断路器

概述

断路器(英文名称:circuit-breaker,circuit breaker)是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。

断路器可用来分配电能,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。目前,已获得了广泛的应用。

工作原理

断路器一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。

当短路时,大电流(一般10至12倍)产生的磁场克服反力弹簧,脱扣器拉动操作机构动作,开关瞬时跳闸。当过载时,电流变大,发热量加剧,双金属片变形到一定程度推动机构动作(电流越大,动作时间越短)。

有电子型的,使用互感器采集各相电流大小,与设定值比较,当电流异常时微处理器发出信号,使电子脱扣器带动操作机构动作。

断路器的作用是切断和接通负荷电路,以及切断故障电路,防止事故扩大,保证安全运行。而高压断路器要开断1500V,电流为1500-2000A的电弧,这些电弧可拉长至2m仍然继续燃烧不熄灭。故灭弧是高压断路器必须解决的问题。

吹弧熄弧的原理主要是冷却电弧减弱热游离,另一方面通过吹弧拉长电弧加强带电粒子的复合和扩散,同时把弧隙中的带电粒子吹散,迅速恢复介质的绝缘强度。

低压断路器也称为自动空气开关,可用来接通和分断负载电路,也可用来控制不频繁起动的电动机。它功能相当于闸刀开关、过电流继电器、失压继电器、热继电器及漏电保护器等电器部分或全部的功能总和,是低压配电网中一种重要的保护电器。

低压断路器具有多种保护功能(过载、短路、欠电压保护等)、动作值可调、分断能力高、操作方便、安全等优点,所以被广泛应用。结构和工作原理低压断路器由操作机构、触点、保护装置(各种脱扣器)、灭弧系统等组成。

低压断路器的主触点是靠手动操作或电动合闸的。主触点闭合后,自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联,欠电压脱扣器的线圈和电源并联。当电路发生短路或严重过载时,过电流脱扣器的衔铁吸合,使自由脱扣机构动作,主触点断开主电路。当电路过载时,热脱扣器的热元件发热使双金属片上弯曲,推动自由脱扣机构动作。当电路欠电压时,欠电压脱扣器的衔铁释放。也使自由脱扣机构动作。分励脱扣器则作为远距离控制用,在正常工作时,其线圈是断电的,在需要距离控制时,按下起动按钮,使线圈通电。

分类

1、按其使用范围

断路器按其使用范围分为高压断路器与低压断路器,高低压界线划分比较模糊,一般将3kV以上的称为高压电器。

2、按极数分

按极数分为:单极、二极、三极和四极等;

3、按灭弧介质的不同分类

(1)油断路器:指触头在变压器油(断路器油)中开断,利用变压器油(断路器油)作为灭弧介质的断路器。

(2)压缩空气断路器:以压缩空气作为灭弧介质和绝缘介质的断路器,弧所用的空气压力一般在1013~4052kPa (10~40atm)的范围内。

(3) SF6断路器:以SF6气体作为灭弧介质,或兼作绝缘介质的断路器。

(4)真空断路器:指触头在真空中开断,利用真空作为绝缘介质和灭弧介质的断路器,真空断路器需求的真空度在10-4 Pa以上。

另外还有磁吹断路器、固体产气断路器等类型。

4、按装设地点的不同分类

(1)户外式:是指具有防风、雨、雪、污秽、凝露、冰及浓霜等性能,适于安装在露天使用的高压开关设备。

(2)户内式:是指不具有防风、雨、雪、污秽、凝露、冰及浓霜等性能,适于安装在建筑物内使用的高压开关设备。

5、按断路器的总体结构和其对地的绝缘方式不同分类

(1)绝缘子支持型(又称绝缘子支柱式、支柱式)。这一类型断路器的结构特点是安置触头和灭弧室的容器(可以是金属筒也可以是绝缘筒)处于高电位,靠支持绝缘子对地绝缘,它可以用串联若干个开断元件和加高对地绝缘的方法组成更高电压等级的断路器。

