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电气百科:断路器和智能断路器的设计、跳闸、烧白原因、分断能力、市场前景

框架断路器和塑壳断路器的区别与选用

塑壳断路器和框架断路器同是断路器产品中使用十分普遍的产品,不过很多人并不是十分了解两者存在的区别,在选购的时候也经常会出现举棋不定的情况,在这里首先了解下两者的概念,其次了解两者的区别,最后了解下两者的选用。

框架与塑壳断路器的概念

1 框架断路器

框架断路器一般也被称空气断路器或者万能式断路器,主要用于低压配电系统的进线、母联及其它大电流回路的关合。由触头、灭弧装置、操作机构和脱扣系统、外壳和控制单元构成。

按安装方式可分为固定式和抽屉式两种,固定式外壳采用金属材料,外型尺寸较大,防护等级较低。抽屉式则采用工程塑料外壳,结构较为紧凑,防护等级高,检修方便。按保护特性分,框架断路器可分为非选择性(A类)和选择性(B类),B类断路器多采用电子式过电流脱扣器,具有长延时,短延时和瞬时动作保护三段保护特性。

智能型框架断路器内置单片机,具有显示,报警,自检和通信功能,可与工控机组成监控系统。框架断路器的最大特点是容量大,极限分断能力高和足够的短时耐受电流,如德力西CDW3型断路器的额定电流高达6300A,额定短时耐受电流高达85KA,这使得框架断路器有很好的选择性和稳定性,正是由于这些优秀的特点,使得框架断路器的价格较高。

2) 塑壳断路器

塑壳断路器也被称为装置式断路器,主要用于低压配电系统的进出线、电动机保护,所有的零件都密封于外壳中,辅助触点,欠电压脱扣器以及分励脱扣器等多采用模块化。由于结构非常紧凑,塑壳断路器基本无法检修,大多采用手动操作,大容量可选择电动分合。由于电子式过电流脱扣器的应用,塑壳断路器也可分为A类和B类两种,塑壳断路器使用类别通常A类,在短路情况下,选择性保护无人为短延时,因而无短时耐受电流(Icw)值;塑壳断路器的特点是体积小,接触防护好,安装适用方便且价格便宜。

(2) 框架与塑壳断路器两者的区别

1)两者外观及安装尺寸不同

首先从外观上,两者的尺寸不同,框架断路器尺寸、体积较大,塑壳断路器尺寸及体积相对较小。

2)两者脱扣器保护功能不同

框架断路器的智能脱扣器具有保护功能、测量功能、辅助功能、特殊功能及通讯功能,其中保护功能包含有长延时保护、短延时保护、瞬时保护、MCR保护、接地保护、低电压保护/报警,过电压保护/报警,电压不平衡缺相保护/报警,相序保护、低频率保护、高频率保护、逆功率保护、电压谐波报警、电流谐波报警;

测量功能:电流测量、电压测量、功率测量、频率测量、电能测量、谐波测量;

辅助功能:预报警、自诊断功能、故障历史记录功能、测试功能;

特殊功能:负载监控、区域联控、高低温范围;

通讯功能:通讯协议功能等。

塑壳断路器主要具有长延时保护、短延时保护(即过载保护)、瞬时保护(即短路保护)。

由此可以看出框架断路器的保护功能比塑壳保护功能更强大。

3)两者适用范围不同

框架断路器的额度电流自400A至6300A,主要用于配电网络中,用来分配电能,保护线路和电源设备,使免受过载,欠电压,短路、单相接地等故障的危害;

塑壳断路器的额度电流自10至800A,用于在配电线路中线路和设备发生过载、短路、欠压时,对线路和设备提供保护,也可对电动机的不频繁启动提供过载、短路、欠压保护。

一级配电设备,统称为动力配电中心,它们集中安装在企业的变电站,把电能分配给不同地点的下级配电设备。这一级设备紧靠变压器侧,故电气参数要求较高,输出电路容量也较大,一般在主配电柜中,主要元器件框架断路器。

二级配电设备,是动力配电柜和电动机控制中心的统称。动力配电柜使用在负荷比较分散、回路较少的场合;电动机控制中心用于负荷集中、回路较多的场合。它们把上一级配电设备某一电路的电能分配给就近的负荷。这级设备应对负荷提供保护、监视和控制,一般选择使用的断路器:塑壳断路器、微断开关等。

