DQZHAN技術訊：低壓電氣和低壓電器技術之——淺談家裝用空氣開關的幾個主要參數和使用條件
空氣開關如此常用，人們已經熟知它的工作性能。但空氣開關的幾個主要參數之間的關系是什么？該如何使用它？人們未必清楚。本文從應用出發(fā)，來討論空氣開關的若干主要參數和使用條件。
空氣開關，大名叫做微型斷路器，英文名叫做MicroCircuitBreaker，因此它的符號是MCB。
與MCB相關的*主要國家標準有3個，分別是：
**個標準是：GB14048.1《低壓開關設備和控制設備第1部分：總則》，此標準等同于IEC60947-1；
**個標準是：GB14048.2《低壓開關設備和控制設備第2部分：斷路器》，此標準等同于IEC60947-2；
第三個標準是：GB10963.1《家用和類似場所使用的過電流保護斷路器》，此標準等同于IEC60898-1。
由于MCB也常常被用在配電室中，因此本文的主要依據是前兩個標準。
方便起見，我以手邊*容易獲取的ABB的線路保護S200技術樣本為藍本來展開討論。
S200的技術參數表如下：
我們來逐條解釋：
極數：指MCB能同時開斷的線路數。
極，英文是Pole，因此極的縮寫是P。
從表中看到，S200的MCB有1P、2P、3P、1P+NA、3P+NA和4P等不同規(guī)格。
值得注意的是：雖然2P和1P+NA看起來似乎都是2極的，但它們的應用條件完全不同。這在本文的后續(xù)內容中可以看見。
額定電流In：指MCB的額定運行電流或者額定不間斷電流。
額定電流與MCB自身的運行溫升有關。所謂溫升，指的是MCB的運行溫度與環(huán)境平均溫度的差值。溫升過高，會損壞MCB的操作性能和絕緣性能。因此，我們在選用MCB時，一定不能讓它的實際運行電流超過它的額定電流。
額定電壓Ue：指的是MCB適用的電壓等級。
這里所指的電壓一般是相間電壓，即線電壓。中國國內大多數電壓為交流50赫茲380V（在變壓器或者發(fā)電機的端口處空載電壓為400V）。對于家裝的MCB，當然是指極間的相電壓了。
額定絕緣電壓Ui：指的是MCB額定電壓的*大值。
標準中把MCB的絕緣能力叫做介電能力，它是衡量MCB內部的各種絕緣件的絕緣品質、各電極之間的**距離等重要參數的定量值。
*大工作電壓Ubmax和*小工作電壓Ubmin：指能夠正常工作的電壓區(qū)間。對于S200系列MCB來說，它的工作電壓范圍是12Vac~253Vac。（注：ac表示交流電）。
下面我們先來看看什么叫做短路電流：
下圖是我們的居家配電系統(tǒng)：
1）我們看到進線主開關是2P的，主開關后方的圓代表漏電保護器，它能讓主開關跳閘。
2）電源進線端的接地系統(tǒng)是TN-C，其中PEN線在入戶時接地，然后分開為N和PE，所以我們家里的接地系統(tǒng)是TN-C-S。
3）在我們家里有許多用電設備，我們看到了一臺電冰箱。其中當然安裝了電動機，也即感性負載。
現在我們家配電箱內的主母線發(fā)生了短路事故，短路電流波形如下圖：
圖中時間軸零點的左側為正常運行電流，在時刻零發(fā)生了短路。
由于短路點的線路阻抗很小，因此短路電流劇烈增加。不過，這部分短路電流還是符合正弦規(guī)則的，因此把它稱為短路電流的周期分量或者交流分量，符號位Ip；同時，電冰箱等用電設備的感性負載又向短路點釋放儲存在電感內的能量，形成了短路電流的直流分量Ig。直流分量會不斷地衰減，因此它還有一個名字：非周期分量。
我們看到短路電流的交流分量和直流分量在短路后一段時間內形成了*大值，這個*大值被稱為沖擊短路電流峰值Ipk。
值得注意的是：Ipk出現的時間是短路后10毫秒，也即0.01秒。
國家標準GB14048.1、GB14048.2等都規(guī)定，Ipk與短路電流周期分量Ip之比為峰值系數n。
