本文以施耐德的幾款低壓斷路器為例，圖1中GV2/GV3/GV4是典型的電動(dòng)機(jī)保護(hù)型斷路器，具有熱磁保護(hù)和單磁保護(hù)兩種脫扣器。
NSXm/NSX塑殼斷路器適用于電動(dòng)機(jī)保護(hù)還是配電保護(hù)取決于電子脫扣單元的類型，比如Micrologic 2.2/2.3M和6.2/6.3E-M脫扣單元屬于電動(dòng)機(jī)保護(hù)型(M代表Motor)，具有長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)、短延時(shí)保護(hù)、瞬時(shí)保護(hù)、接地故障保護(hù)(僅6.2/6.3E-M)。
Micrologic 1.3M和MA脫扣單元只具有瞬時(shí)保護(hù)(磁保護(hù))，只為電動(dòng)機(jī)提供短路保護(hù)。
圖1 施耐德電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器型號(hào)
圖2中Acti 9微斷和MT/MTZ框架斷路器是典型的配電保護(hù)斷路器，前者適用于配電線路末端如家庭用電回路，后者適用于線路始端如配電變壓器低壓側(cè)。
NSXm/NSX配電斷路器的脫扣器有熱磁式TMD和電子式Micrologic 2.2/2.3/5.2/5.3/6.2(不帶后綴M)。
圖2 施耐德配電保護(hù)斷路器型號(hào)
一、保護(hù)對(duì)象特性不同
電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器的保護(hù)對(duì)象是電動(dòng)機(jī)，而配電保護(hù)斷路器的保護(hù)對(duì)象主要是電纜。
鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流波形見圖3，大致可以分為三個(gè)階段 。
圖3 鼠籠式電機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)行特性曲線
第一個(gè)階段：起動(dòng)瞬間時(shí)會(huì)有一個(gè)0.5周的不對(duì)稱瞬時(shí)峰值電流，稱為接通電流峰值，一般為為起動(dòng)電流穩(wěn)態(tài)值的1.8倍~2.8倍，這個(gè)階段要保證斷路器的瞬時(shí)保護(hù)整定電流(或磁脫扣電流值)大于接通電流峰值，避免斷路器啟動(dòng)瞬間誤動(dòng)作。
在GB50055-2011通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范中就要求 “瞬動(dòng)過電流脫扣器或過電流繼電器瞬動(dòng)元件的整定電流應(yīng)取電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流周期分量最大有效值的2倍~2.5倍”，即斷路器的瞬時(shí)保護(hù)整定值應(yīng)取起動(dòng)電流的2~2.5倍，因此電動(dòng)機(jī)保護(hù)型斷路器的瞬時(shí)保護(hù)整定倍數(shù)比配電斷路器高，一般為14倍額定電流或10~20倍可調(diào)。
第二個(gè)階段：起動(dòng)電流階段，起動(dòng)電流的大小一般為額定電流的4.8~8倍，起動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電動(dòng)機(jī)所拖動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩、傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)慣性和加速轉(zhuǎn)矩，這個(gè)階段需要保證斷路器的過載保護(hù)在起動(dòng)過程中不能誤動(dòng)作，但是由于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間不同，假如斷路器在起動(dòng)電流下的脫扣時(shí)間小于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)無法成功起動(dòng)。
在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)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器要求驗(yàn)證脫扣等級(jí)。例如脫扣等級(jí)10，就要求斷路器在7.2倍額定電流下的脫扣時(shí)間要大于4s小于10s。
第三個(gè)階段：穩(wěn)定運(yùn)行階段，這時(shí)候電動(dòng)機(jī)完全運(yùn)轉(zhuǎn)起來，長(zhǎng)期運(yùn)行條件下電動(dòng)機(jī)繞組的發(fā)熱效應(yīng)近似地按時(shí)間和電流平方的乘積作變化，超過額定值的電流會(huì)增加繞組的溫度，影響繞組絕緣材料的使用壽命。
GB755-2008 旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，額定輸出在315kW及以下和額定電壓在1kV及以下的多相電動(dòng)機(jī)應(yīng)能承受1.5倍的額定電流，歷時(shí)不小于2分鐘，超過這個(gè)時(shí)間保護(hù)電器需要?jiǎng)幼?，所以?duì)于脫扣等級(jí)為10的斷路器，1.5倍整定電流下4分鐘內(nèi)需動(dòng)作。
