低压断路器选型——技术专题

低压断路器又称自动空气开关或自动空气断路器，简称断路器。它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件，已获得了广泛的应用。

低压断路器是低压电器中最重要的保护及控制元件之一，主要用于工矿企业、高层建筑、宾馆、医院、机场、码头及现代居住小区中的低压配电网中，用作保护交直流电器设备，使之免受过电流、逆电流、短路、过欠压等异常情况的危害，同时也可用于不频繁地起动电动机及操作转换电路中。智能型低压电器更适用于自动化变电站及现代电网的集中控制。

低压断路器的分类方式很多，按使用类别分，有选择型（保护装置参数可调）和非选择型（保护装置参数不可调）,按灭弧介质分，有空气式和真空式（目前国产多为空气式）。低压断路器容量范围很大，最小为4A，而最大可达5000A。低压断路器广泛应用于低压配电系统各级馈出线，各种机械设备的电源控制和用电终端的控制和保护。

低压断路器按使用类别分为A、B两类。A类为非选择性;B类为选择性 (带短延时功能)。按设计形式分为开启式(原万能式或框架式)和塑料外壳式或模压外壳式。按动作速度分为一般型和快速型(限流型断路器)，按用途可分为配 电用、电动机保护用、漏电型断路器等。每一类型都有其特点，相应其参数选择亦有不同。

低压断路器的最主要技术参数包括：

1）额定电流Ie：额定电流指的是断路器流过的规定电流。额定电流依照额定电压不同，有一系列的值，其中最大的是壳体电流。例如32A的壳体电流，其额定电流可以从10A一直到32A。

2）额定电压Ue：指断路器额定的介电能力。同样，额定电压也是一系列值，其中最大的值被称为额定绝缘电压Ui。一般的低压断路器，它的额定绝缘电压都是690V。

3）额定极限短路分断能力Icu：这个值是断路器能够分断的最大电流值，并且分断后，断路器也就“同归于尽”了。

4）额定运行短路分断能力Ics：这个值是断路器能够重复分断的电流值，并且分断后，断路器还能继续作战。

5）额定短路接通能力Icm：这个值是断路器能够接通的最大电流值。由于短路电动力与电流的平方成正比，因此它的另一“番号”叫断路器的动稳定性。

6）额定短时耐受电流Icw：这个值是断路器在1s的时间内允许通过的最大电流值，它代表了断路器抵御短路电流热冲击的能力，因此这个参数又被称为热稳定性。

但是在实际工作当中，由于断路器选型不当或标注不全往往会给设备成套、 安装及日后的正常使用带来很多问题及隐患，根据近几年来的工作经验总结，低压断路器设计选型常见问题主要存在以下两个方面：

一.低压断路器选型标注不全;

二.低压断路器设计选型考虑问题不全面，很多必要的步骤未考虑。

一.低压断路器选型标注不全

我们以一个比较有代表性的塑壳断路器(CM1)标注作为范例：CM1-1XXHP。从这个范例标注中我们可以假设该断路器壳架等 级电流为100A，额定极限分断能力为高分断型(H),带电动操作机构(P),极数为三极，脱扣方式及附件为热动-电磁(复式)脱扣并带分励脱扣，电动机 保护用，额定电流为80A，这就是这个范例给我们带来的全部信息。在我们的设计图纸中，断路器壳架等级电流、极数及额定电流的选择比较容易，一般不会有遗 漏，比较容易发生问题的是额定极限分断能力、脱扣方式及附件、配电用途的标注。

1.额定极限分断能力(ICU)：

额定极限分断能力ICU：制造厂按相应的额定工作电压规定断路器在规定的条件下应能分断的极限短路分断能力值,用预期分断电流表示(在交流情况下用交流分量有效值表示)。额定分断极限能力按样本资料分为基本型(C)、标准型(L)、较高分断型(M)、高分断型(H)；

