断路器知识汇总

4.10断路器

考试大纲10.1掌握断路器的作用、功能、分类10.2了解断路器的主要性能与参数的含义10.3了解断路器常用的灭弧方法10.4了解断路器的运行和维护工作要点断路器分断能力的选择和使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、根据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是很大，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》中的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160KW左右，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)，原边慢慢增加电压，当副边电流达到其额定电流时，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。阻抗电压(ImpedanceVoltage)是将变压器的二次绕组短路，使一次绕组电压慢慢加大，当二次绕组的短路电流达到额定电流时，一次绕组所施加的电压（短路电压）与额定电压的比值百分数。阻抗电压(ImpedanceVoltage)UK(%)是涉及到变压器成本、效率和运行的重要经济指标和对变压器进行状态诊断的主要参数依据之一。同容量的变压器，阻抗电压(ImpedanceVoltage)小的成本低，效率高，价格便宜，另外运行时的压降及电压变动率也小，电压质量轻易得到控制和保证，因此从电网的运行角度考虑，希望阻抗电压(ImpedanceVoltage)小一些好。但从变压器限制短路电流条件考虑，则希望阻抗电压(ImpedanceVoltage)大一些好，以免电气设备（如断路器、隔离开关、电缆等）在运行中经受不住短路电流的作用而损坏。不同容量的变压器对应的阻抗电压(ImpedanceVoltage)值国标是有相关规定的。(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)，对于10/0.4KV电压等级的变压器，Ue=0.4KV，因此简单计算变压器的副边额定电流，应是变压器的容量乘以(1.44-1.5)，即Ite=Ste×(1.44～1.5)。(5)、按照(3)对UK的定义，变压器副边的短路电流(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，变压器副边的短路电流(两相短路)为I(2)=1.732×I(3)/2=0.866I(3)。(7)、以上计算均是变压器出线端（副边）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(所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，三相短路电流I(3)降为4740A；当变压器容量为100KVA时，其出线端的三相短路电流为3616A；短路点离变压器的距离为100m时，短路电流为2440A。远离变压器100m时，三相短路电流分别为0m时的65.74%和67.47%。所以，用户在设计选型时，应计算断路器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；断路器的额定极限短路分断能力Icu≥线路的预期短路电流。因此，在选择断路器时，不必把余量放得过大，以免造成浪费。二、断路器的额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力。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，对断路器额定极限短路分断能力和额定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。额定极限短路分断能力（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)，此时试验按钮未被按下，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(OPEN简称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，就认定它的额定极限短路分断能力试验成功。额定运行短路分断能力(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，就认定它的额定运行短路分断能力试验通过。Icu和Ics短路分断能力试验后，还要进行耐压、保护特性复校等试验。由于额定运行短路分断能力试验后，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短路分断能力因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)都采用它做主(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路的塑壳断路器确保它有足够的极限短路分断能力值。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，都要必须具备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，塑壳式断路器最小允许Ics可以是25%Icu，万能式断路器最小允许Ics是50%的，Ics=Icu的断路器是很少的，即使万能式断路器也少有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，分断能力的宽裕度很大，可做到Ics=Icu，但价格很高）。10.1.1断路器的作用

高压断路器在正常运行时用它接通或切断负荷电流；在电气设备或线路发生短路故障或严重过负荷时，由继电保护装置控制其自动迅速地切断故障电流，切断发生短路故障的设备或线路，以防止扩大事故范围。

10.1.2断路器的功能

断路器开断电路时，充分利用交流电弧电流每半周过零一次自然熄弧的特点，加强去游离使电弧不再复燃。其介质强度恢复主要由断路器灭弧装置和介质特性所决定。系统电压恢复过程可能是周期性的或非同期性的。取决于被开断电路的参数。10.1.3断路器的分类

-/

型号特征额定断流容量，MVAS─少油断路器额定电流，AD─多油断路器派生标志

K─空气断路器C─带有手车装置

Q─产气断路器G─改进型

Z─真空断路器D─带有电磁操作结构

L─六氟化硫断路器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ─断流容量

C─磁吹断路器额定电压，kV

安装条件设计序号

N─户内

W─户外10.1.3断路器的分类1．多油断路器：利用绝缘油作为灭弧介质、相间及相对地绝缘介质。

2．少油断路器：绝缘油只作灭弧介质。载流部分是借空气和陶器绝缘材料或有机绝缘材料来绝缘，灭弧方式多为横向吹动电弧。

3．空气断路器：利用压缩空气的吹动来熄灭电弧的。和控制断路器的分合阐动作。

4．SF6断路器：用SF6气体作绝缘和灭弧介质。

5．磁吹式断路器：当电弧电流通过吹弧线圈以产生磁束来吹弧及消弧。

6．真空断路器：利用真空灭弧和绝缘，灭弧时间一般只有半个周波。10.2断路器的主要性能与参数

1．额定电压及额定电流（1）额定电压指断路器长期工作的标准电压（对三相系统指线电压）。电力系统在运行中允许有±5％的波动，断路器必须适应在电压变化范围内能长期工作，为此断路器出厂时都以最高工作电压进行鉴定。如：对3～220kV范围内，其最高工作电压较额定电压约高15％左右；对330kV以上，规定最高工作电压较额定电压高10%。10.2断路器的主要性能与参数

