浅析空气开关的选型与应用

浅析低压断路器的选型与应用

本文论述了低压断路器（空气开关）的选型的原则，并对低压断路器的安装、维护及应用中的需要注意的问题进行了分析。

1. 概述

低压断路器既是电路的供电开关，同时又具有短路、过载、欠压等多项保护功能，并且在分断故障电流后，不需要更换零部件，便可重新恢复供电，这些优点使得它在各种电气系统中得到越来越广泛的应用。

低压断路器是地铁列车控制系统和辅助系统中重要的保护器件，低压断路器的选型与应用是否合适，直接关系到地铁列车运行的可靠性。若低压断路器保护设定值过大，则起不到保护作用；反之，若低压断路器保护设定值过小，将会引起频繁跳闸现象。

在选择断路器时，设计师不仅需要根据被保护电路的特性，确定断路器类型、性能参数，还应当考虑断路器的安装位置、外形尺寸方面的限制条件。如何正确的选择、使用低压断路器，是系统开发、设计人员必须关注和解决的实际问题。

2，低压断路器的基本知识

2.1，低压断路器的结构和工作原理

低压断路器由操作机构、触点、保护装置(各种脱扣器)、灭弧系统等组成。

低压断路器工作原理图如下所示：

低压断路器的工作原理图

图中：1--主触点，2--自由脱扣机构，3--过电流脱扣器， 4--热脱扣器，5--欠电压脱扣器，6—分励脱扣器，7—分励脱扣按钮

低压断路器的主触点是靠手动操作或电动合闸的。主触点闭合后，自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，欠电压脱扣器的线圈和电源并联。

当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁吸合，使自由脱扣机构动作，主触点断开主电路。

当电路过载时，热脱扣器的热元件发热使双金属片上弯曲，推动自由脱扣机构动作，主触点断开主电路。

当电路欠电压时，欠电压脱扣器的衔铁释放，也使自由脱扣机构动作，主触点断开主电路。

当按下分励脱扣按钮时，分励脱扣器衔铁吸合，使自由脱扣机构动作，主触点断开主电路。

2.2，低压断路器的分类

低压断路器是按熄灭介质的不同分类的，利用空气作为灭弧介质的断路器，称之为空气断路器（空气开关）；利用惰性气体作为灭弧介质的断路器，称之为惰性气体断路器（惰性气体开关）；利用油作为灭弧介质的断路器，称之为油断路器（油开关）。

2.3，低压断路器的主要参数

⑴额定电压

断路器铭牌上的额定电压是指断路器主触头的额定电压，是保证接触器触头长期正常工作的电压值。

(2)额定电流

接触器铭牌上的额定电流是指路器主触头的额定电流，是保证接触器触头长期正常工作的电流值。

⑶脱扣电流

脱扣电流是使过电流脱扣器动作的电流设定值，当电路短路或负载严重超载，负载电流大于脱扣电流时，断路器主触头分断。

⑷过载保护电流、时间曲线

过载保护电流、时间曲线，为反时限特性曲线，过载电流越大，热脱扣器动作的时间就越短。

⑸欠电压脱扣器线圈的额定电压

欠电压脱扣器线圈的额定电压一定要等于线路额定电压。

⑹分励脱扣器线圈的额定电压

分励脱扣器线圈的额定电压一定要等于控制控制电源电压。

⑺额定极限短路分断能力Icu

断路器的分断能力指标有两种：额定极限短路分断能力Icu和额定运行短路分断能力Ics。 额定极限短路分断能力Icu，是断路器分断能力极限参数，分断几次短路故障后，断路器分断能力将有所下降。

额定运行短路分断能力Ics，是是断路器的一种分断指标，即分断几次短路故障后，还能保证其正常工作。

对塑壳式断路器而言， Ics只要大于25%Icu就算合格，目前市场上断路器的Ics大多数在(50％—75%)Icu之间。

⑻限流分断能力

限流分断能力是指电路发生短路时，断路器跳闸时限制故障电流的能力。电路发生短路时，断路器触头快速打开，产生电弧，相当于在线路中串入1个迅速增加的电弧电阻，从而限制了故障电流的增加，降低了短路电流的电磁效应、电动效应和热效应对断路器和用电设备的不良影响，延长断路器的使用寿命。断路器断开时间越短，限流效果就越好，Ics就越接近Icu。

⑼微型断路器的脱扣特性

断路器脱扣特性分为A、B、C、D、K等几种，各自的含义如下：

A型脱扣特性：脱扣电流为（2～3）In，适用于保护半导体电子线路，带小功率电源变压器的测量线路，或线路长且短路电流小的系统；

B型脱扣特性：脱扣电流为（3～5）In，适用于住户配电系统，家用电器的保护和人身安全保护；

C型脱扣特性：脱扣电流为（5～10）In，适用于保护配电线路以及具有较高接通电流的照明线路和电动机回路；

D型脱扣特性：脱扣电流为（10～20）In，适用于保护具有很高冲击电流的设备，如变压器、电磁阀等；

K型脱扣特性：具备1.2倍热脱扣动作电流和8～14倍磁脱扣动作范围，适用于保护电动机线路设备，有较高的抗冲击电流能力。

2.4，低压断路器的主要功能

⑴短路保护

短路保护是指断路器跳闸。要实现可靠的短路保护，必须注意以下两点：①断路器额定运行短路分断能力Ics，要大于电路在近端发生短路是的短路电流；②断路器跳闸保护整定值，要大于负荷正常的运行电流（包括负载起动电流），小于电路在远端发生短路是的短路电流。这样，既能可靠实现短路保护，而又不会影响电路的正常工作。