具 体选择哪种形式主要根据短路电流计算来确定，在设计中应避免两件事：一是不标明分断能力，二是不进行短路电流计算而盲目选型。不标明断路器分断能力就是将 分断能力的选择权交给了配套厂家，而厂家通常是凭经验选型或选择低分断能力的断路器从而节省造价，这样就会造成有些断路器的分断能力达不到具体工程要求从 而造成隐患。不进行短路电流计算,就无法对分断能力的选择作出准确的判断，为保险起见设计人员通常选择较高分断型或高分断型的断路器，这样做表面上没有什 么错误，但对于一个完整的电气工程设计是有欠缺的，在一定程度上会造成工程造价不合理提高。

2.脱扣方式及附件

通常用于短路保护和过载保护的脱扣器，有以下几种：

(1)瞬时脱扣器：即没有人为延时动作的脱扣器。此种瞬时特性的过电流保护通常能无选择性地迅速切除短路故障。

(2) 三段保护特性脱扣器：具有长延时、短延时及瞬时脱扣器的过电流保护，是较完整的保护方式，瞬时脱扣器的整定值，其动作时间约为0.02秒;Izd2为短延 时脱扣器整定值，其动作时间约为0.1~0.4秒;Izd1为长延时脱扣器整定值，其动作时间可以不小于10秒钟。一般瞬时脱扣器用作短路保护;短延时脱扣器可作短路保护，也可作过载保护;长延时脱扣器只作过载保护。根据需要可以组合成二段保护(瞬时脱扣加短延时脱扣，或者瞬时脱扣加长延时脱扣)，也可有一段保护(瞬时脱扣或短延时脱扣)。

(3)复式脱扣器：断路器中的电磁脱扣器加上热脱扣器合称复式脱扣器。电磁脱扣具有瞬时特性，可保护短路。热脱扣器具有长延时特性，可保护负载，故复式脱扣器具有二段保护特性。通常的配电用途断路器都是选择热动-电磁(复式)脱扣，而在一些电动机经济型协调配合中可选用电磁脱扣和热继电器保护电动机。

断路器的附件通常有报警触头、分励脱扣器、辅助触头、欠电压脱扣器，具体选用附件需根据工程需要确定，这里强调的是分励脱扣器控制电源的选择，通常分励脱扣 器默认的的电源规格为AC230V、400V，但如果控制电源为DC24V,例如：用于消防联动;则图纸断路器标注应标明分励脱扣器脱扣电压采用 DC.24V，否则一旦订货，由于分励脱扣器电源规格与控制电源不匹配，安装时施工人员需在现场另外增加一个DC24V中间继电器并增加一路交流控制电 源，给安装造成了不必要的难度。

3.保护用途

断路器一般分为配电用及保护电动机用，设计人员经常容易忽略的是电动机保护用断路器 忘记标注，通常断路器选型默认为配电型，由于配电用断路器过电流脱扣器瞬动倍数比保护电动机用断路器低，这样一旦电动机保护用断路器选用了配电型，就有可能造成断路器的瞬时整定电流不能躲过线路的正常工作启动电流，从而造成频繁跳闸，无法正常启动电动机。

二.低压断路器设计选型考虑问题不全面

低压断路器的选择应同时满足下面各项要求：

1.保证在正常工作条件下不应切断电路。

(1)正常工作时不切断:Izd1≥Ijs;Ijs：计算电流由线路的计算电流来决定断路器的额定电流，这是低压断路器设计选型最基本的一个步骤，很多设计者在完成这一步骤后就万事大吉了，实际上还有很多问题和步骤应该在设计中予以充分考虑。

(2)用电设备启动时不切断电路(按单台或配电线路中最大一台笼型电动机直接启动):

配电用断路器的瞬时过电流脱扣器整定电流应躲过配电线路的尖峰电流。根据中国航天工业规划设计研究院等编《工业与民用配电设计手册》(第三版)：P116-(11-6)公式：

即Izd3≥1.2[IqM1+Ijs(n-1)]

式 中Izd3为断路器的瞬时过电流脱扣器整定电流;IqM1为线路中最大一台电动机的全启动电流(A)，其值可取电动机启动电流的2倍;Ijs(n-1)为 除启动电流最大的一台电动机以外的线路计算电流(A)。根据《通用用电设备配电设计规范》GB50055-93,2.4.4条第3款规定:瞬动过电流脱扣 器或过电流继电器瞬动元件的整定电流，应取电动机启动电流的2~2.5倍。

2.发生接地故障时应保证在规定时间内切断。

根据《低压配电设计规范》GB50054-95，4.2.3条规定，当保护电器为符合JB1284-1985《低压断路器》的低压断路器时，短路电流不应小于低压断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍。

(1)运用瞬时脱扣器时:Id1≥1.3Izd3.