4)使用类别不同

塑壳断路器使用类别通常A类,在短路情况下,选择性保护无人为短延时,因而无短时耐受电流(Icw)值;

框架断路器使用类别通常B类,在短路情况下,选择性保护有人为短延时(可调节),因而有短时耐受电流(Icw)值;

具体使用,需根据负载情况,选择不同的断路器产品。

(3) 框架与塑壳的选用

塑壳断路器相对于框架断路器而言,其参数较低,结构也相对简单。通常其额定电流不超过1600A。由于塑壳断路器处于框架断路器的下一级,经过一段线路后,短路电流会降低,塑壳断路器的参数和性能都可以满足运行使用要求,而且尺寸要小,安装灵活,价格也低于框架断路器,适合数量大和范围广的安装使用。

通常在使用中,由于框架断路器的参数高(额定电压和额定电流,以及相应的分断能力等性能均高于塑壳和微断产品),因此通常安装在负载电流和故障电流比较大,需要比较高的安全性和可靠性的地方。框架断路器多用于进线、联络及大电流负荷的馈线。它的下一级就可以使用塑壳断路器。

如上图,应按照以下顺序确定线路中的低压开关:低压电源——框架断路器——塑壳断路器——微型断路器,在一些特殊环境中,也可以按照使用的要求来选择满足使用要求的产品。如在各项参数满足应用的条件下,也可以使用塑壳断路器作为低压侧连接变压器的进线开关。

智能断路器市场前景怎么样?

断路器做为常见的配电管理设备,广泛应用于很多场景,小到家庭的日常生活、大到工业园区的生产等各个领域,在用电市场上起着举足轻重的作用,几乎所有用电领域都离不开断路器,2020年将迎来智慧用电的新机遇,所以说智能断路器的市场前景是巨大的,专业人士保守估计,2023年规模将达到1300亿。

智能断路器市场前景

智能断路器又分为两个领域,高压智能断路器、低压智能断路器两种。低压智能断路器应用领域比较多元化,日常生活中需求量比较庞大,装修接电入户几乎是每个家庭必备的用电管理设备。低压断路器不光适用于家庭的日常生活中,也适用于国网、南网智能配电台区、工业、农业、教育行业等各个领域。高压智能断路器应用范围略窄,主要是工业、电网等大型用电、密集用电的领域。

低压智能断路器是断路器中结构最为复杂的,技术含量与价值最高的,在断路器领域中有着重要的主导性地位。其主要功能是将传统断路器与物联网技术相结合,集传统断路器等十几个用电管理设备的功能于一身,高度集成,精确防控。智能断路器能够对日常用电设备进行智能化管理。主要作用是对用户侧的用电安全进行提前预警和防范,减少用电的安全隐患。

高压智能断路器结构相对简单,将电能进行合理的分配。高压断路器多适用于电厂与变电设备,具有灭弧的作用,对电流电压进行保护,保证电力系统正常运行。出现电流过大负载或短路的问题,进行电路自动切断,大大减少故障范围,高压断路器是否正常运行,对电力系统将有着很大的影响。

未来几年传统断路器将慢慢退出用电市场,因为传统断路器将无法满足用户侧更多的功能和用电需求,随着智慧城市物联网产业出现,传统断路器向智能断路器的升级也将是必然趋势,从而实现智慧城市产业链升级,以此来满足不同行业的用电需求。

断路器机构弹簧的设计

弹簧是 断路器机构中应用很广泛的一种零件,且关键处的弹簧对断路器的性能有很大影响。作者从能量的角度着手,结合弹簧所处的安装空间,利用现有弹簧的计算公式,由已知量求解出未知量,获取满足要求的弹簧参数,最终形成弹簧的设计图纸。

弹簧是断路器弹簧操动机构中应用很广泛的一种零件,各类弹簧如:圆柱或蜗卷螺旋弹簧、碟形弹簧、片弹簧和扭簧在机构中都有使用,并且关键处的弹簧对断路器性能有较大影响,如分闸弹簧和合闸弹簧设计不当,将使断路器分、合闸不到位或分、合闸速度达不到要求。