(2)接地金属箱型(又称落地罐式、罐式)。其特点是触头和灭弧空装在接地金属箱中,导电回路由绝缘套管引入,对地绝缘由SF6气体承担。

6、按断路器在电力系统中工作位置的不同分类

(1)发电机断路器。它主要用来切断发电机母线的短路故障。发电机断路器主要有3种类型:少油型、压缩空气型和SF。型。少油型用于短路电流较小的回路,另两种断路器的开断能力很强。

(2)输电断路器。工作于35kV及以上的输电系统中的断路器,这类断路器要求能进行自动重合闸,而且由于系统稳窟的需要应有较短的开断时间和自动重合闸的无电流间隔时间(O~2s)。此外输电断路器还要求有切断近区故障和空载长线的能力,如果是作为联络用断路器则还需要考虑失步开断能力。

(3)配电断路器。工作于35kV以下的配电系统中,其额定电压为6~lOkV,额定电流为200~1250A,额定开断电流小,从保证供电的可靠性出发。这类断路器仍有自动重合闸要求,又因它对系统稳定的影响较小,自动重合闸的无电流间隔时间可以取得大些(0~5s),对开断时间的要求也可适当放宽。

7、按SF6高压断路器的灭弧室结构特点分类单压式SF6断路器

(1)定开距型。定开距灭弧室的构造是两个固定的金属喷嘴保持不变的开距,动触桥与绝缘材料制成的压气室一起运动,当动触桥金属离开喷嘴时,压气室内的高压力气体经电弧、喷嘴向外排出。

(2)变开距型。GA1621变开距就是灭弧室内的触头开距,随压气室向下运动而逐渐加长,绝缘喷嘴通常采用聚四氟乙烯材料,

8、按照断路器所用操作能源能量形式的不同分类操动机构

(1)手动机构:指用人力合闸的机构。

(2)直流电磁机构:指靠直流螺管电磁铁合闸的机构。

(3)弹簧机构:指用事先由人力或电动机储能的弹簧合闸的机构。

(4)液匪机构:指以高压油推动活塞实现合闸与分闸的机构。

(5)液压弹簧机构:指用碟簧作为贮能介质、液压油作为传动介质。

(6)气动机构:指以压缩空气推动活塞使断路器分、合闸的机构。

(7)电动操动机构:用电子器件控制的电动机去直接操作断路器操动杆。

选型指南

1、配电用断路器的选择

配电用断路器一般是用在低压电网中专门用于分配电能的断路器,包括电源总断路器和负载支路断路器。在选用这一类断路器时,需特别注意下列选用原则:

1)线容许载流量不小于断路器的长延时动作电流整定值。如果是采用电线电缆的情况,断路器的长延时动作电流整定值可取电线电缆容许载流量的80%。2)线路中* 大起动电流的电动机的起动时间不大于3倍长延时动作电流整定值的可返回时间。3)瞬时电流整定值I1:I1=1.1(Ijx+klkIedm)。其中:kl为电动机起动电流的冲击系数,一般取kl=1.7~2;Iedm为* 大的一台电动机的额定电流。

2、电机保护型断路器的选择

电动机有两个特点:一是起动电流通常是额定电流的几倍;二是具有一定的过载能力。所以,选择断路器来保护电动机时必须要注意到电动机的这两个特点,为保障电动机可靠地运行,在选择断路器时应注意以下几点:

1)以电动机的额定电流来确定断路器的长延时动作电流整定值。2)断路器的6倍长延时动作电流整定值的可返回时间>电动机的实际起动时间。3)断路器的瞬时动作电流整定值:笼型电动机应为8~15倍脱扣器额定电流;绕线型电动机应为3~6倍脱扣器额定电流。

3、家用保护型断路器的选择

在家庭供电中通常把断路器当作总电源保护开关或分支线保护开关用。如果线路或家用电器发生短路或过载时,断路器能自动跳闸,切断电源,从而有效的保护这些设备免受损坏,将事故缩减到最小的范围之内。

