2.4.2 低压断路器的工作原理与基本特性

低压断路器由触头和灭弧系统、各种脱扣器和自由脱扣机构、附件三个基本部分组成。低压断路器具有的多种功能是以脱扣器和附件的形式实现的，根据用途不同，可选用不同的脱扣器和附件组成不同功能的低压断路器。

2.4.2.1 低压断路器的工作原理

低压断路器的工作原理如图2-14所示。

低压断路器的主触头2有手动或电动操作两种闭合方式。主触头2闭合后，自由脱扣机构3将主触头闭锁在合闸位置。过电流脱扣器4的线圈和热脱扣器6的热元件串联在主电路L3相中，欠电压脱扣器7的线圈并联在L1和L2相间，当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁吸合，使自由脱扣机构3的锁扣机构脱扣动作，从而带动主触头分断主电路。当电路发生过载时，热脱扣器6的热元件持续发热导致双金属片受热而向上弯曲，并推动自由脱扣机构3向上动作，同样使自由脱扣机构3脱扣动作，带动主触头分断主电路。当电路电压降低时（如低于额定电压的35%），欠电压脱扣器7的衔铁释放，向上推动自由脱扣机构动作，带动自由脱扣机构3脱扣，使主触头分断主电路。分励脱扣器5用于低压断路器远距离控制，其线圈并联在L2和L3相间，在正常工作时，线圈是断电的，在需要距离控制时，按下分励按钮8使线圈通电，吸合衔铁推动自由脱扣机构3向上动作，带动自由脱扣机构动作，使主触头分断主电路。故障排除后，通过复位机构复位。

脱扣是由脱扣器（脱扣机构）引起的断路器（开关电器）的断开动作，使保持断路器闭合的锁扣机构解脱，而使断路器触头断开或闭合的动作过程。脱扣机构是在断路器（开关电器）中介于脱扣器和触头系统之间的传递机构，它能接受脱扣器的指令而使闭合的触头断开。锁扣机构是在操作力消失后，使断路器（开关电器）的可动部分被锁住，不能由于弹簧或重力作用而返回至起始位置的机构。

自由脱扣是指在闭合操作后，发生脱扣动作时，即使保持闭合指令，其动触头仍能返回并停留在断开位置。

复位是动作了的电器的所有可动部分回复到起始位置。复位机构是使开关电器的可动部分恢复到起始位置的机构。自动复位是导致断路器动作的故障消失后，动作了的断路器的所有可动部分自动回复到起始位置。断路器脱扣后的锁扣回复到锁住位置的动作称为再扣。

2.4.2.2 主电路的额定值和极限值

1.额定电压

（1）额定工作电压U_e

额定工作电压U_e是指相间电压，对于三相四线中性线接地系统是指相地间电压，包括相间电压（220/380V）。对于三相三线不接地或经阻抗接地系统，表示相间电压（例如380V）。

（2）额定绝缘电压U_i

额定绝缘电压U_i是一个与介电试验电压和爬电距离有关的电压值。在任何情况下最高的额定工作电压值不应超过额定绝缘电压值。若没有明确规定额定绝缘电压，则额定工作电压即认为是额定绝缘电压值。

（3）额定冲击耐受电压U_imp

额定冲击耐受电压U_imp是在规定的条件下，低压断路器能够耐受而不击穿的冲击电压峰值，该值与电气间隙有关。低压断路器的额定冲击耐受电压应高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。

2.约定电流和额定电流

（1）约定自由空气发热电流I_th

I_th值应至少等于不封闭电器在8h工作制下最大额定工作电流值。不封闭电器是指无外壳的电器或外壳是构成完整电器的一部分，但该外壳通常不单独作为电器的防护外壳的电器。

（2）约定封闭发热电流I_the

封闭电器是指一般用于规定的型式和尺寸的外壳中的电器或用于多个型式的外壳中的电器。如果电器一般不用在规定的外壳中，且满足约定自由空气发热电流I_th要求，制造商提供约定封闭发热电流值或降容系数，以及在特定的局部周围环境空气温度下的最大额定电流的指导值。例如，使用类别AC-1，在局部空气温度为40℃的环境中额定工作电流I_e=45A，在局部空气温度为60℃的环境中，额定工作电流I_e=40A等。

