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低壓斷路器的發展與應用

[大中小]

　摘要：闡述了我國小型低壓斷路器的發展歷程，介紹了國產小型斷路器的結構和附件的技術性能，重點論述了小型斷路器應用中的選型及在應用中應引起注意的問題，探討了我國小型斷路器發展方向。
　　關鍵詞：發展過程結構性能應用和選擇發展方向
　　1 斷路器的分類和發展
　　世界上最早的斷路器產生于1885年，它是一種刀開頭和過電流脫扣器的組合。1905年，具有自由脫扣裝置的空氣斷路器誕生。1930年以來，隨著科技的進步，電弧原理的發現和各種滅弧裝置的發明，逐漸形成了目前的機構。50年代末，由于電子元件的興起，又產生了電子脫扣器，到了今天，由于單片機的普及又有了智能型斷路器的問世。
　　1、1斷路器的分類
　　小型低壓斷路器，從它的結構、用途所具有的功能來分，可分為萬能式（又稱框架式，國際上通稱ACB）們塑料外殼式（國際上通稱MCCS，NICB小型）兩大類，它們相同的作用是：在正常情況下，作不頻繁合、分電路成起動、停止電動機；在線路或電動機發生過載、短路或欠電壓（電壓不足）等故障時，能自動切斷電路，予以保護。根據保護對象的不同，斷路器又分為四種類型：
　　配電保護型-保護電源和電氣線路（電線、電纜）和設備；電動機保護型——專作電動機的不頻繁起動，運行中分斷，以及在電動機發生過載、短路和欠電壓時的保護；
　　家用和類似家用場所保護型－－對照明線路、家用電器等的保護；
　　剩余電流（漏電）保護型－－用來保護人身免受電擊危險及防止電氣火災的保護器。
　　1.2小型斷路器的發展
　　我國小型低壓斷路器經歷了四代發展過程：
　　50年代，我國首次研制投產的是仿蘇（A310O）的DZI系列產品（40年代中期水平）。60年代末期，針對DZI體積過大、短路分斷能力偏小等缺陷，對它進行了技術改進，形成了我國自行設計的第一代產品DZI0系列。60～70年代，小規格電流的塑殼斷路器有DZ5一10、DZ2～20、DZ5一 25、DZ5一50、DZ15一50、DZ15一63等，它們的短路分斷能力分別為1～3kA。
　　60年代后期，我國第一臺電流動作型電子式漏電保安器誕生（主開關是DZS一20斷路器）。我國首臺電流動作型電磁式漏電斷路器的型號是DZS—20L（主開關仍是DZS—20斷路器）。70年代中后期，全國聯合設計的新型（DZ15L—40xDZ15L—63）電流動作型電磁式漏電斷路器試制成功，其殼架電流有40A、63A兩種，額定電流 6～63A，漏電動作電流有30mA、50mA、75mA和100mA，是快速型（漏電動作時間≤0.1s），斷路器的短路分斷能力為380V3hA和 5kA。進入80年代就有DZL16、DZL18、DZL118。DZ12L、DZL33、DZL38和DZ10L等，大部分是電流動作型電子（集成電路）式漏電斷路器（帶過載、短路保護和不帶過載、短路保護），80年代初，又開發了第二代的DZ20系列。與此同時，分別從美國西屋公司、日本寺崎電氣公司引進具有80年代初技術水平，生產了H系列和TO、TG、TL等系列。
　　80年代中期，又引進德國F&G公司的技術，生產了FIN型（不帶過載、短路保護）（In有25A、40A、63A，I△n有30mA、100mA、300mA和500mA）和FI/LS（帶過載、短路保護）（In有2A、4A、6A、10A、20A、25A、32A等，I△n有30mA、50mA、100mA和300mA）的漏電斷路器。
　　進入 90年代，引進國外先進技術，開發生產了VigiC45EIE（電子式）、VigiC45ELM（電磁式）。ViglNC100等漏電斷路器，漏電動作電流I△n30mA，快速型（VigiNC100，IQ。有30mA、300mA和500mA幾種，快速動作型）。而后又推出了CMI系列、TM30系列、 TG系列的BD、BF型及JXMZ型、HSMI系列、S系列等新型塑殼式斷路器。
　　2 小型斷路器附件及標準
