斷路器的選擇和應用

在近年來與斷路器的使用者進行深入磋商和探討的過程中，筆者還在專業刊物上閱讀了多篇關于斷路器選用的文章，這些經歷讓筆者受益匪淺。然而，筆者也意識到，斷路器的設計和制造者與用戶之間的溝通和宣傳不足，這導致了用戶在選擇低壓斷路器時存在一定的偏差和誤解。

基于此，筆者希望通過再次探討斷路器的選擇和應用，引發更多的思考和討論，去除錯誤的觀念，揭示真實的情況。筆者將詳細闡述斷路器的特性、性能參數以及在不同應用場景下的選擇原則。同時，筆者還會強調用戶與制造商之間加強溝通的重要性，以確保用戶能夠做出更加明智的選擇。

此外，筆者將引用相關領域專家的研究成果和實際案例，進一步支持我的觀點。通過這些努力，我相信我們能夠提高對斷路器的理解和應用水平，為電力系統的安全穩定運行提供更好的保障。

? 01 線路預期短路電流的計算來選擇斷路器的分斷能力

精確的線路預期短路電流的計算是一項極其繁瑣的工作。因此便有一些誤差不很大而工程上可以被接受的簡捷計算方法：

(1)、對于10/0.4kV電壓等級的變壓器，可以考慮高壓側的短路容量為無窮大(10kV側的短路容量一般為200~400MVA甚至更大，因此按無窮大來考慮，其誤差不足10%)。

(2)、GB50054-95《低壓配電設計規范》的2.1.2條規定：“當短路點附近所接電動機的額定電流之和超過短路電流的1%時，應計入電動機反饋電流的影響”，若短路電流為30kA，取其1%，應是300A，電動機的總功率約在150kW，且是同時啟動使用時此時計入的反饋電流應是6.5∑In。

(3)、變壓器的阻抗電壓Uk表示變壓器副邊短接(路)，當副邊達到其額定電流時，原邊電壓為其額定電壓的百分值。因此當原邊電壓為額定電壓時，副邊電流就是它的預期短路電流。

(4)、變壓器的副邊額定電流Ite=Ste/(1.732*Ue)式中Ste為變壓器的容量(kVA)，Ue為副邊額定電壓(空載電壓)，在10/0.4kV時Ue=0.4kV因此簡單計算變壓器的副邊額定電流應是變壓器容量×(1.44～1.50)。

(5)、按(3)對Uk的定義，副邊的短路電流(三相短路)為I(3)對Uk的定義，副邊的短路電流(三相短路)為I(3)=Ite/Uk，此值為交流有效值。

(6)、在相同的變壓器容量下，若兩相間短路，則I(2)=1.732I(3)/2=0.866I(3)

(7)、以上計算均是變壓器出線端短路時的電流值，這是最嚴重的短路事故。如果短路點離變壓器有一定的距離，則需考慮線路阻抗，因此短路電流將減小。

例如SL7系列變壓器(配導線為三芯鋁線電纜)，容量為200kVA，變壓器出線端短路時，三相短路電流I(3)為7210A。短路點離變壓器的距離為100m時，短路電流I(3)降為4740A；當變壓器容量為100kVA時其出線端的短路電流為3616A。離變壓器的距離為100m處短路時，短路電流為2440A。 遠離100m時短路電流分別為0m的65.74%和67.47%。所以，用戶在設計時，應計算安裝處(線路)的額定電流和該處可能出現的最大短路電流。并按以下原則選擇斷路器：斷路器的額定電流In≥線路的額定電流IL；斷路器的額定短路分斷能力≥線路的預期短路電流。因此，在選擇斷路器上，不必把余量放得過大，以免造成浪費。

? 02 斷路器的極限短路分斷能力和運行短路分斷能力

國際電工委員會的IEC947-2和我國等效采用IEC的GB4048.2《低壓開關設備和控制設備 低壓斷路器》標準，對斷路器極限短路分斷能力和運行短路分斷能力作了如下的定義：

斷路器的額定極限短路分斷能力(Icu)：按規定的試驗程序所規定的條件，不包括斷路器繼續承載其額定電流能力的分斷能力；

斷路器的額定運行短路分斷能力(Ics)：按規定的試驗程序所規定的條件，包括斷路器繼續承載其額定電流能力的分斷能力。

極限短路分斷能力Icu的試驗程序為o--t-co，具體試驗是：把線路的電流調整到預期的短路電流值(例如380V，50kA)，而試驗按鈕未合，被試斷路器處于合閘位置，按下試驗按鈕，斷路器通過50kA短路電流，斷路器立即開斷(OPEN簡稱O)并熄滅電弧，斷路器應完好，且能再合閘。

t為間歇時間(休息時間)，一般為3min，此時線路處于熱備狀態，斷路器再進行一次接通(CLOSE簡稱C)和緊接著的開斷(O)(接通試驗是考核斷路器在峰值電流下的電動和熱穩定性和動、靜觸頭因彈跳的磨損)。此程序即為CO。斷路器能完全分斷，熄滅電弧，并無超出規定的損傷，就認定它的極限分斷能力試驗成功。

