2024数据中心低压开关技术规范

11数据中心低压开关技术PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANVIII目录版权声明 I编制说明 II前 言 III一、概述 1二、数据中心低压配电系统 3（一）低压配电系统特点 3概述 3数据中心低压配电系统 3（二）低压配电系统接地方式 5（三）数据中心低压配电系统组成设备 11变压器 11低压成套柜 12UPS 13高压直流电源 14精密列头柜 156.配电箱（柜） 16（四）低压配电系统保护 17低压配电系统保护要求 17低压配电系统保护类型 19三、数据中心常用低压开关器件分类 26（一）断路器 26空气断路器（ACB） 26塑壳式断路器（MCCB） 27微型断路器（MCB） 29（二）隔离开关 31（三）转换开关电器 32（四）接触器与继电器 34接触器的结构和原理 35接触器的主要特征 35接触器的分类 36（五）熔断器 37熔断器的结构和原理 37熔断器的特点 37熔断器的分类 38（六）电涌保护器及其保护开关 38四、低压开关分断技术 40（一）断路器结构组成与分断原理 41一般断路器的结构组成 41一般断路器的动作原理 45（二）低压交流开关灭弧原理 46（三）低压直流断路器分断原理 48直流电弧的稳定燃烧点 48直流电弧的熄弧条件 50直流电弧的灭弧方法 50（四）低压开关分断技术手段 54机械开关 54固态开关 60复合开关 61五、低压开关特性与参数 63（一）额定电压 63额定工作电压 63额定绝缘电压 63额定冲击耐受电压 63（二）额定电流 64约定自由空气发热电流 64额定工作电流Ie 65额定不间断电流 65（三）额定分断能力 66额定极限短路分断能力 66额定运行短路分断能力 67（四）短路特性 68额定短路耐受电流（热稳定电流）Icw 68额定短路接通电流Icm 69（五）脱扣器与脱扣曲线 69热脱扣器 69磁脱扣器 70欠压脱扣器 70分励脱扣器 71脱扣器保护类型 72脱扣曲线 75（六）安装与应用 82安装环境特性 82防护等级 84安装数量 84（七）使用类别 85六、低压开关应用 87（一）低压开关的选择性及后备保护 87低压断路器的选择性 87后备保护与选择性增强 94（二）低压开关选型方法 97进线及母联断路器的选型 97UPS输入输出断路器的选型 102末端塑壳断路器的选型 108HVDC系统的断路器选型 113（三）低压开关选用常见问题 115剩余电流型接地故障保护与中性线互感器的选用 115短路短延时时间的设定级差 117反时限与定时限的选用 121热磁脱扣器过载特性的修正与降容 123（四）低压开关的维护 127开关设备维护的意义 127开关设备维护分类 129开关设备维护频率 134低压开关的维护建议和措施 135七、低压开关技术展望 147（一）数据中心低压配电系统演进方向 147模块化（预制化） 147架构简洁化 148绿色低碳能源 149配电管理智慧化 150（二）低压开关技术路径 1511.集成化 1512.模块化 1553.智能化 156（三）面向IDC的低压开关技术 157（四）智能化技术的发展 159（五）绿色低碳 161PAGEPAGE10数据中心低压开关技术白皮书一、概述5G、物联网、云计算、AI据计算量呈现井喷式增长，配套的数据中心与通信基站投资及建设力度也不断加大。国家高度重视数据中心产业的发展，“十四五”2035心体系，强化算力统筹智能调度，建设若干国家枢纽节点和大数据E10E员会等部委印发关于《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢在国家新基建政策的引导下，数据中心逐步向绿色、低碳和高能效方向发展。随着数据中心规模不断增大，导致耗电量剧增。据国家能源局数据显示，202227003.1%，足以满足上海、深圳两座超大型城市的全年用电需求。IDC20245%以上。面对严峻的用能形势，新型数据中心逐步开始采用先进的供配电与空调制冷解决方案来降低能耗，这也对数据中心设计、及设备供应商提出了更高要求，也要求工程总包具备多产业集成能力。同时，算力需求的激增助推数据中心建设速度迎来高峰，国家及各地相继出台政策规范数据中心的能源使用效率（PowerUsageEffectivenessPUE）。20221家发改委、工信部、国管局和国家能源局发布《贯彻落实碳达峰碳5G2025能源利用率明显提升，全国新建大型、超大型数据中心平均电能利1.31.254APUE算与“双碳”战略背景下，国家政策与法规的不断出台，既对数据中心行业发展起到规范与引导作用，也对数据中心供配电系统提出数据中心低压配电系统主要由低压开关、UPS、供电电缆等设备或环节组成，设计合理的配电系统是数据中心安全可靠、绿色低碳运行的关键。低压开关是低压配电系统的重要组成设备，在数据中心配电设备的数量占比非常可观，也承担着系统保护与运行控制的关键作用。根据格物致胜《中国低压电器白皮书》测算，20223214.5%。本白皮书将主要聚焦讨论数据中心内低压开关技术，包括低压开关分断技术、器件分类、特性参数、选用维护与技术展望等，以期为数据二、数据中心低压配电系统（一）低压配电系统特点概述数据中心供配电系统为数据中心用电设备提供安全可靠的电能供应。数据中心供配电系统通常至少包括低压配电环节；大型数据中心园区通常包括中压10kV供电环节；部分特大园区甚至包括110kV220kV自建变电站，将高压交流电转换为中压交流电向园区用电设备馈能。对于数据中心供配电系统的核心要求是能够保障数据中心中ICT7*24ICTICT数据中心低压配电系统数据中心低压配电系统一般指交流380V系统，部分数据中心配备有直流电源设备，但通常也是通过低压交流作为输入转换而来，配套的后端直流配电设备（通常为DC48V、DC240V或DC336V）与AC380V系统设备共同组成数据中心低压配电系统。从能量流动链路的方向来看，典型的数据中心低压配电系统通常从10kV干式变压器低压绕组输出端子开始，通过低压配电柜、交直流不间断电源、精密列头柜以及PDU等配电设备，将能量层层传递至服务器PSU电源，最终转换成不同低压直流环节输出，为服务器CPU、存储等设备提供不间断的电能。变压器低压绕组出线与低压柜连接之后，通过低压柜以点状配电方案或线状配电方案将电能馈出。根据变压器容量以及后端负载特性，可规划合适数量的设备以及合适的设备层级，合理的设备连接方式。低压柜可通过密集母线或者电缆的形式将电能分配至后端配电或者不间断电源设备。数据中心为保证给ICT且不间断的电能，增加不间断电源系统。通过电力电子变流技术，将交流输入通过整流加上逆变的环节，将市电电网中馈入的电能提升为输出更加稳定的电压源，同时直流环节的母线是挂载电化学电池）成组的备电电池直挂在不间断电源的直流母线上，在市电故障无法保持持续供应时，输出电能供应后端ICTIT接，通过精密列头柜输出母线分流为更多的支路，每条支路通常与ICT母线的形式承载不间断电源系统馈出支路的输入，电能通过不同节点的电缆将电能馈出到机柜。当然这两种形式本质原理是一致的，如何选用由用户配电场景ITDistributionUnit）设备，将电能进一步分配给机柜ICT精密列头柜输出支路的电缆通常直接与机柜集中式电源框（PowerShelf）通过连接器相连，从而省掉PDU设备。以上是对数据中心主要的用电设备——ICT设备的低压配电系统的阐述。对于保证ICT设备运行在合适的温度环境的空调制冷系统，根据设备的重要性设计有不同的配电方案。对于重要的空调设备或者子系统，通常需要配置双路不间断电源。现有大型数据中心空调系统通常采用AC380V系统供电，通常不间断电源系统采用UPS电源，UPS馈出支路直接与动力配电箱（柜）连接，动力配电箱（柜）的支路电缆作为重要空调设备或子系统的输入与后者连接。对于不重要的空调设备，低压配电柜馈出的电缆直接与空调设备输入前端配电箱连接。数据中心除了ICT设备与空调设备两大最主要的配电场景，还包括照明、消防、安防、监控等配电场景。这些配电场景包含的设备主要是通过配电箱输入电能，只是根据设备是否有不间断供电的要求，配电箱输入分为与不间断电源馈线电缆连接和低压柜馈线直接连接。（二）低压配电系统接地方式低压配电系统的接地主要包括系统接地和保护接地。系统接地是指低压配电网内电源端带电导体的接地，通常低压配电网的电源端是指变压器、发电机等设备中性点。