（2）额定电流指在额定频率下长期通过此电流时，断路器无损伤，且各部分发热不超过长期工作时最高允许发热温度。我国规定额定电流为：200、400、630、（1000）、1250、1600、（1500）、2000、3150、4000、5000、6300、8000、10000、12500、16000、20000A。10.2断路器的主要性能与参数2．额定开断电流和额定断流容量（1）断路器在开断操作时，首先起弧的某相电流称为开断电流。在额定电压下，能保证正常开断的最大短路电流称为额定开断电流。它是标志断路器开断能力的一个重要参数。我国规定额定开断电流为：1.6、3.15、6.3、8、10、12.5、16、20、25、31.5、40、50、63、80、100kA等。10.2断路器的主要性能与参数

（2）把额定条件下的开断能力称为额定断流容量。三相电路的额定断流容量，以（MVA）表示。我国根据国际电工委员会（IEC）的规定，现只把额定开断电流作为表征开断能力的唯一参数，而断流容量仅作为描述断路器特性的一个数值。10.2断路器的主要性能与参数3．关合能力说明断路器关合短路故障能力的参数为额定关合电流。其数值以关合操作时，瞬态电流第一个大半波峰值来表示，制造部门对关合电流一般取额定开断电流的倍即（4-10-1）式中——额定关合电流，kA；

——额定开断电流，kA。断路器关合短路电流的能力除与灭弧装置性能有关外，还与断路器操动机构的合闸功率的大小有关。10.2断路器的主要性能与参数4．耐受性能断路器应具有足够的耐受短时短路电流作用的能力，简称耐受能力。（1）短时热电流（热稳定电流）在规定的时间内（规定标准时间为2s，需要大于2s时推荐4s）断路器在合闸位置，可能经受的短时热电流有效值（kA），称为短时热电流（或短时耐受电流），断路器标准中规定（4-10-2）短时热电流通过断路器时，各零部件的温度不应超过短时发热最高允许温度，且不致出现触头熔接或软化变形，以及其它妨碍正常运行的异常现象。允许发热最高温度数值随材料而异。10.2断路器的主要性能与参数

（2）峰值耐受电流峰值耐受电流亦称动稳定电流，即在规定的使用条件和性能下，断路器在合闸位置时所能经受的电流峰值。它与关合电流不同的是，峰值耐受电流是断路器处于合闸位置时通过的短路电流，而关合电流则是由于断路器关合短路故障所产生的短路电流。峰值耐受电流也是以短路电流的第一个大半波峰值电流来表示，且（4-10-3）峰值耐受电流反映了断路器承受由于短路电流产生电动力的耐受性能，它决定断路器的导电部分和绝缘支撑件的机械强度以及触头的结构形式。10.2断路器的主要性能与参数5．操作性能（1）全开断时间是指断路器接到分闸命令瞬间起到电弧熄灭为止的时间间隔。即（4-10-4）式中——全开断时间，s；

——分闸时间，s；从断路器接到分闸命令瞬间到所有相的触头都分离的时间间隔，亦称为断路器固有分闸时间；

——燃弧时间，s；是指某一相首先起弧瞬间到所有相电弧全部熄灭的时间间隔。10.2断路器的主要性能与参数

全开断时间是说明断路器开断过程快慢的主要参数，它直接影响故障对设备的损坏程度、故障范围、传输容量和系统的稳定性。断路器开断时间示意图

（2）合闸时间处于分闸位置的断路器，从接到合闸命令瞬间起到所有相的触头均接触为止的时间称为合闸时间。

10.2断路器的主要性能与参数6．自动重合闸性能

自动重合闸的操作循环：分—

—合分—

—合分。为断路器开断故障电路，从电弧熄灭起到电路重新接通的时间，称为无电流间隔时间，一般为0.3s或0.5s；为强送电时间，一般为180s。断路器开断时间与无电流间隔时间之和称为自动重合闸时间。金属短接时间系指断路器重合闸操作后，触头闭合到第二次触头分开所需用的时间。10.3灭弧方法