在家庭中一般用单极(1P)作分支保护;用二极(即2P)断路器作总电源保护。在家庭中选择断路器的额定容量电流大小很重要,因为断路器的额定电流如果选择过大,线路或家用电器发生短路或过载时,断路器不能自动跳闸,切断电源,如果选择的偏小,则断路器易频繁跳闸,引起不必要的停电,影响了正常的生活,造成不必要的麻烦。

一般以额定电流区分般小型断路器规格,主要6A,10A,16A,20A,25A,32A,40A,50A,63A,80A,100A等;一般家庭在选择或验算总负荷电流的总值时要注意以下几点:

1)各分支电流的值

① 纯电阻性负载用电器铭牌上注明功率直接除以电压即的,

公式I=功率/200v;

例如200w的灯泡,分支电流I=200W/220=0.9A

阻性负载电器有灯泡、电热器、电风扇、电炒锅、电暖器、电熨斗、电热毯、电饭锅、吸尘器、电热水器、空调等。

② 感性负载计算稍微复杂,要考虑消耗的功率,具体计算还要考虑功率因数等,为便于估算,本人给出一个简单的计算方法,对于一般的感性负载,根据其注明负载计算出来的功率的二倍即可,例如注明200W的日光灯的分支电流I=200W/220v=0.9A,翻倍为0.9*2=1.8A(比精确计算值1.5A,多0.3A)。

感性类电器有电视机、洗衣机、日光灯、电冰箱、荧光灯等。

2)总负荷电流即为各分支电流之和

知道了分支电流和总电流,就可以选择分支断路器及总闸断路器的规格,或者验算已设计的这些电气部件的规格是否符合安全要求;为了确保安全可靠,电气部件的额定工作电流一般应大于2倍所需的* 大负荷电流;另外在选择电气部件时,还要考虑到以后用电负荷增加的可能性,为以后需求留有余量。

4、漏电断路器的选择

漏电断路器一般分为二极、三极、四极,分别应用于不同的线路中。只有正确的选择与使用才能起到应有的作用,所以选择漏电断路器时要注意以下五点:

1)过载脱扣器的额定电流≥线路的* 大负载电流;2)断路器的极限通断能力≥电路* 大短路电流;3)线路应保护的漏电电流应≤断路器的规定漏电保护电流;4)线路设备的正常工作电压和电流≤断路器的额定电压、电流;5)有较短的分断反应时间,能够起到保护线路和设备的作用。

有时在应用中对于是否选用四极断路器很难做出判断,在此提出对于是否选择四极断路器需遵循的原则,在下列情况下应选择四极断路器:

1)根据IEC465.1.5条规定,正常供电电源与备用发电机之间的转换断路器;2)带漏电保护的双电源转换断路器应采用四极断路器。两个上级断路器带漏电保护,其下级的电源转换断路器;3)在两种不同接地系统间电源切换断路器;4)TT系统的电源进线断路器;5)IT系统中当有中性线引出时采用的断路器。

在下列情况下一般不需要使用四极断路器或禁止使用四极断路器:

1)TN-S、TN-C-S系统一般不需要设置四极断路器;2)TN-C系统严禁使用四极断路器。

注意事项

断路器选择后在使用过程中应注意以下内容:

1)断路保护器的漏电、过载、短路保护特性是由制造厂设定的,在使用过程中不可随意调整,以免影响性能;电路接好后,应检查接线是否正确。可通过试验按钮加以检查。

2)断路器因线路短路断开后,需检查触头,若主触头烧损严重或有凹坑时,需进行维修;如断路器不能分断,说明断路器或线路有故障,需进行检修;在漏电保护器投入运行后,每经过一段时间,用户应通过试验按钮检查断路器是否正常运行;漏电断路器的负载接线必须经过断路器的负载端,不允许负载的任一相线或零线不经过漏电断路器,否则将产生人为“漏电”而造成断路器合不上闸,造成“误动”。