保护接地是指负荷端电气装置外露导电部分的接地，其中负荷端电气外露导电部分是指电气装置内电气设备金属外壳、布线金属管槽等外露部分。低压配电系统TNTTIT字母说明电源与大地的关系，第二个字母说明电气装置的外露导电TN外露导电部分则通过与接地的中性点连接而实现接地。TNPETN-CTN-STN-C-STN-CNPE一的；TN-SNPETN-C-SNPE进线点之后分为NPETN接地系统特征：TN接地系统中单相接地故障电流被放大为短路故障电流，TNTNTN-CTN-CPEN复接地的措施，使得系统不能使用剩余电流动作保护装置。图2-1TN-C接地系统接地故障保护TN-SNPE在整个过程中各自独立分开敷设，但在电源端两者合并在一起接入电源设备中性点，电源设TN-S图2-2TN-S接地系统接地故障保护与剩余电流保护TN-C-S系统中中性线和保护线前部分按PEN导线敷设，后部分各自分开敷设，且分开后不能再合并。TN-C-STN-C适合不平衡负载，而TN-S部分适用于平衡负载。TN-C-S配套使用剩余电流动作保护装置，只是后部的TN-SPEITITIT地故障时，电网的接地电流很小，系统仍能维持正常工作状态，通常对于不停电要求较高的场所ITIT系统某相接地短路后另外两相对地电压会升高到接近线电压，若人体触及另外的两条相线，触电电流将流经人体和大地，最后经过接地相线返回电网，容易造成人员伤亡。因此IT配置剩余电流动作保护装置RCD。图2-3IT接地系统的绝缘监测和RCD保护IT接地系统应用特征：IT当出现第一次接地故障报警信息时，操作人员可对系统实施必要的故障定位和故障排除，从而有效防止供电中断；当发生第二次异相接地故障时能启动过电流保护装置或RCDTT接地系统的特征是应用于三相四线制且所有终端用电设备的外露可导电部分均各自由PE线单独接地。TT系统的用电设备端接地极和电源接地极之间可以不相连，也可以相连。TT系统用电设备的中性线不允许中断，若必须要分断中性线，则中性线不允许在相线分断之前先分断，同时中性线也不允许闭合之后再闭合。TT系统发生单相接地故障时，接地电流比较小，不能驱动断路器或熔断器执行接地故障保护操作。因此TT系统推荐使用剩余电流动作保护装置。图2-4TT接地系统的接地故障RCD保护TT系统的应用特征：TT接地系统的设计和安装较为简单，适用于公用电网直接TTTTTT接地系统发生接地故障时将出现供电中断，供电中断仅根据GB50174-2017规定，数据中心低压配电系统的接地型式宜采用TN系统。采用交流电源的电子信息设备，其配电系统应采用TN-S系统。数据中心低压配电采用TN-S系统可以对雷电浪涌进行多级保护，对UPS和电子信息设备进行电磁兼容保护。此外，TN-S系统还具备以下优势：TN-SPEN误，除微量对地泄漏电流外，PE线平时不通过电流，也不PE因此电气装置的外露导电部分对地平时几乎不带电位，比较当出现相线碰壳的情况时，相当于相线直接对地短路，由于PE线阻抗很小，瞬间短路电流很大，会直接导致前端过电流保护开关断开，不会对人身造成危害，因此TN-STN-SN致中性点带电，但是由于中性点和外壳并无电气连接，因此（三）数据中心低压配电系统组成设备变压器变压器是具有两个或两个以上绕组的静止设备，为了传输电能，在同一频率下，通过电磁感应将一个系统的交流电压和电流转换为另一个系统的交流电压和电流，通常这些电流和电压的值是不同的。从安全可靠、维护便利、环保、防火防爆、安装施工角度考虑，干式变压器相比于油浸式变压器更适合在数据中心配电场景应用。大型数据中心干式变压器容量通常在1600-2500kVA。变压器低压绕组输出可视为数据中心低压供配电系统的电源，为整个系统提供电能输入。图2-510kV干式变压器低压成套柜按照标准定义，低压成套开关设备是由一个或多个低压开关设备和与之相关的控制、测量、信号、保护、调节等设备，由制造厂家负责完成所有内部的电气和机械的连接，用结构部件完整地组装在一起的一种组合体。低压成套开关设备主要由各种低压电器构成，低显然，低压柜中会涉及大大小小各类开关的应用，包括框架断路器（ACB）、塑壳断路器（MCCB）、微型断路器(MCB)等。低压柜主要2-6低压成套开关柜UPSUPS（UninterruptiblePowerSupply）是数据中心应用最广的不间断电源，是一种含有储能装置的不间断电源。UPS电源技术方案众多，但整体而言它的基本结构是一套将交流电变为直流电的整流器和充电器，以及把直流电再变为交流电的逆变器，蓄电池在交流电正常供电时贮存能量且维持在一个正常的充电电压上，一旦市电供电中断时，蓄电池立即对逆变器供电以保证UPS电源交流输出电压。UPS系统开关应用数量较多，这其中包括主路、旁路、检修旁路输入塑壳断路器，还包括电池组开关柜中的塑壳断路器或负荷开关与熔断器的组合，同时UPS馈出支路低压配电柜中也需配置一定数量的塑壳断路器。图2-7UPS电源高压直流电源高压直流电源简称HVDC(HighVoltageDirectCurrent)电源，在互联网与电信运营商的数据中心中有比较广泛的应用。HVDC电源基于通信用48V电源演变而来，主要为应对机柜日益增长的功率负荷。相同负载功率情况下，提升供电电压有利于减小供电电流，从而降低供电链路损耗，提升IDC低压系统配电效率。HVDC电源同UPS电源一样，都是典型的电力电子电源。通过PFC整流与DC/DC调压，输出稳定可靠的直流电压源。电源系统中蓄电池组直挂在直流母线上，市电故障时，蓄电池存储的电能能够不经电力电子变流环节直接为负载提供电能。典型的HVDC电源直流母线主要包括240V与336V两个电压等级。HVDC配给系统的所有整流模块，微型断路器被串接在各条支路电缆中。HVDC中直流塑壳断路器或直流熔断器形成保护，将电能以不同的支路馈出。HVDCUPS图2-8HVDC电源精密列头柜精密列头柜（RemotePowerPanel）简称列头柜，分为直流精密列头柜与交流精密列头柜，分别对应前级直流与交流不间断电源。列头柜通常放置于数据中心IT或网络机房单列机柜的起始位置，因此得名列头柜。通常列头柜为对应机柜列的机柜进行电能分配，电能的馈入通常来自低压配电室的电缆，电缆经柜顶通过塑壳断路器接入交流母线，通过转接又将电能分配到多条支路，每条支路通过串接微型断路器对支路负载进行接通、断开与故障保护。图2-9精密列头柜配电箱（柜）数据中心末端配电保护环节，通常是通过配电箱（柜）实现。配电箱主要面向制冷空调、照明、监控等负载设备的供电，且数据中心配电箱的形式多样，绝大多数为非标准产品。但配电箱结构原理基本类似，主要包括进线的塑壳断路器，输出支路的微型断路器，再配上SPD、计量表计等设备，便可组成一个满足配电功能与保护需求的配电箱。配电箱作为数据中心末端配电设备，数量可观，配置各异，使用低压开关的数量与类型也较为丰富。图2-10户内配电箱（四）低压配电系统保护低压配电系统保护要求自电气工业革命开始，低压配电系统便最早得以应用，为推动人类社会文明的发展，提升社会生产力提供了不竭动力。时至今日，无论从低压配电系统架构设计、低压配电系统配电设备以及低压配电系统保护，都彰显着低压配电系统的发展已步入成熟阶段。电能以其输送安全经济；生产与使用方便清洁等优势，逐步成为人类最为重要的二次能源。但作为能量传输系统，若输配电系统不能按照人类设计的方式与运行规则正常工作，便会产生巨大故障，导致系统崩溃与直接经济损失；甚至对人身安全构成一定的威胁。因此必须对输配电线路采取防范措施与保护手段，以确保供配电系统操作人员人身安全和输配电线路的稳定可靠运行。最基本的防范措施便是通过在各级配电线路安装设置保护电器，以确保在电路出现故障时，可以及时将故障电路断开。这种保护应当满足低压配电设计的有关规范的要求。数据中心低压配电系统的保护包括过电流保护（短路保护和过负荷保护）、断相保护、低电压保护（欠压和失压保护）等。在不同的应用场合，应按规范要求装设不同的保护，比如，《低压配电设计规范》GB50054-2011规定：且各级之间应能协调配合。非重要负荷的保护电器，可采用短路保护应在短路电流产生的热作用和机械作用对被保护对象造成危害之前切断短路电流。大多数的短路保护均可以采用断路器来实现。采用断路器来实现短路保护，首先应使断路器的短路分断能力≥被保护点预期短路电流，预期短路电流应通过计算或测量确定。断路器一般有三个指标来表示其分断能力，即极限短路分断能力、运行短路分断能力和短时耐受电流，三者的意义与区别将在后续章节详细阐述。