低压断路器的选择和应用

【摘要】通常情况下，低压断路器体积较小，在应用以及操作上相对更加简便，因此在控制不同类型的机械装置的电源、低压配电系统各级馈电线路以及控制和保护用电终端方面应用相对更加普遍，在实际工程中低压断路器属于低压电器中应用最普遍的一种。在建筑电气设计中，合理的选择低压断路器，可以保护配电线路、电气装置、电气设备等，而且可以防止火灾的发生，可以防止人身触电等安全事故的发生。本文简要介绍了低压断路器的结构原理、低压断路器的脱扣器和整定取值、低压断路器的分断能力和灵敏度校验、以及剩余电流保护断路器的应用。对配电线路保护断路器的瞬时过电流脱扣器、定时限过电流脱扣器、反时限过电流脱扣器做了阐述说明，明确了各种脱扣器的动作整定电流和整定时间的数值规定及其之间的联系。如果电路连接中出现短路情况，如果不采取任何措施的情况下短路电流会形成机械力以及热效应严重危害连接件以及导体，而断路器的功能就是在出现危害作用以前将短路电流分断；如果电路处于过载状态时，产生的过载电流会导致导体温度升高，从而损坏导体的端子、绝缘、接头以及导体附近的物品，此时断路器的功能就是在产生危害之前将过载电流断开。对于低压配电线路而言通常会设置不同级别的保护断路器，不同断路器的动作选择性以及彼此之间的相互配合能够使靠近故障点的断路器优先动作，从而达到保护的作用，尽可能的缩减停电范围；针对可靠性要求不高的负载，能够进行无选择性切断。同时为了确保切断短路故障电流，要根据实际情况校验断路器的灵敏度。针对移动式或者手持式的用电装置，应用于外部环境中的用电装置，家用插座回路或者电器回路，应用环境比较潮湿或者相对恶劣的电气装置以及用电装置的供电电源为

【关键词】脱扣器；低压断路器；剩余电流保护器；灵敏度

低压断路器的结构原理

低压断路器属于开关电器的一种，能够将正常负载电流进行接通以及分断，同时当电路处于短路、欠压、过负荷以及漏电等情况下还能够对故障电路实现自动分断。能够借助于电动合闸或者手动操作的方式实现低压断路器主触点的闭合，主触头在自动脱扣器的作用下能够被锁定在合闸位置。热脱扣器的热元件以及过电流脱扣器的线圈和主电路之间相互串联，主电路电源和欠压脱扣器的线圈两者相互并联，如果电路出现短路故障的情况下过电流脱扣器衔铁就会吸合，在此带动之下自动脱扣器机构发生相应的动作，使主触点和主电路断开。如果电路处于过载状态时，热脱扣器的热元件温度升高，从而对双金属片产生影响，使其发生弯曲对自动脱扣器机构产生推动性作用，从而产生动作。如果电路处于欠电压状态，欠压脱扣器的衔铁就会断开，从而导致自动脱扣器机构发生动作。分励脱扣器主要应用于长距离的控制，其正常工作状态下线圈处于断电状态，如果想要使其产生控制作用时，将控制信号开启从而使线圈通电，衔铁产生相应的作用带动脱扣器动作使主触点和主电路断开。

低压断路器的脱扣器及整定

过电流脱扣器可以划分成三种，分别是定时限过电流、瞬时过电流以及反时限过电流脱扣器，其中定时限过电流脱扣器也被叫做短延时过电流脱扣器，而反时限过电流脱扣器也被叫做长延时过电流脱扣器。