對(duì)于電纜，其長(zhǎng)期允許工作電流取決于外層絕緣材料。例如聚氯乙烯(PVC)電纜長(zhǎng)期允許工作的最高溫度為70℃，交聯(lián)聚乙烯電纜(XLPE)長(zhǎng)期允許工作的最高溫度為90℃。以常用的聚氯乙烯PVC電纜為例，如圖4所示來說明線路過載內(nèi)部熱源引起短路起火的過程，當(dāng)線路無載時(shí)，PVC電纜絕緣層的溫度與室溫相同。
圖4 PVC絕緣電纜線路由過載轉(zhuǎn)化為短路引起火災(zāi)的過程簡(jiǎn)示圖
當(dāng)線路通過負(fù)載電流時(shí)，如果電流不超過線路的額定載流量，則其工作溫度不會(huì)超過最大允許工作溫度70℃，可保證線路的正常使用壽命。如果線路過載，工作溫度超過70℃，線路仍正常工作，但絕緣老化加快，過載越多，老化越快，使用壽命越短，因此線路過載到一定倍數(shù)和時(shí)間之后，過電流保護(hù)元器件應(yīng)動(dòng)作切斷電源，以免線路老化嚴(yán)重，引起短路等其他故障。
對(duì)于電纜的過負(fù)荷保護(hù)，工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)中要求過負(fù)荷保護(hù)電器的動(dòng)作特性與導(dǎo)體之間的配合，需滿足以下兩個(gè)條件：
其中，Ic為回路計(jì)算電流A；Iz為導(dǎo)體允許載流量A；In為熔斷體額定電流或斷路器的額定電流或整定電流。
對(duì)于家用微斷(不能整定)，In為微斷的額定電流。
對(duì)于塑殼斷路器和框架斷路器，In為斷路器的整定電流值(非斷路器殼架電流值或脫扣器額定電流值)。
圖5為框架斷路器或塑殼斷路器脫扣器面板上的長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)整定電流值Ir，式2中I2為約定脫扣電流值，對(duì)于家用微斷I2為1.45倍In，對(duì)于塑殼和框架斷路器的I2為1.3倍整定電流值Ir。
圖5 長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)整定電流值
二、斷路器標(biāo)準(zhǔn)和過載保護(hù)特性不同
配電保護(hù)斷路器中，家用微斷遵循的是GB/T10963.1-2005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。
塑殼斷路器和框架斷路器遵循的是GB/T14048.2-2020 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：斷路器。
電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器遵循GB/T14048.2和GB/T14048.4-2020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)兩份標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比數(shù)據(jù)如表1。
表1 不同斷路器遵循標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比
斷路器保護(hù)特性不同表現(xiàn)在約定不脫扣電流和約定脫扣電流值不一樣，對(duì)比數(shù)據(jù)見表2。
表2 不同斷路器的過載保護(hù)特性
注：對(duì)于塑殼和微斷，當(dāng)電流≤63A，約定脫扣時(shí)間為1h。
電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器的約定脫扣電流為1.2Ir比塑殼和框架斷路器的1.3Ir低，比家用微斷的1.45In更低，意味著電動(dòng)機(jī)在過載情況下需要盡快動(dòng)作，對(duì)斷路器過載保護(hù)的靈敏度要求更高。
三、7.2Ir脫扣級(jí)別和1.5Ir脫扣性能
電動(dòng)機(jī)保護(hù)型斷路器需要驗(yàn)證7.2Ir電流下脫扣級(jí)別和1.5Ir電流下脫扣性能，而配電保護(hù)斷路器不需要。
電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器脫扣級(jí)別的選擇界面見圖6，有的斷路器脫扣等級(jí)不能選擇，比如GV2/GV3熱磁式電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器，其脫扣級(jí)別默認(rèn)為10A級(jí)。
圖6：電子脫扣單元面板上脫扣級(jí)別選擇界面
GB/T14048.4標(biāo)準(zhǔn)對(duì)脫扣級(jí)別的驗(yàn)證是：從冷態(tài)開始，7.2倍整定電流下，對(duì)于適當(dāng)?shù)拿摽奂?jí)別和公差帶，應(yīng)在表3給出的極限值內(nèi)脫扣。
目的是保證電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器在起動(dòng)電流下的脫扣時(shí)間大于電動(dòng)機(jī)實(shí)際起動(dòng)時(shí)間，避免誤動(dòng)作，所以電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，選擇脫扣級(jí)別的數(shù)字越大。
異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短，由轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)子上所帶飛輪慣量大小決定。
