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日期：2023-05-06 17:32:17

在GB14048.2-2008低壓開關設備和控制設備第2部分：斷路器標準中，低壓交流斷路器是指在額定電壓不超過1000V，交流50HZ或60HZ的電網條件下，能夠接通、承載以及分斷正常電路條件下的電流，也能在所規定的非正常電路條件（例如短路）下接通、承載一段時間和分斷電流的一種機械開關設備。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期短路電路瞬間承受短路峰值電流產生的電動力的能力。短路條件下承載一段時間電流的能力，用額定短時耐受電流ICW和耐受時間TCW表示，考核的是斷路器觸頭處于閉合位置時，耐受一定時間（通常1S）內短路電流所產生的熱效應I2T和電動力效應。短路條件下分斷電流的能力，用額定極限短路分斷能力ICU和額定運行短路分斷能力ICS表示，后者要求分斷ICS級別的短路電流之后還能繼續承載額定電流，而前者分斷ICU級別的短路電流之后，不要求其繼續使用。低壓斷路器按結構型式分為框架斷路器ACB，塑殼斷路器MCCB，微型斷路器MCB。按保護對象不同分為配電斷路器和電動機保護斷路器，前者的保護對象主要是電線電纜，后者的保護對象主要是電動機。本文主要結合施耐德斷路器產品，從電動機保護斷路器的類型及特點、鼠籠式異步電動機的起動特性、如何理解電動機保護斷路器脫扣曲線以及如何選擇電動機保護斷路器等幾個方面來解讀，為斷路器選型和保護整定提供參考。一、電動機保護斷路器的類型及特點電動機保護斷路器有兩大類：第一類，兼具過載保護和短路保護功能（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為熱磁式電動機保護斷路器，ME代表按鈕式，P代表旋鈕式。NSX100-630MICROLOGIC2.3/6.3-M為電子式電動機保護斷路器，后綴M代表電動機。第二類，只具有短路保護功能（圖-2），例如施耐德NSX400-630MICROLOGIC1.3、NSX100/250MA和NS80HMA以及GV2L/GV3L。NSX400-630MICROLOGIC1.3為只有瞬動保護的電子式電動機保護斷路器，MA和L代表只具有磁保護，短路保護元器件為磁脫扣線圈，所以也稱單磁電動機保護斷路器。由于只具有短路保護功能，所以常需要與熱繼電器配合使用，后者為電動機提供過載保護。電動機保護斷路器有兩大特點：第一個特點，除了遵循GB14048.2-2008低壓斷路器標準以外，具有過載保護功能的電動機斷路器的反時限斷開特性必須滿足GB14048.4-2010接觸器和電動機起動器（含電動機保護器）標準中的要求（表1），即約定不脫扣電流和約定約定脫扣電流對應的時間，還需要滿足過載繼電器的脫扣級別要求（表2）。脫扣級別是指過載繼電器或過載脫扣器在7.2IN電流下對應的最大脫扣時間，分為10A、10、20、30、40級，數字越大代表脫扣時間越長，10/10A適用于空載或輕載起動，20/30/40適用于重載起動。7.2IN為過載脫扣器或熱繼電器的可返回特性電流，目的是為了在起動過程中躲過電動機的起動電流（4~8.4）IN，避免過載保護誤動作。從上述分析可知，具有過載保護功能的電動機保護型斷路器，其反時限脫扣特性與熱繼電器一致。而配電斷路器過載保護曲線遵循的是GB14048.2-2008低壓斷路器標準中反時限斷開特性，對比表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和驗證程序不一樣。表3中的返回特性電流3.0IN是考慮到配電線路中有電動機群，由于電動機僅是其負荷的一部分，且多臺電動機不會同時起動，故確定為3.0IN。對斷路器進行返回性特性試驗的目的是為了躲過電動機的起動電流，兼顧線路（電線、電纜）在3.0IN時允許承受的時間。