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作者·賓昭平 施耐德產(chǎn)品專家分析中心 工控產(chǎn)品工程師 賓昭平 在GB 14048.2-2008 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：斷路器標(biāo)準(zhǔn)中，低壓交流斷路器是指在額定電壓不超過1000V,，交流50Hz或60Hz的電網(wǎng)條件下,，能夠接通、承載以及分?jǐn)嗾ｋ娐窏l件下的電流,，也能在所規(guī)定的非正常電路條件（例如短路）下接通,、承載一段時(shí)間和分?jǐn)嚯娏鞯囊环N機(jī)械開關(guān)設(shè)備。短路條件下的接通能力,，用額定短路接通能力Icm表示,，考核的是斷路器在接通預(yù)期短路電路瞬間承受短路峰值電流產(chǎn)生的電動(dòng)力的能力。短路條件下承載一段時(shí)間電流的能力,，用額定短時(shí)耐受電流Icw和耐受時(shí)間tcw表示,，考核的是斷路器觸頭處于閉合位置時(shí)，耐受一定時(shí)間（通常1s）內(nèi)短路電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)I2t和電動(dòng)力效應(yīng),。短路條件下分?jǐn)嚯娏鞯哪芰?，用額定極限短路分?jǐn)嗄芰?span>Icu和額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰?span>Ics表示，后者要求分?jǐn)?span>Ics級(jí)別的短路電流之后還能繼續(xù)承載額定電流,，而前者分?jǐn)?span>Icu級(jí)別的短路電流之后,，不要求其繼續(xù)使用。低壓斷路器按結(jié)構(gòu)型式分為框架斷路器ACB,，塑殼斷路器MCCB,，微型斷路器MCB。按保護(hù)對(duì)象不同分為配電斷路器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器,，前者的保護(hù)對(duì)象主要是電線電纜,，后者的保護(hù)對(duì)象主要是電動(dòng)機(jī)。 本文主要結(jié)合施耐德斷路器產(chǎn)品,，從電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器的類型及特點(diǎn),、鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性、如何理解電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器脫扣曲線以及如何選擇電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器等幾個(gè)方面來解讀,，為斷路器選型和保護(hù)整定提供參考,。 一、電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器的類型及特點(diǎn) 電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器有兩大類：第一類,，兼具過載保護(hù)和短路保護(hù)功能（圖-1）,，脫扣器類型為熱磁式和電子式，例如常見的施耐德GV2ME/GV2P和GV3P為熱磁式電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器,，ME代表按鈕式,，P代表旋鈕式。NSX100-630 Micrologic 2.3/6.3-M為電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器,，后綴M代表電動(dòng)機(jī),。第二類,，只具有短路保護(hù)功能（圖-2），例如施耐德NSX400-630 Micrologic 1.3,、NSX100/250 MA和NS80HMA以及GV2L/GV3L,。NSX400-630 Micrologic 1.3為只有瞬動(dòng)保護(hù)的電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器，MA和L代表只具有磁保護(hù),，短路保護(hù)元器件為磁脫扣線圈,，所以也稱單磁電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器。由于只具有短路保護(hù)功能,，所以常需要與熱繼電器配合使用,，后者為電動(dòng)機(jī)提供過載保護(hù)。  電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器有兩大特點(diǎn)：第一個(gè)特點(diǎn),，除了遵循GB 14048.2-2008低壓斷路器標(biāo)準(zhǔn)以外,，具有過載保護(hù)功能的電動(dòng)機(jī)斷路器的反時(shí)限斷開特性必須滿足GB 14048.4-2010接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器（含電動(dòng)機(jī)保護(hù)器）標(biāo)準(zhǔn)中的要求（表1），即約定不脫扣電流和約定約定脫扣電流對(duì)應(yīng)的時(shí)間,，還需要滿足過載繼電器的脫扣級(jí)別要求（表2）,。