台电动机的功率为50kW，IM为100A，k为6，按式

（1）计算Ir2≥1.1（250+1.35×6×100）=1060A

≥4.24In

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一断路器的瞬时动作整定值。

DW15-1600的短路短延时电流为（3～10）In，

DW15-2500、4000的短路短延时电流为（3～6）In

短延时时间为0.2s或0.5s。

ME型短路短延时电流为（3～12）In

短延时时间为0～0.3s可调

DW45型短路短延时电流为（0.4～15）In

短延时时间为0.1s、0.2s、0.3s、0.4s可调

以上均为万能式（框架式）断路器。

传统的塑料外壳式断路器只有过载长延时和短路瞬时的二段保护，近年随着技术的发展，塑壳式断路器也具备短路短延时的功能，例如杭州之江开关厂研发生产的HSZ1及HSM1z智能型塑壳式断路器均有三段保护（过载长延时、短路短延时和瞬动）。

HSZ1和HSMz的短路短延时电流都是5In，短延时时间最大为0.8s（HSZ1）的0.1s、0.15s、0.2s、0.25s、0.3s、0.35s、0.4s（HSM1z）。

4）瞬时动作电流整定值（短路保护）

瞬时动作电流整定值Ir3≥1.1（IL+k1kIMm）

（2）

式

（2）中：

IL——线路计算负荷电流；

k1——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。

峰值系数是指电动机短路电流的第一半波的最大峰值与其周期分量有效值之比。

假设：

IL=250A，k取7（Y型电动机），IMm是最大一台电动机的额定电流，如功率为75kW，IM为140A，则Ir3≥1.1（250+2×7×140）=2431A。

Ir3约是10倍In（In=250A≈2500A.）

当断路器的In≥400A时，由于它所保护线路中的电动机，大部分是采用减压起动器或星—三角起动器起动的，因此起动电流倍数降得很多，例如选自耦减压起动器，则电动机的起动电流分别是4.48IM（当输入电压为80%Ue时）或2.96IM（当输入电压为65%Ue时），而星—三角起动器起动，其起动电流为1/3×7=2.33IM，鉴此，断路器的瞬时动作值可以取5IM［如以式

（2）计算，设电动机为Y型，110kW，其IM为204A，计算结果分别是4.46IM（接65%Ue）和5.37IM（接80%Ue），平均为4.91IM］。

如果断路器所保护的线路中某些电气设备，特别是一些电子设备，承受过载和短路的能力较差，则Ir3还可以取得更低，例如DW45智能型万能式断路器的瞬动倍数是In至50kA或75kA，且瞬时动作电流整定值可由用户自行调节。

2电动机保护型断路器

电动机保护型断路器有两类，一是通常称仅有瞬时动作（短路电流动作）保护，而无过载保护功能的断路器，它是作为接触器、热继电器的后备保护之用的，不负担正常的合分操作；另一类是既有过载、短路保护，又能作不频繁分合电动机线路的。

我们所要论述的是后一类的断路器。

1）过载保护特性

IEC60947-4和我国的GB14048.4《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》标准规定电动机保护型断路器的过载（Ir1）特性为：

1.0In≥2h不动作（不脱扣）；

1.2In2h之内动作；

1.5In分别为2、4、8、12min内动作（相应级别为10A、10、20、30）；

7.2In（可返回特性）动作时间为Tp

2s＜Tp≤10s（10A级）；

4s＜Tp≤10s（10级）；

6s＜Tp≤20s（20级）；

9s＜Tp≤20s（20级）。

对电动机的过载保护，主要是保证电动机绕组的绝缘不超过它的允许工作温度，人们曾经对A级、B级绝缘物进行了反复的试验，得出如下结论：

A级绝缘的温度每超过允许值8～10℃，B级绝缘的温度每超过允许值12～15℃，其电动机的寿命将缩短一半。

七十年代，上海电器科学研究所曾组织专业人员对各种电动机（J2和JO2型，功率从4kW至75kW）进行过载验证试验。

试验方案是，作出通以不同的过载电流，在达到θn（电动机的额定温升，即通电后达到的稳定温度与环境温度之差）、（θm允许的绝缘耐热温升，取75℃）以及θm+10℃时，过载电流与允许持续时间的关系。

结论是：

通以1.0In（In=IM）,长期不动作，通以1.2In，小于20min动作（In≤25A时）或15min动作（In＞25A时）；通以1.5In，4min动作（In≤25A）或3min动作（In＞25A）；通以6In分三级，1级大于5s，2级大于8s，3级大于30s（可返回时间）。

以上试验中，1.0In-6In时是冷态，而1.2In和1.5In时是热态.

