断路器分断能力的选择和应用

最近几年与断路器的使用者相互磋商、探讨，并在专业刊物上阅读了一些断路器选用的文章，感到收益很大，但又觉得断路器的设计、制造者与用户之间由于沟通和宣传不够，致使用户在选择低压断路器上还存在一部分偏失。 据此，笔者拟再次论述断路器的选择和应用，以期抛砖引玉、去伪存真。

一、 线路预期短路电流的计算来选择断路器的分断能力。

精确的线路预期短路电流的计算是一项极其繁琐的工作。 因此便有一些误差不很大而工程上可以被接受的简捷计算方法：

(1)、对于10/0.4kV电压等级的变压器，可以考虑高压侧的短路容量为无穷大(10kV侧的短路容量一般为200~400MVA甚至更大，因此按无穷大来考虑，其误差不足10%)。

(2)、GB50054-95《低压配电设计规范》的2.1.2条规定：“当短路点附近所接电动机的额定电流之和超过短路电流的1%时，应计入电动机反馈电流的影响”，若短路电流为30kA，取其1%，应是300A，电动机的总功率约在150kW，且是同时启动使用时此时计入的反馈电流应是6.5∑In。

(3)、变压器的阻抗电压Uk表示变压器副边短接(路)，当副边达到其额定电流时，原边电压为其额定电压的百分值。因此当原边电压为额定电压时，副边电流就是它的预期短路电流。

(4)、变压器的副边额定电流Ite=Ste/(1.732*Ue)式中Ste为变压器的容量(kVA)，Ue为副边额定电压(空载电压)，在10/0.4kV时Ue=0.4kV因此简单计算变压器的副边额定电流应是变压器容量×(1.44～1.50)。

(5)、按(3)对Uk的定义，副边的短路电流(三相短路)为I(3)对Uk的定义，副边的短路电流(三相短路)为I(3)=Ite/Uk，此值为交流有效值。

(6)、在相同的变压器容量下，若两相间短路，则I(2)=1.732I(3)/2=0.866I(3)

(7)、以上计算均是变压器出线端短路时的电流值，这是最严重的短路事故。如果短路点离变压器有一定的距离，则需考虑线路阻抗，因此短路电流将减小。

例如SL7系列变压器(配导线为三芯铝线电缆)，容量为200kVA，变压器出线端短路时，三相短路电流I(3)为7210A。短路点离变压器的距离为100m时，短路电流I(3)降为4740A；当变压器容量为100kVA时其出线端的短路电流为3616A。离变压器的距离为100m处短路时，短路电流为2440A。远离100m时短路电流分别为0m的65.74%和67.47%。所以，用户在设计时，应计算安装处(线路)的额定电流和该处可能出现的最大短路电流。并按以下原则选择断路器：断路器的额定电流In≥线路的额定电流IL；断路器的额定短路分断能力≥线路的预期短路电流。因此，在选择断路器上，不必把余量放得过大，以免造成浪费。

二、断路器的极限短路分断能力和运行短路分断能力。

国际电工委员会的IEC947-2和我国等效采用IEC的GB4048.2《低压开关设备和控制设备 低压断路器》标准，对断路器极限短路分断能力和运行短路分断能力作了如下的定义：

断路器的额定极限短路分断能力(Icu)： 按规定的试验程序所规定的条件，不包括断路器继续承载其额定电流能力的分断能力；

断路器的额定运行短路分断能力(Ics)： 按规定的试验程序所规定的条件，包括断路器继续承载其额定电流能力的分断能力。

极限短路分断能力Icu的试验程序为o--t-co，具体试验是：把线路的电流调整到预期的短路电流值(例如380V，50kA)，而试验按钮未合，被试断路器处于合闸位置，按下试验按钮，断路器通过50kA短路电流，断路器立即开断(OPEN简称O)并熄灭电弧，断路器应完好，且能再合闸。t为间歇时间(休息时间)，一般为3min，此时线路处于热备状态，断路器再进行一次接通(CLOSE简称C)和紧接着的开断(O)(接通试验是考核断路器在峰值电流下的电动和热稳定性和动、静触头因弹跳的磨损)。此程序即为CO。断路器能完全分断，熄灭电弧，并无超出规定的损伤，就认定它的极限分断能力试验成功。

断路器的运行短路分断能力(Ics)的试验程序为o-t-co-t-co，它比Icu的试验程序多了一次co。经过试验，断路器能完全分断、熄灭电弧，并无超出规定的损伤，就认定它的额定进行短路分断能力试验通过。