当高压断路器开断高压有载电路时之所以产生电弧，原因在于触头本身及其周围的介质中含有大量可被游离的电子。当分断的触头间存在足够大的外施电压条件下，电路电流也达到最小生弧电流时，会因强烈的游离而产生电弧。工业配电系统主要是交流系统，所以电弧也主要是交流电弧，其性质是半个周期要经过零值一次，而电流过零时，电弧要暂时熄灭。因此，大多数交流开关电器的灭弧方法中，都利用了交流电流过零时电弧暂时熄灭这一特性。

10.3灭弧方法1．速拉灭弧当交流电流经过零值的瞬间，拉大触头间距离，当触头间所加电压不足以击穿其间距时，电弧就不会重新点燃。触头的分离速度越快，电弧熄灭就越快，通常在高压断路器中装设强力的跳脱弹簧来加快触头分开的速度。

10.3灭弧方法2．吹弧灭弧法利用外力（如气流、油流或电磁力）来吹动电弧，使电弧加速冷却，同时拉长电弧，降低电弧中的电场强度，加速电弧的熄灭，按吹弧的方向来分，有横吹和纵吹两种。

a）横吹b）纵吹

10.3灭弧方法

当低压刀开关迅速拉开刀阐时，不仅迅速拉长了电弧，同时使本身回路电流产生的电动力作用于电弧，吹动电弧，使其拉长电弧直到电弧熄灭。如果开关利用专门吹弧线圈来吹动电弧，使电弧移动，电弧移动的力实际上是电弧电流在线圈磁场中产生的电动力。也有的开关利用铁磁物质（钢片等），来吸动电弧。10.3灭弧方法3．冷却灭弧法降低电弧的温度，使正负离子的复合增强，有助于电弧迅速熄灭，这是一种基本的灭弧方法。

4．短弧灭弧法利用金属片将长弧切成若干短弧，则电弧上的压降将近似地增大若干倍。当外施电压小于电弧上的压降时，则电弧就不能维持而迅速熄灭。通常采用钢灭弧栅，让电弧进入钢片，一是利用了电动力吹弧，二是利用了铁磁吸弧，同时钢片对电弧还有冷却作用。10.3灭弧方法5．狭缝灭弧法电弧在固体介质所形成的窄沟内燃烧，将电弧冷却，同时电弧在狭缝窄沟中燃烧，压力增大，有利于电弧的熄灭。有的熔丝在熔管内充填石英砂，就是利用这种狭沟灭弧原理，还有一种用耐弧的绝缘材料（陶瓷类）制成灭弧栅，也是利用了这种灭弧原理。10.3灭弧方法6．真空灭弧法真空具有较高的绝缘强度，如果将开关触头装置置于真空容器，则在电流过零时，即能熄灭电弧。为防止产生过电压，应当不使触头分开时，电流突变为零。一般应在触头间产生少量金属蒸汽，形成电弧通道。当交流电流自然下降过零前后，这些等离子态的金属蒸汽便在真空中迅速飞散而熄灭电弧。

10.4.1高压断路器的操作要求

1．正常操作的要求（1）新装或大修后的断路器，投运前必须验收合格才能施加运行电压。（2）断法器的分、合闸指示器应指示正确，且与当时实际运行相符。（3）断路器接线板的连接处或其它必要的地方应有监视运行温度的措施，如示温蜡片等。（4）断路器金属外壳接地良好且有明显的接地标志，接地体的截面积符合规程要求。（5）油断路器的油色应正常，油位应在油位指示的上、下限油位监视线中，绝缘油牌号和性能应满足当地最低气温的要来，油质合格。（6）六氟化硫断路器，为监视其气体压力，应装有密度继电器或压力表，并附有压力表和压力温度关系曲线，其有SF6气体补气接口。（7）真空断路器应配有限制操作过电压的保护装置。10.4.1高压断路器的操作要求2.断路器操作机构的要求（1）操作机构动作电压应满足：低于额定电压的30％时不动作；高于额定电压的65％时可靠动作。（2）机构箱应具有防尘、防潮、防小动物进入及通风措施，液压与气动机构应有加热装置和恒温控制措施。（3）电磁操作机构的合闸电源应保持稳定。运行中电源电压如有变化，其电压不低于额定电压的80％，最高不得高于额定电压的110％。（4）液压操作机构应具有防“失压慢分”装置，并用有防“失压慢分”的机构卡具。所谓“失压慢分”是指液压操作机因某种原因压力降到零，然后重新启动油泵打压时，造成断路器缓慢分闸、采用液压或气动机构时，其工作压力大于1MPa（表压）时，应有压力释放装置。（5）弹簧操作机构在断路器合闸释放能量后，应能自动再次储能。