脫扣級(jí)別是指過載繼電器或過載脫扣器在7.2In電流下對(duì)應(yīng)的最大脫扣時(shí)間，分為10A,、10,、20、30,、40級(jí),，數(shù)字越大代表脫扣時(shí)間越長，10/10A適用于空載或輕載起動(dòng),，20/30/40適用于重載起動(dòng),。7.2In為過載脫扣器或熱繼電器的可返回特性電流，目的是為了在起動(dòng)過程中躲過電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流（4~8.4）In,，避免過載保護(hù)誤動(dòng)作。 從上述分析可知,，具有過載保護(hù)功能的電動(dòng)機(jī)保護(hù)型斷路器,，其反時(shí)限脫扣特性與熱繼電器一致。  而配電斷路器過載保護(hù)曲線遵循的是GB 14048.2-2008 低壓斷路器標(biāo)準(zhǔn)中反時(shí)限斷開特性,，對(duì)比表1和表3,，可以看出兩種斷路器約定不脫扣電流和脫扣電流的整定電流倍數(shù)和驗(yàn)證程序不一樣。表3中的返回特性電流3.0In是考慮到配電線路中有電動(dòng)機(jī)群,，由于電動(dòng)機(jī)僅是其負(fù)荷的一部分,，且多臺(tái)電動(dòng)機(jī)不會(huì)同時(shí)起動(dòng)，故確定為3.0In,。對(duì)斷路器進(jìn)行返回性特性試驗(yàn)的目的是為了躲過電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流,，兼顧線路（電線,、電纜）在3.0In時(shí)允許承受的時(shí)間。  電動(dòng)機(jī)保護(hù)型斷路器的第二個(gè)特點(diǎn)是磁保護(hù)或瞬時(shí)保護(hù)整定值相對(duì)配電型斷路器高,，一般12~15In（誤差±20%）甚至更高,，目的是為了躲過電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)在第一個(gè)半波出現(xiàn)的接通電流峰值，從而避免磁保護(hù)或瞬時(shí)保護(hù)誤動(dòng)作,；而配電型斷路器的瞬時(shí)保護(hù)整定電流一般為10In（誤差±20%） 二,、鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性 用于電動(dòng)機(jī)保護(hù)的斷路器，要求其在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中,，過載保護(hù)和瞬時(shí)保護(hù)不能誤動(dòng)作,，正常運(yùn)行后如果發(fā)生過載或短路故障時(shí)，斷路器需要及時(shí)動(dòng)作,，所以斷路器的保護(hù)特性需要與電動(dòng)機(jī)的工作特性相匹配,。如圖-3所示左側(cè)曲線為鼠籠式電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性曲線，其中In為電動(dòng)機(jī)額定電流（有效值）,；Id為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流（有效值）,，通常起動(dòng)電流與額定電流的比值為4~8.4；I'd為接通電流峰值（峰值）,，是指包括周期分量和非周期分量的全電流最大值,，決定于接通瞬間的相位和起動(dòng)回路電阻與電抗的比值。峰值發(fā)生在第一個(gè)半波,，在第二,、第三周波內(nèi)急劇衰減，通常接通電流峰值不超過起動(dòng)電流的2倍,，個(gè)別可達(dá)到2.3倍,。右側(cè)反時(shí)限脫扣曲線為熱繼電器或電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器的過載保護(hù)曲線，垂直于X軸為斷路器磁保護(hù)或瞬時(shí)保護(hù)曲線,。從圖上可知反時(shí)限脫扣曲線（過載保護(hù)）需保持在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行電流和起動(dòng)電流的上方,，磁保護(hù)或瞬時(shí)保護(hù)整定值Irm需大于電動(dòng)機(jī)接通電流峰值I'd。  三,、如何理解電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器脫扣曲線 3.1 熱磁式電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器 以熱磁式GV2ME21C電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器為例,，其額定電流23A，熱脫扣設(shè)定范圍為17~23A,，磁脫扣電流為327A±20%,。