本文从断路器总体能量布置着手,结合弹簧所处的安装空间,利用已知条件,求解出弹簧参数,再结合弹簧的表面处理、强度校核、强化等因素,设计出满足要求的弹簧。

1 弹簧的设计

弹簧操动机构设计时,第一步就是要弄清楚断路器总体能量布置,即通过断路器的额定电流、额定电压等电参数,确定触头弹簧的能量;再根据断路器分闸时的速度、运动件质量、摩擦阻力等确定分闸弹簧的能量;最后根据合闸时速度、运动件质量、摩擦等确定合闸弹簧的能量。

根据已获知的分、合闸弹簧能量,结合已知条件,求解出弹簧的参数,再结合弹簧的制作工艺、强度校核等,设计出符合要求的弹簧。

1.1 分闸弹簧的设计

分闸弹簧的作用主要有二个:一是满足断路器分闸速度的要求,二是确保断路器分闸到位;前者为拉断电弧的需要,后者为保证动、静触头分闸后有足够的开距。

下面以 真空断路器为例来设计分闸弹簧,分闸弹簧为圆柱螺旋拉簧,该类弹簧应用广泛,且弹簧工作时不需要导向,结构简单。

设真空断路器平均分闸速度vf,刚分速度为vg,分闸止动时的速度为ve,触头弹簧释放结束时的绝缘拉杆速度v,导电杆质量为md,绝缘拉杆的质量为m,摩擦力为Ff,超行程h,触头弹簧所需能量为Ac,分闸弹簧在超行程中释放能量为Af1,分闸弹簧在开距时释放的能量为Af2,则Ac+Af1+mgh-Ffh=1/2mv2,mv=(m+md)vg,Af2=1/2(m+md)ve2-1/2(m+md)vg2,又vf=(vg+ve)/2,故ve=2vf-vg,所以Af2=1/2(m+md)(2vf-vg)2-1/2(m+md)vg2。

真空断路器vf、vg都有一定要求的,m、md,h是已知的,Ac可事先求得,Ff可根据零件的运动形式来估算,因此,可以求得Af1、Af2,设计算得分闸弹簧在分闸过程中释放的能量(Af1+Af2)为12J,根据机构输出转角,分闸弹簧工作时(即从P1到P2)弹簧变形量为λ≈27mm,按大致估算E=1/2(P1+P2)*λ。得P1+P2=2E/λ=888.9N。

根据断路器分闸到位条件,P1≥350N,则P2≤538.9N。弹簧刚度P’=(P2-P1)/λ≤7.0。为了使断路器合闸顺利,一般要求分闸弹簧P2值不要太大,即弹簧刚度P’适当取小值。P’=Gd4/(8D23n),式中d-簧丝直径,D2-弹簧中径,n-有效圈数,G-弹簧切变模量(G=80000~83000MPa)。因此,D2值尽可能取大一些。

根据空间尺寸,分闸弹簧运动时不与其他零件产生干涉的外径D1=38mm,则中径D2=D1-d=31~35mm(d估值3~7mm),旋绕比C=D2 /d,一般为4~16,常用值5~8,设C=7,则d=4.4~5mm,取d=4.5mm,则n=Gd4/(8D23K)=13.66~19.66圈,取n=17圈,D2=33mm,则K=6.7N/mm。又P1=P0+Kλ0,P0为弹簧的初拉力,λ0为弹簧P1时的变形量。

P0=πd3τ0/(8 D2k),式中,K≈(4C-1)/(4C-4)+(0.615/C)=1.21,K为弹簧的补偿系数,τ0为弹簧的初应力,其值τ0=(0.1~0.15)τlim,取τ0=0.13τlim=0.13*1.12*σ/2=105MPa,式中σ为弹簧材料的抗拉强度,可查表而得。

所以P0=94N,λ0=(P1-P0)/K=38.8mm。结合弹簧装配后的尺寸,计算得弹簧两端钩子的尺寸,即可形成最终的弹簧图纸,如图1所示。经校核,P2<Plim(弹簧的极限工作载荷),弹簧满足使用要求。

