微型断路器参数解读及配电系统的短路电流峰值计算

一、微型断路器

空气开关如此常用，人们已经熟知它的工作性能。但空气开关的几个主要参数之间的关系是什么？该如何使用它？大家未必清楚。本文从应用出发，来讨论空气开关的若干主要参数和使用条件。

空气开关，也叫做微型断路器，英文名叫做Micro Circuit Breaker，因此它的符号是MCB。

与MCB相关的最主要国家标准有3个，分别是：

第一个标准是：GB 14048.1《低压开关设备和控制设备 第1部分：总则》，此标准等同于IEC 60947-1；

第二个标准是：GB 14048.2 《低压开关设备和控制设备 第2部分：断路器》，此标准等同于IEC 60947-2；

第三个标准是：GB 10963.1 《家用和类似场所使用的过电流保护断路器》，此标准等同于IEC 60898-1。

由于MCB也常常被用在配电室中，因此本文的主要依据是前两个标准。方便起见，以手边最容易获取的ABB的线路保护S200技术样本为蓝本来展开讨论。

S200的技术参数表如下：

我们来逐条解释：

极数：指MCB能同时开断的线路数。

极，英文是Pole，因此极的缩写是P。

从表中看到，S200的MCB有1P、2P、3P、1P+NA、3P+NA和4P等不同规格。

值得注意的是：虽然2P和1P+NA看起来似乎都是2极的，但它们的应用条件完全不同。

额定电流In：指MCB的额定运行电流或者额定不间断电流。

额定电流与MCB自身的运行温升有关。所谓温升，指的是MCB的运行温度与环境平均温度的差值。温升过高，会损坏MCB的操作性能和绝缘性能。因此，我们在选用MCB时，一定不能让它的实际运行电流超过它的额定电流。

额定电压Ue：指的是MCB适用的电压等级。

这里所指的电压一般是相间电压，即线电压。中国国内大多数电压为交流50赫兹380V（在变压器或者发电机的端口处空载电压为400V）。对于家装的MCB，当然是指极间的相电压了。

额定绝缘电压Ui：指的是MCB额定电压的最大值。

标准中把MCB的绝缘能力叫做介电能力，它是衡量MCB内部的各种绝缘件的绝缘品质、各电极之间的安全距离等重要参数的定量值。

最大工作电压Ubmax和最小工作电压Ubmin：指能够正常工作的电压区间。对于S200系列MCB来说，它的工作电压范围是12Vac~253Vac。（注：ac表示交流电）。

二、什么是短路电流?

下图是我们的家居配电系统：

1）我们看到进线主开关是2P的，主开关后方的圆代表漏电保护器，它能让主开关跳闸。

2）电源进线端的接地系统是TN-C，其中PEN线在入户时接地，然后分开为N和PE，所以我们家里的接地系统是TN-C-S。

3）在我们家里有许多用电设备，我们看到了一台电冰箱。其中当然安装了电动机，也即感性负载。

现在 配电箱内的主母线发生了短路事故，短路电流波形如下图：

（1）短路电流

图中时间轴零点的左侧为正常运行电流，在时刻零发生了短路。

由于短路点的线路阻抗很小，因此短路电流剧烈增加。不过，这部分短路电流还是符合正弦规则的，因此把它称为短路电流的周期分量或者交流分量，符号位Ip；同时，电冰箱等用电设备的感性负载又向短路点释放储存在电感内的能量，形成了短路电流的直流分量Ig。直流分量会不断地衰减，因此它还有一个名字：非周期分量。

我们看到短路电流的交流分量和直流分量在短路后一段时间内形成了最大值，这个最大值被称为冲击短路电流峰值Ipk。

值得注意的是：Ipk出现的时间是短路后10毫秒，也即0.01秒。

国家标准GB14048.1、GB14048.2等都规定，Ipk与短路电流周期分量Ip之比为峰值系数n。

由于直流分量是感性负载中的电感储存的能量形成的，这部分能量有限，当它释放完毕后，短路电流中只剩下周期分量Ip。因此短路电流的周期分量亦被称为短路电流的稳态值。

问：配电箱内不是安装了主开关MCB吗？它应当保护线路吧？

确实如此，但MCB从感知线路中出现短路电流，到开始执行开断电路的操作，需要有一段时间。平均地说，最短也需要15毫秒的时间。

从图中我们看到，MCB在这15毫秒时间里，承受了冲击短路电流峰值Ipk的冲击。

由以上分析可知，MCB在开断短路电流期间，必须要具有以下几个参数：

第一个参数：承受冲击短路电流峰值Ipk的能力。这个参数又叫做短路接通能力Icm。

MCB用Icm短路接通能力来承受冲击短路电流峰值Ipk的冲击，它是MCB参数中不可或缺的重要参数。值得注意的是：Icm与Icu的比值正好等于冲击短路电流峰值与短路电流稳态值的比值。这个比值在GB14048.1和GB14048.2中被称为峰值系数n。见下表：

（2）分析参数

表的左侧为短路电流，最右侧为峰值系数n。利用这个表，我们能计算出系统中的短路电流峰值，以及MCB的短路接通能力（如果参数表中未给的话）。

第二个参数：开断短路电流稳态值的能力。这个参数又叫做额定短路分断能力Icn。

第三个参数：开断极限短路电流的能力，它代表着MCB所能开断的最大短路电流，而且开断操作完成后，MCB也就一命归西。这个参数又叫做额定极限短路分断能力Icu。

注意它的操作过程：CLOSE（闭合）-OPEN（打开），接着就是损坏，也即有1个CO。

第四个参数：可重复性地开断短路电流的能力。当MCB开断短路电流后，电路恢复正常，MCB也可以正常地合闸工作，并可以继续开断下一次的短路电流。这个参数又叫做运行短路分断能力Ics。

注意它的操作过程：CLOSE（闭合）-OPEN（打开）-CLOSE（再闭合）-OPEN（再打开），也即有两个CO。代表着可重复性的开断短路电流。

在S200的参数表中，我们看到了如下参数：

额定短路（分断）能力Icn：开断短路电流的能力。

额定极限短路分断能力Icu：也即开断最大短路电流的能力，开断后损坏，必须更换。

额定运行短路分断能力Ics：也即可重复使用的开断短路电流的能力，开断后可继续使用。

三、总结：

把这些电流参数用不等号连接起来，如下：

这个不等式如此重要，它是揭开MCB各个电流参数的一把钥匙。

介电试验电压：

将断路器中所有电子线路都拆除，只剩下主回路部件。当MCB处于开断状态时，我们在它的各个导电部件对安装底座的卡轨（接地体）之间、或者对导电部件与接地体之间施加试验电压。此试验电压代表着MCB绝缘体的绝缘能力。

我们看到，对于S200来说，介电试验用2000V电压测试一分钟。有的时候，又把介电试验称为耐压试验。

污染等级3级。代表着这台MCB可以用在一般性工业污染条件下工作，并能确保绝缘性能。

MCB其实还有很多参数，限于篇幅，只能介绍这几个最主要参数。