其中如果电流值达到整定值的情况下，定时限过电流或者瞬时过电流脱扣器就会在规定时间段内或者瞬时产生动作，通常情况下电流脱扣器的整定值准确度能够达到±10%。对于小型断路器A型，瞬时脱扣器的脱扣电流范围为2~3倍，2 In即不脱扣电流，3 In即脱扣电流，2 In~3 In 之间区域叫误差带此区域中脱扣器可能脱扣状态或未脱扣状态。B型断路器的瞬时脱扣器的脱扣电流范围为3~5倍，3 In即不脱扣电流，5 In即脱扣电流，3 In~5 In 之间区域叫误差带此区域中脱扣器可能脱扣状态或未脱扣状态。C型断路器的瞬时脱扣器的脱扣电流范围为5~10倍，5 In即不脱扣电流，10 In即脱扣电流，5 In~10 In 之间区域叫误差带此区域中脱扣器可能脱扣状态或未脱扣状态。D型断路器的瞬时脱扣器的脱扣电流范围为10~20倍，10In即不脱扣电流，20 In即脱扣电流，10 In~20 In 之间区域叫误差带此区域中脱扣器可能脱扣状态或未脱扣状态。通常情况下，如果测量回路中存在小功率电源变压器，整个系统的线路相对较长但是通过的电流较小的情况下以及半导体电子线路中都适合应用A型脱扣曲线。而电感较低或者纯电阻的照明回路则适合应用B型脱扣曲线，通常应用于住户配电系统中，对人体以及家用电器起到保护作用。高感或者感性负载的照明电路则适合应用C型脱扣曲线，一般对接通电流较大的照明回路以及配电线路起到保护作用。D型脱扣曲线适用于高感负载和较大冲击电流的配电系统，一般用于变压器、电动机等动力设备配电。

低压断路器对不脱扣电流设定为整定电流值的1.05倍，对脱扣电流设定为整定电流值的1.3倍。当其达到约定不脱扣电流时，当处于基准温度时从冷态开始断路器在不超过约定时间范围的条件下不应该出现脱扣情况。当其达到脱扣整定电流的条件下，应在约定时间范围内应该发生脱扣。（上述约定时间为2小时，当断路器额定电流不大于63A时约定时间为1小时）。

Iset1指的就是断路器长延时脱扣器电流的额定值，IrQ则代表的是断路器壳架等级电流的额定值，也就是开启式或者塑壳式能够装设的过电流脱扣器额定电流的最大值，Iz代表的是导体允许的持续载流量，Ic 则为线路计算负载电流，以上4个参数之间需要满足的关系为IrQ≥Iset1≥Ic；Iz≥Iset1。

短时限过电流脱扣器主要用于满足保护电器动作的选择性，短时限过电流脱扣器的整流电流不能够低于短时间范围内的负载尖峰电流，也就是要求满足Iset2≥1.2*(整个线路中电动机中最大的启动电流和剩余的线路计算负载电流之和)。一般情况下，短时限过电流脱扣器的整定时间可以划分成几种类型，分别包括0.1、0.2、0.4、0.6、0.8s等，在进行选择时结合实际需要而定。对比于下级任意组熔断器可能存在的熔断时间的最大值来说，短时限过电流脱扣器的整定时间都需要大一个级量。上级和下级的时间级差通常要超过0.1~0.2s的范围。

瞬时过电流脱扣器整定电流不能够低于配电线路尖峰电流，也就是要求符合Iset3≥1.2*(整个线路中电动机中最大的全启动电流和剩余的线路计算负载电流之和)。一般电动机全启动电流中存在非周期以及周期分量，全启动电流值取值通常为启动电流的两倍。

为了能够达到被保护线路不同级别间选择性的要求，选择低压断路器瞬时脱扣器电流整定值不能低于下一级别被保护线路的故障电流。而对于非选择性低压断路器瞬时脱扣器电流整定值而言则不能低于处于正常工作状态下回路的尖峰电流。

低压断路器的分断能力和灵敏度校验

以短路电流对低压断路器分断能力进行校验的结果作为依据，断路器分断能力的额定值要求超过被保护线路三相短路电流有效值的最大值。以短路电流对低压断路器灵敏程度进行校验的结果作为依据，为了保障当出现接地故障时，通过低压断路器能够起到稳定性的保护作用，需要对断路器瞬时过电流脱扣器的灵敏度进行校验，也就是要求被保护线路末端接地故障电流需要高于1.3倍的低压断路器瞬时（或短时限）过电流脱扣器的整定电流。若配电线路的长度较大，而短路电流较小的情况下，低压断路器的动作电流达不到灵敏度要求，可通过以下措施进行解决，将接地故障的电流值提高，不再使用Y,yn0接线组别变压器，而是选择应用D,yn11接线组别变压器，因为对于零序阻抗而言，相较于Y,yn0接线来说，D,yn11接线更小，选用D,yn11接线组别变压器后单相接地故障电流会有明显增大。将接地保护导体的截面和相导体的截面增大，通过这种方式对于截面较小的穿管绝缘电线以及电缆而言有助于提高单相接地故障电流，作用比较明显；但是因为截面较大的架空线或裸干线具有较大的电抗，因此通过这种方式产生的作用不显著。如果裸干线改用紧凑型封闭母线，架空线改为电缆，该措施可降低电抗，增大单相接地故障电流值，但是由于要增加投资，有时是不可行的。当选择应用断路器瞬时过电流脱扣器或者熔断器时达不到接地故障提出的要求时，在该条件下可选择应用存在短时限过电流脱扣器的断路器发挥保护作用。因为一般情况下，短延时过电流脱扣器的整定电流值大致只有瞬时整定值的1/5~1/3，因此对于同一断路器而言更容易达到接地故障提出的要求。还可以选择带有接地故障保护的断路器通过剩余电流动作提高断路器动作的灵敏度。