（3）额定工作电流I_e或额定工作功率

低压断路器的额定工作电流由制造商规定，额定工作电流与额定工作电压、额定频率、额定工作制、使用类别和外壳防护的型式有关。对于直接通断单独电动机的电器，额定工作电流可在考虑额定工作电压的条件下，按所控制电动机的最大额定功率从制造商规定的工作电流与工作功率间的关系中选择。

（4）额定不间断电流I_u

额定不间断电流是电器能在不间断工作制下承载的电流值。

2.4.2.3 低压断路器的额定工作制

低压断路器的额定工作制有S1—连续工作制、S2—短时工作制、S3—断续工作制（断续周期工作制）、S6—周期工作制、S8—8h工作制，详见1.3.4节。

1）连续工作制是没有空载期的工作制，电器的主触头保持闭合且承载稳定电流超过8h（数周、数月甚至数年）而不分断。

2）短时工作制是指电器的主触头保持闭合的时间不足以使其达到热平衡，有载时间间隔被无载时间隔开，而无载时间足以使电器的温度恢复到与冷却介质相同的温度。

3）断续工作制是指电器的主触头保持闭合的有载时间与无载时间有一确定的比例值，此两个时间都很短，不足以使电器达到热平衡。断续工作制用电流值、通电时间和负载因数来表征其特性，负载因数是通电时间与整个通断操作周期之比，通常用百分数表示。负载因数的标准值为15%、25%、40%和60%。

根据电器每小时能够进行的操作循环次数，电器可分为如下等级：1、3、12、30、120、300、1200、3000、12000、30000、120000、300000。对于每小时操作循环次数较高的断续工作制，制造商规定实际操作循环次数或根据规定的操作循环次数来给出额定工作电流值，电器根据断续周期工作制的特征用符号标识，如在每5min有2min流过100A电流的断续工作制表示为100A，12级，40%。

4）周期工作制指无论恒定或可变负载总是有规律反复运行的一种工作制。

5）8h工作制是指电器主触头保持闭合且承载稳定电流足够长时间，使电器达到热平衡，达到8h时立即分断电流的工作制，是确定电器的约定发热电流I_th和I_the的基本工作制。

2.4.2.4 低压断路器的短路保护特性

1）低压断路器的额定短路接通能力I_cm是在规定的额定工作电压、额定频率、功率因数或时间常数（直流）下的短路接通能力值，用最大预期峰值电流表示。额定短路接通能力表示断路器在对应于额定工作电压下能够接通电流的额定能力。

额定短路接通能力以电器安装处预期短路电流的峰值为最大值，额定短路分断能力则以短路电流周期分量的有效值表示。在选用时应保证开关电器的额定短路通断能力高于电路中预期短路电流的相应数据。

2）低压断路器的分断能力指标有额定极限短路分断能力I_cu和额定运行短路分断能力I_cs。I_cs是一种分断指标，即分断几次短路故障后，还能保证其正常工作。低压断路器应有足够的I_cu，能够分断短路电流使开关跳闸。因此，所谓短路保护动作就是短路瞬时脱扣跳闸。目前，大多数断路器的I_cs在（50%～75%）I_cu之间。它用预期分断电流I_pb表示（交流分量有效值），I_pb对应于分断过程开始瞬间所确定的预期电流。

低压断路器的额定运行短路分断能力是按相应的额定工作电压规定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，相当于额定极限短路分断能力规定的百分数中的一档的整数。它可用I_cu的百分数表示（如I_cs=50%I_cu，要求I_cs≥25%I_cu），见表2-7。当额定运行短路分断能力等于额定短时耐受电流时，只要它不小于相应的最小值可以按额定短时耐受电流值规定。

3）额定短时耐受电流I_cw，见2.4.1.1节。

4）限制短路电流是在规定的使用和性能条件下，电器动作期间所能承受的预期电流。限流分断能力是低压断路器短路跳闸时限制故障电流的能力。断路器发生短路时，触头快速打开产生电弧，相当于在线路中串入1个迅速增加的电弧电阻，从而限制了故障电流的增加。低压断路器断开时间越短，I_cs就越接近I_cu，限流效果就越好，从而可大幅降低短路电流引起的电磁效应、电动效应和热效应对断路器和用电设备的不良影响，延长断路器的使用寿命。