電動機保護型斷路器的第二個特點是磁保護或瞬時保護整定值相對配電型斷路器高，一般12~15IN（誤差±20%）甚至更高，目的是為了躲過電動機起動時在第一個半波出現的接通電流峰值，從而避免磁保護或瞬時保護誤動作；而配電型斷路器的瞬時保護整定電流一般為10IN（誤差±20%）用于電動機保護的斷路器，要求其在電動機起動過程中，過載保護和瞬時保護不能誤動作，正常運行后如果發生過載或短路故障時，斷路器需要及時動作，所以斷路器的保護特性需要與電動機的工作特性相匹配。如圖-3所示左側曲線為鼠籠式電動機起動特性曲線，其中IN為電動機額定電流（有效值）；ID為電動機起動電流（有效值），通常起動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回路電阻與電抗的比值。峰值發生在第一個半波，在第二、第三周波內急劇衰減，通常接通電流峰值不超過起動電流的2倍，個別可達到2.3倍。右側反時限脫扣曲線為熱繼電器或電動機保護斷路器的過載保護曲線，垂直于X軸為斷路器磁保護或瞬時保護曲線。從圖上可知反時限脫扣曲線（過載保護）需保持在電動機正常運行電流和起動電流的上方，磁保護或瞬時保護整定值IRM需大于電動機接通電流峰值I"D。以熱磁式GV2ME21C電動機保護斷路器為例，其額定電流23A，熱脫扣設定范圍為17~23A，磁脫扣電流為327A±20%。圖-4是用施耐德曲線軟件CURVEDIRECTV3.4.1繪制的脫扣曲線圖。反時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時的電流-脫扣時間，即1.05IR時2小時內不脫扣，1.2IR時2小時內必須脫扣。接下來上下兩條曲線代表最大脫扣時間和最小脫扣時間，例如當電流為7.2倍IR時，斷路器熱保護動作的時間范圍為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，當電流低于262時，斷路器熱脫扣，動作時間范圍落在最大和最小脫扣時間曲線之間；右邊一條代表磁脫扣電流的上偏差值，即327*120%≈392A，當電流大于392A時斷路器磁脫扣，脫扣時間20MS；當故障電流介于327A的-20%與+20%之間時，斷路器有可能磁脫扣動作，也有可能熱脫扣動作，時間范圍為20MS~1.5S之間（327A）。以塑殼斷路器NSX250N-MICROLOGIC2.2-M為例，其額定電流為220A，長延時保護設定值IR范圍為100A~220A。脫扣等級可選擇5、10、20級。短路短延時保護可用于躲過電動機接通電流峰值，電流整定范圍為（5~13）IR，電流精度±15%，延時時間不可調。非脫扣時間20MS表示當電流超過斷路器短延時設定值ISD+15%時，短路短延時保護不會在20MS以內動作，但最大分斷時間也不會超過60MS。短路瞬時保護設定值不可調，固定為3300/220=15倍，當電流超過短路瞬時保護設定值II+15%，斷路器立即動作，最大分斷時間不超過30MS，時間-電流曲線分析同GV2ME21C。在GB10963.1-2005家用及類似場所用過電流保護斷路器第一部分用于交流的斷路器標準中，微型斷路器按瞬時脫扣電流范圍分為B型，C型，D型，D型微斷的瞬時脫扣電流范圍為10IN~20IN（特定場合50IN）。由于D型微斷的瞬時脫扣電流門檻值比較高，可以躲過電動機起動瞬間的接通電流峰值，所以在終端配電系統常被用于保護電動機，但由于其過載保護曲線是以保護電線電纜為目的按照標準GB10963.1（表4）而不是按照GB14048.4驗證的，所以不能為電動機提供有效的過載保護。以施耐德C60-40D型微斷為例，標準GB10963.1要求電流在1.13IN時斷路器2小時內不脫扣，1.45IN時斷路器在2小時內脫扣，相對于GB14048.4中1.0IN（2小時不脫扣）和1.2IN（2小時內脫扣），微斷在電動機出現過載時切斷故障電流的時間過長，這樣會導致電機溫升加劇，損壞絕緣。其次當電流為1.5IN時微斷的動作時間為40~500S之間，而GB14048.4要求1.5IN情況下過載繼電器的動作時間為2MIN（10A級）和4MIN（10級），微斷的動作時間偏長；此外在7.2IN電流下微斷的動作時間范圍在1.2~4.8S之間，對于電動機起動時間不長的場合微斷不會誤動作，但對于過載保護脫扣級別要求為10級（4＜TP≤10）的場合，電動機起動過程中微斷的熱保護可能誤動作。