　　無論是萬能式（ACB）或塑料外殼式斷路器（MCCB和一些MCB）現在都具備各種內、外部附件（又稱附屬裝置），以增加斷路器的功能。
　　2.1內部附件
　　輔助觸點（輔助開關）——根據控制電磁鐵和其他輔助回路電器的合、分需要而設置，目前較多的是采用發熱電流（Ith）3A和6A的微動開關組成。
　　報警觸點（報警開關）——反映斷路器因線路故障（過載、短路）跳閘而接通聲、光報警，它的發熱電流較小，一般小于3A或更低。
　　分勵脫扣器——作遠距離操作，使斷路器跳閘的一種脫扣器，它的控制電壓有交流380V（400V）、220V（230V），直流220V、110V、24V等。
　　欠電壓脫扣器——防止因線路電壓不足，對線路或電動機造成損害的一種脫扣器，它與線路電壓相同，通常有交流380V（400V）、220（230V）、直流110V、220V等。
　　2.2外部附件
　　外部轉動手柄——適合于斷路器在開關柜或抽屜柜門板上合、分斷路器，可以起聯鎖作用，成套電器裝置只有斷電才能開門。
　　電動操作機構一用電磁鐵或電動機等構成，代替手動合閘（ON）或分問（OFF）斷路器，可遠距離控制。機械聯鎖、自身閉鎖。
　　2.3小型斷路器標準
　　國內開發、研制和應用的小型斷路器MCB保護型斷路器，符合GB1963（等效采用IEC898）家用和類似家用場所過電流保護斷路器》標準。而剩余電流保護型斷路器（漏電斷路器）應符合GB6829、GB16917IEC100）、EC755標準。
　　3 小型斷路器應用
　　小型斷路（以下簡稱MCB）是建筑電氣終端配電裝置中使用最廣泛的一種終端保護電器。MCB雖然是一種終端電器，但其應用量大而且面廣，若選用了不合適的MCB，由其造成的損失是不可忽視的。
　　3.1額定分斷選擇
　　MCB的額定分斷能力是在保證斷路器不受任何損壞的前提下，能分斷的最大短路電流值。現在市場上
　　見到的MCB，根據各制造廠商提供的有關技術資料和設計手冊，一般有各.skA、6hA、10hA等幾種額定分斷能力。我們在選用MCB時，應當像選用 MCCB（塑殼斷路器）、ACB（框架式斷路器）一樣，計算在該使用場合的最大短路容量，再選擇MCB。如果MCB的額定分斷能力小平被保護范圍內的短路故障電流，則在發
　　生故障時，不但不能分斷故障線路，還會因MCB的分斷能力過小而引起MCB的爆炸，危及人身和其它電氣設備線路的安全運行。
　　低壓配電線路的短路電流與該供電線路的導線截面、導線敷設方式、短路點與電源距離長短、配電變壓器的容量大小、阻抗百分比等電氣參數有關。一般工業與民用建筑配電變壓器低壓側電壓多為0.23/0.4kV，變壓器容量大多為1600kVA及以下，低壓側線路的短路電流隨配電容量增大而增大。對于不同容量的配電變壓器，低壓饋線端短路電流是不同的。一般來說，對于民用住宅、小型商場及公共建筑，由于當地供電部門采用高壓深入符合中。動的配電網絡結線，其配電變壓器的容量都控制在1600kVA以下，并采取單母線分段運行方式的低壓電網供電，用電設備距供電電源距離較遠（大干250米），選用4.skV及以上分斷能力的MCB 即可。對于專供或10kV變配電站的用戶，往往因供電線路的電纜截面較粗，供電距離較短，應選用6hA及以上額定分斷能力的MCB。而對于如變配電站（站內使用的照明、動力電源直接取自于低壓總母排）以及大容量車間變配電站（供車間用電設備）等供電距離較短的類似場合，則必須選用10kA及以上分斷能力的 MCB，具體設計時還必須進行校驗。此外，特別要注意的三點是：
　　3.1.1隨著現代建筑物中配變容量的增大，大容量母線槽的使用以及用電設備與電源問的距離縮短等各種因素，使供電線路末端的短路電流也在不斷地增大，特別是一些高檔的寫字樓、辦公樓、賓館及大型商場等公共建筑，這類場合使用的MCB，在設計時應加以注意。