1.2 合闸弹簧的设计

合闸弹簧的设计也须从能量着手,合闸弹簧的能量主要分配给触头弹簧、分闸弹簧、合闸时电动力做功、运动件重力做功、运动件摩擦消耗的能量等,其中负载能量一般占合闸能量的30~50%,由于触头弹簧和分闸弹簧能量已求得,可粗略地估算出合闸弹簧的能量。

仍以真空断路器为例,触头弹簧(碟形弹簧)所做功主要表现在超程阶段,根据断路器额定电流、开断电流等电参数,可知触头弹簧的初压力为P1=2200N,工作压力P2=3150N,超行程为t=3.5mm,则三相触头弹簧的能量为E1=3*(P1+P2)*t/2=3*(2200+3150)*3.5/2=28088N.mm≈28.1J,三只分闸弹簧的总能量为E2=12+2*4=20J,因此,负载能量为E=E1+E2≈48.1J,按负载能量占合闸能量的45%计,则合闸弹簧所需能量为E合=106.7J。

机构合闸弹簧做功的行程为S=20mm,则E合=(P1+P2)*S/2,P1+P2=10670N。由于空间尺寸所限,弹簧必须安装于外径D0<φ57,内径D1>φ20的范围内,单个弹簧较难满足上述要求,因此采用组合弹簧的方式设计,图2为其中一个的压簧,组合弹簧的P1和P2值之和应满足P1+P2=10670N,且各自应满足P2<Plim。

2 组合弹簧的设计

当设计承受载荷较大,且安装空间受限时的圆柱螺旋压缩弹簧,可采用组合弹簧。这种弹簧钢丝直径较小,制造也方便。设计组合弹簧时,应注意下列事项:

1)内、外弹簧的强度要接近相等,经推算有下列关系:d1/d2=D1/D2=(Pn1/Pn2)1/2及Pn=Pn1+Pn2,G一般组合弹簧的Pn1(外弹簧最大工作载荷)和Pn2(内弹簧最大工作载荷)之比为5:2.

2)内、外弹簧的变形量应接近相等,其中一个弹簧在最大工作载荷下的变形量Fn不应大于另一个弹簧的工作极限变形量Fj,实际所产生的变形差可用垫片调整。

3)为保证组合弹簧工作时不相互缠绕,防止内、外弹簧产生歪斜,两弹簧的旋向应相反。若采用三弹簧组合时,则应保证中间弹簧与外、内弹簧的旋向相反。

4)组合弹簧的径向间隙δ要满足下列关系:δ=(D11-D22)/2≥(d1-d2)/2,式中D11为外弹簧的内径,D22为内弹簧的外径,d1、d2为外、内弹簧的簧丝直径。

5)弹簧端部的支承面结构应能防止内、外弹簧在工作中的偏移。

3 结语

弹簧在断路器机构中应用广泛,且关键处的弹簧对断路器的性能有较大影响,对于关键处的弹簧,设计时必须使弹簧的工作压力P2≤80%Plim,确保弹簧工作时不因疲劳而产生塑性变形。此外,弹簧可以通过喷丸、强压等措施予以强化,使其的Plim提高20%左右。

当然,根据弹簧的应用场合不同,采用合适的材料也可提高弹簧Plim值。在弹簧表面镀锌后,必须进行去氢处理,防止弹簧产生氢脆现象。总之,在进行断路器机构弹簧的设计时,既要考虑断路器机构的要求,又要考虑弹簧自身设计的一般规范,使设计出的弹簧能更好地满足断路器的使用要求。

智能断路器的分断能力

从传统的电闸到如今的智能断路器,用电的安全系数也随之提高。智能断路器作为物联网背景下的智慧用电产品,在保障日常用电安全的同时,也实现了用电的智能化、数字化、可视化。

作为为安全用电保驾护航的“安全卫士”,智能断路器的品质如何,决定了用电的智能化水平。那么,该如何选择一款质量过硬、性能极佳的智能断路器呢?分断能力作为一个重要的选择依据不容忽略。智能断路器的分断能力是指当发生用电故障时,在保证断路器自身不受任何损害的情况下,断路器自动分辨到线路的安全风险,并切断故障电流的能力。分断保护功能可以有效保护设备安全和防止事故再扩大。

