2.4.2 低壓斷路器的工作原理與基本特性

低壓斷路器由觸頭和滅弧系統、各種脫扣器和自由脫扣機構、附件三個基本部分組成。低壓斷路器具有的多種功能是以脫扣器和附件的形式實現的，根據用途不同，可選用不同的脫扣器和附件組成不同功能的低壓斷路器。

2.4.2.1 低壓斷路器的工作原理

低壓斷路器的工作原理如圖2-14所示。

低壓斷路器的主觸頭2有手動或電動操作兩種閉合方式。主觸頭2閉合后，自由脫扣機構3將主觸頭閉鎖在合閘位置。過電流脫扣器4的線圈和熱脫扣器6的熱元件串聯在主電路L3相中，欠電壓脫扣器7的線圈并聯在L1和L2相間，當電路發生短路或嚴重過載時，過電流脫扣器的銜鐵吸合，使自由脫扣機構3的鎖扣機構脫扣動作，從而帶動主觸頭分斷主電路。當電路發生過載時，熱脫扣器6的熱元件持續發熱導致雙金屬片受熱而向上彎曲，并推動自由脫扣機構3向上動作，同樣使自由脫扣機構3脫扣動作，帶動主觸頭分斷主電路。當電路電壓降低時（如低于額定電壓的35%），欠電壓脫扣器7的銜鐵釋放，向上推動自由脫扣機構動作，帶動自由脫扣機構3脫扣，使主觸頭分斷主電路。分勵脫扣器5用于低壓斷路器遠距離控制，其線圈并聯在L2和L3相間，在正常工作時，線圈是斷電的，在需要距離控制時，按下分勵按鈕8使線圈通電，吸合銜鐵推動自由脫扣機構3向上動作，帶動自由脫扣機構動作，使主觸頭分斷主電路。故障排除后，通過復位機構復位。

脫扣是由脫扣器（脫扣機構）引起的斷路器（開關電器）的斷開動作，使保持斷路器閉合的鎖扣機構解脫，而使斷路器觸頭斷開或閉合的動作過程。脫扣機構是在斷路器（開關電器）中介于脫扣器和觸頭系統之間的傳遞機構，它能接受脫扣器的指令而使閉合的觸頭斷開。鎖扣機構是在操作力消失后，使斷路器（開關電器）的可動部分被鎖住，不能由于彈簧或重力作用而返回至起始位置的機構。

自由脫扣是指在閉合操作后，發生脫扣動作時，即使保持閉合指令，其動觸頭仍能返回并停留在斷開位置。

復位是動作了的電器的所有可動部分回復到起始位置。復位機構是使開關電器的可動部分恢復到起始位置的機構。自動復位是導致斷路器動作的故障消失后，動作了的斷路器的所有可動部分自動回復到起始位置。斷路器脫扣后的鎖扣回復到鎖住位置的動作稱為再扣。

2.4.2.2 主電路的額定值和極限值

1.額定電壓

（1）額定工作電壓U_e

額定工作電壓U_e是指相間電壓，對于三相四線中性線接地系統是指相地間電壓，包括相間電壓（220/380V）。對于三相三線不接地或經阻抗接地系統，表示相間電壓（例如380V）。

（2）額定絕緣電壓U_i

額定絕緣電壓U_i是一個與介電試驗電壓和爬電距離有關的電壓值。在任何情況下最高的額定工作電壓值不應超過額定絕緣電壓值。若沒有明確規定額定絕緣電壓，則額定工作電壓即認為是額定絕緣電壓值。

（3）額定沖擊耐受電壓U_imp

額定沖擊耐受電壓U_imp是在規定的條件下，低壓斷路器能夠耐受而不擊穿的沖擊電壓峰值，該值與電氣間隙有關。低壓斷路器的額定沖擊耐受電壓應高于或等于該電器所處的電路中可能產生的瞬態過電壓規定值。

2.約定電流和額定電流

（1）約定自由空氣發熱電流I_th

I_th值應至少等于不封閉電器在8h工作制下最大額定工作電流值。不封閉電器是指無外殼的電器或外殼是構成完整電器的一部分，但該外殼通常不單獨作為電器的防護外殼的電器。