⑵过载延时保护

过载延时保护是指负荷电流超过电气设备的限定范围时，断路器能按设定的延时时间切断电源，使电路和设备得到有效保护。

断路器过载延时时间的整定，要根据被控负载的性质和过载特性相匹配，既不能过长，亦不能过短。延时时间过长，设备得不到有效保护；延时时间过短，影响设备的正常运行，如：电机无法启动，白炽灯无法点亮，电容器无法充电等。

⑶漏电保护

电子式漏电保护器的工作原理是：执行电路接收零序电流互感器二次侧的感应电压信号，当漏电电流达到整定值时，驱动转换触点输出漏电保护信号，使脱扣器动作切断电源。

一般终端开关的漏电脱扣电流整定值为30mA、上一级支路开关的漏电脱扣电流整定值为300mA。漏电器可以可靠的断开接地故障，防止人身触电和相地短路故障的发生。

⑷隔离功能

隔离功能是指断路器断开后的泄漏电流不致对人身和设备产生危害，多次短路跳闸后开关性能下降，泄漏电流会增大。

对人体而言，安全漏电电流＜30mA；对电路和电器设备而言，安全漏电电流＜300mA。

泄漏电流超过300mA，泄漏持续时间达2小时以上，就可能使绝缘损坏，发生相地短路，进而引发火灾。

3，断路器的选型

3.1，断路器环境的适应性的确定

使用环境主要指：温度（最高温度与最低温度）、湿度（一般指40摄氏度下的最大相对湿度）、气压（使用高度1000米以下可不考虑）、振动和冲击、盐雾、安装位置、安装方式、安装尺寸等。

环境适应性是断路器可靠性指标之一，超过产品标准规定的环境力学条件下使用，有可能损坏继电器。实际使用中，可按接触器的实际环境条件或高一等级的环境条件确定继电器环境适应性能指标。

3.2，断路器种类的确定

⑴地铁列车的控制系统和辅助系统的电压等级不高，功率不大，安装空间有限（导轨安装），应选用微型空气断路器（空气开关）。

⑵地铁列车的控制系统中，断路器保护的对象主要有：电子设备、DC/DC电源模块、指令开关（司控器、按钮、选择开关）、指示灯、继电器、接触器、电磁阀、加热器、微型电机等。多数负载存在冲击电流，应选用具有C型脱扣曲线的微型断路器。

⑶地铁列车的辅助系统中，断路器保护的对象主要有：冷却风机、空调、空气压缩机、空调、紧急通风逆变器、照明、插座等。多数负载为交流异步电机，起动时有冲击电流，应选用具有C型脱扣曲线的微型断路器。

3.3，断路器参数的确定

3.3.1，额定电压的确定

断路器的额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压。

3.4.2，额定电流的确定

额定电流由下式确定：

IB≤In≤IZ

式中：IB--线路计算负载电流（A）

In --主触头额定电流（A）

IZ--导体允许持续载流量（A）

考虑到留有一定的裕度，一般选：In＝1.2IB~1.4IB。

断路器的额定电流既不可偏小，亦不可过大。偏小了，将引起频繁的误跳闸；偏大了，负载过载了不跳闸，失去保护作用。

3.4.3，过电流脱扣器整定电流的确定

IlmAX＜I2≤1.45 IlmAX

Ismin≥1.25 I2

式中：I2 --过电流脱扣器的整定电流（A）

IlmAX –最大负载电流（包括电机起动电流、电源模块输入电容的充电流等）

Ismin–线路最小短路电流（A）（线路远离断路器端短路）

过电流脱扣器整定电流小于线路最小短路电流（线路远离断路器端短路），保证电路中任何地方发生短路，均能使引起断路器跳闸。

过电流脱扣器其动作电流整定值可以是固定的，亦可以是可调的，调节时通常是调节电流脱扣器的杠杆。

3.4.3，分断能力的确定

Icu＞Ics＞IsmAX

式中：IsmAX –线路最大短路电流（A）（线路靠近断路器端短路）

Ics--额定运行短路分断能力（A）

Icu--额定极限短路分断能力（A）

断路器额定运行短路分断能力大于线路最大短路电流（线路靠近断路器端短路），保证电路中任何地方发生短路，均能可靠地分断电路。

电路采取分级保护时，各级断路器的过电流脱扣器整定值应匹配。

3.4.4，过载保护特性的确定

过载保护特性，要和被保护设备允许过载特性相匹配。

断路器的保护特性一定要处于被保护设备允许过载特性的下方，即在被保护对象达到损坏之前分断电路。

热脱扣器的电流--时间特性是一个反时限曲线，过载电流越大，延时分断的时间就越短。

3.4.5，欠压脱扣器额定电压的确定

欠压脱扣器额定电压等于线路额定电压。

欠电压脱扣器是一种保护性附件，当电源电压高于欠电压脱扣器额定电压的85%时，欠电压脱扣器能保证断路器正常工作；当电源电压下降到欠电压脱扣器额定电压的35%～70%时， 欠电压脱扣器能使断路器脱扣，保护电气设备免受欠电压的损坏。如：电动机负载等。

欠电压脱扣器有多种额定工作电压和频率，必须在订购时加以说明。

3.4.6，分励脱扣器额定电压的确定

分励脱扣器额定电压等于控制控制电源电压。

分励脱扣器是一种实现断路器的远距离分闸的附件，当分励脱扣器的外施电压为分励脱扣器额定控制电压的70%～110%时，就能可靠地分断断路器。

通常分励脱扣器用于应急状态下对断路器进行远距离分闸操作或作为漏电继电器等保护电器的执行元件。目前较多使用在配电柜开门断电保护电路中。

分励脱扣器有多种额定工作电压和频率，必须在订购时加以说明。