配电线路的过负荷保护，应在过负荷电流引起的导体温升对导体的绝缘、接头、端子或导体周围的物质造成损害之前切断电源。过负荷保护电器宜采用反时限特性的保护电器，其分断能力可低于保护电器安装处的短路电流值。但应能承受通过的短路能量。当建筑物配电系统符合下列情况时，宜设置剩余电流监测或保护电器，其应动作于信号或切断电源：剩余电流监测或保护电器的安装位置，应能使其全面监视有起火危险的配电线路的绝缘情况。低压配电系统的保护类型与保护方式种类繁多，将在下一节详细介绍。数据中心低压配电系统因其肩负着为ICT7*24障系统运行的可靠性，发现故障隐患需要及时切断故障点，避免故障点对系统危害持续蔓延，导致人员伤亡或造成数据中心重大财产损失。因此科学设计与合理选用数据中心低压供电系统的开关设备低压配电系统保护类型过载长延时保护电气线路中允许连续通过而不至于使电流过热的电流量，称为安全载流量或安全电流。如导线流过的电流超过了安全载流量，就叫导线过载。一般导线最高允许工作温度为65℃。过载时，温度超过该温度，会使绝缘迅速老化甚至于线路燃烧，过载长延时保护就是保护这种配电线路过载的情况。过载长延时一般用来对电缆过负荷进行保护，以电流有效值为基础，按I²t反时限特性动作。智能控制器跟踪并记录负载电流的热效应，当过载累积的热效应达到预定水平，引动断路器分闸。可通过按键设定长延时可选特性曲线。短路短延时保护短路短延时保护防止配电系统的阻抗性短路，此类短路一般是由于线路局部短路故障产生的，电流一般超出过载的范围，但又低（RMS）短路短延时的分断延时是为了实现选择性，可实现区域联锁功能。当短路故障发生在本级断路器出线侧时，短路短延时将瞬时跳开断路器；当短路故障发生在本级断路器的下一级断路器的出线侧时，则短路短延时经设定的延时时间后跳开断路器。此功能的实现需配合使用开关量输入（DI），开关量输出（DO），DIDO短路瞬时保护短路瞬时保护一般是由于线路局部短路故障产生的，电流一般远超出过载电流的范围。当发生短路时，短路电流会对线路、用电设备导电结构产生剧烈热冲击和电动力冲击作用。为保护用电设备与输电线路免受短路电流破坏性冲击，当短路电流的有效值一越过断路器短路瞬时保护门限值，断路器立即以一个极短的固定时间切断线路，因此称之为瞬时保护。实际由于断路器开断时间的限制，线路和断路器自身必须承受冲击短路电流峰值的冲击。中性线保护由于实际应用中中性相所用的电缆及电流特性和其它三相常常有很大差别，智能控制器针对不同的应用情况可对中性线实施不同的保护。当中性线较细时，可采用半定值的方法保护；当中性线和其它相一样时可采用全定值的方法保护；当电网中的谐波比较重时可采用双倍定值或1.5倍定值的方法进行保护。其差异如下方表格所示。表2-1中性线保护类型中性线保护类型说明50%半中性线保护中性相过载故障时，保护动作点等于设定值的一半。中性相短路短延时故障时，保护动作点等于设定值的一半。中性相短路瞬时故障时，保护动作点等于设定值中性相接地故障时，保护动作点等于设定值100%全中线保护中性相过载故障时，保护动作点等于设定值。中性相短路瞬时故障时，保护动作点等于设定值。中性相接地故障时，保护动作点等于设定值。150%1.5倍中线保护中性相过载故障时，保护动作点等于设定值1.5倍。中性相短路短延时故障时，保护动作点等于设定值1.5倍。中性相短路瞬时故障时，保护动作点等于设定值。中性相接地故障时，保护动作点等于设定值。200%双倍中线保护中性相过载故障时，保护动作点等于设定值2倍。中性相短路短延时故障时，保护动作点等于设定值2倍。中性相短路瞬时故障时，保护动作点等于设定值。中性相接地故障时，保护动作点等于设定值。OFF无中性线保护功能接地保护接地故障可引起故障点或导体内的温升，接地保护功能就是为了消除此类故障，有两种接地故障保护方式。差值型（T）保护检测零序电流，即相电流和中性线电流的矢量和，根据设备类型又可以3P、4P3P+N（W）保护通过互感器直接检测接地电缆上的电流，互感器与断路器间的最大距离可达10米。图2-11差值型（T）接地保护检测原理图图2-12地电流型（W）接地保护检测原理图漏电保护漏电保护防止人直接接触外露导电部位，适用于设备绝缘损坏导致的漏电故障，或人体接触外露导电部位而导致的漏电故障，漏电脱扣值和断路器额定电流无关。取信号的方式为零序取样方式，需外加一只漏电互感器，由于其取样是通过同一只互感器进行取样，因此其取样的精度较高，适用于较小电流的取样，其输出信号采用电流取样的方式，便于提高抗干扰能力。图2-13漏电保护检测原理图电流不平衡保护电流不平衡保护对断相和三相的电流不平衡进行保护，根据三相电流之间的不平衡率进行保护动作。电压保护电压保护有通过附件欠电压脱扣器和通过控制器检测主回路电压两种保护方式。欠电压脱扣器只能实现欠压情况下的保护。欠电压脱扣器与开关电器组合在一起，当外施电压下降，甚至缓慢下降至额定电压的70%至35%范围内，与开关电器组合在一起的欠电压脱扣器动作，使电器断开。智能控制器从主回路探测电压的方式，除欠电压保护外，还可实现过电压保护、电压不平衡保护，并可根据需求设定保护方式为报警或者分闸。智能控制器测量一次回路电压的有效值，当有一个线电压小于设定值时，欠压保护动作，当三个线电压都大于返回值时报警动作返回；当有一个线电压大于设定值时，过压保护动作，当三个线电压都小于返回值时报警动作返回；电压不平衡保护根据三个线电压之间的不平衡率进行保护动作。频率保护智能控制器检测系统电压的频率，对频率过低或者过高进行保护，并可根据需求设定保护方式为报警或者分闸。逆功率保护逆功率保护取三相有功功率之和，当功率的流向和用户设定功率方向相反，且大于设定值时，保护启动，并可根据需求设定保护方式为报警或者分闸。相序保护相序检测取自各相电压，当检测到的相序与相序保护设定方向相反时瞬时动作，当有一相或多相电压不存在时，此功能退出，可根据需求设定保护方式为报警或者分闸。三、数据中心常用低压开关器件分类（一）断路器空气断路器（ACB）空气断路器（AirCircuitBreaker），简称ACB，又称框架断路器或万能式断路器，一般额定电流为630A-6300A。该类断路器通常作为变压器二次侧的保护开关、母排联络开关或主配电回路进线保护开关。需要符合B类断路器的要求，具备短路耐受能力，线路中发生短路故障时，通常由下级断路器切除故障，保障非故障线路的供电连续性。空气断路器通常配置智能控制单元，具备过载保护、短路短延时保护、短路瞬时保护及接地故障保护等基本保护功能。同时能够测量回路中的电流、电压及电能等重要电参量，配合通信附件可实现本地断路器状态、电参量、故障信息和报警信息等数据的上传。空气断路器通常由以下部分组成：（）；智能控制单元（按保护、测量及通信等功能要求选择具体型号）；（）。远程操作类：合闸线圈、分闸线圈、欠压线圈、储能马达、安全保护及联锁类附件：分闸位置锁、抽架锁、按钮锁、门图3-1空气断路器（左）与塑壳式断路器（右）塑壳式断路器（MCCB）塑壳断路器（MoldedCaseCircuitBreaker）,简称MCCB，一般额定电流为16-800A。该类断路器通常作为变压器二次侧的保护开关，母排联络开关，主配电回路出线保护开关，或分配回路的进线保护开关。一般符合A类断路器的要求，线路中发生故障时，需要和上下级断路器实现选择性配合，正确切断故障电流，并且避免越级跳闸，在保证故障回路被正确切断的同时保证非故障线路的供电连续性。塑壳式断路器通常具有过载长延时、短路短延时、短路瞬动的三段保护功能。还可以与漏电保护、测量、电操等模块单元配合使用。在低压配电系统中，常作为终端开关或支路开关。塑壳断路器通常由以下几部分构成：外壳，所有的零件都密封于塑料外壳中，外壳的关键的性能脱扣单元，用于检测故障电流，带动操作机构做分闸，从结分断单元，用于断开故障电流，从触头结构的角度可以进一N（分为集成式和加装模块式）、接地故障保护、电动机保护、发现在的配电系统要求断路器除了能通断电流实现电路控制和简单的短路、过载保护外，还要能提供隔离和安全保护功能，特别是在针对人身、设备安全与配电系统的可靠性、节能等方面都提出了新的要求。因此，产品的开发设计需要重点考虑以下4个方面：人身安全，这是断路器设计的红线，在任何情况下需要保证针对电气线路与设备的保护的可靠性，需要准确地检测故障可靠的、不间断的电力供应，需要准确断开电流，并且避免塑壳断路器通常有以下附件：辅助触点、分励脱扣器、欠压脱扣器、操作手柄、电操、插入式接线端子、抽出式接线端子、绝缘附件等等。