（2）約定封閉發熱電流I_the

封閉電器是指一般用于規定的型式和尺寸的外殼中的電器或用于多個型式的外殼中的電器。如果電器一般不用在規定的外殼中，且滿足約定自由空氣發熱電流I_th要求，制造商提供約定封閉發熱電流值或降容系數，以及在特定的局部周圍環境空氣溫度下的最大額定電流的指導值。例如，使用類別AC-1，在局部空氣溫度為40℃的環境中額定工作電流I_e=45A，在局部空氣溫度為60℃的環境中，額定工作電流I_e=40A等。

（3）額定工作電流I_e或額定工作功率

低壓斷路器的額定工作電流由制造商規定，額定工作電流與額定工作電壓、額定頻率、額定工作制、使用類別和外殼防護的型式有關。對于直接通斷單獨電動機的電器，額定工作電流可在考慮額定工作電壓的條件下，按所控制電動機的最大額定功率從制造商規定的工作電流與工作功率間的關系中選擇。

（4）額定不間斷電流I_u

額定不間斷電流是電器能在不間斷工作制下承載的電流值。

2.4.2.3 低壓斷路器的額定工作制

低壓斷路器的額定工作制有S1—連續工作制、S2—短時工作制、S3—斷續工作制（斷續周期工作制）、S6—周期工作制、S8—8h工作制，詳見1.3.4節。

1）連續工作制是沒有空載期的工作制，電器的主觸頭保持閉合且承載穩定電流超過8h（數周、數月甚至數年）而不分斷。

2）短時工作制是指電器的主觸頭保持閉合的時間不足以使其達到熱平衡，有載時間間隔被無載時間隔開，而無載時間足以使電器的溫度恢復到與冷卻介質相同的溫度。

3）斷續工作制是指電器的主觸頭保持閉合的有載時間與無載時間有一確定的比例值，此兩個時間都很短，不足以使電器達到熱平衡。斷續工作制用電流值、通電時間和負載因數來表征其特性，負載因數是通電時間與整個通斷操作周期之比，通常用百分數表示。負載因數的標準值為15%、25%、40%和60%。

根據電器每小時能夠進行的操作循環次數，電器可分為如下等級：1、3、12、30、120、300、1200、3000、12000、30000、120000、300000。對于每小時操作循環次數較高的斷續工作制，制造商規定實際操作循環次數或根據規定的操作循環次數來給出額定工作電流值，電器根據斷續周期工作制的特征用符號標識，如在每5min有2min流過100A電流的斷續工作制表示為100A，12級，40%。

4）周期工作制指無論恒定或可變負載總是有規律反復運行的一種工作制。

5）8h工作制是指電器主觸頭保持閉合且承載穩定電流足夠長時間，使電器達到熱平衡，達到8h時立即分斷電流的工作制，是確定電器的約定發熱電流I_th和I_the的基本工作制。

2.4.2.4 低壓斷路器的短路保護特性

1）低壓斷路器的額定短路接通能力I_cm是在規定的額定工作電壓、額定頻率、功率因數或時間常數（直流）下的短路接通能力值，用最大預期峰值電流表示。額定短路接通能力表示斷路器在對應于額定工作電壓下能夠接通電流的額定能力。

額定短路接通能力以電器安裝處預期短路電流的峰值為最大值，額定短路分斷能力則以短路電流周期分量的有效值表示。在選用時應保證開關電器的額定短路通斷能力高于電路中預期短路電流的相應數據。

2）低壓斷路器的分斷能力指標有額定極限短路分斷能力I_cu和額定運行短路分斷能力I_cs。I_cs是一種分斷指標，即分斷幾次短路故障后，還能保證其正常工作。低壓斷路器應有足夠的I_cu，能夠分斷短路電流使開關跳閘。因此，所謂短路保護動作就是短路瞬時脫扣跳閘。目前，大多數斷路器的I_cs在（50%～75%）I_cu之間。它用預期分斷電流I_pb表示（交流分量有效值），I_pb對應于分斷過程開始瞬間所確定的預期電流。

低壓斷路器的額定運行短路分斷能力是按相應的額定工作電壓規定下應能分斷的運行短路分斷能力值。它用預期分斷電流表示，相當于額定極限短路分斷能力規定的百分數中的一檔的整數。它可用I_cu的百分數表示（如I_cs=50%I_cu，要求I_cs≥25%I_cu），見表2-7。當額定運行短路分斷能力等于額定短時耐受電流時，只要它不小于相應的最小值可以按額定短時耐受電流值規定。

