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作者·宾昭平 施耐德产品专家分析中心 工控产品工程师 宾昭平 在GB 14048.2-2008 低压开关设备和控制设备 第2部分：断路器标准中，低压交流断路器是指在额定电压不超过1000V，交流50Hz或60Hz的电网条件下，能够接通、承载以及分断正常电路条件下的电流，也能在所规定的非正常电路条件（例如短路）下接通、承载一段时间和分断电流的一种机械开关设备。短路条件下的接通能力，用额定短路接通能力Icm表示，考核的是断路器在接通预期短路电路瞬间承受短路峰值电流产生的电动力的能力。短路条件下承载一段时间电流的能力，用额定短时耐受电流Icw和耐受时间tcw表示，考核的是断路器触头处于闭合位置时，耐受一定时间（通常1s）内短路电流所产生的热效应I2t和电动力效应。短路条件下分断电流的能力，用额定极限短路分断能力Icu和额定运行短路分断能力Ics表示，后者要求分断Ics级别的短路电流之后还能继续承载额定电流，而前者分断Icu级别的短路电流之后，不要求其继续使用。低压断路器按结构型式分为框架断路器ACB，塑壳断路器MCCB，微型断路器MCB。按保护对象不同分为配电断路器和电动机保护断路器，前者的保护对象主要是电线电缆，后者的保护对象主要是电动机。 本文主要结合施耐德断路器产品，从电动机保护断路器的类型及特点、鼠笼式异步电动机的起动特性、如何理解电动机保护断路器脱扣曲线以及如何选择电动机保护断路器等几个方面来解读，为断路器选型和保护整定提供参考。 一、电动机保护断路器的类型及特点 电动机保护断路器有两大类：第一类，兼具过载保护和短路保护功能（图-1），脱扣器类型为热磁式和电子式，例如常见的施耐德GV2ME/GV2P和GV3P为热磁式电动机保护断路器，ME代表按钮式，P代表旋钮式。NSX100-630 Micrologic 2.3/6.3-M为电子式电动机保护断路器，后缀M代表电动机。第二类，只具有短路保护功能（图-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为只有瞬动保护的电子式电动机保护断路器，MA和L代表只具有磁保护，短路保护元器件为磁脱扣线圈，所以也称单磁电动机保护断路器。由于只具有短路保护功能，所以常需要与热继电器配合使用，后者为电动机提供过载保护。  电动机保护断路器有两大特点：第一个特点，除了遵循GB 14048.2-2008低压断路器标准以外，具有过载保护功能的电动机断路器的反时限断开特性必须满足GB 14048.4-2010接触器和电动机起动器（含电动机保护器）标准中的要求（表1），即约定不脱扣电流和约定约定脱扣电流对应的时间，还需要满足过载继电器的脱扣级别要求（表2）。脱扣级别是指过载继电器或过载脱扣器在7.2In电流下对应的最大脱扣时间，分为10A、10、20、30、40级，数字越大代表脱扣时间越长，10/10A适用于空载或轻载起动，20/30/40适用于重载起动。7.2In为过载脱扣器或热继电器的可返回特性电流，目的是为了在起动过程中躲过电动机的起动电流（4~8.4）In，避免过载保护误动作。 从上述分析可知，具有过载保护功能的电动机保护型断路器，其反时限脱扣特性与热继电器一致。  而配电断路器过载保护曲线遵循的是GB 14048.2-2008 低压断路器标准中反时限断开特性，对比表1和表3，可以看出两种断路器约定不脱扣电流和脱扣电流的整定电流倍数和验证程序不一样。表3中的返回特性电流3.0In是考虑到配电线路中有电动机群，由于电动机仅是其负荷的一部分，且多台电动机不会同时起动，故确定为3.0In。对断路器进行返回性特性试验的目的是为了躲过电动机的起动电流，兼顾线路（电线、电缆）在3.0In时允许承受的时间。  电动机保护型断路器的第二个特点是磁保护或瞬时保护整定值相对配电型断路器高，一般12~15In（误差±20%）甚至更高，目的是为了躲过电动机起动时在第一个半波出现的接通电流峰值，从而避免磁保护或瞬时保护误动作；而配电型断路器的瞬时保护整定电流一般为10In（误差±20%） 二、鼠笼式异步电动机的起动特性 用于电动机保护的断路器，要求其在电动机起动过程中，过载保护和瞬时保护不能误动作，正常运行后如果发生过载或短路故障时，断路器需要及时动作，所以断路器的保护特性需要与电动机的工作特性相匹配。