DQZHAN技術(shù)訊：低壓電氣和低壓電器技術(shù)之——淺談家裝用空氣開關(guān)的幾個(gè)主要參數(shù)和使用條件
空氣開關(guān)如此常用，人們已經(jīng)熟知它的工作性能。但空氣開關(guān)的幾個(gè)主要參數(shù)之間的關(guān)系是什么？該如何使用它？人們未必清楚。本文從應(yīng)用出發(fā)，來討論空氣開關(guān)的若干主要參數(shù)和使用條件。
空氣開關(guān)，大名叫做微型斷路器，英文名叫做MicroCircuitBreaker，因此它的符號(hào)是MCB。
與MCB相關(guān)的*主要國家標(biāo)準(zhǔn)有3個(gè)，分別是：
**個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是：GB14048.1《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1部分：總則》，此標(biāo)準(zhǔn)等同于IEC60947-1；
**個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是：GB14048.2《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第2部分：斷路器》，此標(biāo)準(zhǔn)等同于IEC60947-2；
第三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是：GB10963.1《家用和類似場(chǎng)所使用的過電流保護(hù)斷路器》，此標(biāo)準(zhǔn)等同于IEC60898-1。
由于MCB也常常被用在配電室中，因此本文的主要依據(jù)是前兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
方便起見，我以手邊*容易獲取的ABB的線路保護(hù)S200技術(shù)樣本為藍(lán)本來展開討論。
S200的技術(shù)參數(shù)表如下：
我們來逐條解釋：
極數(shù)：指MCB能同時(shí)開斷的線路數(shù)。
極，英文是Pole，因此極的縮寫是P。
從表中看到，S200的MCB有1P、2P、3P、1P+NA、3P+NA和4P等不同規(guī)格。
值得注意的是：雖然2P和1P+NA看起來似乎都是2極的，但它們的應(yīng)用條件完全不同。這在本文的后續(xù)內(nèi)容中可以看見。
額定電流In：指MCB的額定運(yùn)行電流或者額定不間斷電流。
額定電流與MCB自身的運(yùn)行溫升有關(guān)。所謂溫升，指的是MCB的運(yùn)行溫度與環(huán)境平均溫度的差值。溫升過高，會(huì)損壞MCB的操作性能和絕緣性能。因此，我們?cè)谶x用MCB時(shí)，一定不能讓它的實(shí)際運(yùn)行電流超過它的額定電流。
額定電壓Ue：指的是MCB適用的電壓等級(jí)。
這里所指的電壓一般是相間電壓，即線電壓。中國國內(nèi)大多數(shù)電壓為交流50赫茲380V（在變壓器或者發(fā)電機(jī)的端口處空載電壓為400V）。對(duì)于家裝的MCB，當(dāng)然是指極間的相電壓了。
額定絕緣電壓Ui：指的是MCB額定電壓的*大值。
標(biāo)準(zhǔn)中把MCB的絕緣能力叫做介電能力，它是衡量MCB內(nèi)部的各種絕緣件的絕緣品質(zhì)、各電極之間的**距離等重要參數(shù)的定量值。
*大工作電壓Ubmax和*小工作電壓Ubmin：指能夠正常工作的電壓區(qū)間。對(duì)于S200系列MCB來說，它的工作電壓范圍是12Vac~253Vac。（注：ac表示交流電）。
下面我們先來看看什么叫做短路電流：
下圖是我們的居家配電系統(tǒng)：
1）我們看到進(jìn)線主開關(guān)是2P的，主開關(guān)后方的圓代表漏電保護(hù)器，它能讓主開關(guān)跳閘。
