断路器的保护原理及计算方法

当插线板发生短路，短路电流流过故障插线板，流过电缆导线，当然也流过开关电器，并引起电气火灾。紧急时刻，我们当然期望某路开关电器(断路器)执行保护跳闸。经过一段短暂的时间后，某路总开关断路器执行跳闸保护。

但断路器执行完保护后，我们能把它合上继续为我们供电吗?这里面有什么学问?

断路器中流过正常的运行电流时，随着时间的推移，断路器中的保护测控装置探测到的发热量不大，未越过发热量门限限制值，断路器当然不会执行跳闸操作;当断路器中流过非正常的较大电流时，断路器中的保护测控装置探测到的发热量较大，越过了发热量门限值，断路器执行跳闸操作。

这里的门限，指的是断路器的保护整定值。

我们把断路器中流过的非正常大电流叫做过电流。过电流包括过载电流和短路电流。也就是说，过电流越大，断路器动作的时间就越短，它执行线路保护就越快。这种特性有一个专有名词，叫做断路器的反时限保护特性。

现在，我们来一点数学知识，看看什么叫做反时限特性。

我们来看Y=K/X和Y=K/X2这两个幂函数，这里令K=1，得到如下图像：

我们马上就能想到：如果让纵坐标Y为断路器的动作时间t，而横坐标X为断路器额定电流的倍率nIe(n是倍率，Ie是断路器的额定电流)，我们就能够让断路器按电流越大动作时间越快的保护方式来执行线路保护操作。

事实上，断路器的保护操作就是按这个原则来进行的。对应的曲线叫做断路器的反时限保护特性曲线。

这就是断路器的线路保护特性曲线。我们看到过载保护特性t=f(I)与Y=f(1/X) 如此类似，其实它们就是同一类函数关系。

下图是ABB的某型断路器的热磁式脱扣曲线：

图中红色的是热态曲线，蓝色的是冷态曲线。

有几个地方需要解释：

第一：关于断路器特性曲线的冷态曲线和热态曲线

冷态曲线指的是断路器刚刚送电，断路器内部的温度与环境温度是一致的，此时的曲线在曲线簇的右侧;热态曲线指的是断路器送电后已经进入了稳定状态，此时的曲线在曲线簇的中间或者左侧。

热态曲线和冷态曲线在横坐标中的范围，其实就是断路器短路保护的范围。例如B特性是4到7倍额定电流，C特性是7到15倍额定电流。

为何如此?我将在后面结合断路器内部结构来解释。

第二：关于断路器特性曲线的B特性与C特性

B特性用于照明配电控制，C特性则用于普通配电的配电控制。

第三：关于断路器的过载保护曲线和短路保护曲线

当线路发生过载时，也许是因为电压浪涌使得电流暂时性变大，等电压浪涌过去，电流就会恢复正常;也许是因为负载瞬时变重，使得电流加大，但负载恢复后，电流也会恢复。如此一来，断路器的保护就需要有一定时间的延迟。

我们看过载保护曲线。例如B特性冷态曲线的横坐标为2倍额定电流即2Ie位置，此时的纵坐标值为6秒，表示断路器将在5秒后执行过载保护跳闸。这里的6秒就是保护时延(注意：时延指的是保护操作机构的动作时间延迟)特性。

当线路发生短路时，这属于紧急状态，断路器必须马上跳闸。

我们看B特性冷态曲线横坐标为4Ie的位置，它的动作时间为0.02s，而5Ie的位置动作时间是0.01s。

我们看到，在4Ie和5Ie之间曲线还有一点反时限特性，但在5Ie之后就完全没有反时限特性了。

我们把5Ie之后的特性曲线叫做定时限保护特性曲线，所有短路保护的时间都是0.01s;把4Ie到5Ie的这一段叫做短路短延时保护特性曲线。

短路短延时保护特性的目的与过载保护特性类似，期望短路是一个短暂的临时现象，如果短路在0.01秒时间内消失，则断路器就不做开断操作。

总结一下我们学到的知识：

1、断路器内部的保护测控装置能实现过电流的线路保护;

2、断路器的过载保护具有反时限保护特性;

3、断路器的短路保护分为两段，其一具有反时限的短路短延时保护特性，其二具有定时限保护特性。

注：文章摘自张白帆老师的书稿《你所不知道的电气知识-电气世界漫游》

审核编辑：汤梓红