圖-4是用施耐德曲線軟件Curve direct V3.4.1繪制的脫扣曲線圖。反時(shí)限曲線初始階段左右兩條幾乎平行的直線分別代表1.05Ir和1.2Ir時(shí)的電流-脫扣時(shí)間,，即1.05Ir時(shí)2小時(shí)內(nèi)不脫扣,，1.2Ir時(shí)2小時(shí)內(nèi)必須脫扣。接下來上下兩條曲線代表最大脫扣時(shí)間和最小脫扣時(shí)間,，例如當(dāng)電流為7.2倍Ir時(shí),，斷路器熱保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間范圍為2~7秒之間,。兩條垂直于X軸的直線，左邊一條代表磁脫扣電流的下偏差值,，即327*80%≈262A,，當(dāng)電流低于262時(shí)，斷路器熱脫扣,，動(dòng)作時(shí)間范圍落在最大和最小脫扣時(shí)間曲線之間,；右邊一條代表磁脫扣電流的上偏差值，即327*120%≈392A,，當(dāng)電流大于392A時(shí)斷路器磁脫扣,，脫扣時(shí)間20ms；當(dāng)故障電流介于327A的-20%與 20%之間時(shí),，斷路器有可能磁脫扣動(dòng)作,，也有可能熱脫扣動(dòng)作，時(shí)間范圍為20ms~1.5s之間（327A）,。   3.2 電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器 以塑殼斷路器NSX250N-Micrologic2.2-M為例,，其額定電流為220A，長延時(shí)保護(hù)設(shè)定值Ir范圍為100A~220A,。脫扣等級(jí)可選擇5,、10、20級(jí),。短路短延時(shí)保護(hù)可用于躲過電動(dòng)機(jī)接通電流峰值,，電流整定范圍為（5~13）Ir，電流精度±15%,，延時(shí)時(shí)間不可調(diào),。非脫扣時(shí)間20ms表示當(dāng)電流超過斷路器短延時(shí)設(shè)定值Isd 15%時(shí)，短路短延時(shí)保護(hù)不會(huì)在20ms以內(nèi)動(dòng)作,，但最大分?jǐn)鄷r(shí)間也不會(huì)超過60ms,。短路瞬時(shí)保護(hù)設(shè)定值不可調(diào)，固定為3300/220=15倍,，當(dāng)電流超過短路瞬時(shí)保護(hù)設(shè)定值Ii 15%,，斷路器立即動(dòng)作，最大分?jǐn)鄷r(shí)間不超過30ms,，時(shí)間-電流曲線分析同GV2ME21C,。   3.3 D型微型斷路器 在GB 10963.1-2005 家用及類似場(chǎng)所用過電流保護(hù)斷路器 第一部分 用于交流的斷路器標(biāo)準(zhǔn)中,，微型斷路器按瞬時(shí)脫扣電流范圍分為B型,，C型，D型,，D型微斷的瞬時(shí)脫扣電流范圍為10In~20In（特定場(chǎng)合50In）,。由于D型微斷的瞬時(shí)脫扣電流門檻值比較高,，可以躲過電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間的接通電流峰值，所以在終端配電系統(tǒng)常被用于保護(hù)電動(dòng)機(jī),，但由于其過載保護(hù)曲線是以保護(hù)電線電纜為目的按照標(biāo)準(zhǔn)GB 10963.1（表4）而不是按照GB14048.4驗(yàn)證的,，所以不能為電動(dòng)機(jī)提供有效的過載保護(hù)。以施耐德C60-40 D型微斷為例,，標(biāo)準(zhǔn)GB10963.1要求電流在1.13In時(shí)斷路器2小時(shí)內(nèi)不脫扣,，1.45In時(shí)斷路器在2小時(shí)內(nèi)脫扣，相對(duì)于GB14048.4中1.0In（2小時(shí)不脫扣）和1.2In（2小時(shí)內(nèi)脫扣）,，微斷在電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過載時(shí)切斷故障電流的時(shí)間過長,，這樣會(huì)導(dǎo)致電機(jī)溫升加劇，損壞絕緣,。其次當(dāng)電流為1.5In時(shí)微斷的動(dòng)作時(shí)間為40~500s之間,，而GB14048.4要求1.5In情況下過載繼電器的動(dòng)作時(shí)間為2min（10A級(jí)）和4min（10級(jí)），微斷的動(dòng)作時(shí)間偏長,；此外在7.2In電流下微斷的動(dòng)作時(shí)間范圍在1.2~4.8s之間,，對(duì)于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間不長的場(chǎng)合微斷不會(huì)誤動(dòng)作，但對(duì)于過載保護(hù)脫扣級(jí)別要求為10級(jí)（4＜Tp≤10）的場(chǎng)合,，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中微斷的熱保護(hù)可能誤動(dòng)作,。