斷路器的保護(hù)原理及計(jì)算方法

當(dāng)插線板發(fā)生短路，短路電流流過故障插線板，流過電纜導(dǎo)線，當(dāng)然也流過開關(guān)電器，并引起電氣火災(zāi)。緊急時(shí)刻，我們當(dāng)然期望某路開關(guān)電器(斷路器)執(zhí)行保護(hù)跳閘。經(jīng)過一段短暫的時(shí)間后，某路總開關(guān)斷路器執(zhí)行跳閘保護(hù)。

但斷路器執(zhí)行完保護(hù)后，我們能把它合上繼續(xù)為我們供電嗎?這里面有什么學(xué)問?

斷路器中流過正常的運(yùn)行電流時(shí)，隨著時(shí)間的推移，斷路器中的保護(hù)測(cè)控裝置探測(cè)到的發(fā)熱量不大，未越過發(fā)熱量門限限制值，斷路器當(dāng)然不會(huì)執(zhí)行跳閘操作;當(dāng)斷路器中流過非正常的較大電流時(shí)，斷路器中的保護(hù)測(cè)控裝置探測(cè)到的發(fā)熱量較大，越過了發(fā)熱量門限值，斷路器執(zhí)行跳閘操作。

這里的門限，指的是斷路器的保護(hù)整定值。

我們把斷路器中流過的非正常大電流叫做過電流。過電流包括過載電流和短路電流。也就是說，過電流越大，斷路器動(dòng)作的時(shí)間就越短，它執(zhí)行線路保護(hù)就越快。這種特性有一個(gè)專有名詞，叫做斷路器的反時(shí)限保護(hù)特性。

現(xiàn)在，我們來一點(diǎn)數(shù)學(xué)知識(shí)，看看什么叫做反時(shí)限特性。

我們來看Y=K/X和Y=K/X2這兩個(gè)冪函數(shù)，這里令K=1，得到如下圖像：

我們馬上就能想到：如果讓縱坐標(biāo)Y為斷路器的動(dòng)作時(shí)間t，而橫坐標(biāo)X為斷路器額定電流的倍率nIe(n是倍率，Ie是斷路器的額定電流)，我們就能夠讓斷路器按電流越大動(dòng)作時(shí)間越快的保護(hù)方式來執(zhí)行線路保護(hù)操作。

事實(shí)上，斷路器的保護(hù)操作就是按這個(gè)原則來進(jìn)行的。對(duì)應(yīng)的曲線叫做斷路器的反時(shí)限保護(hù)特性曲線。

這就是斷路器的線路保護(hù)特性曲線。我們看到過載保護(hù)特性t=f(I)與Y=f(1/X) 如此類似，其實(shí)它們就是同一類函數(shù)關(guān)系。

下圖是ABB的某型斷路器的熱磁式脫扣曲線：

圖中紅色的是熱態(tài)曲線，藍(lán)色的是冷態(tài)曲線。

有幾個(gè)地方需要解釋：

第一：關(guān)于斷路器特性曲線的冷態(tài)曲線和熱態(tài)曲線

冷態(tài)曲線指的是斷路器剛剛送電，斷路器內(nèi)部的溫度與環(huán)境溫度是一致的，此時(shí)的曲線在曲線簇的右側(cè);熱態(tài)曲線指的是斷路器送電后已經(jīng)進(jìn)入了穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的曲線在曲線簇的中間或者左側(cè)。

熱態(tài)曲線和冷態(tài)曲線在橫坐標(biāo)中的范圍，其實(shí)就是斷路器短路保護(hù)的范圍。例如B特性是4到7倍額定電流，C特性是7到15倍額定電流。

為何如此?我將在后面結(jié)合斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)來解釋。

第二：關(guān)于斷路器特性曲線的B特性與C特性

B特性用于照明配電控制，C特性則用于普通配電的配電控制。

第三：關(guān)于斷路器的過載保護(hù)曲線和短路保護(hù)曲線

當(dāng)線路發(fā)生過載時(shí)，也許是因?yàn)殡妷豪擞渴沟秒娏鲿簳r(shí)性變大，等電壓浪涌過去，電流就會(huì)恢復(fù)正常;也許是因?yàn)樨?fù)載瞬時(shí)變重，使得電流加大，但負(fù)載恢復(fù)后，電流也會(huì)恢復(fù)。如此一來，斷路器的保護(hù)就需要有一定時(shí)間的延遲。

我們看過載保護(hù)曲線。例如B特性冷態(tài)曲線的橫坐標(biāo)為2倍額定電流即2Ie位置，此時(shí)的縱坐標(biāo)值為6秒，表示斷路器將在5秒后執(zhí)行過載保護(hù)跳閘。這里的6秒就是保護(hù)時(shí)延(注意：時(shí)延指的是保護(hù)操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間延遲)特性。

當(dāng)線路發(fā)生短路時(shí)，這屬于緊急狀態(tài)，斷路器必須馬上跳閘。

我們看B特性冷態(tài)曲線橫坐標(biāo)為4Ie的位置，它的動(dòng)作時(shí)間為0.02s，而5Ie的位置動(dòng)作時(shí)間是0.01s。

我們看到，在4Ie和5Ie之間曲線還有一點(diǎn)反時(shí)限特性，但在5Ie之后就完全沒有反時(shí)限特性了。

我們把5Ie之后的特性曲線叫做定時(shí)限保護(hù)特性曲線，所有短路保護(hù)的時(shí)間都是0.01s;把4Ie到5Ie的這一段叫做短路短延時(shí)保護(hù)特性曲線。

短路短延時(shí)保護(hù)特性的目的與過載保護(hù)特性類似，期望短路是一個(gè)短暫的臨時(shí)現(xiàn)象，如果短路在0.01秒時(shí)間內(nèi)消失，則斷路器就不做開斷操作。

總結(jié)一下我們學(xué)到的知識(shí)：

1、斷路器內(nèi)部的保護(hù)測(cè)控裝置能實(shí)現(xiàn)過電流的線路保護(hù);

2、斷路器的過載保護(hù)具有反時(shí)限保護(hù)特性;

3、斷路器的短路保護(hù)分為兩段，其一具有反時(shí)限的短路短延時(shí)保護(hù)特性，其二具有定時(shí)限保護(hù)特性。

注：文章摘自張白帆老師的書稿《你所不知道的電氣知識(shí)-電氣世界漫游》

審核編輯：湯梓紅