断路器基础知识..

1低压断路器基础知识河北工业大学苏秀苹教授2主要内容一、绪论二、系统对开关电器的要求三、配电线路与用电设备的保护四、低压断路器3一、绪论1、电器的定义•电器通常是指在低压配电系统和控制系统中起开关、控制、保护、检测、显示和报警等作用的元件或装置。2、低压电器等级划分•我国：交流1000V直流1500V•IEC：1000V以下43、用途•低压电器品种繁多，用途也极其广泛，无论是工矿企业、农林牧副渔和交通运输业，还是国防军事设施方面都需要应用各种低压电器。举例来说，一个年产30万吨合成氨的工厂，所使用的低压电器就有数百个品种规格，数千件产品，而一套1700mm连轮机的电气设备中则需要成千个品种规格，几万件到十几万件低压电器元件。由此可见，低压电器确是量大面广的产品。•典型的配电线路和控制线路如下：5典型配电线路6由此可见低压电器从应用场所提出的不同要求可以分成配电电器与控制电器两大类。•配电电器：主要用于配电系统中要求：在正常工作及在故障情况下，工作可靠，有足够的热稳定与动稳定性。主要产品有：刀开关、断路器、熔断器及继电器。•控制电器：主要用于电力拖动控制系统和用电设备中要求：工作准确可靠、操作频率高、寿命长等。主要产品有：接触器、控制继电器、主令电器、起动器、电磁铁等。7配电电器是指在低压配电系统（也称低压电网）或动力装置中，用来进行电能分配、接通和分断电路及对配电系统进行保护的电器。配电电器主要有：●低压开关、隔离器、隔离开关及熔断器组合电器●低压熔断器●低压断路器8二、系统对开关电器的要求1、配电电器的通断能力（1）分断能力低压配电线路最严重的故障就是短路，发生短路时，线路上承担分断短路电流任务的配电电器应能切断短路电流。开关电器的触头在分断电路时，在触头之间不可避免地要产生电弧。在电弧的高温作用下会使触头烧损或烧毁电器的其他部件或发生相间短路，甚至会引起电器的爆炸而发生火灾。因此，要求电器能可靠9而迅速地熄灭电弧，要有足够的分断能力，以保证电器能可靠地分断电路。（2）接通能力开关电器在使用时，可能碰到在故障下合闸的情况，因此要求能接通故障下的短路电流。开关电器的触头在接通电路时，由于闭合过程中动、静触头之间发生碰撞，会造成触头的机械振动。机械振动使触头间产生短弧，在电弧高温作用下使触头金属表面熔化，在各种因素影响下金属蒸发和喷10溅，加速了触头的电磨损。在此情况下，触头再重新闭合时，可能导致触头熔焊，甚至会造成严重事故。因此，要求电器必须有足够的接通能力，以保证电器能可靠地接通电路。2、电器的动热稳定性从线路发生短路故障到相应的自动配电电器切断线路，非自动配电电器要受到短路电流的作用，所以对这些电器提出了动稳定性和热稳定性的要求。（1）动稳定性11电器的动稳定性是指电器承受短路(冲击)电流的电动力作用而不致损坏的能力。（2）热稳定性电器的热稳定性是指电器承受规定时间内短路电流产生的热效应而不致损坏的能力。12三、配电线路与用电设备的保护低压配电线路和用电设备发生各种故障时，为避免线路、设备和人身造成损伤，要求保护电器应起保护作用，及时切除故障电路。保护性能的要求主要有：●过电流保护●欠压与失压保护●断相保护●漏电保护在低压配电系统中应用的保护电器有：13低压断路器，熔断器及各种保护继电器。1、过电流保护过载、短路都属于过电流，是最常见的故障。过电流保护特性是指保护电器动作时间t与通过它的电流I的函数关系，即t=f(I)，动作时间是指从过载或短路开始到切除故障所需的时间。过电流也可以用通过电流I与保护元件额定电流In的倍数表示，即t=f(I/In)。14（1）过载保护电器其保护特性应与被保护设备的过载热特性有良好的配合。15电动机过载电流大小与允许工作时间的关系称为电动机的过载特性。保护电器的保护特性尽量接近并略低于电动机的过载特性（反时限），I0为保护电器动作的最小电流，称为临界动作电流。（2）短路保护电器应具有选择性保护的特性。