微型断路器（MCB）微型断路器能接通、承载和分断正常电路条件下的电流，而且在规定的异常电路条件下，诸如过载、短路、漏电等故障电流也能接通、承载一定时间和自动分断电流的机械开关电器。同时具备隔离功能。微型断路器作为支路保护开关，额定电流通常在125A及以下。交流产品具有1P、1PN、2P、3P、4P产品可选，直流产品具备多电压产品可选。断路器本体正面具备可视化故障指示窗口，当断路器因为过断路器本体具备绿色指示条，可靠指示断路器内部触头的状断路器结构能够有效限制触头闭合时的能量释放，不受外力控制机械速度，从而有助于防止设备过热和老化，保障长时断路器端子应具备IP20B断路器本体可根据需求搭配模块化附件、例如：辅助触点、断路器本体可根据需求搭配智能化模块附件，实现监测、计断路器上下级之间可通过匹配表实现级联和选择性，提高产辅助触点及故障指示触点应选用匹配系统电流电压的产品，内部触头不易受到环境污染，长时间工作保证的稳定性和可产品为绿色友好型产品，具有相应的ROHS&REACH报告。（二）隔离开关隔离开关在分位置时，触头间有符合规定要求的绝缘距离和明显的断开标志；在合位置，能承载正常回路条件下的电流及在规定时间内异常条件（例如短路）下的电流的开关设备。隔离开关的结构和原理：导电部分：包括触头、闸刀、接线座。主要起传导电路中的传动机构：接收操动机构的力矩，将运动传动给触头，以完隔离开关是一种主要用于隔离电源、倒闸操作、用以连通和切断小电流电路，无灭弧功能的开关器件，在电力系统中其主要作用如下：隔离电源。在电气设备检修时，用隔离开关将需要检修的电气设备与带电的电网隔离，形成明显可见的断开点，以保证倒闸操作。在双母线接线形式的电气主接线中，利用与母线相连接的隔离开关将电气设备或供电线路从一组母线切换到另一组母线上去。按照隔离开关在电网中担负的任务及使用条件，其基本要求有:隔离开关断开点之间应有足够的绝缘距离，以保证在过电压隔离开关应具有足够的热稳定性、动稳定性、机械强度和绝由于隔离开关没有专门的灭弧装置，只能用来分、合只有电压而没有负荷电流的电路，在电路中，为了避免隔离开关在带负荷情况下进行操作而引起的电网事故，一般只能在断路器断开的情况下才允许拉、合隔离开关。因此在线路停、送电时的具体操作顺序为：停电操作时，断开断路器后，先拉线路侧隔离开关，后拉母线侧隔离开关；送电操作时，必须先合母线侧隔离开关，后合线路侧隔离开关，再合上断路器。（三）转换开关电器根据国家标准《低压开关设备和控制设备第6-1部分：多功能电器转换开关电器》（GB/T14048.11）的定义，转换开关电器（TSE）是指由一个或多个开关设备构成的电器，该电器用于从一路电源断开负载电路并连接至另外一路电源。转换开关电器根据短路PCCBCC转换开关电器（MTSE）、远程操作转换开关电器（RTSE）和自动转换开关电器（ATSE）。根据结构分为专用型转换开关电器（TSE-S）（TSE-D）。在数据中心行业的实际应用中，更多的指用于不同电源之间转换的装置或系统，并不局限于接入的电源数量、类型以及执行开关的数量。转换开关电器的选型必须考虑负荷类型、负荷允许的最大断电时间要求、转换频度、应用位置的预期短路电流等多种因素，具体可参照国家标准《转换开关电器（TSE）选择和使用导则》（GB/T31142）。转换开关电器根据应用位置的不同一般划分为电源端、配电端和负荷端，其中电源端通常指首级主配电的位置，即多个电源接入的第一级；负荷端通常指最终用电装置距离最近的配电位置；电源端和负荷端之外的其他位置一般归为配电端。当转换开关电器应用于电源端时，在数据中心行业里最常见的接入电源是市电和柴油发电机组，因此通常用于转换市电与市电、市电与柴发电。通常由TSE管理柴油发电机组的起动、停机，柴油发电机组接收到TSE信号后进行起动和停机动作。在部分海外数据中心（例如美国）中，多个ATSE相互配合还能起到柴油发电机组容量管理的作用，可以根据电源容量、负荷率、负荷分级要求等因素自动调节负荷的接入和退出。在应用于单母线分段带联络的主接线形式时，应特别注意与中压电源转换系统之间的配合，低压主配电处的转换开关电器应具备外部信号闭锁转换（和解除闭锁）的功能，通过这样的闭锁和时间配合，避免TSE动作过程的相互干扰。在要求达到冗余或容错等级的数据中心里，应考虑转换开关电器的在线可维护，根据国标图集的要求和具体的配电架构选择一体化双旁路型转换开关，避免因TSE造成单点瓶颈、降低整个供配电系统的可用性。当转换开关电器应用于负荷端时，负荷主要被分为两大类：消防类负荷和非消防类重要负荷。通常用于转换市电与市电、市电与UPS（不间断电源）电，其他情况相对少见。特别需要注意的是，为防止电源转换过程中造成的中性线缺失问题，用于UPS上游的转换开关电器应具备中性线重叠切换功能。（四）接触器与继电器接触器和起动器属于量大面广的控制电器，主要用于频繁接通或分断交、直流主电路和大容量控制电器，其主要控制对象是电动机，也可以用于控制其他电力负载，如电热器、照明设备、电焊机、电容器组。接触器和起动器可实现远距离频繁操作，与继电器配合使用可实现多种控制及保护功能，例如延时操作、联锁控制、定量控制和欠压失压保护，接触器和起动器已经被广泛应用于自动控制电路中。接触器的结构和原理接触器由主体部分和附件构成。主体部分主要包括主触头、灭弧室、电磁系统、反力弹簧、支架、外壳等，附件则包括辅助触头、机械连锁模块、接口模块、浪涌抑制模块等。接触器的工作原理：当电磁系统线圈通电而使衔铁吸合时，常开主触头和常开辅助触头接通，常闭主触头和常闭辅助触头分断，反力弹簧储能；电磁系统断电衔铁释放时，则相反；当接触器电磁线圈不通电时，弹簧的反作用力和衔铁的自重使主触头保持在断开位置（常闭接触器则保持在闭合位置）。接触器的主要特征按照接触器定义和功能，具有如下特点：失压接触器的分类接触器用途广泛，品种繁多，根据不同特点分类的方法很多，常见的分类方法有：按主触头所控制的电路种类的不同，可以分为交流接触器按电磁接触器吸引线圈电源性质的不同，可分为交流励磁按使用类别的不同，可以分为通用接触器、灯负载专用接按执行通断功能型式的不同，可以分为电磁接触器（有触头接触器）、半导体接触器（无触头接触器）和混合接触器（有触头和无触头结合的接触器）。（五）熔断器熔断器是一种当通过的电流超过规定值一定时间后，以本身产生的热量使熔体熔断，从而断开电路的电器。熔断器广泛应用于高、低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过载电流的保护器件，是应用最普遍的保护器件之一。熔断器的结构和原理熔断器一般由熔断体和熔断器支持件组成，其中熔断器支持件包括：底座和载熔件。熔断体一般由：熔管、熔体、触头、盖板、石英砂等组成。当电流超过规定值足够长的时间，熔体会在某个或多个部位逐渐发生熔化并形成断口，此时断口处会产生电弧，然后通过周围石英砂的灭弧作用，最终实现电路的开断。熔断器的特点熔断器的主要特点有：熔断器的分类根据电压等级可分为高压熔断器和低压熔断器（≤1000V或≤1500VDC）。（、半导体保护熔断体、电动机保护熔断体、光伏系统保护用熔根据分断范围可分为：部分范围分断能力熔断体和全范围分电涌保护器根据所保护的系统类型主要分为用于低压配电系统、用于电信和信号系统两大类。用于低压配电系统的电涌保护器主要遵循国家标准《低压电涌保护器（SPD）第1部分：低压配电系统的电涌保护器性能要求和试验方法》（GB18802.1）。用于电信和信号系统的电涌保护器主要遵循国家标准《低压电21（SPD）性能要（GB/T18802.21）22电信和信号网络的电涌保护器（SPD）选择和使用导则》（GB/T18802.22）。根据上述国家标准的定义，电涌保护器（SPD）是指用于限制瞬态过电压和泄放电涌电流的电器，它至少包含一非线性的元件。用于低压配电系统的电涌保护器分类：根据SPD根据SPDIIIIII电涌保护器的选型必须考虑所处雷电分区、接地型式、被保护设备的耐压要求等多种因素，具体可参照国家标准《建筑物防雷设计规范》（GB50057）、《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343）和《低压电涌保护器第22部分：电信和信号网络的电涌保护器（SPD）选择和使用导则》（GB/T18802.22）。