限流斷路器分斷短路電流時,通常利用電流在觸頭回路產生的的電動斥力,或電流在磁脫扣線圈中產生的電磁力使動鐵芯直接頂開觸頭,快速產生電弧電壓來限制短路電流,不光使限流后的允通能量I2t小于預期電流半個周波內的I2t,還限制“允通電流”達到預期電流峰值。
允通電流(let-through current)也稱截斷電流ic(cut-offcurrent),是指斷路器或熔斷器在分斷動作中達到的最大瞬時電流值,即在短路電流尚未達到預期短路電流峰值Ip前,斷路器或熔斷器已經分斷。如圖1所示,Ip為預期短路電流的峰值,ic為允通電流(截斷電流)。
圖1 允通電流ic(截斷電流)
在GB14048.2 低壓斷路器標準中,斷路器應能分斷等于其額定短路分斷能力的預期電流,即圖2中的預期對稱分斷電流(有效值)A2/2√2,能接通不小于其額定極限短路分斷能力乘以峰值系數n的乘積,即圖2中的預期峰值接通電流A1。
圖 2 預期峰值接通電流和預期對稱分斷電流波形
斷路器短路分斷試驗時,短路接通能力與短路分斷能力的比值需要滿足圖3中峰值系數n的要求,比如某斷路器的短路分斷能力為50kA,那么在試驗時試驗回路預期對稱分斷電流為50kA,查詢此時峰值系數為2.1,則預期峰值接通電流為105kA。
斷路器需要成功接通第一個半波105kA的峰值電流和成功分斷50kA短路電流有效值,才能宣稱具備50kA的短路分斷能力。
圖3 峰值系數n
斷路器的限流曲線圖通常將預期短路電流、預期短路電流峰值、允通電流(截斷電流)繪制在一張圖表中,圖4中預期短路電流的有效值顯示在橫坐標上,預期短路電流峰值顯示在縱坐標上,曲線A是斷路器未限流情況下的預期短路電流峰值,這條斜線上有多個破折處,每一個拐點對應一個峰值系數n(圖3)。曲線B代表斷路器限流之后的允通電流(截斷電流),通常是一條弧線。
例如當預期短路電流為40kA時,峰值系數為2.1,如果是非限流型斷路器,其預期短路電流峰值為84kA,如果是限流型斷路器,經過該斷路器限流之后,允通電流(截斷電流)只有16.2kA,16.2kA相對于84kA大約降低到原來的20%左右,由于電動力與電流的平方成正比,所以限流之后的電動力下降到原來的4%左右,非常有利于優化低壓柜內銅排的動穩定設計,關于限流曲線是如何優化動穩定設計,我在后續文章中會詳細展開。
圖4 斷路器限流曲線圖
斷路器或熔斷器限流能力的強弱可以用限流系數來比較,限流系數是指開斷時最大通過電流峰值(截斷電流/允通電流)與預期短路電流周期分量有效值之比,限流系數越小,代表限流能力越強。圖5中左邊是某型號限流斷路器400V的限流曲線,右邊是某型號熔斷器400V的限流曲線,以額定電流100A產品為例,在預期短路電路為100kA的情況下,斷路器的允通電流為24kA,限流系數為0.24,熔斷器的允通電流為13kA,限流系數為0.13,其他電流檔對比也可以看出熔斷器的限流能力確實比斷路器強。
圖5 斷路器(左)與熔斷器(右)限流能力對比
綜上所述,通過斷路器的限流曲線圖可以得到限流之后允通電流(截斷電流)值,與非限流情況下的預期短路電流峰值作對比,限流曲線斜率越緩則限流系數越小,說明斷路器限流能力越強。
在工程應用中,由于電動力與電流的平方成正比,所以限流曲線通常用來校驗低壓柜或母線槽內母排的動穩定、上下級斷路器選擇性分析等。
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