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断路器安全负载电流计算公式

2016-10-20 17:13:03 | 人围观 | 评论:

断路器作为最基本的电气保护开关元件，其用途非常广泛，社会保有量巨大，在现代生产和生活中已经成为最重要、最常用、最基本的保护电器，因此，保证断路器能可靠保护线路和负载的安全就显得尤为重要。
 
长期以来一直没有一个确切的断路器负载电流的安全选择数据和计算公式，国家标准GB14048.2断路器是针对断路器的额定电流所制定的检验标准。什么条件下的负载电流在断路器的安全保护范围之内，对于专业技术人员来说是比较繁琐的计算问题，而对于非专业技术人员和操作者更是非常困难的问题。在国内外的相关技术文献中也很难找到相应的计算公式，也没有相关的经验数据可提供。因此，人们设计或选择、使用断路器时都是根据预期的最大负载电流来选择断路器的额定电流，或根据短路分断能力来选择断路器的额定电流，甚至有人为了避免的频繁跳闸现象，把断路器的额定电流选得很大，或者把可调脱扣器的整定电流调得很高，远远高出预期的最大负载电流。导致很多场合的断路器从设计到使用当中根本就不在安全保护线路和负载的范围之内，确切地说：该断路器根本就没有给线路和负载提供任何保护。线路和负载处于无保护状态下，当线路或负载出现过载、短路故障时，不可避免的将发生事故和火灾，甚至造成重大财产损失的人员伤亡。
 
由于人们在选择断路器的额定电流或整定可调脱扣器的断路器的额定电流时，一直没有可量化的确切电流范围，没有可供准确计算断路器安全负载电流的计算公式，以至造成很多人认为只要安装了断路器就能保护线路和负载的安全了，甚至很多行业内的专业人员也有如此认识，造成实际额定负载电流不在断路器的安全保护范围之内，失去非常重要的保护功能，甚至造成重大的技术失误和后患。
 
笔者通过总结多年实践工作经验和分析、实验，参照国家断路器标准GB14048.2及国际标准idt IEC 60947-2:1997断路器之规定，，归纳整理出可供准确计算断路器安全负载电流的计算公式，通常只要按公式计算出最低保护极限负载电流，按此公式计算结果选择或整定断路器的额定电流，就可以起到安全保护线路和负载了。断路器的最高极限电流一般不超过断路器的额定电流都能满足要求。
1、       反时限过载保护特性
 
根据国家断路器标准GB14048.2规定，配电保护型断路器反时限过载保护断开特性
约定不动作电流为额定电流或整定电流的1.05倍，约定动作电流为额定电流或整定电流的1.3倍。
 
配电保护型断路器的反时限断开特性（见下表）
 
下表为配电保护型断路器的反时限断开特性
 
通过电流名称      整定电流倍数      约定时间/h
                      Ir≤63A             Ir＞63A
约定不动作电流       1.05Ir ≥1         ≥2
约定动作电流       1.30Ir ＜1         ＜2
 
导出的断路器反时限过载保护安全负载电流计算公式如下：
最低极限负载电流为大于：约定不动作电流除以约定动作电流、再乘以断路器的额定电流，即
    1.3IL＞1.05Ir ；IL＞1.05/1.3Ir；即IL＞0.81Ir
最高极限负载电流为：断路器的约定不动作电流，即≤1.05Ir
 
注：因为如果大于断路器的约定不动作电流，则反时限保护将开始起控，最终完成脱扣动作。
 
根据以上的断路器的反时限过载保护特性可以计算出最低极限电流IL为： 约定不动作电流除以约定动作电流，再乘以断路器的额定电流Ir。断开特性的约定不动作电流比约定动作电流，反应了约定不动作电流占约定动作电流的比例，该比例即为脱扣动作的最低极限范围，再乘以作为标尺的断路器额定电流Ir，即得到该断路器的最低极限脱扣动作电流IL，负载设备的额定电流只有大于断路器的最低极限脱扣动作电流IL，断路器才具有保护线路和负载的相应保护性能。即
 
    1.3IL＞1.05Ir ；IL＞1.05/1.3Ir；即IL＞0.81Ir
 
也就是说：当负载设备的额定电流小于断路器额定电流的81%以下时，断路器已经失去对该负载设备的正常过载保护功能。因为此时即使这个负载设备的实际电流已经超过其额定电流IL的1.3倍，却仍未达到或超过断路器额定电流或整定电流的1.05倍，断路器仍处于约定不脱扣电流的范围内，因此，断路器不会进入脱扣保护状态。
 
式中：Ir为断路器额定电流，IL为线路或电气设备的额定电流
 
例如：一台额定电流为100A的断路器，根据公式IL＞1.05/1.3Ir计算得到负载设备的最低极限电流为81A，而要使断路器脱扣保护动作，其最低脱扣动作电流为大于额定电流100A的1.05倍，即105A。
 