特别需要注意的是，位于室外环境、而在低压配电系统又处于末端的被保护设备，例如屋顶的制冷设备等，在选择配电系统电涌保护器时需考虑同时通过III在数据中心行业的实际应用中，低压配电系统的防电涌普遍比较重视，而信号系统的防电涌重视程度则相对较低。在一些设置集中冷源的园区型数据中心项目中，管道在室外环境架设的情况也较常见，当这类管道设置仪表类元器件时也应考虑信号系统的防电涌措施。还有就是园区周界安防摄像设备等，可能受到雷电侵害的可能性较高，尤其是数据中心被物理侵入造成影响和损失较大的，也应考虑信号系统的防电涌措施。电涌保护器前级的保护开关传统上以采用微型断路器、熔断器或者塑壳断路器为主，但这些用于配电的保护开关在应用于防电涌支路时，越来越多的案例暴露出问题，例如被雷电冲击导致误跳或爆裂、最终导致SPD失效，以及残压高无法实质保护设备等，因此需要应用电涌保护器专用保护开关来解决上述问题。SPDSPD接线形式等因素，也可以直接选用专用保护一体式SPD。四、低压开关分断技术低压开关接通、承载与分断电路通常通过机械触头的电接触与分离实现，分合闸过程中往往伴随电弧现象。这里以低压断路器作为低压开关的代表，通过阐述低压断路器的基本结构组成，分析低压开关分断过程中的灭弧机理与技术。（一）断路器结构组成与分断原理一般断路器的结构组成断路器能接通、承载以及分断正常电路条件下的电流，也能在所规定的非正常电路（例如短路）下接通、承载一定时间和分断电流的一种机械开关电器，一般由传感元件、执行元件和传递元件三部分组成。传感元件传感元件又称感受元件，能感受到电路中非正常的情况和操作人员的命令或其他继电保护系统的信号，通过传递元件使执行元件动作。传感元件有许多类型，如热双金属脱扣器、电磁式脱扣器和电子式脱扣器等，其动作原理不同。热双金属脱扣器主要感受过载电流的大小，利用该电流通过热双金属片使双金属弯曲而动作。通过热双金片的电流越大，它的弯曲变形越快越大，脱扣器的动作时间越短。形成反时限的保护特性。电磁式脱扣器由电流线圈、铁心、衔铁和反力弹簧构成。当过电流通过电流线圈时，衔铁上所产生的电磁力足以克服反力弹簧而吸向铁心，产生瞬时动作。改变反力的大小可以改变动作电流值。多用于大短路电流的保护。如果用阻尼装置(油阻尼器或钟表延时机构)配合，亦可得到延时动作。分励脱扣器也是一种电磁式脱扣器，它由电压线圈、铁心、衔铁和反力弹簧机构构成。由控制电源供电，它可以按照操作人员的命令或继电保护信号使分励脱扣器动作，从而使断路器断开。一台断路器可装一个或两个分励脱扣器，以满足控制的需要。失压脱扣器或欠电压脱扣器也是一种电磁式脱扣器，感受电源电压的变化。当电压正常时(额定电压)，衔铁处于吸合状态。当电源电压消失或降低至一定数值(一般为额定电压的35%)时，失压或欠电压脱扣器的电磁吸力不足以继续吸持衔铁，在反力弹簧的作用下，衔铁被释放而使断路器分断电路。电子式脱扣器由传感器、电子电路和脱扣执行机构构成。电子式脱扣器可以方便地获得长延时、短延时、瞬时保护特性和接地保护等，具有明显的优势，同时发展迅速。电子式脱扣器的传感器为电流互感器，装在断路器的主电路中，经适当的变比反应主电流的变化。互感器有两种型式：其一为带铁心速饱和互感器，它的二次输出可作为电子电路的工作能源，其低电流区线性较好，可用作采集电流变化信号；其二是无铁心的空心互感器，主要用作信号采集，因为它的线性较好。为了提高脱扣器的可靠性和精确度可同时采用两种互感器来组成采样电路，例如现代智能型断路器就采用这种方式。电子式脱扣器的脱扣执行机构可用分励脱扣器、欠电压脱扣器或磁通变换器来完成。采用分励脱扣器是将电子电路的最终触发信号送至分励器脱扣器，使分励脱扣器吸合从而使断路器分断。同样采用欠电压脱扣器者是电子电路的最终触发信号送至欠电压脱扣器，将欠电压脱扣器短接，使欠电压脱扣器动作而使断路器分断。这两种方式的优点是结构简单，通用性强。其缺点是电子电路要提供较大的功率，且动作速度较慢，在传统产品中较多采用。在新型智能脱扣器中则采用磁通变换器作脱扣执行机构，其消耗功率小，动作速度快，体积质量也小，工作可靠。所谓磁通变换器，是一种类似极化继电器工作原理的电磁系统。当断路器处于正常闭合位置时，磁通变换器的铁心被永久磁钢的吸力吸位。当出现过电流时，通过传感器至微处理器处理过的信号使线圈有电流流过，提供一个反向磁通，抵消了永久磁钢的吸力，铁心在反作用弹簧下弹出，推动机构的脱扣指使断路器脱扣。由于造成反向磁通的电流极小，因而脱扣所需的功率很小。执行元件执行元件包括主触头和灭弧室，二次触头(辅助触头)也是一种执行元件。触头执行接通或分断电路的任务，灭弧室用来配合触头执行任务、帮助熄灭触头分断时产生的电弧。触头系统有多种类型。例如有单断点触头、双断点触头(桥式触头)；主触头、弧触头。有时还有副触头(三挡触头)，并联触头和单片触头并联)，以及对接触头和插入式触头，要根据具体情况选用。传递元件传递元件是承担力的传递、变换的部件，它包括传动机构、自由脱扣机构、主轴、脱扣轴等。断路器的绝缘底座、外壳或框架属承担力的传递的部件，各种机械连杆承担力的传递与变换。传动机构将人力或电力变为合闸力，使断路器闭合或断开。主轴把三相或四相触头带动一道闭合或断开。脱扣轴则把各相的脱扣动作传递给机构使之脱扣。自由脱扣机构是低压断路器的一种特有性能，它把传动机构和触头系统之间的联系变为柔性联系。当自由脱扣机构再扣时，传动机构能直接带动触头系统闭合。当自由脱扣机构脱扣时，则解锁了传动机构与触头系统之间的联系，这时传动机构不能带动触头系统闭合。它应满足:当闭合操作开始之后，若进行脱扣操作时，即使闭合命令继续保持着，其动触头能回到并停留于断开位置。以达到操作安全的目的。一般断路器的动作原理将上述传感元件、执行元件和传动元件合理地组合一起，可构成一台断路器。如图4-1，当反时针方向推动操作手柄时(手动传动机构)，力经自由脱扣机构传递给传动杆，使触头闭合。最后锁扣将自由脱扣机构锁住，被保护电路接通。为了实现过载和短路保护，三相(或四相)电路内串有热磁式脱扣器或穿有电流互感器，当三相中任何一相或二相、三相出现过电流时，感受元件将动作。过电流不大时，热双金片慢慢弯曲(与电流大小成反比)，经过一定延时后推动牵引杆，使机构脱扣；当过电流大到足以克服衔铁上的反力弹簧时，衔铁迅速拍合上磁轭，推动牵引杆，使机构瞬时脱扣(热磁式)。或当出现过电流时，互感器的二次输入超过整定值时(智能型)，过电流信号经运算处理后使机构脱扣。可达到过载长延时、短路短延时，大短路电流瞬时动作的保护特性。图4-1热磁式断路器的结构原理传动机构除手动外可带电动传动机构，电磁铁和电动机操作都有应用。采用电动机传动者一般都是储能操动机构。即电动机转动通过齿轮系统减速后将储能弹簧压缩或拉伸，直到能量储足，然后将此能量释放，推动机构快速闭合。装有欠电压脱扣器的断路器可完成欠电压保护。装有分励脱扣器的断路器可实现遥控，可远方发指令，令断路器分断。以上各部件装入一个塑料外壳中就成为一台塑料外壳式断路器。所有零部件装入绝缘材料或金属材料的框架中，就成为万能式断路器。（二）低压交流开关灭弧原理交流电弧电流过零时，电弧的输入功率为零，此时弧隙得不到能量，却仍以热对流、热传导等方式继续散出能量，使弧隙温度迅速下降，这样弧隙的消电离作用将大大增强，电弧会暂时熄灭。在电弧电流过零以后，电弧可能再次重新燃烧，也可能就此熄灭。只要弧隙在电弧电流过零以后不再发生重燃，则电弧就会最终熄灭。因此，交流电弧电流过零为熄灭电弧创造了有利条件，相同条件下熄灭交流电弧要比熄灭直流电弧更容易。从电弧电流过零时刻开始，弧隙上同时进行着作用相反而又相互联系的两个物理过程:一个是弧隙中电离气体从导电状态迅速转变为绝缘状态，使弧隙能够承受电压作用而不发生电弧重燃的过程，叫介质恢复过程，用介质恢复强度Ujf;表示;另一个是由于电弧熄灭后电路被开断，使弧隙两端的电压从零或反向电弧电压上升到电源电压的过程、叫电压恢复过程，用恢复电压Uhf表示。图4-2弧隙中的介质恢复过程和电压恢复过程曲线显然，介质恢复过程使弧隙的介质强度不断增加，它将阻碍弧隙的重燃而使电弧最终熄灭;而电压恢复过程使弧隙上的电压升高，将可能引起电弧重燃。因此，电弧电流过零以后，交流电弧能否不发生重燃而真正熄灭，将取决于介质恢复过程和电压恢复过程的竞赛。若介质恢复强度Ujf的数值总是大于恢复电压Uhf的数值，则电弧趋于熄灭;若Ujf在某一瞬间小于Uhf，则电弧可能继续燃烧。（三）低压直流断路器分断原理直流电弧的稳定燃烧点4-3EL和R路中的电感和电阻，CC的数值很小，当电弧电压变化不快时可忽略不计。当触头12E=L𝑑