Icu和Ics短路分断试验后，还要进行耐压、保护特性复校等试验。由于运行短路分断后，还要承载额定电流，所以Ics短路试验后还需增加一项温升的复测试验。Icu和Ics短路或实际考核的条件不同，后者比前者更严格、更困难，因此IEC947-2和GB14048.2确定Icu有四个或三个值，分别是25%、50%、75%和100%Icu(对A类断路器，即塑壳式)或50%、75%、100%Icu(对B类断路器，即万能式或称框架式)。断路器的制造厂所确定的Ics值，凡符合上述标准规定的Icu百分值都是有效的、合格的产品。

万能式(框架式)断路器 ，绝大部分(不是所有规格)都具有过载长延时、短路短延时和短路瞬动的三段保护功能，能实现选择性保护，因此大多数主干线(包括变压器的出线端)都采用它作主(保护)开关，而塑壳式断路器一般不具备短路短延时功能(仅有过载长延时和短路瞬动二段保护)，不能作选择性保护，它们只能使用于支路。由于使用(适用)的情况不同，IEC92《船舶电气》建议：具有三段保护的万能式断路器，偏重于它的运行短路分断能力值，而大量使用于分支线塑壳断路器确保它有足够的极限短路能力值。

我们对此的理解是：主干线切除故障电流后更换断路器要慎重，主干线停电要影响一大片用户，所以发生短路故障时要求两个CO，而且要求继续承载一段时间的额定电流，而在支路，经过极限短路电流的分断和再次的合、分后，已完成其使命，它不再承载额定电流，可以更换新的(停电的影响较小)。但是，无论是万能式或塑壳式断路器，都有必须具备Icu和Ics这两个重要的技术指标。只有Ics值在两类断路器上表现略有不同，塑壳式的最小允许Ics可以是25%Icu，万能式最小允许Ics是50%的，Ics=Icu的断路器是很少的，即使万能式也少有Ics=100%Icu的。（国外有一种采用旋转双分断(点)技术的塑壳式断路器，它的限流性能极好，分断能力的裕度很大，可做到Ics=Icu，但价格很高）。

我国的DW45智能型万能式断路器的Ics为62.5%～65%Icu，国际上，ABB公司的F系列，施耐德的M系列也不过是70%左右，而塑壳式断路器，国内各种新型号，Ics大抵在50%～75%Icu之间。有些断路器应用的设计人员，按其所计算的线路预期短路电流选择断路器时，以断路器的额定运行短路分断能力来衡量，由此判定某种断路器（此断路器的极限短路能力大于线路预期短路电流，而运行短路分断能力则低于计算电流）为不合格。这是一个误解。

例如一台容量为1600kVA的变压器，其副边的额定电流为2312A，阻抗电压百分数Uk取6%，最大预期短路电流应为38.5kA，作保护用的断路器额定短路分断能力应是40kA，若选DW15 -2500Y的2500A或DW45 - 3200的2500A作主开关是能胜任的。由于现代的动力中心的变压器与配电柜相距很近，甚至安装在一起，因此即使是支路，额定电流在100A，它的预期短路电流也是很大的。因此，也要求线路中的塑壳断路器的短路分断能力应达到380V、40kA。有文章断定某一新型塑壳式断路器（壳架等级电流160A，Icu380V、50kA，Ics380V、35kA）不能选用，理由是它的Ics仅35kA，小于线路预期电流38.5kA。这是一种误解。该型号断路器使用于支路，即使通过支路的短路电流为38.5kA，但此断路器Icu大50kA，完全可以胜任。因此判断塑壳式断路器能否胜任某一线路保护开关，是看它的Icu能否大于线路的预期短路电流。而它的Ics即使小一点，也无碍于它的作用的发挥。因为短路事故多种多样，例如两相短路（其短路电流为三相短路值的二分之根号三），或者离电源较远的地方，如50m、100m，即使是三相短路，由于阻抗的原因，三相短路时，事故电流大约是50%～60%的三相最大预期值。

三、断路器的电气间隙与爬电距离。

确定电器产品的电气间隙，必须依据低压系统的绝缘配合，而绝缘配合则是建立在瞬时过电压被限制在规定的冲击耐受电压，而系统中的电器或设备产生的瞬时过电压也必须低于电源系统规定的冲击电压。 因此：