　　3.1.2MCB產品有兩個標準：一個是IEC898《家用裝置及類似裝置用斷路器》（GB10963—1999）；另一個是IEC947—2（低壓開關設備及控制設備低壓斷路器》。IEC898是針對由非電氣專業和無經驗人員使用的標準，而IEC947—2是針對由電氣專業人員操作使用的產品標準。兩個標準對MCB的額定分斷能力指標是不同的，對設計人員來說，一定要看具體使用場合和對象來選用MCB。若按IEC947—2的額定分斷能力來選用 MCB，應安裝在供專業人員操作的箱柜中，并由專業人員操作，如各樓層、廠房內的照明總配電箱；若按IEC898來選用MCB，可供安裝在非專業人員使用的操作電箱中，如大會議廳、廠房內的照明開關箱中.這些使用對象都是一般的工作人員。因此在選用MCB時，一定要注意加以區別，不能混淆。
　　 3.1.3一般來說，MCB的額定分斷能力是在上端子進線、下端子出線狀態下測得的。在工程中若遇到特殊情況下要求下端子進線、上端子出線，由于開斷故障電流時滅弧的原因，MCB必須降容使用，即額定分斷能力必須按制造廠商提供的有關降容系數來換算。現在有些廠商制造的MCB，上下端子均可進線及自由安裝，分斷能力不受影響，但筆者認為，在實際應用中，應以上進下出為妥。
　　3.1.4MCB的保護特性根據IEC898規定，可分為A、B、C、D四種特性供用戶選用：
　　A特性一般用于需要快速、無延時脫扣的使用場合，亦即用于較低的峰值電流值（通常是額定電流In的2—3倍），以限制允許通過短路電流值和總的分斷時間，利用該特性可使MCB替代熔斷器作為電子元器件的過流保護及互感測量回路的保護。
　　B特性一般用于需要較快速度脫扣且峰值電流不是很大的使用場合；與A特性相比較，B特性允許通過的峰值電流<引n，一般用于白熾燈、電加熱器等電阻性負載及住宅線路的保護。
　　C特性一般適用于大部分的電氣回路，它允許負載通過較高的短時峰值電流而MCB不動作，C特性允許通過的峰值電流<5In，一般用于熒光燈、高壓氣體放電燈、動力配電系統的線路保護。
　　D特性一般適用于很高的峰值電流（<10In）的開關設備，一般用于交流額定電壓與頻率下控制的變壓器和局部照明變壓器的一次線路和電磁閥的保護。
　　從以上保護特性的分析可知，對于各種不同性質的線路，一定要選用合適的MCB。如有氣體放電燈的線路，在燈啟動時有較大的浪涌電流，若只按該燈具的額定電流來選擇MCB，往往在開燈瞬間導致MCB的誤脫扣。
　　在保護特性方面，IEC898標準中明確規定：MCB不能用于對電動機的保護，只可作為替代熔斷器對配電線路（如電線電纜）進行保護。在這方面，設計人員往往容易忽視，并且在一些生產廠商的樣本和設計資料手冊中也有一些誤導的地方。因電動機在起動瞬間有一個5～7In持續時間為10s的起動電流，即使C 特性在電磁脫扣電流設定為（5—10）In，可以保證在電動機起動時避過浪涌電流；但對熱保護來講，其過載保護的動作值整定于1.45In，也就是說，電動機要承受45%以上的過載電流時MCB才能脫扣，這對于只能承受<20%過載的電機定于繞組來講，是極容易使繞組間的絕緣損壞的，而對于電線電纜來講是可承受的。因此，在某些場合如確需用MCB對電機進行保護，可選用ABB公司專用的符合IEC947—2標準中K特性的MCB，或采用MCB外加熱繼電器的方式，對電動機進行過載和短路保護。
　　3.2MCB的使用頻率
　　MCB的設計和使用是針對50～60Hz交流電網的，由于磁脫扣器的電磁力與電源頻率、動作電流有關，因此對于在交流電壓下使用的MCB用于直流電路或其它電源頻率場合的保護時磁脫扣器的動作電流是不同的。一般應根據制造廠商提供的磁脫扣動作電流同電源頻率變化系數來換算。當交流用MCB用于直流電路的保護時，由于滅弧的原因，應選用類似西門子的5SX5直流專用 MCB。
　　3.3MCB的使用環境溫度
　　MCB的過載保護熱脫扣器，通常，現有MCB的熱脫扣器額定電流是生產廠家根據IEC898 標準在基準溫度為30℃條件下整定的，MCB的工作溫度一般推薦為-25℃～+55℃。熱脫扣器由一種雙金屬片組成，當通過的電流達到某設定值并維持一定時間后使MCB脫扣。因此，熱脫扣器與溫度是息息相關的。如環境溫度變化將導致MCB的工作溫度變化，使熱脫扣工作特性相應變化。由于MCB通常安裝于配電箱內，使用環境溫度也不可能恒定為30℃，實際使用時，終端配電箱內的MCB是緊密無間地安裝在一起的，且大多數場合又是嵌在墻內安裝、導致散熱效果差，使配電路內的溫升上升很大，故MCB的實際工作溫度總比環境溫度高10℃～15℃左右。因此，當環境溫度大干或小于校準溫度值時，我們必須根據有關制造廠商提供的溫度與載流能力修正曲線來調整MCB的額定電流值。一般來說，當環境溫度大于或低于校正值10℃時，MCB的額定電流值須減小或增加5%左右。