2）電源進(jìn)線端的接地系統(tǒng)是TN-C，其中PEN線在入戶時(shí)接地，然后分開為N和PE，所以我們家里的接地系統(tǒng)是TN-C-S。
3）在我們家里有許多用電設(shè)備，我們看到了一臺(tái)電冰箱。其中當(dāng)然安裝了電動(dòng)機(jī)，也即感性負(fù)載。
現(xiàn)在我們家配電箱內(nèi)的主母線發(fā)生了短路事故，短路電流波形如下圖：
圖中時(shí)間軸零點(diǎn)的左側(cè)為正常運(yùn)行電流，在時(shí)刻零發(fā)生了短路。
由于短路點(diǎn)的線路阻抗很小，因此短路電流劇烈增加。不過，這部分短路電流還是符合正弦規(guī)則的，因此把它稱為短路電流的周期分量或者交流分量，符號(hào)位Ip；同時(shí)，電冰箱等用電設(shè)備的感性負(fù)載又向短路點(diǎn)釋放儲(chǔ)存在電感內(nèi)的能量，形成了短路電流的直流分量Ig。直流分量會(huì)不斷地衰減，因此它還有一個(gè)名字：非周期分量。
我們看到短路電流的交流分量和直流分量在短路后一段時(shí)間內(nèi)形成了*大值，這個(gè)*大值被稱為沖擊短路電流峰值Ipk。
值得注意的是：Ipk出現(xiàn)的時(shí)間是短路后10毫秒，也即0.01秒。
國家標(biāo)準(zhǔn)GB14048.1、GB14048.2等都規(guī)定，Ipk與短路電流周期分量Ip之比為峰值系數(shù)n。
由于直流分量是感性負(fù)載中的電感儲(chǔ)存的能量形成的，這部分能量有限，當(dāng)它釋放完畢后，短路電流中只剩下周期分量Ip。因此短路電流的周期分量亦被稱為短路電流的穩(wěn)態(tài)值。
大家可能要問：我們的居家配電箱內(nèi)不是安裝了主開關(guān)MCB嗎？它應(yīng)當(dāng)會(huì)保護(hù)我們家的線路吧？
確實(shí)如此，但MCB從感知線路中出現(xiàn)短路電流，到開始執(zhí)行開斷電路的操作，需要有一段時(shí)間。平均地說，*短也需要15毫秒的時(shí)間。
從圖中我們看到，MCB在這15毫秒時(shí)間里，承受了沖擊短路電流峰值Ipk的沖擊。
由以上分析可知，MCB在開斷短路電流期間，必須要具有以下幾個(gè)參數(shù)：
**個(gè)參數(shù)：承受沖擊短路電流峰值Ipk的能力。這個(gè)參數(shù)又叫做短路接通能力Icm。
MCB用Icm短路接通能力來承受沖擊短路電流峰值Ipk的沖擊，它是MCB參數(shù)中不可或缺的重要參數(shù)。
值得注意的是：Icm與Icu的比值正好等于沖擊短路電流峰值與短路電流穩(wěn)態(tài)值的比值。這個(gè)比值在GB14048.1和GB14048.2中被稱為峰值系數(shù)n。見下表：
表的左側(cè)為短路電流，*右側(cè)為峰值系數(shù)n。利用這個(gè)表，我們能計(jì)算出系統(tǒng)中的短路電流峰值，以及MCB的短路接通能力（如果參數(shù)表中未給的話）。
**個(gè)參數(shù)：開斷短路電流穩(wěn)態(tài)值的能力。這個(gè)參數(shù)又叫做額定短路分?jǐn)嗄芰cn。
第三個(gè)參數(shù)：開斷極限短路電流的能力，它代表著MCB所能開斷的*大短路電流，而且開斷操作完成后，MCB也就一命歸西。這個(gè)參數(shù)又叫做額定極限短路分?jǐn)嗄芰cu。
注意它的操作過程：CLOSE（閉合）-OPEN（打開），接著就是損壞，也即有1個(gè)CO。
第四個(gè)參數(shù)：可重復(fù)性地開斷短路電流的能力。當(dāng)MCB開斷短路電流后，電路恢復(fù)正常，MCB也可以正常地合閘工作，并可以繼續(xù)開斷下一次的短路電流。這個(gè)參數(shù)又叫做運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰cs。
注意它的操作過程：CLOSE（閉合）-OPEN（打開）-CLOSE（再閉合）-OPEN（再打開），也即有兩個(gè)CO。代表著可重復(fù)性的開斷短路電流。