作为判断智能断路器技术含量的重要指标,分断能力越高,安全性越高。但要避免一味追求高分断能力智能断路器的误区,因为电力系统进行的是配合性保护,保护定值也具有选择性。例如,具备定值可调的断路器分断能力越大越好,保护定值可以根据负荷的情况调整。但对于定值不可调的热磁式断路器来说,分断能力越高可能会让故障扩大化,甚至出现越级跳闸的情况。

智能微型融合断路器分断能力可达6000A。产品内置可靠性更强的断路器控电装置和智能性更强的数字化控制芯片,真正意义上实现智能断路控电功能,不仅可精准、快速地实现用电云管理,而且可以实现在数字芯片关闭状态下,智能微型融合断路器依旧可以保留短路保护、漏电保护等用电保护功能。

未来,我们将不断实现产品升级、技术创新,来预防和消除各类电气安全问题,为用电安全保驾护航,为人类生命财产安全提供更多保障。

断路器经常跳闸的原因

断路器按其使用范围分为高压断路器和低压断路器,高低压界线划分比较模糊,一般将3kV以上的称为高压电器。低压断路器又称自动开关,俗称"空气开关"也是指低压断路器,它是一种既有手动开关作用,又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。它可用来分配电能,不频繁地启动异步电动机,对电源线路及电动机等实行保护,当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路,其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件,已获得了广泛的应用。

家中断路器经常跳闸?这五种跳闸原因,必须记清楚

断路器跳闸,有些人觉得很麻烦,但我劝你不要这样想,因为断路器的每次跳闸,都意味着拯救了一次电器的生活或用户的生命。如果是偶尔跳闸,可能是断路器误动作或环境影响,但如果频繁跳闸,就不得不重视起来。毕竟,我们不能将自己的生命完全寄托在断路器身上。

断路器跳闸, 无外乎以下五种原因,结合实际情况判断,即可了解、发现、解决故障。注意:在检修电路时,一定要保证上一级断路器处于断开状态。

原因一、过载

过载保护,是断路器的一项基本功能,任何断路器,都有这项功能。

过载保护,指的是电路中的电流,超过了断路器预定的数值。比如,断路器预定值为16A,而电路中的实际电流为17A,此时,断路器就会自动跳闸。

这个16A是怎么选出来的呢?这是根据插座、电线、用电器等断路器保护对象的能承受最大电流决定的。

未加附件的断路器,几乎可以确定是电路过载;添加的附件的断路器,要观察附件是否有变化,如果附件无变化,则也是由于电路过载。

电路过载的原因,是电路中同时使用的用电器总功率过大。此时, 只要将大功率用电器移除电路,或减少用电器数量,再合闸即可。

原因二、漏电

此时要说到断路器最常用的一种附件——漏电保护器。这个附件,具有漏电保护功能, 即当电路中出现漏电现象时,断路器就会自动跳闸。

加了附件的断路器,会同时拥有断路器本身的功能和附件的功能呢。那么,怎么判断断路器是由于过载跳闸的还是由于漏电跳闸的呢?

此时就要看附件的状态。最常见的一种附件, 附件上有一个“复位按钮”,按钮旁边有文字标注。这个按钮,在正常情况下,与断路器外壳处于同一平面,但是一旦电路中发生漏电,这个按钮就会突出。而且,直接合闸是合不动的,只有按下这个按钮,才能再合闸。