3.4MCB的前后級選擇性配合
眾所周知，在供配電線路中，保護電器必須達到“三性：即選擇性、快速性、靈敏性”。快速性靈敏性分別與保護電器本身特點和線路運行方式有關，而選擇性則與上下級保護電器之間的配合有關。配合恰當，則能有選擇地將事故回路切除，保證供電系統的其它無故障部分繼續正常運行；反之，則影響供電的可靠性。MCB的選擇性可分兩個區域：一個是過載區的選擇性，另一個是短路區的選擇性。MCB的熱脫扣器電流時間特性是一個反時限曲線，曲線中t1、t2分別代表Q1、 Q2的最長不開斷時間，t1“、t2“分別代表Q1、Q2的最長開斷時間。對于某一電流，如果斷路器的Q1的t1與Q2的t2“構成的關系是 t1“>t2“，說明過載區有選擇性。通過實踐證明，一般MCB在過載區若11>2，即能在過載區有選擇性。當短路電流流過電磁脫扣系統時，MCB上下門要獲得選擇性是很困難的，為了防止越級脫扣，一般應使Q1的瞬時脫扣電流Iml與Q2的瞬時脫扣電流Im2之比大于1.4。當短路電流大干7Iml時，要想只有Q2開斷，應選限流型斷路器作為Q2，這樣可以減少電流的峰值及持續時間，使Q1免于斷開，當然也可選用具有延時的斷路器作為 Q1。當短路電流很大時，是很難保證有選擇性的，只能獲得部分選擇性。制造廠商為了方便設計人員選用合適的MCB來確保選擇性，在設計參考資料中都有向用戶推薦的匹配表，設計人員可以根據匹配表選用上下級的MCB。
3.5MCB附件選擇
MCB有一些電氣輔助裝置和保護附件能與MCB本體拼裝組合在一起，擴展使用范圍，其中最主要的是剩余電流動作保護器（簡稱RCD）、分勵脫扣器（簡稱 ST）、欠壓脫扣器（簡稱UR）。RCD與MCB組合一起就能成為帶過電流保護的剩余電流動作斷路器（簡稱RCD），安裝在配電箱內能防止線路發生單相接地故障時危及人身安全和有效抑制電氣火災。
MCB的附件UR是當電源電壓下降到70%以下時，使MCB脫扣：當電源恢復正常時，防止MCB重新接通。既可防止一些電氣設備在低電壓下運行而損壞設備，也可防止電源突然恢復正常時，線路上的電動機等大容量負荷在沒有接到控制信號下自行起動，從而提高了線路的安全性。但對于一些特殊要求的場合和一般照明回路則不宜安裝UR裝置。分勵脫扣裝置ST是一種能遠距離控制MCB脫扣的裝置。
上述兩種脫扣裝置都是電壓型線圈，都能使MCB達到脫扣的目的，但兩者是有區別的。UR是按長時間通電設計的，而ST是按瞬間通電設計的，這一點往往在選用時被疏忽，誤把ST當作UR使用，導致ST的燒毀。如果UR當作ST使用，理論上是可行的，但實際上是不經濟的。因為UR是24h接入線路中的，終究要消耗一定的電功率，并且發出一定的熱量。如果要使UR兼有失壓和分勵脫扣作用，則在控制回路中應接入-常閉按鈕，這點在實際應用中務必注意。
4 斷路器的發展趨勢
我國小型低壓斷路器正向“小型化、模塊化、多功能、附件模塊化、高分斷、低噪音、工作可靠、逐步實現智能化”要求的方向發展，不斷創造出符合時代需要的新產品。主要發展二極和四極，尺寸模數化，安裝導軌化，短分斷能力從現有的4kA、6kA提高到10～15kA。在功能方面還有分勵、欠壓、過電壓、斷相、聲光報警、防竊電等附屬裝置（模塊化）。
隨著電力工業的發展和城鄉電網的改造，在城市的智能建筑、鄉村城鎮化建設、工業自動化控制等的發展，都對我國小型斷路器提出了更高的技術要求，與此同時我國的加入世貿組織也為我國小型斷路器產業帶來了新的發展的機遇，但其機遇和挑戰是并存的，所以我國低壓小型斷路器正面臨著一個發展機遇和如何適應市場經濟的挑戰，我們必須加大科研、開發力度，為市場提供高質量和高可靠性的低壓斷路器。

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