由于直流分量是感性負載中的電感儲存的能量形成的，這部分能量有限，當它釋放完畢后，短路電流中只剩下周期分量Ip。因此短路電流的周期分量亦被稱為短路電流的穩(wěn)態(tài)值。
大家可能要問：我們的居家配電箱內不是安裝了主開關MCB嗎？它應當會保護我們家的線路吧？
確實如此，但MCB從感知線路中出現短路電流，到開始執(zhí)行開斷電路的操作，需要有一段時間。平均地說，*短也需要15毫秒的時間。
從圖中我們看到，MCB在這15毫秒時間里，承受了沖擊短路電流峰值Ipk的沖擊。
由以上分析可知，MCB在開斷短路電流期間，必須要具有以下幾個參數：
**個參數：承受沖擊短路電流峰值Ipk的能力。這個參數又叫做短路接通能力Icm。
MCB用Icm短路接通能力來承受沖擊短路電流峰值Ipk的沖擊，它是MCB參數中不可或缺的重要參數。
值得注意的是：Icm與Icu的比值正好等于沖擊短路電流峰值與短路電流穩(wěn)態(tài)值的比值。這個比值在GB14048.1和GB14048.2中被稱為峰值系數n。見下表：
表的左側為短路電流，*右側為峰值系數n。利用這個表，我們能計算出系統(tǒng)中的短路電流峰值，以及MCB的短路接通能力（如果參數表中未給的話）。
**個參數：開斷短路電流穩(wěn)態(tài)值的能力。這個參數又叫做額定短路分斷能力Icn。
第三個參數：開斷極限短路電流的能力，它代表著MCB所能開斷的*大短路電流，而且開斷操作完成后，MCB也就一命歸西。這個參數又叫做額定極限短路分斷能力Icu。
注意它的操作過程：CLOSE（閉合）-OPEN（打開），接著就是損壞，也即有1個CO。
第四個參數：可重復性地開斷短路電流的能力。當MCB開斷短路電流后，電路恢復正常，MCB也可以正常地合閘工作，并可以繼續(xù)開斷下一次的短路電流。這個參數又叫做運行短路分斷能力Ics。
注意它的操作過程：CLOSE（閉合）-OPEN（打開）-CLOSE（再閉合）-OPEN（再打開），也即有兩個CO。代表著可重復性的開斷短路電流。
在S200的參數表中，我們看到了如下參數：
額定短路（分斷）能力Icn：開斷短路電流的能力。
額定極限短路分斷能力Icu：也即開斷*大短路電流的能力，開斷后損壞，必須更換。
額定運行短路分斷能力Ics：也即可重復使用的開斷短路電流的能力，開斷后可繼續(xù)使用。
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現在我們來稍許總結一下，把這些電流參數用不等號連接起來，如下：
In<Icn<Ics<Icu<Icm
這個不等式如此重要，它是揭開MCB各個電流參數的一把鑰匙。
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介電試驗電壓：將斷路器中所有電子線路都拆除，只剩下主回路部件。當MCB處于開斷狀態(tài)時，我們在它的各個導電部件對安裝底座的卡軌（接地體）之間、或者對導電部件與接地體之間施加試驗電壓。此試驗電壓代表著MCB絕緣體的絕緣能力。
我們看到，對于S200來說，介電試驗用2000V電壓測試一分鐘。有的時候，又把介電試驗稱為耐壓試驗。
污染等級3級。代表著這臺MCB可以用在一般性工業(yè)污染條件下工作，并能確保絕緣性能。
MCB其實還有很多參數，限于篇幅，我只能介紹這幾個*主要參數，并請知友們務必對這些參數的意義加以重點理解。
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那么我們在選用家裝的MCB時應當如何選擇呢？
1）務必選用同一個品牌的開關電器。
例如全部使用施耐德的開關電器，或者全部使用某國產品牌的開關電器，當然也可以全部選用ABB的開關電器。