所谓选择性保护是指电路中多级保护电器之间的协调分工，当线路发生短路及过载等故障时，只选择线路中必须停电的部分加以切除，16即应使最靠近故障点的保护电器动作，以缩小停电范围和最大限度地保持线路其它部分的正常供电。要达到选择性保护，不但要使上下级保护电器的动作电流满足分级要求，并且动作时间也要满足分级要求。这样，上一级保护电器还能起下一级保护电器的后备保护作用。断路器具有多种保护性能，以达到选择性保护的要求。17a)反时限与瞬时；b)反时限与短延时；c)反时限、短延时与瞬时。18图1－1线路中，断路器ZK1、ZK2及熔断器RD三者之间配合如图。192、欠压与失压保护低压配电线路运行时，由于短路故障、大电动机起动等原因，会出现短时线路电压大幅度下降甚至消失的现象，会给线路、设备带来损伤，给生产带来损失。因为：●电压降低到某一程度时，线路上正常运转的设备，如电动机就会疲倒（带不动负载）、堵转（转子堵住不转），使大批电动机同时出现几倍的过电流，故障迅速扩大，造成损失；20●已停转的电动机在来电时会同时自起动，大批电动机自起动，导致线路电压重新大幅度下降。另外，有些生产工艺要求，以及为了操作人员安全，不允许自起动。（1）欠压保护引起电动机疲倒时的电源电压称为临界电压Ulj。当线路电压降低到Ulj时，要求保护电器动作的叫做欠压保护。211－额定电压UN时的机械特性2－电压降低时的机械特性3－临界电压Ulj时的机械特性4－负载的机械特性22K点是临界电压下的最大转矩，它与阻转矩平衡，电压稍减小，电动机即疲倒、堵转。因此，在K点欠压保护电器应动作，使电动机脱离电源。（2）失压保护当线路电压低于或甚低于Ulj时，保护电器才动作的叫做失压保护。失压保护主要用于防止电动机的自起动。3、断相保护感应电动机在运转中发生一相断线，若23负载不变，由于电动机转矩减小，因而转差率S增大，依靠绕组中电流增加来维持负载。其次，断相运行时，电动机定、转子铜损增加很多，铁损也增加，引起电机定、转子温升剧增，以致烧毁电动机。这种情况也称单相运行。当电动机断相运行时，要求保护电器动作，这种保护就称为断相保护。断相保护有多种方案，其中也可采用热继电器。如果用热继电器作为断相保护。（1）Ү形联接24正常运转时IΦ=IX。当A相断线时，如果电动机中性点不接地，有IA=0IB=IC=1.73IΦ(相电流比正常时增大了1.73倍)。接在线路中的热继电器直接反映各相绕组的电流值，所以用一般的三极热继电器就可以对电动机进行断相保护。（2）∆形联接当A相断线时，有IA=0325ICA=IAB=1/3IXICB=2/3IX流过跨接于全电压下的一相绕组的相电流26与线电流的比值较正常运转时增大了1.15倍。接在线路中的热继电器不能正确反映绕组电流变化，考虑到上述情况，电动机过载保护用的热继电器兼作断相保护时，常附加专门的结构组件（差动导板）。4、漏电保护电气设备绝缘损坏而引起的漏电现象，不但会酿成火灾，而且容易导致人身触电。400V以下的低压电网有中性点接地和中性点不接地两种系统。（1）电源变压器低压侧中性点不接地27触电回路见图a)，电动机因绝缘损坏而使一相碰壳，人触及电机外壳时，触电电流经大地和线路的对地分布电容构成回路。28（2）电源变压器低压侧中性点接地触电回路见图b)，人触及带电的电动机外壳时，由于电网中性点接地阻抗很小，所以触电电压几乎等于电源的相电压。为保证安全用电，当线路发生漏电或触电事故时，要求保护电器动作，这种保护就称为漏电保护。29四、低压断路器低压断路器在电路发生过载、短路及欠电压等故障时，能自动分断电路，起保护作用；在正常条件下，也可不频繁地接通与分断电路。剩余电流动作断路器兼有漏电保护功能。优点：分断能力高，具有多种保护，保护特性完善，品种较多可适用于各种保护，动作值可调整，动作后不需要更换零部件。缺点：结构复杂，价格较高。