垂直于X軸的兩條直線分別代表磁脫扣電流下限值和上限值，電流為10In時(shí)標(biāo)準(zhǔn)要求脫扣時(shí)間大于100ms,，電流為14In時(shí)標(biāo)準(zhǔn)要求脫扣時(shí)間小于100ms,，電流介于10In~14In之間時(shí)，微斷有可能熱脫扣動(dòng)作有可能磁脫扣動(dòng)作,。對(duì)于C60-40 D型微斷,，電流大于等于640A（14In）之后，脫扣時(shí)間為20ms,，電流等于400A（10In）時(shí),，脫扣時(shí)間范圍為0.6~3s之間，電流介于400A~640A之間時(shí),，有可能磁保護(hù)脫扣（20ms）,，也有可能熱保護(hù)脫扣（最大3s）。   四,、如何選擇合適的電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器 《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版 第12.1.5.3節(jié) 關(guān)于電動(dòng)機(jī)低壓斷路器的選擇中闡述如下： 1）當(dāng)采用斷路器作為短路保護(hù)時(shí),，電動(dòng)機(jī)主回路應(yīng)采用電動(dòng)機(jī)保護(hù)用低壓斷路器。其瞬時(shí)過電流脫扣器的動(dòng)作電流與長延時(shí)脫扣器動(dòng)作電流之比（以下簡稱瞬時(shí)過電流倍數(shù)）宜為14倍左右或10~20倍可調(diào),。 2）僅用作短路保護(hù)時(shí),，即在另外裝過載保護(hù)電器的常見情況下，宜采用只帶瞬動(dòng)脫扣器的低壓斷路器，或把長延時(shí)脫扣器作為后備過電流保護(hù),。 3）兼做電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)時(shí),，即在沒有其他過載保護(hù)電器的情況下，低壓斷路器應(yīng)裝有瞬動(dòng)脫扣器和長延時(shí)脫扣器,，且必須為電動(dòng)機(jī)保護(hù)型,。 過電流脫扣的整定電流如下： 4）瞬時(shí)脫扣器的整定電流應(yīng)為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的2~2.5倍，本節(jié)取2.2倍,； 5）長延時(shí)脫扣器用作電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)時(shí),，其整定電流應(yīng)接近但不小于電動(dòng)機(jī)的額定電流，且在7.2倍整定電流下的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間,。 以施耐德斷路器為例,，前面提到的只具有短路保護(hù)功能的NSX400-630 Micrologic 1.3、NSX100/250 MA和NS80H以及GV2L/GV3L都可以滿足第1）和第2）項(xiàng),，由于只具有短路保護(hù)功能,，所以需要另外安裝熱繼電器作為電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)元器件。兼具短路保護(hù)和過載保護(hù)功能的熱磁式GV2ME/GV2P/GV3P和電子式NSX100-630 Micrologic 1.3/2.3/6.3-M都可以滿足第1）和第3）項(xiàng),。 試舉一列,，如下圖所示低壓配電系統(tǒng)，10/0.4kV配電變壓器容量Sn為1250kVA, 阻抗電壓百分比Uk為4%,，負(fù)載側(cè)有1臺(tái)額定電壓380V的YX3系列鼠籠式異步電動(dòng)機(jī),，功率Pm為15kW，效率η為95%,，功率因數(shù)cosφ為0.85,，電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)，電動(dòng)機(jī)離變壓器距離很近忽略電纜對(duì)短路電流的影響,，為該電動(dòng)機(jī)選擇合適的斷路器,。 第1步 估算預(yù)期短路電流 第2步 計(jì)算電動(dòng)機(jī)額定電流（有效值） 第3步 查詢電動(dòng)機(jī)資料，YX3系列電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流為（有效值） 第4步 估算電動(dòng)機(jī)接通電流峰值（峰值） 第5步 選擇電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器 a)選擇具有過載和短路保護(hù)功能的熱磁式電動(dòng)機(jī)斷路器GV2ME32C,，其短路分?jǐn)嗄芰?00kA(增加限流模塊GV1L3) 大于Ik，熱脫扣整定范圍24~32A,，磁脫扣電流416±20%，最小脫扣電流值332A大于電動(dòng)機(jī)的接通電流317A(有效值),。 