以下验算负载设备的最低极限电流81A的1.3倍Ir是否大于105A，81A×1.3=105.3A，刚好大于断路器脱扣保护动作的最低极限电流105A。
 
2、       定时限短路保护特性
 
对于断路器的定时限短路保护断开特性根据国家标准GB14048.2第8.3.3.1.2条规定短路条件下的断开
短路脱扣器（见4.7.1）的动作应在脱扣器短路整定电流的80％和120％下进行验证。
当试验电流等于短路整定电流的80％时，脱扣器应不动作，
当试验电流等于短路整定电流的120％时，脱扣器应动作：
――对于瞬时脱扣器，应在0.2 s内动作；
――对于定时限脱扣器，应在等于制造厂规定的延时时间的2倍的时间间隔内动作。
此外，定时限脱扣器应符合8.3.3.1.4的要求。
 
导出的断路器定时限短路保护安全负载电流计算公式如下：
最低极限负载电流为大于、等于：约定不动作电流除以约定动作电流、再乘以断路器的额定电流，即
 
       IL＞0.8n/1.2nIr；IL＞0.8/1.2Ir；IL＞2/3Ir；IL＞67%Ir
 
最高极限负载电流为：小于断路器的约定动作电流，即＜1.2Ir
 
注：因为如果等于或大于断路器的约定动作电流，则定时限保护将立即起控，完成脱扣动作。
 
式中：n为整定电流的倍数，Ir为断路器的额定电流，nIr为整定电流，通常为Ir的整数倍，一般取2，4，6，8，10，12，20……，IL为线路或负载设备的额定电流。
 
例如：一台额定电流为1,000A的断路器，根据公式IL＞0.8/1.2Ir计算得到负载设备的最低极限电流为667A，而要使断路器脱扣保护动作，其最低脱扣动作电流为大于额定电流的1,000A的0.8倍，即800A。
 
以下验算负载设备的最低极限电流667A的1.2倍Ir是否大于800A，667A×1.2=800.4A，大于断路器脱扣保护动作的最低极限电流800A。
 
    即当负载设备的额定电流小于断路器额定电流的67%时，断路器已经失去对该负载设备的短路保护能力。因为此时即使这个负载设备的实际电流已经超过其额定电流IL的过电流倍数，断路器仍处于约定不动作电流的范围内，因此，断路器不会进入脱扣保护状态，此时的断路器仅有开关功能，而没有保护功能，这对输电线路和用电设备的安全是极其危险的！
 
无论是反时限过载保护特性，还是定时限短路保护特性，在最低极限负载电流和最高极限负载电流之间，就是断路器的安全负载电流范围，也就是安全保护区。
 
负载设备的最低极限额定电流等于断路器的约定不动作电流比较约定动作电流，再乘以断路器的额定电流，也就是负载设备的最低极限额定电流=断路器的约定不动作电流/约定动作电流×额定电流。
 
过载保护范围由约定不动作电流至反时限约定动作电流段组成，他的最低极限额定电流也可以用额定电流比较实际过载保护范围计算得到，既nIL＞1.05Ir；IL＞Ir/（1.3－1.05）
 
    短路保护范围由定时限约定不动作电流至约定动作电流段组成，他的最低极限额定电流也可以用额定电流比较实际短路保护范围计算得到，即
 
IL＞0.8n/1.2nIr；IL＞0.8/1.2Ir；IL＞2/3Ir；IL＞67%Ir
 
如果已知负载的额定电流IL，计算断路器的最高极限额定电流只需把上面的公式变通一下即可，对于反时限过载保护，断路器的最高极限额定电流为：Ir=1/ IL=1/0.81≈1.23 IL，即已知负载额定负载电流的1.23倍，断路器的最低极限额定电流等于已知负载的额定电流IL；
 
对于定时限短路保护，断路器的最高极限额定电流为：Ir=1/IL=1/0.67≈1.49 IL，即已知负载额定负载电流的1.49倍，断路器的最低极限额定电流等于已知负载的额定电流IL。
 
断路器额定电流选择计算公式是在按预期的最大负载电流来选择断路器额定电流的基础上，给出断路器最低保护极限电流，选择原则是负载的额定电流在断路器的额定电流至最低保护极限电流之间的任意值上，这就是选择断路器大小的基本原则和依据。
 
通过“断路器额定电流选择计算公式”计算出的断路器最低保护极限电流，按此最低保护极限电流选择或整定断路器的额定电流，能保证最小负载电流时也在断路器的安全保护动作范围之内，使断路器真正起到安全保护的作用。




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