(2)带有短延时脱扣器时:Id1≥1.3Izd2.

(3)当带有零序保护时:Id1≥1.3Izd0(一般用于主干线).

式中:Id1为单相接地故障电流，Izd0为断路器零序保护整定电流.

(4)当采用剩余电流保护时:Id1≥1.3IzdG(一般用于主干线).

式中IzdG为断路器剩余电流保护整定电流.

由于单相接地短路电流较小，断路器的瞬时脱扣器一般较难满足要求，可用其长延时脱扣器作后备保护，必要时可加装零序保护装置，或在中性线上加装电流互感器-电流继电器，或采用漏电继电器等方法以分断断路器。

3.保护电器应保证在导体达到过载温度前切断。

(1)过负载保护:根据《低压配电设计规范》GB50054-95，4.3.4条规定，过负载保护电器的动作特性应满足下列条件：

Ijs≤Izd1≤Iz.式中Iz为电缆或导体载流量.

(2)短路热稳定校验:

a.根据《低压配电设计规范》GB50054-95，4.2.2条第1款规定，当短路持续时间不大于5s时,绝缘导体的热稳定应按下式校验：

S≥I√t/K;式中：S为绝缘导体的线芯截面，mm2;A为短路电流有效值，均方根值A;t在已达到最高持续工作温度的导体内短路电流持续作用的时间，秒;K为不同绝缘的计算系数。

b.根据《低压配电设计规范》GB50054-95，4.2.2条第3规定，短路持续时间小于0.1S时，应计入短路电流非周期分量的影响;本规范“条文”解释：按下式效验：(K.S)2≥I.2t。

4.按线路的最大短路电流来校验低压断路器的短路分断能力。

本条的核心是短路电流的计算，由于很多工程设计周期过短或外部条件不明确，设计人员往往来不及进行详细的短路电流计算而凭经验确定断路器短路分断能力或不分 地点场合盲目选择高分断能力的断路器，这些都会影响电气工程的设计质量并造成工程造价不合理提高。尤其是大量工程施工方不按设计图纸选定断路器订货，设计 人员在验收时如果不仔细核对或者对各配电区域短路电流没有一个基本概念，就很容易出现问题，让不合格的断路器投入运行从而造成隐患。

5.保护电器上下级之间应有选择性动作。

根据《低压配电设计规范》GB50054-95，4.1.2条规定，“配电线路采用的上下级保护电器，其动作应具有选择性;各级之间应能协调配和。但对于非 重要负荷的保护电器，可采用无选择性切断”。按本规范“条文”解释，以往由于我国保护电器的性能较差，在低压配电系统中要做到选择性保护是有困难的。目前低压电器发展较快，熔断器、断路器的更新换代产品的特性已有很大的改善。例如按新标准生产的熔断器(NT型等)选择比为1：16，具有三段保护的断路器也 能大量生产，目前配电系统要做到选择性已具有一定条件。但是考虑到低压配电系统量大面广，低压配电系统要做到完善的选择性还有困难。结合我国国情，低压配 电系统只要部分满足保护选择性就可以了。即保证重要负荷不间断供电，对于非重要负荷允许无选择性切断。

长期以来，设计人员习惯了对配电系统 的保护选择性问题不作深究，断路器选择性保护对设计者来说一直是一个没有很好解决的难题，在一些工程回访中，故障点发生短路越级跳闸的现象屡有发生，但变 压器主进线断路器越级跳闸是应该绝对避免的。从一些断路器选择性保护的技术资料及文献来看，设计者应着眼于以下几个方面。