在S200的參數(shù)表中，我們看到了如下參數(shù)：
額定短路（分?jǐn)啵┠芰cn：開斷短路電流的能力。
額定極限短路分?jǐn)嗄芰cu：也即開斷*大短路電流的能力，開斷后損壞，必須更換。
額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰cs：也即可重復(fù)使用的開斷短路電流的能力，開斷后可繼續(xù)使用。
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現(xiàn)在我們來稍許總結(jié)一下，把這些電流參數(shù)用不等號(hào)連接起來，如下：
In<Icn<Ics<Icu<Icm
這個(gè)不等式如此重要，它是揭開MCB各個(gè)電流參數(shù)的一把鑰匙。
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介電試驗(yàn)電壓：將斷路器中所有電子線路都拆除，只剩下主回路部件。當(dāng)MCB處于開斷狀態(tài)時(shí)，我們?cè)谒母鱾€(gè)導(dǎo)電部件對(duì)安裝底座的卡軌（接地體）之間、或者對(duì)導(dǎo)電部件與接地體之間施加試驗(yàn)電壓。此試驗(yàn)電壓代表著MCB絕緣體的絕緣能力。
我們看到，對(duì)于S200來說，介電試驗(yàn)用2000V電壓測(cè)試一分鐘。有的時(shí)候，又把介電試驗(yàn)稱為耐壓試驗(yàn)。
污染等級(jí)3級(jí)。代表著這臺(tái)MCB可以用在一般性工業(yè)污染條件下工作，并能確保絕緣性能。
MCB其實(shí)還有很多參數(shù)，限于篇幅，我只能介紹這幾個(gè)*主要參數(shù)，并請(qǐng)知友們務(wù)必對(duì)這些參數(shù)的意義加以重點(diǎn)理解。
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那么我們?cè)谶x用家裝的MCB時(shí)應(yīng)當(dāng)如何選擇呢？
1）務(wù)必選用同一個(gè)品牌的開關(guān)電器。
例如全部使用施耐德的開關(guān)電器，或者全部使用某國產(chǎn)品牌的開關(guān)電器，當(dāng)然也可以全部選用ABB的開關(guān)電器。
由于同一個(gè)品牌開關(guān)電器之間的配合關(guān)系很容易協(xié)調(diào)，我們能獲得*優(yōu)的工作特性。
這里的開關(guān)電器包括MCB，還有RCD等等。
2）一定要讓MCB的短路分?jǐn)嗄芰M足配電網(wǎng)的短路計(jì)算電流要求。
一般地，家裝配電系統(tǒng)的短路容量為6~10kA，因此我們選用的MCB一定要滿足這項(xiàng)要求。
MCB工作的場(chǎng)所被稱為符合家用或類似用途的用電場(chǎng)所，一般都屬于電路的末端，即三級(jí)配電設(shè)備。這種電路的低壓用電設(shè)備、保護(hù)電器的選擇、安裝和使用所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是IEC60898。IEC60898對(duì)應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)是GB10963《家用或類似用途場(chǎng)所過電流保護(hù)斷路器》。
三級(jí)配電設(shè)備的線路電壓較低，同時(shí)用電終端的線路和電器設(shè)備易老化，很容易出現(xiàn)過載、短路等危險(xiǎn)現(xiàn)象，這恰好是MCB施展拳腳的地方。
MCB的極限短路分?jǐn)嗄芰Ρ容^低，在應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)什么問題呢？看下圖：