+

�+

(4-1)对式(4-1)移项，得L𝑑

=�−

�−

(4-2) 图4-3带有电弧的直流电路 图4-4直流电流的稳定燃烧点4-4A'-AabEacabα。令α=arctanR，则ac的高度表示E-IhR。直线ac和曲线A'-A交于1、2两点。

ℎ

=0，由式(4-1)电弧稳定燃烧状态时，电弧电流Ih=常数，即𝑑知E=�+(4-3)从图4-4可见:12以右的区域，直线ac的高度低于曲线��ℎA'-AE-IR)-U0，得L

<0，所以，这两个区域内，h h 𝑑Ih将随时间的变化不断减小。12以左的区域，直线ac的高度高于曲线��ℎA'-AE-IR)-U0,得L

>0，所以，在这个区域内，h h 𝑑Ih将随时间的变化不断增大。12E-I

R)-U=0，得L��ℎ=0，也就是Ih h 𝑑 h为常数，电流Ih不随时间变化，电弧处于稳定燃烧状态。12I1和I21IhI1，则电路工作状态将背离点112之间的区域，由于该区域L

>0

将继续增大，直到I=I;反之，若某种原因使I𝑑 h h 2 h稍小于I，则进入1点以左的区域，此区域L��ℎ<0，因此I将继1 𝑑 h续减小直到电弧熄灭。点2Ih=I2时，不论何IhI2222直流电弧的熄弧条件在开关电器中，人们希望电弧不存在稳定燃烧点，从而促使电弧尽快熄灭。4-4acA'-AE−�<(4-4)式(4-4)说明，当电路中电源电压不足以维持稳态电弧电压和线路上的压降时，或者说，外界电路施加在弧隙两端的电压低于维持电弧稳态燃烧所需的电压时，直流电弧趋于熄灭。直流电弧的灭弧方法4-4可知，可以从两个方面R，使αacac'；A'-AA'-A1ac相交。使稳定燃烧点不存在的措施如图4-5所示。图4-5使稳定燃烧点2不存在的措施为了熄灭直流电弧，低压开关电器通常采用提高电弧静态伏安特性的措施。=��+��+��=�0+𝐸 (4-5)Uh为电弧电压，Uc为近阴极压降，Ua为近阳极压降，Uz为弧柱压降，U0为近极压降，U0=Uc+Ua，E、l由电弧电压公式(4-5)可知，提高直流电弧的静态伏安特性，即增大Uh，可以采取以下措施:U0nn+14-6图4-6用金属栅片将电弧分割成串联短弧由于每一个短弧都有一个近极压降U0，则总的电弧电压Uh为ℎ=(�+10+�' (6)n�'（2）增大电弧长度l工程中常用的具体方法如下4-7a依靠导电回路自身的磁场或外加磁场使电弧横向拉长，如图4-7b)所示。在磁场的作用下，使弧根在电极上移动以拉长电弧，如图4-7c)所示。图4-7增加弧长的方法(3)增大弧柱的电场强度E增大气体介质的压力pIh=1-20A弧柱的电场强度E(V/cm)为−� −5 �E=(10 �) (4-7)pPa);c、nmc=400，n=0.7.m=0.32。由式(4-7)可知，相同条件下提高气体介质的压力p，可以增加弧柱的电场强度E。当气体介质的压力升高以后，电弧内部带电粒子的浓度增加，其平均自由行程减小，动能减小，使碰撞电离困难，电弧热传导及热对流的散热效果也越强，因此不易产生电离，导致弧柱的电场强度E上升。增大电弧与流体介质之间的相对运动速度v。电弧与其周围气体介质之间的相对运动方式包括:电弧在磁场作用下在静止的流体介质中横向运动、采用高速运动的流体介质横吹或纵吹电弧（如图4-8）图4-8强迫吹弧示意图1个大气压的空气中，铜电极间横向运动的电弧，当v<200m/s、Ih<600AE(V/cmv�ℎE=�ℎ