如果跳闸后产生了这种情况,则证明是由于电路中存在漏电故障,否则,则要考虑其它故障。

原因三、欠压

除了常见的漏电保护器附件以外, 还有一种附件,叫做“欠电压脱扣器”,顾名思义,就是当电压过低时,自动跳闸。

这个附件,一般安装于电压不稳定的地方,是防止电器在低电压条件下超负荷运行,以免烧毁电器的。但是用这个东西有个烦恼, 就是一停电就跳闸。

在欠电压脱扣器附件上,会有一个和漏电保护器一样的复位按钮,当跳闸后该按钮突出, 则证明电路中存在欠压故障。

此时,只要等待电压稳定后,直接合闸即可。

原因四、短路

广义来讲,短路属于过载的一种极端现象。

短路是指零火线,未经过用电器,直接接触到了一起。此时,会产生巨大电流(无穷大),这种电流,不仅能够瞬间烧毁用电器,电死电伤用户也是分分钟的事。

因此,如果出现这种情况,一定要保持断路器断开状态,直至故障被解决。

那么,怎么能确定是这种问题呢?如果出现电器插头被烧黑,插座被烧黑或有火花冒出,或拔下所有插头后,断路器依然跳闸,则可以断定电路中存在短路故障。

原因五、过压

除了欠压脱扣器,还有一种叫做“过欠电压脱扣器”,多了一种功能,即电压过高时,断路器依然跳闸。

过欠电压脱扣器跳闸后,同样会有复位按钮。但是,此时无法看出,是由于电压过高跳闸还是电压过低跳闸,但可以肯定是由于电压不稳定。

此时,同样是等待电压稳定后,直接合闸即可。

多级断路器同时跳闸的原因,这算故障吗?

经历过短路故障的朋友们恐怕都有过相同的经历,许多时候,一旦电路中发生短路,跳闸的往往不仅仅是一个断路器,同时连同它的上一级断路器,也会跳闸。那么究竟是什么原因造成多级断路器同时跳闸的呢?发生这种事故的原因,是不是因为断路器选型错误呢?

我们知道,短路保护(过载保护)是断路器的一个重要功能。它实现这一功能的原因,是断路器通过热敏铁片感测电路中的温度,一旦电路中温度过高,就会传递给断路器中的机械机构,进行跳闸保护。

断路器选型的关键,往往是它的额定电流。即断路器保护电路时的最大电流,一旦超过这个电流,断路器就会认为电路中存在过载或短路现象,从而跳闸。一般来说, 家庭常用的断路器型号为C20,C32,C63。

这个选型很关键,选型过大,会造成电路中实际电流已经超过电线的最大负载,却没有打到断路器的故障电流值,造成故障不跳闸。

如果选型过小,会造成正常使用时,断路器勿跳闸。

那么,电路中发生短路时,多级断路器同时跳闸——即支路断路器和总开关同时跳闸,是因为选型错误吗?

很显然不是的,一般选型时,总开关的电流一定会大于支路开关电流。那么,当电路中发生短路时,此时电路中的电流是巨大的,该电流值,远远超过支路开关和总开关的额定电流。因此,两个开关都会感应到电流,所以就会同时跳闸。

什么时候只有一个电闸跳闸呢?

上文中说到的,是过载中的一种特殊情况。大多数情况下的过载,并不会瞬间产生巨大电流,而是经过不同的用电器,累计产生较大电流。

此时的过载电流,虽然超过了支路断路器的额定电流,但是还没有达到总开关的额定电流。因此,此时只有支路断路器会跳闸。

越级跳闸

越级跳闸,是指电路中发生故障时,支路断路器没有跳闸,而总开关跳闸了。

这种情况,属于断路器选型错误。如果总开关的额定电流小于支路开关,就会造成总开关比支路开关先跳闸。这样一来,支路开关就起不到作用了。

断路器铜排烧白的原因

500千伏安箱变中630安断路器下的接线铜排,见图中左数第二个断路器,断路器塑壳上面此相对应区域温度明显高于其余两项对应区域,其余两相也发热,且此相铜排已经烧的变为了白色,没有感应钳形表并没有测各相电流,从现象判断应为偏相导致该相电流过高,但检查此箱变所带设备,均为三相的空压机、提升机、潜水泵等设备,仅有几盏碘钨灯而已,无法判断其偏相具体原因

分析:正常连接的线路温度过高造成烧毁的原因只有一个:线路电阻高于正常范围!

造成线路烧毁是因为线路中有大电流,但如果线路阻值很低或是没有,那最多线路温度会有所升高,而不至于烧毁。所以电流大本身是没有问题——问题在于是什么让线路温度骤升?很显然是——电阻。

所以结论就是线路连接不可靠,或是线路本身有质量问题,造成阻值高于其他线路。但是如果不是,那就是线径太小了,整个线路下来就是这一截最小,所以这里会烧。

来源:网络、电气百科、工业科普、电器百科等综合

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