剩余电流保护断路器的应用

低压配电设计规范GB50054-2011第6.4条要求，如果建筑物配电系统配电线路的绝缘被破坏的情况下，有可能会发生接地故障时；如果出现接地故障形成的接地电弧有可能会导致出现火灾的情况时，需要设置保护电器和剩余电流监测装置，而且这些装置应该动作于信号或切断电源。对于电气火灾而言，接地电弧产生的火灾属于短路性火灾的类型，有很大概率会发生，因此也是造成电气火灾的重大隐患，为了降低该类型火灾的出现，就要求采取相应的措施实时监测接地故障。电弧性对地短路起火难以用一般的过电流防护电器防护，但是剩余电流监测器对此类故障具有足够的灵敏度，且价格便宜，安装方便，可及时对接地故障做出反应，作用于切断电源或发出报警信号。

在选择安装保护电气装置以及剩余电流监测设备的位置时，需要保证能够对发生火灾危险的配电线路的绝缘情况进行全方位的监测。不可以存在监测盲区。一般来说，可在建筑物电源总进线配电箱处设置剩余电流监测器，该监测器可以安装在总进线回路上，也可以安装在各馈出回路上，这样可以对建筑物实施全面的防护。在设计、安装正确、产品符合电磁兼容要求的情况下，建筑物内任何一点出现接地故障剩余电流监测器都应能够做出反应。若将剩余电流检测器安装在总进线配电箱位置，其后的不同级别的分配电箱可不安装剩余电流监测器。如果正常情况下泄漏电流较大，剩余电流监测器安装在总配电柜进线或出线回路上时，动作电流值难以整定，可将总进线配电柜处的剩余电流监测器的动作电流整定值适当放大，也可在下级配电箱的进线或出线回路中安装剩余电流监测器。

如果保护电器或剩余电流监测设备的设置是为了避免出现接地故障导致的电气火灾时，这些设备的动作电流应该低于300毫安；当动作于切断电源时要求将回路中全部带电导体进行断开。在国际电工委员会第64技术委员会（IEC TC64）最近的技术文件中规定300mA以上的电弧能量才能引起火灾，故规定在火灾危险场所内，剩余电流监测器的动作电流不宜大于300mA。

针对移动式或者手持式的用电装置，应用于外部环境中的用电装置，家用插座回路或者电器回路，应用环境比较潮湿或者相对恶劣的电气装置以及用电装置的供电电源为TT系统时，都要求对其配电线路安装剩余电流动作保护。针对用于医院手术以及急救设备，或者其他医疗电器装置，也要求安装剩余电流动作保护对配电线路起到保护作用，要求发出报警信号不动作于跳闸。禁止PE导体穿越剩余电流动作保护器中电流互感器的磁回路。对于TT、IT、TN-S以及TN-C-S系统而言通常都存在独立性的PE线，剩余电流保护器的电流互感器能够对中性线以及相线进行包绕，但是不会对PE线进行包绕，要求剩余电流保护器整定值躲开对被保护线路正常工作条件下对地的泄露电流，因为谐波以及三相不平衡电流都能够在磁回路中借助于中性线以及相线进行相互抵消，其动作灵敏性很高，整定电流以毫安计算，用于保护人体安全的直接触电击防护的附加保护，其整定动作电流不超过30mA，电气布线系统中接地故障电流的剩余电流动作值的额定值不允许大于300毫安。