(1)上级不宜选用非选择型断路器，因这种情况属无选择性。特别是首端应有选择性动作。

(2)上下级的选择性配合，应用上下级断路器的特性曲线配合选择比较准确，只要上下级断路器特性曲线不相交即可，当无断路器特性资料时，可以用上下级的可靠系数选用。根据中国航天工业规划设计研究院等编《工业与民用配电设计手册》-P650公式(11-21)，

上级用选择型断路器(一般用于主干线)应按以下要求整定：

a.Izd2(上)≥1.2Izd3(下)或Izd2(上)≥1.2Izd2(下)

b.当带有短延时脱扣器时,Izd3不宜太小，一般为：

Izd3=(12~15)Izd1.

(3)优先保证变压器主进线断路器的选择性保护并兼顾配电柜出线断路器的选择性保护。主进线断路器与各馈出线的保护电器都装在低压配电屏内,距离不 过几米,在此范围内发生短路和接地故障的概率很小,如经计算主进线断路器瞬动电流小于下级开关的短路电流，可采取主保护不设瞬动脱扣器而只设长延时及短延 时整定电流，以避免故障时主断路器无选择性动作。并保证断路器长(短)延时整定电流大于下级断路器长(短)延时整定电流的1.2倍，短延时整定电流大于下 级断路器瞬时整定电流的1.2倍。

(4)对于非选择型断路器，一般用于二级及三级配电出线回路中，比较可靠的选择方法是通过一些厂家的保护 选择性配合表或通过上下级断路器的特性曲线配合选择来实现，但这也有很多局限性，只有少数合资厂家提供了断路器选择性配合表，除选择型断路器外，大多数厂 家都未提供断路器保护选择性的配合数据，从目前断路器发展的技术及工艺水平看非选择型断路器的选择性配合保护还不能完全实现。

三.低压断路器选择程序

1.根据计算电流Ijs初步选择Izd1。

2.根据用电设备启动条件校验短路器，确定Izd1及Izd3。

3.按过负载条件选择导线截面。

4.按短路保护要求校验导体热稳定。

5.计算保护电器处三相短路电流和所保护线路末端的接地故障电流Id。

6.校验接地故障时，保护低压断路器动作的灵敏性。

7.校验低压断路器的分断能力。

8.分析上下级低压断路器选择性要求。

9.以上各步骤，如达不到规定要求，应调整参数或采取其它措施。

低压断路器的选型是一项比较繁琐的工作，本文所列举的例子虽然涵盖了断路器选型的一些基本要素，但限于篇幅还有很多内容没有深入讨论，需要我们在今后的设计工作中不断的研究和细化。

知识延伸：低压断路器的结构分析
断路器结构主要由如下四部分组成：
1、传感原件

传感元件又称感受元件（如过电流脱扣器，欠电压脱扣器，分励脱扣器等），能感受到电路中的异常情况和操作人员的命令，或其他继电保护系统的信号，通过传递元件使执行元件动作。传感元件有许多类型，其动作原理不同。

（1）热双金属脱扣器

热双金属脱扣器是一种反时限保护特性的脱扣器，主要感受过载电流的大小，利用该电流通过热双金属片使得双金属片弯曲而动作。通过热双金属片的电流越大，它的弯曲变形越快越大，脱扣器的动作时间越短。

（2）电磁式脱扣器

电磁式脱扣器由电流线圈、铁芯、衔铁和反力弹簧构成。当过电流通过电流线圈时，衔铁上产生的电磁力足以克服反力弹簧的弹簧力而吸向铁芯，产生瞬时动作。改变弹簧力的大小可以改变动作电流值，多用于大短路电流的保护，如果采用阻尼装置（油阻尼器或钟表延时机构）配合，亦可得到延时动作。

分励脱扣器也是一种电磁式脱扣器，它由电压线圈、铁芯、衔铁和反力弹簧构成，由控制电源供电。它可以按照操作人员的命令或继电保护信号使得分励脱扣器动作，从而使断路器断开。一台断路器可以安装一个或两个分励脱扣器，以满足控制的需要。