从试验状况来看，尽管试验的是J2和JO2型旧型电动机，试验时间又是1974年，但基本上符合当时的IEC标准和机械部（JB）标准。

新的标准对可返回特性从6In提高到7.2In，这也符合新型的电动机的情况。

我国的Y系列电动机的起动电流倍数，大抵在6、6.5、7，且7IM的数量也相当多（Y系列与国际是接轨的），为了躲过电动机的起动，电流设置7.2In的Tp（可返回时间），且分为10A、10、20、30等级，也适合于不同的电动机负载。

2）电动机保护无短路短延时特性（没有必要设置）。

3）瞬时动作电流的整定值（短路保护）

Ir3=kI'st（3）

式（3）中

Ir3——断路器的瞬时动作电流整定值

k——可靠系数，这是考虑电动机的起动电流的误差和断路器瞬动误差，k取1.2

I'st——电动机的全起动电流，是尖峰（峰值）电流

应提请注意的是，无论是那种型式的断路器，瞬动机构（电磁铁或电子脱扣器、智能脱扣器）的动作电流都是峰值电流，I'st是峰值系数与起动电流的乘积，峰值系数为1.7～2，因此I'st=（1.7～2）Ist，Ist一般为6In（IM），故Ir3=1.2（1.7～2）×6In，Ir3=12.24In或14.4In，如果起动电流为7IM（In），则Ir3为（14.28～16.8In），由此确定，一般的保护电动机断路器的瞬动电流整定值平均在8～15倍电动机额定电流，断路器的标准采用12In。

有一些特殊情况，例如电动机在切断电源后再接通，当切断电源而电动机尚未停下，就带有残余电压，如残余电压与再接通的电源相位一致则叠加，会造成再起动瞬间的冲击电流，此电流可达17In及以上。

另外电力机车用的电动机，因火车爬坡，负载加重，此时电动机起动，其起动电流倍数将达14In。

遇有这种特殊情况，用户应向制造厂申明，作特殊订货。

上述的电动机保护型断路器瞬时动作电流整定值，适合于鼠笼型电动机的，而绕线型电动机，则应整定在（3～6）倍In。

3家用或类似用途过电流保护断路器

1）过载电流的保护

适合于家用和类似用途的导线（电路末端用），其生产厂家将有限时间内的导线过载率规定为45%，即导线在有限时间内的发热量比Iz大一倍［（1.45Iz）2R=2.10

R］。

这个有限时间，按实测，最大应不超过1h（Iz≤63A）和2h（IZ＞63A），否则将引起绝缘热老化。

家用或类似用途过电流保护断路器（典型产品有DZ12、C45N、PX200C、HSM8等）的标准规定：

1.45In（In≤63A），应在1h或2h内动作（脱扣）。

家用场所的受电电器中，还有一些小型电动机（一般在7.5kW及以下），因此，需要考虑断路器躲开小电动机起动时的起动电流，为此，断路器的过载保护还规定了2.55In时在1s～60s（In≤32A）和1s～120s（In＞32A）动作。

2）瞬时动作电流的整定值（短路保护）

断路器应能承受的

应符合下式的要求

I2t＜k2S2（4）

式（4）中：

k——应用的导体材料与绝缘材料的常数，聚氯乙烯（PVC）铜导体的k=115；

S——导体的截面积mm2

例如，t为0.1s，导线的截面积为16mm2（适用的电流为50～63A）。

I2＜

I＜5818.5≈6000A

如S=10mm2

则I2＜

I＜3637A

以上的计算仅考虑线路（导体）本身的

，如果把断路器的内阻等计算进去，可以限制线路的短路电流，I值还可以再提高。

因此C45N、PX200C、HSM8等小型断路器的短路分断能力达6000A（In≤40A时）和4000A（In=50～63A时），有些产品如100A规格，短路分断能力为10kA（有限流性能）。