由于同一個品牌開關電器之間的配合關系很容易協調，我們能獲得*優(yōu)的工作特性。
這里的開關電器包括MCB，還有RCD等等。
2）一定要讓MCB的短路分斷能力滿足配電網的短路計算電流要求。
一般地，家裝配電系統(tǒng)的短路容量為6~10kA，因此我們選用的MCB一定要滿足這項要求。
MCB工作的場所被稱為符合家用或類似用途的用電場所，一般都屬于電路的末端，即三級配電設備。這種電路的低壓用電設備、保護電器的選擇、安裝和使用所依據的標準是IEC60898。IEC60898對應的國家標準是GB10963《家用或類似用途場所過電流保護斷路器》。
三級配電設備的線路電壓較低，同時用電終端的線路和電器設備易老化，很容易出現過載、短路等危險現象，這恰好是MCB施展拳腳的地方。
MCB的極限短路分斷能力比較低，在應用中可能會出現什么問題呢？看下圖：
我們知道，電纜是有阻抗的，因此電纜能對短路電流進行消幅。一般來說，每經過一段較長的電纜，短路電流能減小10kA。
上圖中，如果**配電設備處電力變壓器產生的短路電流為30kA，經過了兩級電纜連接，三級配電系統(tǒng)的配電設備主進線斷路器處還有30-20=10kA的短路電流，如果我們的MCB分斷能力卻只有6kA，這顯然會出現問題。
怎么辦呢？這時就要用到后備保護，以及選擇性保護。
我們先來點知識貯備，如下：
設被MCB保護的對象它的電流是Ib，而MCB的額定電流是In，連接到用電設備的電纜允許的持續(xù)載流量是Iz，能確保MCB可靠動作的電流是I2，于是有如下關系：
例如某冰箱的運行電流是7.8A，保護它的MCB的額定電流應當大于或者等于此電流；同時，我們還要考慮冰箱在發(fā)生容許的略微過載時的電流，所以MCB的額定電流應當略大于冰箱的運行電流。
檢索MCB額定電流序列，發(fā)現其中符合要求的是10A，所以我們就選用In=10A。
我們再考慮將電能引至冰箱的電纜，它的載流量Iz如果小于冰箱的運行電流Ib，這條電纜豈不是一使用就損壞了？所以電纜的載流量一定要大于冰箱的運行電流。但MCB的任務不但要保護冰箱，同時也好保護電纜。于是*好的辦法是讓MCB的額定電流In小于或者等于電纜的載流量Iz。
這就是**個不等式解釋。
**個不等式與電纜的過載能力有關。由于電纜過載倍率與電纜規(guī)格、載流量、使用溫度和敷設方式等都有關，這方面的知識量遠超本短文的表達極限，故此忽略。
如果我們將MCB的可靠動作電流I2小于或者等于電纜載流量的1.45倍，這樣MCB就能對電纜實現較為完善的保護。
這就是**個不等式的解釋。
MCB在使用時還有幾個規(guī)定：
約定不脫扣電流I1=1.13In，約定不脫扣時間t≥1h（當In≤63A時）或者t≥2h（當In>63A時）。
對于末端有單相電動機的場合，MCB對于電動機的過載必須保護，見下圖中MCB的過載保護電流I1；另外，MCB的短路保護還要能躲過電動機的起動電流，即下圖中黃線的*右端的Ip和對應的MCB保護電流I3：
有了以上技術知識儲備，我們就可以來瞧一瞧MCB的脫扣特性了。如下：
由此可見，1.13倍的In其實就是MCB留給用電設備的過載容許值。
我們來看MCB的四種不同脫扣特性：
我們看到B特性的短路動作范圍是3~5倍額定電流，C特性的短路動作范圍是5~10倍額定電流。這兩種特性適用于我們一般的家裝環(huán)境。比較起來，C特性會更好一些。
D特性的短路動作范圍是10~20倍額定電流，它適用于居于沖擊性的用電負荷保護，例如電動機負載。
K特性的短路動作范圍是10~15倍額定電流，過載約定不脫扣是1.05倍額定電流，電纜過載保護的脫扣是1.45倍額定電流。因此，它更適用于電動機的保護。