欠压脱扣器也是一种电磁式脱扣器，可感受电源电压的变化。当电源电压正常（额定电压）时，衔铁处于吸合状态。当电源电压降到某一数值时（通常为额定电压的35%至75%），欠电压脱扣器的衔铁吸合力不足，在反力弹簧的作用下，衔铁被释放从而使断路器分断。

（3）电子式脱扣器

电子式脱扣器由传感器、电子电路和脱扣执行机构组成。电子式脱扣器可方便地获得长延时、短延时、瞬时保护特性和接地保护等，具有明显的优势，同时发展迅速。

电子式脱扣器的传感器为电流互感器，装在断路器的主电路中，经过适当的电流比反映主电流的变化。互感器有两种形式，其一为带铁芯速饱和互感器，它的二次输出可作为电子电路的工作电源，其低电流区域线性度较好，也可用作采集电流信号的变化。其二为无铁芯的空心互感器，线性度好，主要作为信号采集。为了提高脱扣器的可靠性和精确度，可同时采用两种互感器来组成采样电路，现代智能型断路器就采用这种方式。

电子式脱扣器的脱扣执行机构，可用分励脱扣器、欠压脱扣器或磁通变换器来组成。采用分励脱扣器的工作原理：电子电路的最终触发信号送至分励脱扣器，使分励脱扣器吸合，从而使断路器分断。同样采用欠压脱扣器的是电子电路的最终触发信号送至欠压脱扣器，将欠压脱扣器短接，使欠压脱扣器动作从而分断断路器。这两种方式的优点是结构简单，通用性强；缺点是电子电路要提供较大的功率，且动作速度较慢，在老产品中较多采用。在新型智能断路器中，则采用磁通变换器做脱扣执行机构，其消耗功率小，动作速度快，体积重量也小，工作可靠。

所谓磁通变换器，是一种类似于极化继电器工作原理的电磁系统。当断路器处于正常合闸位置时，磁通变换器的铁芯被永久磁钢的吸力吸住。当出现过电流时，通过传感器至微处理器处理过的信号使线圈有电流流过，提供一个反向磁通，抵消了永久磁钢的吸力，铁芯在反作用弹簧作用下弹出，推动机构的脱扣从而分断断路器。由于造成反向磁通的电流极小，因而脱扣所需功率很小。

2、脱扣执行原件

脱扣执行元件包括主触头和灭弧室，辅助触头也是一种执行元件。触头执行接通和分断电路的任务，灭弧室配合触头动作，帮助熄灭触头分断时产生的电弧。触头系统有很多种类型，如单断点触头、双断点触头（桥式触头、旋转触头）、单片触头、并联触头，以及对接触头和插入式触头，具体情况具体分析。灭弧室有栅片式和窄缝式等。交流断路器多用栅片式，直流断路器多用窄缝式。

3、传递原件

承担力的传递和变换的部件，包括传动机构、自由脱扣机构、主轴、牵引杆等。传动机构将人力或电力转换为合闸力，使断路器合闸。主轴将三相或三相加N相触头一道闭合或分断。自由脱扣机构是低压断路器的一种特有性能，将传动机构和触头系统之间的联系变为柔性联系。当自由脱扣机构再扣时，传动机构特别是手动传动机构能直接带动触头系统闭合；当自由脱扣机构脱扣时，则解脱了传动机构与触头系统之间的联系，这时传动机构不能带动触头系统闭合。

4、其它附件

构成一台完整的断路器，还可有许多附件，比如辅助触头、二次接线端子、OK指示、隔板等以供用户选择。

塑壳断路器和框架断路器有什么本质的区别？

断路器可用来分配电能，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。目前，已获得了广泛的应用。断路器按其使用范围分为高压断路器，和低压断路器，高低压界线划分比较模糊，一般将3kV以上的称为高压电器。配电系统包括变压器和各种高低压电器设备，低压断路器则是一种使用量大面广的电器。

框架断路器分段能力高且功能完善

塑壳断路器采用塑料化结构，特点是将断路器外壳、框架采用塑料压制而成，将触头、灭弧系统都放在绝缘小室中，防止相间短路，确保电弧向上喷出，保证触头系统可靠分断。而框架断路器采用模块化结构，分为框架、触头灭弧系统、手动操作机构、电动操作机构、智能型控制器以及抽屉座等部分。每个部分都成为一个完整独立的部件，组装时只需1-2个螺钉即可将其固定，拆装十分方便有利于检修维护。