我們知道，電纜是有阻抗的，因此電纜能對(duì)短路電流進(jìn)行消幅。一般來說，每經(jīng)過一段較長的電纜，短路電流能減小10kA。
上圖中，如果**配電設(shè)備處電力變壓器產(chǎn)生的短路電流為30kA，經(jīng)過了兩級(jí)電纜連接，三級(jí)配電系統(tǒng)的配電設(shè)備主進(jìn)線斷路器處還有30-20=10kA的短路電流，如果我們的MCB分?jǐn)嗄芰s只有6kA，這顯然會(huì)出現(xiàn)問題。
怎么辦呢？這時(shí)就要用到后備保護(hù)，以及選擇性保護(hù)。
我們先來點(diǎn)知識(shí)貯備，如下：
設(shè)被MCB保護(hù)的對(duì)象它的電流是Ib，而MCB的額定電流是In，連接到用電設(shè)備的電纜允許的持續(xù)載流量是Iz，能確保MCB可靠動(dòng)作的電流是I2，于是有如下關(guān)系：
例如某冰箱的運(yùn)行電流是7.8A，保護(hù)它的MCB的額定電流應(yīng)當(dāng)大于或者等于此電流；同時(shí)，我們還要考慮冰箱在發(fā)生容許的略微過載時(shí)的電流，所以MCB的額定電流應(yīng)當(dāng)略大于冰箱的運(yùn)行電流。
檢索MCB額定電流序列，發(fā)現(xiàn)其中符合要求的是10A，所以我們就選用In=10A。
我們?cè)倏紤]將電能引至冰箱的電纜，它的載流量Iz如果小于冰箱的運(yùn)行電流Ib，這條電纜豈不是一使用就損壞了？所以電纜的載流量一定要大于冰箱的運(yùn)行電流。但MCB的任務(wù)不但要保護(hù)冰箱，同時(shí)也好保護(hù)電纜。于是*好的辦法是讓MCB的額定電流In小于或者等于電纜的載流量Iz。
這就是**個(gè)不等式解釋。
**個(gè)不等式與電纜的過載能力有關(guān)。由于電纜過載倍率與電纜規(guī)格、載流量、使用溫度和敷設(shè)方式等都有關(guān)，這方面的知識(shí)量遠(yuǎn)超本短文的表達(dá)極限，故此忽略。
如果我們將MCB的可靠動(dòng)作電流I2小于或者等于電纜載流量的1.45倍，這樣MCB就能對(duì)電纜實(shí)現(xiàn)較為完善的保護(hù)。
這就是**個(gè)不等式的解釋。
MCB在使用時(shí)還有幾個(gè)規(guī)定：
約定不脫扣電流I1=1.13In，約定不脫扣時(shí)間t≥1h（當(dāng)In≤63A時(shí)）或者t≥2h（當(dāng)In>63A時(shí)）。
對(duì)于末端有單相電動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合，MCB對(duì)于電動(dòng)機(jī)的過載必須保護(hù)，見下圖中MCB的過載保護(hù)電流I1；另外，MCB的短路保護(hù)還要能躲過電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，即下圖中黃線的*右端的Ip和對(duì)應(yīng)的MCB保護(hù)電流I3：
有了以上技術(shù)知識(shí)儲(chǔ)備，我們就可以來瞧一瞧MCB的脫扣特性了。如下：
由此可見，1.13倍的In其實(shí)就是MCB留給用電設(shè)備的過載容許值。
我們來看MCB的四種不同脫扣特性：
我們看到B特性的短路動(dòng)作范圍是3~5倍額定電流，C特性的短路動(dòng)作范圍是5~10倍額定電流。這兩種特性適用于我們一般的家裝環(huán)境。比較起來，C特性會(huì)更好一些。
D特性的短路動(dòng)作范圍是10~20倍額定電流，它適用于居于沖擊性的用電負(fù)荷保護(hù)，例如電動(dòng)機(jī)負(fù)載。
K特性的短路動(dòng)作范圍是10~15倍額定電流，過載約定不脫扣是1.05倍額定電流，電纜過載保護(hù)的脫扣是1.45倍額定電流。因此，它更適用于電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。