(4-8)依靠电弧与绝缘栅片之间的热传导作用，加强电弧的冷却效果，使复合能力增加、弧柱的电场强度E从电路通断的载体形式上来看，低压开关可以分为机械开关、固态开关和复合开关三类。三种类型通断技术手段各有差异。机械开关机械开关用来接通电路的载体一般称为动、静触头，通常动、静触头都是由导电性和表面耐候性优异的金属材料制成。接通操作时，动、静触头物理接触接通电路；分断操作时，动、静触头分离，绝缘的灭弧介质填充在动、静触头之间使电路断开。机械开关接通或断开过程中，电路其他部件中储存的电荷会释放出来在动、静触头之间形成电弧。因此机械开关的分断始终围绕着熄灭电弧和阻止电弧重燃两个话题。低压领域中的机械开关通常采用空气和真空作为灭弧介质。在空气开关中一般采用动、静触头分离时拉长和分割电弧来分断电路，利用空气填充在触头之间阻止电弧重燃。真空开关中则是利用真空管（或称真空灭弧室）中动静触头分离时，真空的优良绝缘性熄灭电弧、抑制电弧再生（真空环境中离子体极少，其密度不足以形成电离桥，极难形成电弧）来分断电路。因此同类型同规格的真空开关比空气开关的开距（机械开关断开状态下，动、静触头之间的距离）通常要小。对于低电压、较小电流负载的开关，在分断过程中产生的电弧较小，仅依靠动、静触头之间距离的拉开，无需额外的灭弧手段即可让电弧自行熄灭。对于较高电压和较大电流甚至短路电流下，尤其是直流和感性、容性负载较多的电路中，电弧就非常难以熄灭，必须采用很多手段才能达到目的。在空气开关分断过程中，很重要的一点就是限流，通过限制电流的上升至电流下降最后到电弧熄灭（电弧是电流的一种体现形式）。本小节以下介绍在低压空气开关主要用到的分断技术手段和一些大电流接通时的技术手段。电弧电阻限流低压空气开关在电路正常和非正常电流的分断中，依靠电弧电阻的压降限流是使用最为普遍且有效的方法。串联双（多）断点，增加初始电弧段数量，目前主流的限流断路器多采用串联双断点结构，有平行运动的双断点形式，也有旋转运动的双断点形式。在直流断路器中有串联使用多个断点的结构。各种串联双（多）断点结构的根本目的是为了增加分断时电弧的数量，以产生更多的电弧压降。通过提高起弧速度和电弧移动速度来加快电弧电阻接入电路提高起弧速度主要利用电流流过导体时的磁电效应，合理设置动静触头导体的结构和位置，充分利用导体间的电动力，保证触头在大电流来临时克服触头压力斥开。常用措施有：①U形静触头结构。②静触头为半固定方式，在大电流来临时动、静触头可相互斥开。该类措施应用在开关的短路分断中。提高电弧移动速度和拉长电弧通常是通过在触头系统中设置引弧角或引弧片，并对电弧进行磁吹或气吹实现。引弧角或引弧片可起到引导电弧和加速弧根移动的作用。磁吹或气吹是运用外加磁场或气压差来加强电弧的移动速度并拉长电弧。磁吹的主要措施有：①环绕触头周围加装导磁板，导磁板在电弧电流下磁化产生的磁场，提供磁吹力；②设置专用的线圈或永磁体进行磁吹，一般应用在直流开关中。气吹通常是在触头周围的侧壁设置绝缘产气材料，并保证触头与灭弧室所在的腔体有合理的气道和一定的气密性。产气材料在电弧高温下降解产生的气体将裹带电弧朝灭弧室中运动。气吹也能起到冷却电弧的作用。分割和强行冷却电弧的主要措施为：在灭弧室中应用窄缝、横隔板、迷宫或铁磁栅片式等结构。电弧在这些结构中被切成数段且与固体介质接触被冷却。依靠拉长和分割电弧来达到限流目的的方法与触头的开距和分断速度关系很大。一定电流规格的产品在体积限制下，开距不会有太大的变化。触头的分断速度与触头和操作机构的运动速度有关。除了提高产品机构固有的动作速度外，常用提高触头和机构运动速度的措施有：①利用高速运动的瞬动电磁铁通过推杆撞击动触头使之加速分离。②利用触头斥开时产生的膨胀气体通过一个气动机构加速操作机构脱扣运动。事实上触头的分断速度达到一定的程度就很难继续提高，人们需要去寻找其他的限流方法。产品固有材料电阻限流该技术手段顾名思义是利用提高产品内部导电零件的电阻来进行限流的方法。当然实现的前提是产品的温升能够达到要求，因此该方法通常用于小电流规格的低压断路器产品。方案如下：断路器的接触板等导电材料使用铜钢复合材料或黄铜代替纯铜，一方面增加了整个产品的限流电阻，另一方面增加了触头的结构强度。由于导电材料电阻发热的影响，该方案较适合应用于40A以下的断路器中。这里介绍一下铜钢复合材料的优势。①省铜、成本低。比如室温下厚度比为8%T284%Q2358%T2（质量比约为17.8%T2207.03μΩ·cm，常用黄铜电阻率与之相近的牌号为H62（207.1μΩ·cm），而前者的成本仅为后者的70%左右。并且随着未来加工工艺的继续提高和铜资源的紧张，铜钢复合材料的成本优势会更加明显。②结构强度好。由于中间有一层钢板，同样厚度的铜钢复合板强度通常会高于黄铜和纯铜。③焊接后不易变形。铜材料焊接骤冷后往往会变U焊接前硬度和强度变化较小。④可增强磁场。在一些断路器的触头系统中，铜钢复合板中的钢铁材料在电流下磁化，可增强在灭弧时断路器起过载保护作用的热元件采用直接加热或混合加热形式，将热元件的电阻串入产品中增加了整个产品的限流电阻。该方案一般应用于100A以下的断路器中。外接电阻限流在产品的进线端或进出线端都额外增加电阻性负载限流器，用以增加大电流产生时产品的电阻值。额外加装通过正常工作电流时呈现为低阻态、通过大电流时呈PTCPTC正温度系数非线性电阻特性。流过限流器的是正常负载电流时，PTC材料发热小，温度低，电阻小；当出现大电流时，PTC材料急剧发热并膨胀，热量无法迅速散发导致温度急剧上升，在微秒级时间内电阻急剧增加；当大电流切除一段时间后，PTC材料的热量得到散发，温度降低，又恢复到低电阻状态。该种限流器在低压领域作为附件安装在一些断路器的进线端。（）在产品的进线端或进出线端都额外加装较大电阻零件，电阻零件通常为一段铁基（铁铬铝等）合金材料的金属电阻限流线，在预期出现大电流前接入电路，电流恢复正常后切出电路。该种类型的限流方式大量使用在切换电容器交流接触器接通操作中。在电力系统中使用并联电容器进行无功补偿时，在电容器接入电网的瞬间会产生高峰值和高频率的浪涌冲击电流，其峰值可达到并联电容器额15流接触器，普通交流接触器在浪涌电流的冲击下很容易造成主触头熔焊。切换电容器交流接触器的线圈通电时，先接通串有限流电阻线的辅助触头，它把电力电容器通过串联电阻线接入电路，从而有效地限制浪涌电流峰值；数毫秒以后，浪涌电流降低、接触器主触头才闭合，此时电阻线被短接；再经历数毫秒，串联电阻线的辅助熔体分断熔断器与其他机械开关差异较大。正常情况下，它依靠其他开关切断电路。异常大电流下，它利用熔体熔化分解，绝缘介质（比如石英砂、空气等）填充至进出导电部件之间使电弧冷却熄灭。固态开关固态开关是利用三极管、MOSFET、IGBT、可控硅等功率半导体元件的饱和区与截止区之间的特性差异，通过在两种状态之间切换，实现电路开关状态的切换。固态开关与机械开关相比的优点是反应灵敏、无电弧、无噪音、操作频率高、寿命长、抗冲击振动能力强，缺点是通态功耗高、过载能力差、工作温度范围相对窄、断开状态存在泄漏电流。一般而言，在直流和操作较频繁的电路应用中，固态开关在正常负载和低倍过载电流的通断操作时更具优势。由于固态开关的缺点也很明显，因此通常与机械开关配合使用。固态开关中固态断路器内置有电流检测装置，常为锰铜、霍尔传感器等，可在纳秒级别检测到短路或过载电流来临。电流传感器提供信号给关断电路，由关断电路操作固态元件关断，从检测到完成电路断开的时间可控制在微秒级别。小电流规格的固态断路器通常不带选择性保护，由于断开速度快，采用空冷散热片足以满足需求。大电流规格的固态断路器如带选择性保护，需要承受短时耐受电流产生的巨大热量，在分断过程中过热现象较机械断路器更为显著，因此常配备带风扇的空冷系统甚至液冷系统。固态断路器也可以利用谐振电路和PTC变阻限流器来提高短路分断能力。固态继电器在使用时，易因过流、过压和负载短路造成内部功率半导体元件永久损坏。可在电路中串联电感降低电流变化速率、增加快速熔断器或机械断路器进行过流和短路保护，可内置压敏电阻或RC吸收回路进行过压保护。复合开关复合开关是固态开关与机械开关的集成，是利用固态开关的无弧、高寿命的特点接通和分断电路正常负载，利用机械开关的低通NEV属于这类产品。混合开关通断正常负载电流的技术手段与固态开关基本相同。