斷路器的運行短路分斷能力(Ics)的試驗程序為o-t-co-t-co，它比Icu的試驗程序多了一次co。經過試驗，斷路器能完全分斷、熄滅電弧，并無超出規定的損傷，就認定它的額定進行短路分斷能力試驗通過。

Icu和Ics短路分斷試驗后，還要進行耐壓、保護特性復校等試驗。由于運行短路分斷后，還要承載額定電流，所以Ics短路試驗后還需增加一項溫升的復測試驗。Icu和Ics短路或實際考核的條件不同，后者比前者更嚴格、更困難，因此IEC947-2和GB14048.2確定Icu有四個或三個值，分別是25%、50%、75%和100%Icu(對A類斷路器，即塑殼式)或50%、75%、100%Icu(對B類斷路器，即萬能式或稱框架式)。斷路器的制造廠所確定的Ics值，凡符合上述標準規定的Icu百分值都是有效的、合格的產品。

萬能式(框架式)斷路器，絕大部分(不是所有規格)都具有過載長延時、短路短延時和短路瞬動的三段保護功能，能實現選擇性保護，因此大多數主干線(包括變壓器的出線端)都采用它作主(保護)開關，而塑殼式斷路器一般不具備短路短延時功能(僅有過載長延時和短路瞬動二段保護)，不能作選擇性保護，它們只能使用于支路。

由于使用(適用)的情況不同，IEC92《船舶電氣》建議：具有三段保護的萬能式斷路器，偏重于它的運行短路分斷能力值，而大量使用于分支線塑殼斷路器確保它有足夠的極限短路能力值。

我們對此的理解是：主干線切除故障電流后更換斷路器要慎重，主干線停電要影響一大片用戶，所以發生短路故障時要求兩個CO，而且要求繼續承載一段時間的額定電流，而在支路，經過極限短路電流的分斷和再次的合、分后，已完成其使命，它不再承載額定電流，可以更換新的(停電的影響較小)。

但是，無論是萬能式或塑殼式斷路器，都有必須具備Icu和Ics這兩個重要的技術指標。只有Ics值在兩類斷路器上表現略有不同，塑殼式的最小允許Ics可以是25%Icu，萬能式最小允許Ics是50%的，Ics=Icu的斷路器是很少的，即使萬能式也少有Ics=100%Icu的。

（國外有一種采用旋轉雙分斷(點)技術的塑殼式斷路器，它的限流性能極好，分斷能力的裕度很大，可做到Ics=Icu，但價格很高）。

我國的DW45智能型萬能式斷路器的Ics為62.5%～65%Icu，國際上，A BB 公司的F系列，施耐德的M系列也不過是70%左右，而塑殼式斷路器，國內各種新型號，Ics大抵在50%～75%Icu之間。

有些斷路器應用的設計人員，按其所計算的線路預期短路電流選擇斷路器時，以斷路器的額定運行短路分斷能力來衡量，由此判定某種斷路器（此斷路器的極限短路能力大于線路預期短路電流，而運行短路分斷能力則低于計算電流）為不合格。這是一個誤解。

例如一臺容量為1600kVA的變壓器，其副邊的額定電流為2312A，阻抗電壓百分數Uk取6%，最大預期短路電流應為38.5kA，作保護用的斷路器額定短路分斷能力應是40kA，若選DW15 -2500Y的2500A或DW45 - 3200的2500A作主開關是能勝任的。由于現代的動力中心的變壓器與配電柜相距很近，甚至安裝在一起，因此即使是支路，額定電流在100A，它的預期短路電流也是很大的。 因此，也要求線路中的塑殼斷路器的短路分斷能力應達到380V、40kA。有文章斷定某一新型塑殼式斷路器（殼架等級電流160A，Icu380V、50kA，Ics380V、35kA）不能選用，理由是它的Ics僅35kA，小于線路預期電流38.5kA。這是一種誤解。該型號斷路器使用于支路，即使通過支路的短路電流為38.5kA，但此斷路器Icu大50kA，完全可以勝任。 因此判斷塑殼式斷路器能否勝任某一線路保護開關，是看它的Icu能否大于線路的預期短路電流。而它的Ics即使小一點，也無礙于它的作用的發揮。因為短路事故多種多樣，例如兩相短路（其短路電流為三相短路值的二分之根號三），或者離電源較遠的地方，如50m、100m，即使是三相短路，由于阻抗的原因，三相短路時，事故電流大約是50%～60%的三相最大預期值。

? 03 斷路器的電氣間隙與爬電距離

確定電器產品的電氣間隙，必須依據低壓系統的絕緣配合，而絕緣配合則是建立在瞬時過電壓被限制在規定的沖擊耐受電壓，而系統中的電器或設備產生的瞬時過電壓也必須低于電源系統規定的沖擊電壓。因此：

