限流断路器分断短路电流时,通常利用电流在触头回路产生的的电动斥力,或电流在磁脱扣线圈中产生的电磁力使动铁芯直接顶开触头,快速产生电弧电压来限制短路电流,不光使限流后的允通能量I²t小于预期电流半个周波内的I²t,还限制“允通电流”达到预期电流峰值。
允通电流(let-through current)也称截断电流ic(cut-offcurrent),是指断路器或熔断器在分断动作中达到的最大瞬时电流值,即在短路电流尚未达到预期短路电流峰值Ip前,断路器或熔断器已经分断。如图1所示,Ip为预期短路电流的峰值,ic为允通电流(截断电流)。
图1 允通电流ic(截断电流)
在GB14048.2 低压断路器标准中,断路器应能分断等于其额定短路分断能力的预期电流,即图2中的预期对称分断电流(有效值)A2/2√2,能接通不小于其额定极限短路分断能力乘以峰值系数n的乘积,即图2中的预期峰值接通电流A1。
图 2 预期峰值接通电流和预期对称分断电流波形
断路器短路分断试验时,短路接通能力与短路分断能力的比值需要满足图3中峰值系数n的要求,比如某断路器的短路分断能力为50kA,那么在试验时试验回路预期对称分断电流为50kA,查询此时峰值系数为2.1,则预期峰值接通电流为105kA。
断路器需要成功接通第一个半波105kA的峰值电流和成功分断50kA短路电流有效值,才能宣称具备50kA的短路分断能力。
图3 峰值系数n
断路器的限流曲线图通常将预期短路电流、预期短路电流峰值、允通电流(截断电流)绘制在一张图表中,图4中预期短路电流的有效值显示在横坐标上,预期短路电流峰值显示在纵坐标上,曲线A是断路器未限流情况下的预期短路电流峰值,这条斜线上有多个破折处,每一个拐点对应一个峰值系数n(图3)。曲线B代表断路器限流之后的允通电流(截断电流),通常是一条弧线。
例如当预期短路电流为40kA时,峰值系数为2.1,如果是非限流型断路器,其预期短路电流峰值为84kA,如果是限流型断路器,经过该断路器限流之后,允通电流(截断电流)只有16.2kA,16.2kA相对于84kA大约降低到原来的20%左右,由于电动力与电流的平方成正比,所以限流之后的电动力下降到原来的4%左右,非常有利于优化低压柜内铜排的动稳定设计,关于限流曲线是如何优化动稳定设计,我在后续文章中会详细展开。
图4 断路器限流曲线图
断路器或熔断器限流能力的强弱可以用限流系数来比较,限流系数是指开断时最大通过电流峰值(截断电流/允通电流)与预期短路电流周期分量有效值之比,限流系数越小,代表限流能力越强。图5中左边是某型号限流断路器400V的限流曲线,右边是某型号熔断器400V的限流曲线,以额定电流100A产品为例,在预期短路电路为100kA的情况下,断路器的允通电流为24kA,限流系数为0.24,熔断器的允通电流为13kA,限流系数为0.13,其他电流档对比也可以看出熔断器的限流能力确实比断路器强。
图5 断路器(左)与熔断器(右)限流能力对比
综上所述,通过断路器的限流曲线图可以得到限流之后允通电流(截断电流)值,与非限流情况下的预期短路电流峰值作对比,限流曲线斜率越缓则限流系数越小,说明断路器限流能力越强。
在工程应用中,由于电动力与电流的平方成正比,所以限流曲线通常用来校验低压柜或母线槽内母排的动稳定、上下级断路器选择性分析等。
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