10.4.1高压断路器的操作要求3．故障状态下的操作要求：（1）断路器在运行中，由于某种原因造成油断路器严重缺油，六氟化硫断路器气体压力异常（如突然降至零等），严禁对断路器进行停、送电操作，应立即断开故障断路器的控制电源，及时采取措施，将故障断路器退出运行。（2）分相操作的断路器操作时，发生非全相合闸，应立即将已合上相拉开，重新操作合闸一次，如仍不正常，则应拉开合上相后汇报，上级派员处理。当发生非全相分闸时，应立即拉开故障开关控制电源，手动操作将拒动相分闸。（3）严禁将有拒跳或合闸不可靠的断路器投入运行。

10.4.2高压断路器的异常运行

1.油断路器（1）油断路器声音异常（2）油断路器油位异常（3）油断路器油质发黑（4）断路器过热（5）跳合闸线圈冒烟（6）断路器跳合闸不同期10.4.2高压断路器的异常运行2．真空断路器常见异常运行（1）电动合不上闸（2）合闸合空（3）电动不脱扣（4）分合闸不可靠（5）合闸线圈烧毁（6）分闸线圈烧毁（7）辅助开关烧毁10.4.2高压断路器的异常运行3．六氟化硫断路器常见异常运行（1）泄漏气体（2）闪络放电。（3）分合闸不可靠10.4.3高压断路器的故障1．应停电处理的情况（1）严重漏油，油标管中已看不见油位。（2）本体或连接处过热变色或烧红。（3）支持绝缘子断裂或套管炸裂。（4）绝缘子严重放电。（5）SF6断路器的气体压力值低于闭锁值。（6）液压机构的压力值低于闭锁值。（7）弹簧机构和弹簧拉力不够，闭锁信号不能复归。（8）气动机构的气压低于闭锁值。10.4.3高压断路器的故障2．10～35kV的少油断路器合闸后支持绝缘子断裂

3．10～35kV的少油断路器拉杆绝缘子断裂或拉杆销子脱落

4．油断路器严重缺油

5．油断路器着火

6．断路器误跳闸

7．断路器拒绝合闸

8．真空断路器真空度下降

9．SF6断路器漏气

10．操作机构故障10.5低压断路器

低压断路器用作交、直流线路的过载、短路保护，被广泛应用于建筑照明、动力配电线路、用电设备作为控制开关和保护设备，也可用于不频繁起动电动机以及操作或转换电路。

10.5低压断路器1．种类（1）万能式断路器

（2）塑料外壳式断路器

（3）电动斥力式限流断路器

（4）剩余电流保护断路器（5）直流快速断路器（6）灭磁断路器

10.5低压断路器2．低压断路器的选用要点表示低压断路器性能的主要指标有分断能力和保护特性。分断能力是指开关在指定的使用和工作条件及在规定的电压下接通和分断的最大电流值（kA）。保护特性主要分为过电流保护、过载保护和欠电压保护三种。10.5低压断路器

（1）额定电压断路器的额定电压应大于线路额定电压。主要是交流380V或直流220V的供电系统。按线路额定电压进行选择时应满足下列条件：（4-10-5）式中——低压断路器的额定电压，V；

——线路的额定电压，V。

10.5低压断路器

（2）额定电流断路器的额定电流与过电流脱扣器的额定电流应大于线路计算负荷电流。当按线路的计算电流选择时，应能满足下式：（4-10-6）式中——低压断路器的额定电流，A；

——线路的计算电流或实际电流，A。如果环境温度低于+40℃，则电器产品温度每低1℃，允许电流比额定电流值增加0.5%。但增加总数不得超过20％。10.5低压断路器

断路器的保护定值（1）长延时脱扣器的电流整定值，动作时间可以不小于10s；长延时脱扣器只能作过载保护。（2）短延时脱扣器的电流整定值，动作时间约为0.1～0.4s；短延时脱扣器可以作短路保护，也可以作过载保护。（3）瞬时脱扣器的电流整定值，其动作时间约为0.02s。瞬时脱扣器一般用作短路保护。10.5低压断路器

（3）瞬时过电流脱扣器的整定电流瞬时脱扣器的动作时间为0.02s左右。瞬时或短时过电流脱扣器的整定电流应能躲开线路的尖峰电流。

1）负载是单台电动机，整定电流按下式计算（4-10-7）式中——瞬时或短时过电流脱扣器整定电流值，A；

——可靠系数，对动作时间大于0.02s的断路器，K

取1.35，对动作时间小于0.02s的断路器K取

1.7～2.0；

——电动机的起动电流，A。10.5低压断路器2）当配电线路不考虑电动机的起动电流时，按下式计算整定值（4-10-8）式中——配电线路的尖峰电流，A；

——可靠系数，一般取1.35。

3）当配电线路考虑电动机的起动电流时，按下式计算整定值（4-10-9）式中——正常工作电流和可能出现的自起动电机的起动电流的总和，A。10.5低压断路