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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 單相導軌開關電源

張白帆：斷路器的基本原理

發布日期：2022-07-16 點擊率：84

斷路器的基本原理
當插線板發生短路，短路電流流過故障插線板，流過電纜導線，當然也流過開關電器，并引起電氣火災。緊急時刻，我們當然期望某路開關電器(斷路器)執行保護跳閘。經過一段短暫的時間后，某路總開關斷路器執行跳閘保護。

但斷路器執行完保護后，我們能把它合上繼續為我們供電嗎？這里面有什么學問？

斷路器中流過正常的運行電流時，隨著時間的推移，斷路器中的保護測控裝置探測到的發熱量不大，未越過發熱量門限限制值，斷路器當然不會執行跳閘操作；當斷路器中流過非正常的較大電流時，斷路器中的保護測控裝置探測到的發熱量較大，越過了發熱量門限值，斷路器執行跳閘操作。

這里的門限，指的是斷路器的保護整定值。

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，斷路器動作的時間就越短，它執行線路保護就越快。這種特性有一個專有名詞，叫做斷路器的反時限保護特性。

現在，我們來一點數學知識，看看什么叫做反時限特性。

我們來看Y=K/X和Y=K/X²這兩個冪函數，這里令K=1，得到如下圖像：

Y=K/X和Y=K/X2這兩個冪函數圖像

我們馬上就能想到：如果讓縱坐標Y為斷路器的動作時間t，而橫坐標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作時間越快的保護方式來執行線路保護操作。

事實上，斷路器的保護操作就是按這個原則來進行的。對應的曲線叫做斷路器的反時限保護特性曲線。

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

下圖是ABB的某型斷路器的熱磁式脫扣曲線：

圖中紅色的是熱態曲線，藍色的是冷態曲線。

有幾個地方需要解釋：
第一：關于斷路器特性曲線的冷態曲線和熱態曲線
冷態曲線指的是斷路器剛剛送電，斷路器內部的溫度與環境溫度是一致的，此時的曲線在曲線簇的右側；熱態曲線指的是斷路器送電后已經進入了穩定狀態，此時的曲線在曲線簇的中間或者左側。

熱態曲線和冷態曲線在橫坐標中的范圍，其實就是斷路器短路保護的范圍。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。

斷路器熱態曲線和冷態曲線
為何如此？我將在后面結合斷路器內部結構來解釋。

第二：關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：關于斷路器的過載保護曲線和短路保護曲線
當線路發生過載時，也許是因為電壓浪涌使得電流暫時性變大，等電壓浪涌過去，電流就會恢復正常；也許是因為負載瞬時變重，使得電流加大，但負載恢復后，電流也會恢復。如此一來，斷路器的保護就需要有一定時間的延遲。

斷路器的過載保護曲線和短路保護曲線

我們看過載保護曲線。例如B特性冷態曲線的橫坐標為2倍額定電流即2Ie位置，此時的縱坐標值為6秒，表示斷路器將在5秒后執行過載保護跳閘。這里的6秒就是保護時延(注意：時延指的是保護操作機構的動作時間延遲)特性。

當線路發生短路時，這屬于緊急狀態，斷路器必須馬上跳閘。

我們看B特性冷態曲線橫坐標為4Ie的位置，它的動作時間為0.02s，而5Ie的位置動作時間是0.01s。

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

我們把5Ie之后的特性曲線叫做定時限保護特性曲線，所有短路保護的時間都是0.01s；把4Ie到5Ie的這一段叫做短路短延時保護特性曲線。
短路短延時保護特性的目的與過載保護特性類似，期望短路是一個短暫的臨時現象，如果短路在0.01秒時間內消失，則斷路器就不做開斷操作。
總結一下我們學到的知識：
1、斷路器內部的保護測控裝置能實現過電流的線路保護；
2、斷路器的過載保護具有反時限保護特性；
3、斷路器的短路保護分為兩段，其一具有反時限的短路短延時保護特性，其二具有定時限保護特性。