3）額定短時耐受電流I_cw，見2.4.1.1節。

4）限制短路電流是在規定的使用和性能條件下，電器動作期間所能承受的預期電流。限流分斷能力是低壓斷路器短路跳閘時限制故障電流的能力。斷路器發生短路時，觸頭快速打開產生電弧，相當于在線路中串入1個迅速增加的電弧電阻，從而限制了故障電流的增加。低壓斷路器斷開時間越短，I_cs就越接近I_cu，限流效果就越好，從而可大幅降低短路電流引起的電磁效應、電動效應和熱效應對斷路器和用電設備的不良影響，延長斷路器的使用壽命。

5）約定脫扣電流是在約定時間內，引起脫扣器動作的規定電流值。

6）約定不脫扣電流是在約定時間內，脫扣器能承載而不動作的規定電流值。

2.4.2.5 低壓斷路器的脫扣器

低壓斷路器有熱磁和電子兩種類型脫扣器，主要有過電流脫扣器、分勵脫扣器和欠電壓脫扣器三種型式，用于構成過載保護和短路保護，如圖2-15所示。

熱磁脫扣器是熱（過載）脫扣器+電磁（短路）脫扣器的總稱。熱脫扣是通過雙金屬片的熱變形特性推動脫扣傳動機構脫扣；電磁脫扣是通過電磁機構瞬時推動銜鐵帶動脫扣機構脫扣。

熱磁脫扣器是過載、短路復合保護。電子脫扣器是用電子元件構成脫扣電路，通過檢測主電路電流而推動脫扣機構。電子脫扣器是短路速斷保護。

1.過電流脫扣器

當通過脫扣器的電流超過預定值時，使機械開關電器有延時或無延時地動作的脫扣器，包括短路脫扣器、過載脫扣器和瞬時脫扣器。

1）短路脫扣器，經整定一定延時后動作的過電流脫扣器，其延時動作時間可以調整，但不受過電流值的影響，用于短路保護（定時限特性）。整定值包括電流整定值和時間整定值。

2）過載脫扣器，經整定一定延時后動作的過電流脫扣器，其延時動作時間與所通過的過電流成反比，用于過載保護（反時限特性）。

3）瞬時脫扣器，當電流大于或等于脫扣電流時，脫扣器即動作的過電流脫扣器，用于瞬時動作短路保護（瞬時動作特性，無整定）。

2.分勵脫扣器

由電壓源激勵的脫扣器，用于遠方分合斷路器操作。

3.欠電壓脫扣器（失電壓脫扣器）

當端電壓下降至預定值以下時，有延時或無延時斷開的脫扣器，用于低電壓保護。

2.4.2.6 低壓斷路器過電流脫扣器的整定值

過電流脫扣器的額定電流是指在GB 14048.2—2008中8.3.2.5規定的試驗條件下能夠承載相應于最大電流整定值的電流有效值，在此條件下，溫升不超過規定值。

1.過電流脫扣器的電流整定值

過電流脫扣器有可調和不可調兩種。如果低壓斷路器裝有可調脫扣器，電流整定值（范圍）以安培數或電流值的倍數標在脫扣器上。

如果低壓斷路器裝有不可調脫扣器，電流整定值（范圍）以安培數或電流值的倍數標在斷路器上。

如果過載脫扣器的動作特性符合表2-9的要求，則只在斷路器上標注額定電流（I_n）。在有電流互感器的情況下，標注電流互感器的電流比或一次電流。

過電流脫扣器的動作值除熱磁式脫扣器外是指在-5～+40℃的范圍內工作，與周圍空氣溫度無關；對于熱磁式脫扣器，規定的動作值則指基準溫度為+30℃±2℃。

2.過電流脫扣器的脫扣時間整定值

（1）定時限過電流脫扣器

定時限過電流脫扣器的延時與過電流值無關。如果延時不可調，則脫扣時間整定值就是斷路器的斷開時間（s），如果延時是可調的，則脫扣時間整定值以斷開時間的最大值和最小值表示。

（2）反時限過電流脫扣器的整定

反時限過電流脫扣器的延時取決于過電流值的大小。時間-電流特性以反時限過電流曲線形式表示，曲線是從冷態開始的斷開時間與脫扣器動作范圍內的時間-電流變化關系，電流以橫坐標表示，時間以縱坐標表示，兩個坐標軸均采用對數坐標刻度，電流以整定電流的倍數表示，時間以秒（s）表示，應用時按最大和最小電流進行整定。作為示例，圖2-16是一種斷路器動作特性曲線，表2-10是一種斷路器的過電流保護特性。工業用斷路器有配電保護型和電動機保護型兩種型式。