(1)电器的额定绝缘电压应≥电源系统的额定电压 

(2)电器的额定冲击耐受电压应≥电源系统的额定冲击耐受电压 

(3)电器产生的瞬态过电压应≤电源系统的额定冲击耐受电压。

基于以上三原则，电器的额定冲击耐受电压(优先值)Uimp就与电源系统的额定电压所确定的相对地电压的最大值和电器的安装类别(过电压类别)等有很大的关系： 相对地电压值越大，安装类别越高【分为I(信号水平级)、Ⅱ(负载水平级)、Ⅲ(配电水平级)、Ⅳ(电源水平级)】，额定冲击电压就越大。

例如相对地电压为220V，安装类别为Ⅲ时，Uimp为4.0kV，要是安装类别为Ⅳ，Uimp为6.0kV。电器产品(例如断路器)的Uimp为6.0kV污染等级3级或4级，其最小的电气间隙是5.5mm。DZ20、CM1系列塑壳断路器的电气间隙均为5.5mm(安装类别Ⅲ)，只是用于电源级安装，如DZ20系列的800以上规格，Uimp为8.0kV，电气间隙才提高到≥8mm。而产品的实际的电气间隙，如HSM1系列，Inm(壳架等级电流)=125A时，电气间隙为11mm，160A为16mm，250A为15mm，400A为18.75mm，630和800A均为300mm，都大于5.5mm。

关于爬电距离，GB/T14048.1《低压开关设备与控制设备 总则》规定：电器(产品)的最小爬电距离与额定绝缘电压(或实际工作电压)、电器产品使用场所的污染等级以及产品本身使用的绝缘材料的性质(绝缘组别)有关。例如：额定绝缘电压为660(690)V，污染等级为3，产品使用的绝缘材料组别为Ⅲa(175≤cti〈400，CTI为绝缘材料的漏电起痕指数〉，最小爬电距离为10mm。上面所提到塑壳式断路器的爬电距离都大大超过规定的数值。

综上所述，如果电器产品的电气间隙和爬电距离，达到绝缘配合要求，就不会因为外来过电压或线路设备本身的操作过电压造成设备的介质电击穿。GB7251.1-1997《低压成套开关设备和控制设备 第一部分：型式试验和部分型式试验成套设备》(等效于IEC439-1：1992)，对绝缘配合的要求与GB/T14048.1是完全一样的。 

有一些成套电器制造厂提出断路器接线用铜排，其相与相之间的(空气)距离应大于12mm，有的甚至提出断路器的电气间隙应大于20mm。这种要求是不合理的，它已经超出了绝缘配合的要求。对于大电流规格，为了避免在出现短路电流时产生电动斥力，或是大电流时导体发热，为了增加散热空间，因而适当加宽相间的空间距离也是可以的。此时无论是达到12mm或20mm，都可由成套电器制造厂自行解决，或请电器元件厂提供有弯头的接线端子或联结板(片)来实现。一般断路器出厂时，都提供电源端相间的隔弧板，以防止电弧喷出时造成相间短路。零飞弧的断路器为防开断短路电流时有电离分子逸出，也安装这种隔弧板。如果没有隔弧板，则对裸铜排可包扎绝缘带，其距离应不小于100mm。

四、四极断路器的应用

关于四极断路器的应用，目前国内还没能对国家标准或规程之类作硬性的使用要求的规定，虽然地区性四极电器(断路器)的设计规范已经出台，但安装与不安装四极电器的争论还在进行中，某些地区的使用近年来出现一窝蜂的趋势，各断路器制造厂也纷纷设计，制造各种型号的四极断路器投放市场。 笔者同意一种意见，就是用或不用应以是否能确保供电的可靠性、安全性为准，因此大体上是：

(1)TN-C系统。TN-C系统中，N线与保护线PE合二为一(PEN线)，考虑安全，任何时候不允许断开PEN线，因此绝对禁用四极断路器；    

(2)TT系统、TN-C-S系统和TN-S系统可使用四极断路器，以便在维修时保障检修者的安全，但是TN-C-S和TN-S系统，断路器的N极只能接N线，而不能接PEN或PE线；

(3)装设双电源切换的场所，由于系统中所有的中性线(N线)是通联的，为了确保被切换的电源开关(断路器)的检修安全，必须采用四极断路器；   

(4)进入住宅的单相总开关，宜选用带N极的二极断路器(检修时作隔离器之用)；

(5)用于380/220V系统的剩余电流保护器(漏电断路器)，中性线必须穿越保护器的零序电流互感器(铁心)，防止无中性线的穿过，使220V的负载有泄漏电流而误动作，此时应选用四极或带中性线的二极剩余电流保护器。