學點開關電器知識——斷路器的基本原理之1

01-30

這幾天，連續寫了幾篇有關開關電器動熱穩定性的帖子和文章。發布後看評論，發現這些文章和帖子有一個通病，就是只能讓電氣工作者閱讀，普通大眾是無法接受的。

突然有個想法：為何不開闢一個專欄區域，專門給普通大眾來普及開關電器的知識？

既然是為普通大眾寫的開關電器科普知識，所以文章中所用到的數學和物理知識絕不超過中學水平。

確實有點難，我已經習慣於用專業術語和表述方式來闡述電氣問題了。這對於我也是一次挑戰。

本系列文章摘自我的書稿《你所不知道的電氣知識——電氣世界漫遊》，當然有一些添油加醋，以便更加適應於普通大眾。

以下是開篇，且看看效果。若效果令人滿意，我就繼續下去。

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當插線板發生短路，短路電流流過故障插線板，流過電纜導線，當然也流過開關電器，並引起電氣火災。緊急時刻，我們當然期望某路開關電器（斷路器）執行保護跳閘。經過一段短暫的時間後，某路總開關斷路器執行跳閘保護。

但斷路器執行完保護後，我們能把它合上繼續為我們供電嗎？這裡面有什麼學問？

我們在中學的學習中就知曉，當電流流過導體，它會發熱。事實上，不管是電飯煲也好，是普通電熱水器也好，都是利用電流流過發熱導體產生熱量來為我們服務的。

作為供電的源頭，居家配電箱中的空氣開關（以下用它的準確名稱——斷路器）或者斷路器，當我們在使用用電設備時，它也會發熱。如果有一點發熱斷路器就跳閘保護，顯然這是不行的；當發生了短路時，故障點劇烈發熱甚至出現明火，斷路器就應當快速地跳閘保護，這才符合它作為開關的基本用途。

從這段文字中，我們能總結出一個規律：

斷路器中流過正常的運行電流時，隨著時間的推移，斷路器中的保護測控裝置探測到的發熱量不大，未越過發熱量門限限制值，斷路器當然不會執行跳閘操作；當斷路器中流過非正常的較大電流時，斷路器中的保護測控裝置探測到的發熱量較大，越過了發熱量門限值，斷路器執行跳閘操作。

這裡的門限，指的是斷路器的保護整定值。

我們把斷路器中流過的非正常大電流叫做過電流。過電流包括過載電流和短路電流。

也就是說，過電流越大，斷路器動作的時間就越短，它執行線路保護就越快。這種特性有一個專有名詞，叫做斷路器的反時限保護特性。

現在，我們來一點數學知識，看看什麼叫做反時限特性。

我們在中學學過 $Y=frac{K}{X}$ 和 $Y=frac{K}{X^2}$ 這兩個冪函數，這裡令K=1，它們的圖像如下：

我們馬上就能想到：如果讓縱坐標Y為斷路器的動作時間t，而橫坐標X為斷路器額定電流的倍率nIe（n是倍率，Ie是斷路器的額定電流），我們就能夠讓斷路器按電流越大動作時間越快的保護方式來執行線路保護操作。

事實上，斷路器的保護操作就是按這個原則來進行的。對應的曲線叫做斷路器的反時限保護特性曲線。

我們來看下圖：

這就是斷路器的線路保護特性曲線。我們看到過載保護特性t=f(I)與Y=f(1/X) 如此類似，其實它們就是同一類函數關係。

下圖是ABB的某型斷路器的熱磁式脫扣曲線：

圖中紅色的是熱態曲線，藍色的是冷態曲線。

有幾個地方需要解釋：

第一：關於斷路器特性曲線的冷態曲線和熱態曲線

冷態曲線指的是斷路器剛剛送電，斷路器內部的溫度與環境溫度是一致的，此時的曲線在曲線簇的右側；熱態曲線指的是斷路器送電後已經進入了穩定狀態，此時的曲線在曲線簇的中間或者左側。

熱態曲線和冷態曲線在橫坐標中的範圍，其實就是斷路器短路保護的範圍。例如B特性是4到7倍額定電流，C特性是7到15倍額定電流。

為何如此？我將在下一講結合斷路器內部結構來解釋。

第二：關於斷路器特性曲線的B特性與C特性

B特性用於照明配電控制，C特性則用於普通配電的配電控制。

第三：關於斷路器的過載保護曲線和短路保護曲線

當線路發生過載時，也許是因為電壓浪涌使得電流暫時性變大，等電壓浪涌過去，電流就會恢復正常；也許是因為負載瞬時變重，使得電流加大，但負載恢復後，電流也會恢復。如此一來，斷路器的保護就需要有一定時間的延遲。

我們看過載保護曲線。例如B特性冷態曲線的橫坐標為2倍額定電流即2Ie位置，此時的縱坐標值為6秒，表示斷路器將在5秒後執行過載保護跳閘。這裡的6秒就是保護時延（注意：時延指的是保護操作機構的動作時間延遲）特性。

當線路發生短路時，這屬於緊急狀態，斷路器必須馬上跳閘。

我們看B特性冷態曲線橫坐標為4Ie的位置，它的動作時間為0.02s，而5Ie的位置動作時間是0.01s。

我們看到，在4Ie和5Ie之間曲線還有一點反時限特性，但在5Ie之後就完全沒有反時限特性了。

我們把5Ie之後的特性曲線叫做定時限保護特性曲線，所有短路保護的時間都是0.01s；把4Ie到5Ie的這一段叫做短路短延時保護特性曲線。

短路短延時保護特性的目的與過載保護特性類似，期望短路是一個短暫的臨時現象，如果短路在0.01秒時間內消失，則斷路器就不做開斷操作。

本次學習到這裡為止。

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總結一下我們學到的知識：

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下兩期我們將結合斷路器的內部結構來學習，並知曉斷路器的原理以及斷路器的簡單分類。再下一期我們將了解斷路器的基本參數以及它們的運用和配置要點。