塑壳断路器产品种类繁多，其特点是结构紧凑，操作容易，功能比较简单，一般配置过流脱扣器和瞬时脱扣器，框架断路器则功能完善，特别是近年来单片机技术的应用，框架断路器向着高性能、易维护、网络化的方向发展。

在额定电流上，塑壳断路器一般为630A(一些新产品可达到1600A)以下，而框架断路器的额定电流要大很多，一般为630A-6300A(比如我们公司生产的DW15,DW16和DW17系列框架断路器都达到了这个标准)。另外在分段能力上，框架断路器要比塑壳断路器高。

在实际应用中，800A以上的回路或分段能力要求特别高的回路或需要功能较多的回路应该采用框架断路器，630A以下的回路，一般使用塑壳断路器。


塑壳断路器适用于做支路保护开关

框架断路器的所有零件都装在一个绝缘的金属框架内，常为开启式，可装设多种附件，更换触头和部件较为方便，多用在电源端总开关。过电流脱扣器有电磁式，电子式和智能式脱扣器等几种。断路器具有长延时、短延时、瞬时及接地故障四段保护，每种保护整定值均根据其壳架等级在一定范围内调整。手动及电动操作均有，随着微电子技术的发展，目前部分智能型断路器具有区域选择连锁功能，充分保证了动作的灵敏性和选择性。

塑壳断路器是接地线端子外触头、灭弧室、脱扣器和操作机构等都装在一个塑料外壳内，一般不考虑维修，适用于作支路的保护开关，过电流脱扣器有电磁式和电子式两种，一般电磁式塑壳断路器为非选择性断路器，仅有长延时及瞬时两种保护方式，电子式塑壳断路器有长延时、短延时、瞬时和接地故障四种保护功能。部分电子式塑壳断路器新推出的产品还带有区域选择性连锁功能。大多数塑壳断路器为手动操作，也有部分带电动机操作。

框架断路器多作为配电系统的主开关

框架断路器一般也被称作开启式断路器或者万能式断路器，有手操作，械杆操动，储能式，非储能式以及电动式等操作形式。按安装方式可分为固定式和抽屉式两种，固定式外壳采用金属材料，外型尺寸较大，防护等级较低。抽屉式则采用工程塑料外壳，结构较为紧凑，防护等级高，检修方便。按保护特性分，框架断路器可分为非选择性(A类)和选择性(B类)，B类断路器多采用电子式过电流脱扣器，具有长延时，短延时和瞬时动作保护三段保护特性。智能型框架断路器内置单片机，具有显示，报警，自检和通信功能。可与工控机组成监控系统，框架断路器的最大特点是容量大，极限分段能力高和足够的短时耐受电流，如DW17型断路器的额定电流高达5000A，额定短时耐受电流高达100KA，这使得框架断路器有很好的选择性和稳定性。

正是由于这些优秀的特点，使得框架断路器的价格较高，多用于低压配电系统的主开关，以及重要的，负载较大的主干线和大型电动机的保护。

塑壳断路器也被成为装置式断路器，所有的零件都密封于外壳中，辅助触点，欠电压脱扣器以及分励脱扣器等多采用模块化。由于结构非常紧凑，塑壳断路器基本无法检修。其多采用手动操作，大容量可选择电动分合。由于电子式过电流脱扣器的应用，塑壳断路器也可分为A类和B类两种，B类具有良好的三段保护特性，但由于价格因素，采用电磁式脱扣器的A类产品的市场占有率更高。

塑壳断路器的特点是体积小，接触防护好，安装适用方便且价格便宜。但与框架断路器相比，其容量小，短路分段能力低，选择性和耐受能路差，智能化方面也略显不足。虽然近年来，新型的塑壳断路器容量已经做到了很高，但由于结构上的不足，短时耐受能力依然无法得到大幅改善，选择塑壳断路器时必须注意这个问题。