复合开关与机械开关和固态开关相比，优点是无电弧、4-9关的简化电气原理图，电路接通顺序如下①S2③S1闭合-④双向晶闸管关断-⑤S2断开，电路断开顺序如下①S2闭合-②晶闸管导通-③S1断开-④双向晶闸管关断-⑤S2S3三联开关闭合-②B、C相晶闸管按相位顺序导通-③S4双联开关闭合-④晶闸管关断，电路断开顺序如下①B、C相晶闸管导通-②S4双联开关断开-③B、C相晶闸管按相位顺序断开-④S3三联开关断开。图4-9复合开关1 图4-10复合开关2五、低压开关特性与参数（一）额定电压额定工作电压断路器正常工作下的电压，一般要高于或等于系统电压。标准规定中表征额定工作电压即在规定条件下，保证电器正常工作的工作电压值。额定绝缘电压额定绝缘电压指的是在规定条件下，用来度量电器及其部件的不同电位部分的绝缘强度，电气间隙和爬电距离的标准电压值。GB14048.1-2012中表征额定绝缘电压是一个与介电试验电压和爬电距离有关的电压值，在任何情况下最大的额定工作电压值不应超过额定绝缘电压值。若电器没有明确规定额定绝缘电压，则规定的工作电压的最高值被认为是额定绝缘电压值。额定冲击耐受电压在规定的条件下，电器能够耐受而不击穿的具有规定形状和极性的冲击电压峰值，该值与电气间隙有关。电器的额定冲击耐受电压应大于或等于该电器所处的电路中可能产生的瞬态过电压规定值。额定冲击耐受电压优选值见表5-1。表5-1冲击耐受电压额定冲击耐受电压Uimp(kV)试验电压和相应的海拔U1.2/50μs(kV)海平面200m500m1000m2000m0.330.350.350.350.340.330.50.550.540.530.520.50.80.910.90.90.850.81.51.751.71.71.61.52.52.952.82.82.72.544.84.84.74.4467.37.276.7689.89.69.3981214.814.5141412（二）额定电流对断路器而言,额定电流就是额定不间断电流(Iu)（GB/T14048.1-20124.3.2.4）Ith)。约定自由空气发热电流约定自由空气发热电流是不封闭电器在自由空气中进行温升试验时的最大试验电流值(见GB14048.1-20128.3.3.3温升试验部分)。不封闭电器是指制造商不提供外壳的电器或制造商提供的外壳是构成完整电器的一部分，但该外壳通常不预期单独作为电器的防护外壳。封闭电器可参照ABBOTDCP系列产品外壳。8h8h8h该工作制是确定电器的约定发热电流Ith和Ithe约定自由空气发热电流值并非开关额定电流值,不强制在开关电器上标志。额定工作电流Ie电器的额定工作电流由制造商规定,额定工作电流的确定应考虑到额定工作电压、额定频率,额定工作制,使用类别(详见5.8)和外8h对于直接开闭单独电动机的电器：额定工作电流指标可在考虑额定工作电压的条件下由该电器所控制的电动机的最大额定输出功率指标代替或补充。制造商会提供规定工作电流与工作功率(如有)间的关系，供用户选用开关时参考。额定不间断电流额定不间断电流是由制造商规定的开关能在不间断工作制下承载的电流值。不间断工作制意指没有空载期的工作制，电器的主触8h数据中心大多数负载设备符合不间断工作制。不间断工作制区别于8h电器用于数据中心不间断工作制设备保护时应考虑采用降容系数或（三）额定分断能力断路器的额定短路分断能力是制造商在规定的条件及额定工作电压下对断路器规定的短路分断能力值。额定短路分断能力规定为额定极限短路分断能力Icu与额定运行短路分断能力Ics。应根据有关产品标准的规定及考虑额定工作电压和额定工作电流来确定额定分断能力。电器应能分断小于和等于其额定分断能力的任何电流值。额定极限短路分断能力额定极限短路分断能力指断路器成功分断而不会被损坏的最高故障电流；按规定的试验程序所规定的条件下，不要求断路器连续承载其额定电流能力的分断能力。按照GB14048.28.3.5.3规定，被损坏是指极限短路分断能力实验之后需要验证介电耐受能力和过载脱扣器动作等，其中任一环节出现问题均认定为断路器损坏不合格。断路器的额定极限短路分断能力是制造商按相应的额定工作电压规定断路器在规定的条件下应能分断的极限短路分断能力值。它用预期分断电流表示，在交流情况下用交流分量有效值表示。极限短路分断能力Icu的试验程序是：O—t—CO，O表示一次分断操作，CO表示闭合操作后经一适当时间间隔紧接着一次分断操作。t表示两个相继的短路操作之间的时间间隔。该时间间隔应为3min或断路器的复位时间。OCO断路器合闸，然后立即分断。这里的合闸C接通电流（峰值电流）以后，是否会因为峰值电流产生的电动斥力冲击和热冲击而损坏。如果断路器能够在合闸后立即分断，并且还能熄灭电弧，则说明该断路器的CO额定运行短路分断能力额定运行短路分断能力Ics指断路器能够分断的最大短路电流；按规定的试验程序所规定的条件下，要求断路器连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是制造商按相应的额定工作电压规定断路器在规定的条件下应能分断的运行短路分断能力值。它用预期分断电流表示,或用Icu的百分数表示(例如Ics=25%Icu)。Ics至少应等于25%Icu。IcsO-t-CO-t-CO，即分断－与极限短路分断能力Icu的试验程序相比，运行短路分断能力Ics的试验程序多了一个CO。当试验顺利完成后，还需要做工频耐压验证、温升验证、过载脱扣器性能验证和操作性能验证。操作性能验证是在同样的工作电压加载了额定电流，让断路器反复操作的次数为电寿命的5%。运行短路分断能力试验合格的判定标准是每个试验程序都合格，并且断路器的外壳不应破碎，但允许有裂缝。（四）短路特性额定短路耐受电流（热稳定电流）Icw开关电器的短时耐受电流Icw是一个测量值，它代表了该型开关电器导电材料和触头能够承受的短路电流最大热冲击。从短时耐受电流的定义看，短时耐受电流就是当线路发生短路时低压开关电器能够在一段时间内承载和忍受的最大发热电流，它表征了低压开关电器对于短路电流的热稳定性。对于交流，此电流为预期短路电流交流分量的有效值,并认为在短延时时间内是恒定的。与额定短时耐受电流相应的短延时应不小于0.05s,其优选值为0.05s-0.1s-0.25s-0.5s-1s额定短时耐受电流应不小于表5-2所示的相应值。表5-2额定短时耐受电流最小值额定电流In(A)额定短时耐受电流Icw的最小值(kA)In≤2500In＞250012In或5，取较大者30额定短路接通电流Icm电器的额定短路接通能力是在额定工作电压,额定频率、规定的功率因数(交流)或时间常数(直流)下由制造商对电器所规定的短路Icm承受的最大电流，尽管低压开关电器流过此电流后可能已经损坏。额定短路接通能力Icm（五）脱扣器与脱扣曲线脱扣器是指与断路器机械上相连的（或组成整体的），用以释放保持机构并使断路器自动断开的装置。在断路器内部有四种脱扣器，也即热脱扣器、磁脱扣器、分励脱扣器和欠压脱扣器。热脱扣器热脱扣器提供热保护，热保护也就是过载保护，其安秒曲线为过载长延时L保护特性。热保护：电流经过脱扣器时热元件发热（直热式电流直接过双金属片），双金属片受热变形，当变形至一定程度时，推动牵引杆旋转从而带动机构动作切断电路。磁脱扣器电磁脱扣器一般用于短路保护，其安秒特性曲线有短路短延时S保护特性和短路瞬时I保护特性。电磁脱扣器实际上是一个磁回路。线路中通过正常电流时，电磁铁产生的电磁力小于弹簧的拉力形成的反作用力，衔铁不能被电磁铁吸动，断路器正常运行。当线路中出现短路故障时，电流超过正常电流的若干倍，电磁铁产生的电磁力大于弹簧的反作用力，衔铁被电磁铁吸动通过传动机构推动自由脱扣机构释放主触头。主触头在分闸弹簧的作用下分开切断电路起到短路保护作用。欠压脱扣器欠压脱扣器用在主回路的欠电压保护中。欠压脱扣器多采用螺线管式电磁铁，其外形亦做成和分励脱扣器、闭合电磁铁的外形一致，以便安装到断路器上。其性能必须保证大于等于85%Un吸合。在零电压释放时就是失压脱扣器，在小于等于35%Un释放时称为欠压脱扣器。按欠压脱扣器上电方式有自吸式和助吸式两种：自吸式要求接上电压时脱扣器吸合，失电时，脱扣器动作，安装较方便；助吸式的优点是在断路器断开时不带电，只有当断路器闭合时脱扣器才带电，有利于节能。下图分别为框架断路器、塑壳断路器和微型断路器欠压脱扣器。图5-1欠压脱扣器分励脱扣器分励脱扣器用于远距离操作低压断路器分闸控制。对于分励脱扣器的要求：在70%-110%额定电压时可靠地使断路