5）约定脱扣电流是在约定时间内，引起脱扣器动作的规定电流值。

6）约定不脱扣电流是在约定时间内，脱扣器能承载而不动作的规定电流值。

2.4.2.5 低压断路器的脱扣器

低压断路器有热磁和电子两种类型脱扣器，主要有过电流脱扣器、分励脱扣器和欠电压脱扣器三种型式，用于构成过载保护和短路保护，如图2-15所示。

热磁脱扣器是热（过载）脱扣器+电磁（短路）脱扣器的总称。热脱扣是通过双金属片的热变形特性推动脱扣传动机构脱扣；电磁脱扣是通过电磁机构瞬时推动衔铁带动脱扣机构脱扣。

热磁脱扣器是过载、短路复合保护。电子脱扣器是用电子元件构成脱扣电路，通过检测主电路电流而推动脱扣机构。电子脱扣器是短路速断保护。

1.过电流脱扣器

当通过脱扣器的电流超过预定值时，使机械开关电器有延时或无延时地动作的脱扣器，包括短路脱扣器、过载脱扣器和瞬时脱扣器。

1）短路脱扣器，经整定一定延时后动作的过电流脱扣器，其延时动作时间可以调整，但不受过电流值的影响，用于短路保护（定时限特性）。整定值包括电流整定值和时间整定值。

2）过载脱扣器，经整定一定延时后动作的过电流脱扣器，其延时动作时间与所通过的过电流成反比，用于过载保护（反时限特性）。

3）瞬时脱扣器，当电流大于或等于脱扣电流时，脱扣器即动作的过电流脱扣器，用于瞬时动作短路保护（瞬时动作特性，无整定）。

2.分励脱扣器

由电压源激励的脱扣器，用于远方分合断路器操作。

3.欠电压脱扣器（失电压脱扣器）

当端电压下降至预定值以下时，有延时或无延时断开的脱扣器，用于低电压保护。

2.4.2.6 低压断路器过电流脱扣器的整定值

过电流脱扣器的额定电流是指在GB 14048.2—2008中8.3.2.5规定的试验条件下能够承载相应于最大电流整定值的电流有效值，在此条件下，温升不超过规定值。

1.过电流脱扣器的电流整定值

过电流脱扣器有可调和不可调两种。如果低压断路器装有可调脱扣器，电流整定值（范围）以安培数或电流值的倍数标在脱扣器上。

如果低压断路器装有不可调脱扣器，电流整定值（范围）以安培数或电流值的倍数标在断路器上。

如果过载脱扣器的动作特性符合表2-9的要求，则只在断路器上标注额定电流（I_n）。在有电流互感器的情况下，标注电流互感器的电流比或一次电流。

过电流脱扣器的动作值除热磁式脱扣器外是指在-5～+40℃的范围内工作，与周围空气温度无关；对于热磁式脱扣器，规定的动作值则指基准温度为+30℃±2℃。

2.过电流脱扣器的脱扣时间整定值

（1）定时限过电流脱扣器

定时限过电流脱扣器的延时与过电流值无关。如果延时不可调，则脱扣时间整定值就是断路器的断开时间（s），如果延时是可调的，则脱扣时间整定值以断开时间的最大值和最小值表示。

（2）反时限过电流脱扣器的整定

反时限过电流脱扣器的延时取决于过电流值的大小。时间-电流特性以反时限过电流曲线形式表示，曲线是从冷态开始的断开时间与脱扣器动作范围内的时间-电流变化关系，电流以横坐标表示，时间以纵坐标表示，两个坐标轴均采用对数坐标刻度，电流以整定电流的倍数表示，时间以秒（s）表示，应用时按最大和最小电流进行整定。作为示例，图2-16是一种断路器动作特性曲线，表2-10是一种断路器的过电流保护特性。工业用断路器有配电保护型和电动机保护型两种型式。