b)選擇具有過載和短路保護(hù)功能的電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器NSX100N-Micrologic2.2-M,，N代表短路分?jǐn)嗄芰?0kA(大于Ik)，額定電流In選擇50A,，長延時(shí)保護(hù)Ir整定范圍為25~50A,，選擇最接近電動(dòng)機(jī)額定電流28A的一檔30A，短延時(shí)保護(hù)整定電流Isd最大為12倍Ir（360A）,延時(shí)時(shí)間20-60ms之間,，瞬動(dòng)保護(hù)脫扣電流設(shè)定值為Ii固定的750A（15In）,，都可以躲過電動(dòng)機(jī)接通電流峰值。 c)選擇只具有短路保護(hù)功能的NS80HMA50,，H代表短路分?jǐn)嗄芰?0kA(大于Ik),，MA代表磁脫扣器，50A為磁脫扣器額定電流,，瞬動(dòng)保護(hù)整定電流選7In（350A）,可以躲過電動(dòng)機(jī)接通電流峰值,。過載保護(hù)選用LRD3353熱繼電器，保護(hù)整定范圍23~32A,，可將熱保護(hù)脫扣電流整定在29A,，接近但不小于電動(dòng)機(jī)額定電流。 總結(jié) 綜上所述,，電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器可以分為只具有短路保護(hù)功能和兼具過載及短路保護(hù)功能2種類型,，前者的脫扣器為電磁式或電子式，后者的脫扣器為熱磁式或電子式,。電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器與配電斷路器的共同點(diǎn)是都遵循GB14048.2 低壓斷路器標(biāo)準(zhǔn),，區(qū)別在于電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器的過載保護(hù)特性需滿足GB14048.4 接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)中過載繼電器脫扣級(jí)別要求，過載保護(hù)特性與熱繼電器一致,。D型微型斷路器由于其瞬時(shí)脫扣電流閾值可以躲過電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流峰值,，常用于電動(dòng)機(jī)短路保護(hù)，但不能提供合適的過載保護(hù),，需另外配置熱繼電器,。電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器在7.2倍電流下的返回時(shí)間需大于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間，以避免起動(dòng)過程長延時(shí)保護(hù)動(dòng)作,，其瞬時(shí)保護(hù)整定值需大于電動(dòng)機(jī)接通電流峰值,，以避免起動(dòng)過程中短路瞬時(shí)保護(hù)誤動(dòng)作。 參考文獻(xiàn) [1] 連理枝．低壓斷路器及其應(yīng)用[M]. 北京：中國電力出版社,，2002. [2] 連理枝．電動(dòng)機(jī)保護(hù)型斷路器的正確選用[J]. 機(jī)電工程,，2003. [3] 服部謙 塑殼式低壓斷路器的原理及應(yīng)用[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社,，1988. [4] 胡玉梅 斷路器脫扣特性曲線解析及應(yīng)用[J]. 第十三屆學(xué)術(shù)論文集. [5] 中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院總院有限公司．工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè) 第4版 [M]. 北京：中國電力出版社，2016. [6] GB 14048.2-2008 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：斷路器 [S]. 2008 [7] GB14048.4-2010 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第4-1部分_接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器（含電動(dòng)機(jī)保護(hù)器）[S]. 2010 [8] 施耐德電氣．Tesys D系列電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)與保護(hù)產(chǎn)品目錄 [M]. 2016. [9] 施耐德電氣．Compact NSX100~630產(chǎn)品目錄 [M]. 2016. [10] 施耐德電氣．Acti 9產(chǎn)品目錄 [M]. 2017. |
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