空載起動(dòng)時(shí)起動(dòng)時(shí)間很短，但是帶不同的負(fù)載起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)間各不相同，例如潛水泵起動(dòng)時(shí)間在5秒以內(nèi)，普通泵起動(dòng)時(shí)間為5~20秒，普通生產(chǎn)機(jī)械起動(dòng)時(shí)間為10~20秒，鼓風(fēng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間可能需要15~40秒，而大型壓力機(jī)、離心機(jī)起動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)，可達(dá)50~100秒。
起動(dòng)時(shí)間小于10s的場(chǎng)合，可以選擇10/10A脫扣級(jí)別，而起動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)的負(fù)載，建議選擇20/30/40級(jí)別，或采取其他手段保證電動(dòng)機(jī)能正常起動(dòng)。
1.5Ir電流下脫扣性能是為了滿足GB/T755-2008標(biāo)準(zhǔn)中允許電動(dòng)機(jī)在1.5倍額定電流下運(yùn)行不小于2分鐘的要求。
對(duì)于不同的脫扣級(jí)別電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器，1.5Ir電流下脫扣時(shí)間見表3第二列。
表3 脫扣級(jí)別對(duì)應(yīng)的脫扣時(shí)間范圍
四、缺相保護(hù)要求
電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器一般具有缺相保護(hù)功能，而配電保護(hù)斷路器不需要驗(yàn)證該功能。
GB/T14048.4標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于缺相保護(hù)的驗(yàn)證是：在規(guī)定的周圍溫度下，從冷態(tài)開始通A倍電流，在2h內(nèi)應(yīng)不脫扣，緊接著當(dāng)兩極電流增加到B倍整定電流且第三極不通電，應(yīng)在2h內(nèi)脫扣，試驗(yàn)要求見表4。
表4 三極過載繼電器僅兩極通電時(shí)的動(dòng)作范圍
以GV2熱磁式電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器為例，能實(shí)現(xiàn)缺相保護(hù)是由于內(nèi)部有差動(dòng)機(jī)構(gòu)(圖6)。
圖6 GV2斷路器差動(dòng)機(jī)構(gòu)
電動(dòng)機(jī)三相過載情況下，三極雙金屬片同時(shí)彎曲推動(dòng)差動(dòng)板一起向左運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作。
電動(dòng)機(jī)缺相情況下(以供電線路B相斷線為例)，B相電流為0，流過完好相A、C兩相的電流最小為1.2倍電動(dòng)機(jī)額定電流(負(fù)載率為54%)，最大為2.2倍電動(dòng)機(jī)額定電流(負(fù)載率為100%)。
此時(shí)B相雙金屬片保持在原來位置，A、C相雙金屬片彎曲推動(dòng)下半部分差動(dòng)板運(yùn)動(dòng)，斷路器最終保護(hù)動(dòng)作(圖7)。
圖7 三相過載保護(hù)和缺相保護(hù)時(shí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作機(jī)
五、溫度補(bǔ)償
電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器與配電保護(hù)斷路器的另一個(gè)區(qū)別是前者自帶溫度補(bǔ)償功能。
例如同樣是熱磁式脫扣結(jié)構(gòu)，Acti 9微斷是基于30℃為基準(zhǔn)給出不同溫度下的降容系數(shù)(圖8)。
圖8 iC65N/H,iDPNK2微斷溫度降容表(部分)
NSX塑殼斷路器是基于40℃為基準(zhǔn)給出不同環(huán)境下的降容系數(shù)(圖9)。
圖9 熱磁式NSX塑殼斷路器溫度降容表(部分)
GV2/GV3斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有熱補(bǔ)償雙金屬片，在不同的溫度下熱補(bǔ)償雙金屬片會(huì)受熱張開，抵消三相雙金屬片在環(huán)溫下的彎曲角度，最大補(bǔ)償溫度為60℃(圖10)。
圖10 GV2斷路器溫度補(bǔ)償片和溫度補(bǔ)償范圍
六、總結(jié)
通過對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器和配電保護(hù)斷路器各自保護(hù)對(duì)象特性的分析，可以看出二者無論是從遵循的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，還是過載保護(hù)特性，以及為適應(yīng)電動(dòng)機(jī)本身特點(diǎn)而增加的特殊驗(yàn)證和要求(比如電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器的瞬時(shí)保護(hù)整定值高、具有脫扣級(jí)別和1.5Ir電流下的脫扣時(shí)間要求、缺相保護(hù)功能)，除此之外，電動(dòng)機(jī)還具有溫度補(bǔ)償功能，即60℃范圍內(nèi)不需要降容使用。
希望通過上述介紹和對(duì)比，為廣大電氣工程師選擇合適的斷路器提供參考。
作者：賓昭平