剩余电流保护器对接地故障危害防范有很高的动作灵敏度，能在数十毫秒的时间内有效地切断小至毫安的故障电流，能在人触电时迅速切断电源保护人身安全。如果产生保护作用的回路范围内出现故障的情况下剩余电流保护器能发挥作用，然而无法避免从其他位置沿着设备外导电部分或者PE线传输的故障电压导致出现电击事故。有些电气设备，如消防电气设备是不允许装剩余电流保护器的，不能因为火灾救火时发生接地故障切断消防设备的电源。比如对于医院用于外科手术的装置线路以及对病人生命起到维持作用的医疗装置回路都是禁止安装剩余电流保护器，而且应用于胸腔手术中的装置只能够允许0.01毫安的正常泄漏电流，即使出现接地故障时最大允许0.05毫安的故障电流，通常剩余电流保护器无法达到对该灵敏度的要求，有可能会出现错误动作造成供电电源断开，从而导致出现医疗事故。

以产生动作的方式的区别作为依据，剩余电流断路器可以划分成电子式以及电磁式两类。其中电子式剩余电流保护器会将电子放大线路连接在脱扣器和零序电流互感器二次回路之间，电子放大线路能够对电压产生放大作用，在该作用下放大互感器二次回路的输出电压，对剩余电流脱扣器产生激励作用，动作功能和线路电压之间息息相关。而电磁式剩余电流保护器的脱扣器和零序电流互感器二次回路之间直接连接，因此不通过任何放大作用对剩余电流脱扣器产生激励作用，而且动作功能和线路电压之间没有关联。经检测获取的剩余电流值会通过剩余电流断路器和基准值进行对比，如果比基准值大的情况下，断路器主电路触头就会发生断开。在接地故障电流自身能量的作用下电磁式剩余电流保护器就能够使脱扣器发生相应动作，而对于电子式剩余电流保护器而言，则需要借助于所处回路位置的故障残压的能量才能够实现，若故障残压或者故障时电流较小时导致能量不够，电子式剩余电流保护器就可能无法发挥作用，因此从原理的角度分析，对比于电子式剩余电流保护器而言，电磁式更加稳定可靠。在TN系统内发生相线碰设备外壳接地故障时，如果电子式剩余电流保护器距离故障点很近，相线和PE线很短，故障残压小到一定值时，它提供的能量过小，这时电子式剩余电流保护器将拒动。我国电子式剩余电流保护器产品标准规定故障残压小到50V时还能保证动作，这一规定提高了电子式剩余电流保护器的动作可靠性。如果处于游泳池或者浴室等环境下，通常湿度相对较高，容易发生电击危险，因为皮肤湿透的条件下，本身阻抗会有大幅度降低，大于12V的接触电压即可发生电击事故，这些场所电子式剩余电流保护器不小于50V才能动作显然不能充分保证人身安全，所以浴室和游泳池等特别潮湿的这些场所的供电采用不大于12V的交流电压或不大于30V的无波纹直流供电电压。

人体受电击时，安全电压限制为50V，系根据现行国家标准《电流对人和家畜的效应第1部分：通用部分》GB/T 13870.1-2008（等同采用IEC/TS 60479-1：2005）的规定，当处于干燥环境中时，如果接触电压低于50伏的情况下，人体与电压相接触不会威胁到人体安全。如果配电回路中的中性线发生断路的情况下，电子式剩余电流保护器就不能够产生相应的动作，再则电子式剩余电流保护器借助被保护回路故障残压来动作在一定程度上使可靠性降低。在欧洲诸多发达国家配电电压采用230V，剩余电流保护器都采用电磁式的。美国采用TN系统，给手持式、移动式设备插座供电采用115V，发生间接接触电击时的接触电压最大不超过50V，他们一般采用电子式剩余电流保护器，人身安全也能得到保证。我国插座回路电压220V，发生间接接触电击时接触电压近百伏，而且许多场所没有专业人员管理，也没有采取局部等电位联结的附加保护，采用电子式剩余电流保护器难以保证人身安全。我国采用电子式剩余电流保护器原因是它对制造工艺和材料要求不高，售价较电磁式剩余电流保护器低廉，一般制造厂家便于生产和营销，掩盖IEC规定的要求，为了保证人民生命安全设计人员应以电磁式剩余电流保护器取代电子式剩余电流保护器为好。

参考文献：

[1] 中机中电设计研究院有限公司. GB50054-2011 低压配电设计规范[S] 北京：中国计划出版社，2012.

[2]中国建筑东北设计研究院有限公司. GB51348-2019 民用建筑电气设计标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社.2019.

[3] 中国航空规划设计研究总院有限公司. 工业与民用供配电设计手册（第四版）[M]. 北京：中国电力出版社，2009.

[4]中国航空规划建设发展有限公司. 建筑物电气装置600问[M]. 北京：中国电力出版社，2013.