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時標準要求脫扣時間大于100MS，電流為14IN時標準要求脫扣時間小于100MS，電流介于10IN~14IN之間時，微斷有可能熱脫扣動作有可能磁脫扣動作。對于C60-40D型微斷，電流大于等于640A（14IN）之后，脫扣時間為20MS，電流等于400A（10IN）時，脫扣時間范圍為0.6~3S之間，電流介于400A~640A之間時，有可能磁保護脫扣（20MS），也有可能熱保護脫扣（最大3S）。1）當采用斷路器作為短路保護時，電動機主回路應采用電動機保護用低壓斷路器。其瞬時過電流脫扣器的動作電流與長延時脫扣器動作電流之比（以下簡稱瞬時過電流倍數）宜為14倍左右或10~20倍可調。2）僅用作短路保護時，即在另外裝過載保護電器的常見情況下，宜采用只帶瞬動脫扣器的低壓斷路器，或把長延時脫扣器作為后備過電流保護。3）兼做電動機過載保護時，即在沒有其他過載保護電器的情況下，低壓斷路器應裝有瞬動脫扣器和長延時脫扣器，且必須為電動機保護型。5）長延時脫扣器用作電動機過載保護時，其整定電流應接近但不小于電動機的額定電流，且在7.2倍整定電流下的動作時間應大于電動機起動時間。以施耐德斷路器為例，前面提到的只具有短路保護功能的NSX400-630MICROLOGIC1.3、NSX100/250MA和NS80H以及GV2L/GV3L都可以滿足第1）和第2）項，由于只具有短路保護功能，所以需要另外安裝熱繼電器作為電動機的過載保護元器件。兼具短路保護和過載保護功能的熱磁式GV2ME/GV2P/GV3P和電子式NSX100-630MICROLOGIC1.3/2.3/6.3-M都可以滿足第1）和第3）項。試舉一列，如下圖所示低壓配電系統，10/0.4KV配電變壓器容量SN為1250KVA,阻抗電壓百分比UK為4%，負載側有1臺額定電壓380V的YX3系列鼠籠式異步電動機，功率PM為15KW，效率Η為95%，功率因數COSΦ為0.85，電動機直接起動，電動機離變壓器距離很近忽略電纜對短路電流的影響，為該電動機選擇合適的斷路器。，根據參考文獻[2]，由于斷路器瞬時脫扣電流或磁脫扣電流是以有效值表達，所以脫扣電流值需要大于A)選擇具有過載和短路保護功能的熱磁式電動機斷路器GV2ME32C，其短路分斷能力為100KA(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大于電動機的接通電流317A(有效值)。B)選擇具有過載和短路保護功能的電子式電動機保護斷路器NSX100N-MICROLOGIC2.2-M，N代表短路分斷能力為50KA(大于IK)，額定電流IN選擇50A，長延時保護IR整定范圍為25~50A，選擇最接近電動機額定電流28A的一檔30A，短延時保護整定電流ISD最大為12倍IR（360A）,延時時間20-60MS之間，瞬動保護脫扣電流設定值為II固定的750A（15IN），都可以躲過電動機接通電流峰值。C)選擇只具有短路保護功能的NS80HMA50，H代表短路分斷能力70KA(大于IK)，MA代表磁脫扣器，50A為磁脫扣器額定電流，瞬動保護整定電流選7IN（350A）,可以躲過電動機接通電流峰值。過載保護選用LRD3353熱繼電器，保護整定范圍23~32A，可將熱保護脫扣電流整定在29A，接近但不小于電動機額定電流。綜上所述，電動機保護斷路器可以分為只具有短路保護功能和兼具過載及短路保護功能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。電動機保護斷路器與配電斷路器的共同點是都遵循GB14048.2低壓斷路器標準，區別在于電動機保護斷路器的過載保護特性需滿足GB14048.4接觸器和電動機起動器標準中過載繼電器脫扣級別要求，過載保護特性與熱繼電器一致。D型微型斷路器由于其瞬時脫扣電流閾值可以躲過電動機起動電流峰值，常用于電動機短路保護，但不能提供合適的過載保護，需另外配置熱繼電器。電動機保護斷路器在7.2倍電流下的返回時間需大于電動機起動時間，以避免起動過程長延時保護動作，其瞬時保護整定值需大于電動機接通電流峰值，以避免起動過程中短路瞬時保護誤動作。