(1)電器的額定絕緣電壓應≥電源系統的額定電壓 (2)電器的額定沖擊耐受電壓應≥電源系統的額定沖擊耐受電壓 (3)電器產生的瞬態過電壓應≤電源系統的額定沖擊耐受電壓。

基于以上三原則，電器的額定沖擊耐受電壓(優先值)Uimp就與電源系統的額定電壓所確定的相對地電壓的最大值和電器的安裝類別(過電壓類別)等有很大的關系：相對地電壓值越大，安裝類別越高【分為I(信號水平級)、Ⅱ(負載水平級)、Ⅲ(配電水平級)、Ⅳ(電源水平級)】，額定沖擊電壓就越大。

例如相對地電壓為220V，安裝類別為Ⅲ時，Uimp為4.0kV，要是安裝類別為Ⅳ，Uimp為6.0kV。電器產品(例如斷路器)的Uimp為6.0kV污染等級3級或4級，其最小的電氣間隙是5.5mm。

DZ20、CM1系列塑殼斷路器的電氣間隙均為5.5mm(安裝類別Ⅲ)，只是用于電源級安裝，如DZ20系列的800以上規格，Uimp為8.0kV，電氣間隙才提高到≥8mm。

而產品的實際的電氣間隙，如HSM1系列，Inm(殼架等級電流)=125A時，電氣間隙為11mm，160A為16mm，250A為15mm，400A為18.75mm，630和800A均為300mm，都大于5.5mm。

關于爬電距離，GB/T14048.1《低壓開關設備與控制設備 總則》規定：電器(產品)的最小爬電距離與額定絕緣電壓(或實際工作電壓)、電器產品使用場所的污染等級以及產品本身使用的絕緣材料的性質(絕緣組別)有關。

例如：額定絕緣電壓為660(690)V，污染等級為3，產品使用的絕緣材料組別為Ⅲa(175≤cti〈400，CTI為絕緣材料的漏電起痕指數〉，最小爬電距離為10mm。上面所提到塑殼式斷路器的爬電距離都大大超過規定的數值。

綜上所述，如果電器產品的電氣間隙和爬電距離，達到絕緣配合要求，就不會因為外來過電壓或線路設備本身的操作過電壓造成設備的介質電擊穿。GB7251.1-1997《低壓成套開關設備和控制設備 第一部分：型式試驗和部分型式試驗成套設備》(等效于IEC439-1：1992)，對絕緣配合的要求與GB/T14048.1是完全一樣的。

有一些成套電器制造廠提出斷路器接線用銅排，其相與相之間的(空氣)距離應大于12mm，有的甚至提出斷路器的電氣間隙應大于20mm。這種要求是不合理的，它已經超出了絕緣配合的要求。對于大電流規格，為了避免在出現短路電流時產生電動斥力，或是大電流時導體發熱，為了增加散熱空間，因而適當加寬相間的空間距離也是可以的。

此時無論是達到12mm或20mm，都可由成套電器制造廠自行解決，或請電器元件廠提供有彎頭的接線端子或聯結板(片)來實現。一般斷路器出廠時，都提供電源端相間的隔弧板，以防止電弧噴出時造成相間短路。零飛弧的斷路器為防開斷短路電流時有電離分子逸出，也安裝這種隔弧板。如果沒有隔弧板，則對裸銅排可包扎絕緣帶，其距離應不小于100mm。

? 04 關于四極斷路器的選擇與應用

關于四極斷路器的應用，目前國內還沒能對國家標準或規程之類作硬性的使用要求的規定，雖然地區性四極電器(斷路器)的設計規范已經出臺，但安裝與不安裝四極電器的爭論還在進行中，某些地區的使用近年來出現一窩蜂的趨勢，各斷路器制造廠也紛紛設計，制造各種型號的四極斷路器投放市場。筆者同意一種意見，就是用或不用應以是否能確保供電的可靠性、安全性為準，因此大體上是：

(1)TN-C系統。TN-C系統中，N線與保護線PE合二為一(PEN線)，考慮安全，任何時候不允許斷開PEN線，因此絕對禁用四極斷路器；

(2)TT系統、TN-C-S系統和TN-S系統可使用四極斷路器，以便在維修時保障檢修者的安全，但是TN-C-S和TN-S系統，斷路器的N極只能接N線，而不能接PEN或PE線；

(3)裝設雙電源切換的場所，由于系統中所有的中性線(N線)是通聯的，為了確保被切換的電源開關(斷路器)的檢修安全，必須采用四極斷路器；

(4)進入住宅的單相總開關，宜選用帶N極的二極斷路器(檢修時作隔離器之用)；

(5)用于380/220V系統的剩余電流保護器(漏電斷路器)，中性線必須穿越保護器的零序電流互感器(鐵心)，防止無中性線的穿過，使220V的負載有泄漏電流而誤動作，此時應選用四極或帶中性線的二極剩余電流保護器。

來源：網絡

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