如图-3所示左侧曲线为鼠笼式电动机起动特性曲线，其中In为电动机额定电流（有效值）；Id为电动机起动电流（有效值），通常起动电流与额定电流的比值为4~8.4；I'd为接通电流峰值（峰值），是指包括周期分量和非周期分量的全电流最大值，决定于接通瞬间的相位和起动回路电阻与电抗的比值。峰值发生在第一个半波，在第二、第三周波内急剧衰减，通常接通电流峰值不超过起动电流的2倍，个别可达到2.3倍。右侧反时限脱扣曲线为热继电器或电动机保护断路器的过载保护曲线，垂直于X轴为断路器磁保护或瞬时保护曲线。从图上可知反时限脱扣曲线（过载保护）需保持在电动机正常运行电流和起动电流的上方，磁保护或瞬时保护整定值Irm需大于电动机接通电流峰值I'd。  三、如何理解电动机保护断路器脱扣曲线 3.1 热磁式电动机保护断路器 以热磁式GV2ME21C电动机保护断路器为例，其额定电流23A，热脱扣设定范围为17~23A，磁脱扣电流为327A±20%。图-4是用施耐德曲线软件Curve direct V3.4.1绘制的脱扣曲线图。反时限曲线初始阶段左右两条几乎平行的直线分别代表1.05Ir和1.2Ir时的电流-脱扣时间，即1.05Ir时2小时内不脱扣，1.2Ir时2小时内必须脱扣。接下来上下两条曲线代表最大脱扣时间和最小脱扣时间，例如当电流为7.2倍Ir时，断路器热保护动作的时间范围为2~7秒之间。两条垂直于X轴的直线，左边一条代表磁脱扣电流的下偏差值，即327*80%≈262A，当电流低于262时，断路器热脱扣，动作时间范围落在最大和最小脱扣时间曲线之间；右边一条代表磁脱扣电流的上偏差值，即327*120%≈392A，当电流大于392A时断路器磁脱扣，脱扣时间20ms；当故障电流介于327A的-20%与 20%之间时，断路器有可能磁脱扣动作，也有可能热脱扣动作，时间范围为20ms~1.5s之间（327A）。   3.2 电子式电动机保护断路器 以塑壳断路器NSX250N-Micrologic2.2-M为例，其额定电流为220A，长延时保护设定值Ir范围为100A~220A。脱扣等级可选择5、10、20级。短路短延时保护可用于躲过电动机接通电流峰值，电流整定范围为（5~13）Ir，电流精度±15%，延时时间不可调。非脱扣时间20ms表示当电流超过断路器短延时设定值Isd 15%时，短路短延时保护不会在20ms以内动作，但最大分断时间也不会超过60ms。短路瞬时保护设定值不可调，固定为3300/220=15倍，当电流超过短路瞬时保护设定值Ii 15%，断路器立即动作，最大分断时间不超过30ms，时间-电流曲线分析同GV2ME21C。   3.3 D型微型断路器 在GB 10963.1-2005 家用及类似场所用过电流保护断路器 第一部分 用于交流的断路器标准中，微型断路器按瞬时脱扣电流范围分为B型，C型，D型，D型微断的瞬时脱扣电流范围为10In~20In（特定场合50In）。由于D型微断的瞬时脱扣电流门槛值比较高，可以躲过电动机起动瞬间的接通电流峰值，所以在终端配电系统常被用于保护电动机，但由于其过载保护曲线是以保护电线电缆为目的按照标准GB 10963.1（表4）而不是按照GB14048.4验证的，所以不能为电动机提供有效的过载保护。以施耐德C60-40 D型微断为例，标准GB10963.1要求电流在1.13In时断路器2小时内不脱扣，1.45In时断路器在2小时内脱扣，相对于GB14048.4中1.0In（2小时不脱扣）和1.2In（2小时内脱扣），微断在电动机出现过载时切断故障电流的时间过长，这样会导致电机温升加剧，损坏绝缘。其次当电流为1.5In时微断的动作时间为40~500s之间，而GB14048.4要求1.5In情况下过载继电器的动作时间为2min（10A级）和4min（10级），微断的动作时间偏长；此外在7.2In电流下微断的动作时间范围在1.2~4.8s之间，对于电动机起动时间不长的场合微断不会误动作，但对于过载保护脱扣级别要求为10级（4＜Tp≤10）的场合，电动机起动过程中微断的热保护可能误动作。垂直于X轴的两条直线分别代表磁脱扣电流下限值和上限值，电流为10In时标准要求脱扣时间大于100ms，电流为14In时标准要求脱扣时间小于100ms，电流介于10In~14In之间时，微断有可能热脱扣动作有可能磁脱扣动作。对于C60-40 D型微断，电流大于等于640A（14In）之后，脱扣时间为20ms，电流等于400A（10In）时，脱扣时间范围为0.6~3s之间，电流介于400A~640A之间时，有可能磁保护脱扣（20ms），也有可能热保护脱扣（最大3s）。   