3)四极漏电断路器必须接入零线,以使电子线路正常工作;验按钮的作用在于断路器在新安装或运行一定时期后,在合闸通电的状态下对其运行状态进行检查。按动试验按钮,断路器能分断,说明运行正常,可继续使用;为了更加有效地保护线路和设备,可以将漏电断路器与熔断器配合使用。断路器因被保护电路发生故障而分断,则操作手柄处于脱扣位置。查明原因排除故障后,应先将操作手柄向下扳,使操作机构“再扣”后,才能进行合闸操作。

故障排除

1、断路器“拒合”故障

断路器拒合故障,即断路器一经合闸即刻又自动分闸,使得断路器无法正常运行。

1、判断断路器“拒合”的原因及处理方法一般可分以下三步。

1)用控制开关再重新合一次,目的检查前一次拒合闸是否因操作不当引起的(如控制开关放手太快等)。

2)检查电气回路各部位情况,以确定电气回路是否有故障。

方法是:

①检查合闸控制电源是否正常;

②检查合闸控制回路熔丝和合闸熔断器是否良好;

③检查合闸接触器的触点是否正常(如电磁操动机构);

④将控制开关板至“合闸时”位置,看合闸铁芯是否动作(液压机构、气动机构、弹簧机构的检查类同)。若合闸铁芯动作正常,则说明电气回路正常。

3、如果电气回路正常,断路器仍不能合闸,则说明为机械方面故障,应停用断路器,报告有关领导安排检修处理。经以上初步检查,可判定是电气方面,还是机械方面的故障。

2、常见的电气回路故障和机械方面的故障分别叙述如下。

1>、电气方面常见的故障。

(1)电气回路故障可能有:若合闸操作前红、绿指示灯均不亮,说明控制回路有断线现象或无控制电源。可检查控制电源和整个控制回路上的元件是否正常,如:操作电压是否正常,熔丝是否熔断,防跳继电器是否正常,断路器辅助触点是否良好,有无气压、液压闭锁等。

(2)当操作合闸后红灯不亮,绿灯闪光且事故喇叭响时,说明操作手柄位置和断路器的位置不对应,断路器未合上。其常见的原因有:

①合闸回路熔断器的熔丝熔断或接触不良;

②合闸接触器未动作;

③合闸线圈发生故障。

(3)当操作断路器合闸后,绿灯熄灭,红灯亮,但瞬间红灯又灭绿灯闪光,事故喇叭响,说明断路器合上后又自动跳闸。其原因可能是断路器合在故障线路上造成保护动作跳闸或断路器机械故障不能使断路器保持在合闸状态。

(4)若操作合闸后绿灯熄灭,红灯不亮,但电流表计已有指示,说明断路器已经合上。可能的原因是断路器辅助触点或控制开关触点接触不良,或跳闸线圈断开使回路不通,或控制回路熔丝熔断,或指示灯泡损坏。

(5)操作手把返回过早。

(6)分闸回路直流电源两点接地。

(7)SF6断路器气体压力过低,密度继电器闭锁操作回路。

(8)液压机构压力低于规定值,合闸回路被闭锁。

2>、机械方面常见的故障。

(1)传动机构连杆松动脱落;

(2)合闸铁芯卡涩;

(3)断路器分闸后机构未复归到预合位置;

(4)跳闸机构脱扣;

(5)合闸电磁铁动作电压太高,使一级合闸阀打不开;

(6)弹簧操动机构合闸弹簧未储能;

(7)分闸连杆未复归;

(8)分闸锁钩未钩住或分闸四连杆机构调整未越过死点,因而不能保持合闸;

(9)机构卡死,连接部分轴销脱落,使机构空合;

(10)有时断路器合闸时多次连续做合分动作,此时系开关的辅助动断触点打开过早。

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