30•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、短路和欠电压等不正常情况的危害。同时也可用于不频繁地起动电动机及操作或转换电路。智能型低压断路器和可通信低压断路器更适用于自动化变电站及现代电网的集中控制。311.组成■执行通断电路的部件—触头和灭弧系统（包括分断弹簧）。■感测电路的不正常状态，并作出反应即保护性动作的部件—各种脱扣器（主要有过电流、失压和分励脱扣器）。■联系以上两种部件的中间传递部件—开关机构（分合闸操作机构和自由脱扣机构）。■把以上各部分连结在一起的金属框架和塑料外壳。322.工作原理1－分断弹簧2－主触头3－传动杆4－锁扣5－过电流脱扣器6－欠压或失压脱扣器7－分励脱扣器33■过电流脱扣器串联于主电路，主电路电流正常时，衔铁是释放的。当主电路电流超过一定值时，衔铁吸合，顶杆向上将锁扣顶开，分断弹簧使触头分断。■失压脱扣器并联于主电路，电路电压正常时，衔铁是吸合的。当主电路出现失电压时，衔铁释放，顶杆向上将锁扣顶开，使触头断开。■分励脱扣器是由控制电源供电，正常工作时，其线圈是断电的。可根据操作人员的命令或其他信号使线圈通电，其铁心向上将锁扣顶开，使断路器分断。34热磁式断路器的结构35智能型断路器结构原理图363、低压断路器的分类低压断路器的分类非常复杂，有多种分类法：（1）按电流种类分交流、AC直流、DC（2）按灭弧介质分空气真空气体；在低压断路器极少应用。37（3）按使用类别分A类——在短路情况下，断路器无明确指明用作串联在负载侧的另一短路保护装置的选择性保护，即在短路情况下无选择性保护所需要的人为短延时。因而无短时耐受电流要求。B类——在短路情况下，断路器明确作串联在负载侧的另一短路保护装置的选择性保护，即在短路情况下，可实现选择性保护，有人为短延时（可调节）。因此，有短时耐受电流要求。38（4）按结构型式分万能式简称ACB，所有的零件都安装在一个绝缘的或金属的框架上，有较多的结构变化，较多种的脱扣器，较多数量的辅助触头、一般选择型断路器、快速断路器、特别是大容量断路器多设计成万能式。塑料外壳式（塑壳式）简称MCCB，所有的零部件都安装于一个绝缘外壳中。塑料外壳式断路器结构紧凑、体积小、重量轻、价格较低，并且使用较安全（指操作者接触导电部件可能性小），适于独立安装。额定电流较小的断路器多设计成塑料外壳式。39（5）按保护装置分•热式多为双金属式•电磁式有带线圈的铁芯，多用于瞬时动作的脱扣器或作后备保护。•电子式利用电子器件构成脱扣器。•智能式利用微处理器构成脱扣器，可达到各种保护特性。•可通信智能式智能脱扣器增加界面和现场总线可支持各种通信规约，达到双向通信。40（6）按动作原理分•限流型适用于交流，利用短路电流斥力效应使触头快速打开、分断。能在第一个波峰最大值尚未出现时把短路电流分断。•非限流型一般工业用，包括选择性。（7）按分断速度分•一般型动作时间在20ms以上，一般工业用•快速型动作时间在10～20ms之间，多用于直流。41（7）低压断路器按用途一般分为：•配电断路器：用于电力电路，保护电路和电器设备免受短路、过载危害的断路器，确保供电。•电动机保护用断路器：专门用于保护起动电动机的断路器•特殊用途的断路器：例如灭磁断路器。•剩余电流保护断路器：IEC60947-2附录B42•无过电流保护断路器：（CBI）IEC60947-2附录L•瞬时动作断路器：（ICB）IEC60947-2附录O无过电流保护断路器（简称CBI）和瞬时动作断路器（简称ICB）似乎区别不大。前者可以完全没有过电流（过载和短路）脱扣装置，适合作隔离器用。后者带有瞬时动作脱扣器，除作隔离器外，强调了与电动机保护装置和其他过电流保护装置配合。这种断路器的任务是作后备保护。43名称电流种类和范围保护特性主要用途配电用断路器交流200～6300A选择型（智能型）二级保护瞬时短延时电源总开关和母联开关及支路近电源端开关。真空断路器还用于特殊环境，如多尘、气体腐蚀、爆炸环境等