GB10963-99（等效IEC898）标准规定瞬时动作电流整定值可分为B、C、D三种类型。

B型：

3In时，不脱扣时间t≥0.1s，5In时必须脱扣的时间t＜0.1s；

C型：

5In时，不脱扣时间t≥0.1s，10In时必须脱扣的时间t＜0.1s；

D型：

10In时，不脱扣时间t≥0.1s，50In时必须脱扣的时间t＜0.1s；

B型为一般家庭或电子计算机室专用。

家庭用中的照明器材，功率较小，较少有浪涌电流，电子计算机承受短路故障能力较差，故使用B型；

C型为商业和高层建筑用。

由于照明电器多，就需考虑躲过电灯等在通电瞬间的闪流（浪涌电流）；

D型接近于工业用。

这种型式的瞬动脱扣器，因受结构的限制，它的电磁系统中穿过铁心的线圈匝数通常是一匝，而电磁铁的吸力取决于它的磁势（电流乘上线圈匝数，即Iw），匝数为一匝，小电流规格的Iw就小，在发生短路故障时，很难在10I时使电磁铁吸合，因此，需提高短路电流值。

如I=10A，当10I时，Iw=100AT（T是匝数），不足以使电磁铁动作，倘动作安匝数必须为500AT，则对I=10A的规格，应使其短路电流达50倍额定电流（50×10=500A），这种情况最明显的表现是工业用的CM1、HSM1三极塑壳式断路器的小电流规格。

4剩余电流动作保护器（漏电保护器）

1）剩余电流动作保护器有三种型式：

a不带过载、短路保护的剩余电流动作断路器（RCCB），过去称为漏电开关（EarthLeakageSwitch）。

它的性能符合GB16916.1标准。

由于仅有漏电保护而没有过载、短路保护功能。

因此它的上一级应加装后备保护用的断路器或者是熔断器。

它和接触器等控制电器一样，需要进行SCPD的配合试验。

b带过载、短路保护的剩余电流动作断路器（RCBO），过去称为漏电断路器（EarthLeakagebreaker） 。

它的性能符合GB16917.1标准，过载和短路保护的特性与断路器相同。

c只起漏电报警作用而不切断故障电路的剩余电流动作继电器，过去称为漏电继电器（EarthLeakagerelay）。

这种继电器也可与接触器或断路器组成RCCB或RCBO。

2）RCCB和RCBO的剩余动作电流

的选择

作为间接保护（人体触及带电的电器外壳）或直接保护［人体直接触及一极相线（火线）］人体免受电击危险和剩余动作电流

（漏电动作电流）选30mA（动作时间≤0.1s），在水网地区或电网质量较差的地区，选用30mA会因线路或电气设备本身的漏电造成保护器频繁跳闸，因此可选50mA、75mA，甚至100mA灵敏度（漏电动作电流）。

为了选择性匹配，应采用分级保护，级间的

约是2.5～3倍之差。

例如，电路最末端（住宅）选

为30mA，其上一级应取

为100mA，再其上取300mA。

为满足下一级某支路动作，而不影响上级和它邻近的无故障电路。

作后备保护的

从100mA及以上，应选延时型，延时时间按标准规定有0.2s、0.4s、0.8s、1s和1.5s等规格。

对于防止电气火灾的漏电保护，一般

取300mA～500mA，它们多数是瞬动型的（动作时间≤0.1s）。

消防和一切不能停电的场所，按JGJ/T16标准要求，也需装设漏电保护装置。

遇有漏电应只报警不脱扣，报警可采用声、光装置。

五、关于单相接地故障电流的保护

剩余电流动作断路器的动作电流，其实质也是一种单相接近故障电流。

由于它是保护人身或牲畜的