四、如何选择合适的电动机保护断路器 《工业与民用配电设计手册》第四版 第12.1.5.3节 关于电动机低压断路器的选择中阐述如下： 1）当采用断路器作为短路保护时，电动机主回路应采用电动机保护用低压断路器。其瞬时过电流脱扣器的动作电流与长延时脱扣器动作电流之比（以下简称瞬时过电流倍数）宜为14倍左右或10~20倍可调。 2）仅用作短路保护时，即在另外装过载保护电器的常见情况下，宜采用只带瞬动脱扣器的低压断路器，或把长延时脱扣器作为后备过电流保护。 3）兼做电动机过载保护时，即在没有其他过载保护电器的情况下，低压断路器应装有瞬动脱扣器和长延时脱扣器，且必须为电动机保护型。 过电流脱扣的整定电流如下： 4）瞬时脱扣器的整定电流应为电动机起动电流的2~2.5倍，本节取2.2倍； 5）长延时脱扣器用作电动机过载保护时，其整定电流应接近但不小于电动机的额定电流，且在7.2倍整定电流下的动作时间应大于电动机起动时间。 以施耐德断路器为例，前面提到的只具有短路保护功能的NSX400-630 Micrologic 1.3、NSX100/250 MA和NS80H以及GV2L/GV3L都可以满足第1）和第2）项，由于只具有短路保护功能，所以需要另外安装热继电器作为电动机的过载保护元器件。兼具短路保护和过载保护功能的热磁式GV2ME/GV2P/GV3P和电子式NSX100-630 Micrologic 1.3/2.3/6.3-M都可以满足第1）和第3）项。 试举一列，如下图所示低压配电系统，10/0.4kV配电变压器容量Sn为1250kVA, 阻抗电压百分比Uk为4%，负载侧有1台额定电压380V的YX3系列鼠笼式异步电动机，功率Pm为15kW，效率η为95%，功率因数cosφ为0.85，电动机直接起动，电动机离变压器距离很近忽略电缆对短路电流的影响，为该电动机选择合适的断路器。 第1步 估算预期短路电流 第2步 计算电动机额定电流（有效值） 第3步 查询电动机资料，YX3系列电动机的起动电流为（有效值） 第4步 估算电动机接通电流峰值（峰值） 第5步 选择电动机保护断路器 a)选择具有过载和短路保护功能的热磁式电动机断路器GV2ME32C，其短路分断能力为100kA(增加限流模块GV1L3) 大于Ik，热脱扣整定范围24~32A，磁脱扣电流416±20%，最小脱扣电流值332A大于电动机的接通电流317A(有效值)。 b)选择具有过载和短路保护功能的电子式电动机保护断路器NSX100N-Micrologic2.2-M，N代表短路分断能力为50kA(大于Ik)，额定电流In选择50A，长延时保护Ir整定范围为25~50A，选择最接近电动机额定电流28A的一档30A，短延时保护整定电流Isd最大为12倍Ir（360A）,延时时间20-60ms之间，瞬动保护脱扣电流设定值为Ii固定的750A（15In），都可以躲过电动机接通电流峰值。 c)选择只具有短路保护功能的NS80HMA50，H代表短路分断能力70kA(大于Ik)，MA代表磁脱扣器，50A为磁脱扣器额定电流，瞬动保护整定电流选7In（350A）,可以躲过电动机接通电流峰值。过载保护选用LRD3353热继电器，保护整定范围23~32A，可将热保护脱扣电流整定在29A，接近但不小于电动机额定电流。 总结 综上所述，电动机保护断路器可以分为只具有短路保护功能和兼具过载及短路保护功能2种类型，前者的脱扣器为电磁式或电子式，后者的脱扣器为热磁式或电子式。电动机保护断路器与配电断路器的共同点是都遵循GB14048.2 低压断路器标准，区别在于电动机保护断路器的过载保护特性需满足GB14048.4 接触器和电动机起动器标准中过载继电器脱扣级别要求，过载保护特性与热继电器一致。D型微型断路器由于其瞬时脱扣电流阈值可以躲过电动机起动电流峰值，常用于电动机短路保护，但不能提供合适的过载保护，需另外配置热继电器。电动机保护断路器在7.2倍电流下的返回时间需大于电动机起动时间，以避免起动过程长延时保护动作，其瞬时保护整定值需大于电动机接通电流峰值，以避免起动过程中短路瞬时保护误动作。 参考文献 [1] 连理枝．低压断路器及其应用[M]. 北京：中国电力出版社，2002. 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