断路器：电气控制设备的首选短路和过载保护器件

1.主要特点

断路器是电气控制系统最常用的短路和过载保护器件。断路器不仅结构紧凑、安装简单、使用方便，与传统的熔断器相比，它还具有如下优点。

（1）多极连锁

断路器的多极具有动作连锁功能，只要其中的一极发生短路或过载，便可同时断开其他极，从而可以有效防止电气设备在单相故障时的缺相运行。

（2）扩展性好

断路器不但可安装辅助触点，而且还可安装远程分励脱扣线圈、欠电压脱扣线圈等，故可用于电路互锁、远程操作和欠电压保护。

（3）调整方便

断路器的过载保护电流可调，故可用于不同额定电流的负载过载保护要求，使得保护更加准确、可靠。

（4）重复使用

断路器为可恢复保护器件，它在短路、过载保护动作后，仍可继续使用，其维修十分方便。

因此，在绝大多数使用场合，断路器已逐步替代传统的熔断器，成为了目前大多数电气控制设备首选的短路和过载保护器件。

2.分类与结构

断路器的种类较多，根据其保护特性，工业电气设备常用的低压断路器主要有图3.3-1所示的电动机保护断路器（Motor protection circuit breaker）、变压器保护断路器（Transformer protection circuit breaker）、设备保护断路器（Plant protection circuit breaker）、组合起动装置用断路器（Starter combination circuit breaker）和微型断路器（Miniature circuit breaker，MCB，又称小型断路器）几大类。

图3.3-1 断路器的结构和外形

a）63A以下 b）63A以上 c）微型

断路器的结构、外形与断路器类别、规格等有关。额定电流63A以下的电动机保护、变压器保护、设备保护和组合起动装置用断路器的形式多样，图3.3-1a是几种常见的结构。额定电流63A以上的断路器多为图3.3-1b所示的结构，其外形与塑壳断路器（Moulded case circuit breaker）类似。微型断路器的外形和结构基本统一，目前绝大多数公司生产的产品都采用图3.3-1c所示的典型结构。

电动机保护、变压器保护、设备保护、组合起动装置用断路器是典型的工业控制用器件，其额定工作电压一般为AC690V，短路分断能力在50kA以上，它们主要用于工业电气设备的3相短路、过载等保护。

微型断路器的用途十分广泛，它不但可用于工业，而且还大量用于民用住宅、建筑等场合，作为线路的短路、过载保护器件，故又称导线保护断路器。微型断路器的额定工作电压一般为230/415V，短路分断能力通常小于25kA，故多用于AC400V以下的电气设备控制或民用住宅、建筑。

3.图形符号

电动机保护、变压器保护、设备保护断路器都具有手动操作机构和瞬时过电流脱扣、反时限延时过载脱扣线圈，具备手动操作、短路和过载保护功能，因此，在电路图中需要使用组合图形符号。按照DIN 40900标准，以上3种断路器在电路图上用图3.3-2a所示的符号表示；如断路器还安装有欠电压脱扣线圈，则使用图3.3-2b所示的组合符号。

图3.3-2 断路器的DIN标准符号

a）一般符号 b）带欠电压脱扣 c）简化符号 d）辅助触点

组合起动装置用断路器只具有手动操作机构和瞬时过电流脱扣线圈；微型断路器虽也安装有反时限延时过载脱扣线圈，但其功能仍以短路保护为主，为了区别电动机、变压器、设备保护断路器，在DIN 40900标准中，通常以图3.3-2c所示的简化符号表示。断路器的辅助触点统一用图3.3-2d所示的符号表示，符号与单极微型断路器相同。

虽然，DIN 40900标准的图形符号与JB/T 2739有所不同，但其含义更清晰、使用更广泛，设计时建议采用。

4.基本特性

断路器的结构和外形通常只影响安装和外观，因此，电气设计时最主要的是确定其保护特性，使之与被保护的器件或线路相匹配。

在以上几类常用的断路器中，标准结构的电动机保护、变压器保护、设备保护和微型断路器都安装有瞬时过电流脱扣器（Instantaneous over current releases，简称n型脱扣器）和反时限延时过载脱扣器（热过载脱扣，Thermal overload releases，简称a型脱扣器），故可直接用于短路和过载保护；但组合起动装置用断路器只安装有瞬时过电流脱扣（n型脱扣），只具备短路保护功能。

各类断路器的基本性能特征及主要用途见表3.3-1。其中，微型断路器可以根据不同的用途，选择A、B、C、D等4种不同的短路脱扣特性（Tripping characteristics），A型短路脱扣特性虽然不属于IEC标准规定的范围，但仍有较多的公司（如SIEMENS等）生产和销售。

表3.3-1 断路器的保护性能与用途

断路器的电流保护基本特性如图3.3-3所示，组合起动装置用断路器只具有图中的n脱扣（短路保护）特性。

断路器也可根据需要增加欠电压、分励等脱扣器，用于欠电压保护或远距离控制；通常而言，断路器欠电压保护脱扣器的动作范围为0.35～0.7U_e，分励脱扣器的动作范围一般为0.7～1.1U_e。

5.短路保护特性

几乎所有的断路器都可用于短路保护，但其短路电流的分断能力有所不同。

电动机保护、变压器保护、设备保护、组合起动装置用断路器的短路分断能力通常在50kA以上（少数为20kA）。按DIN VDE 0641标准，微型断路器的短路分断能力分3、4.5、6、10、15、25kA共6个不同等级。(www.xing528.com)

断路器的短路保护动作电流（n型脱扣器整定电流）有固定和可调两种形式，电动机保护、变压器保护、组合起动装置用断路器、微型断路器一般为固定式；设备保护断路器可选择固定或可调两种形式。不同类别的断路器的短路保护动作电流整定值通常见表3.3-2。

图3.3-3 断路器的保护特性

表3.3-2 断路器的短路保护电流整定值

注：I_n为断路器额定电流。

6.过载保护特性

IEC 60947标准规定，过载保护的断路器、热继电器等器件，其反时限延时过载脱扣器的保护特性用脱扣等级（Trip class）表示。

常用的脱扣等级有class 5（10A）、10、15、20、25、30、40共7级。其中，class 5（10A）和class 10可用于电动机的正常起动，为常用等级；class 20、30、40用于起动时间长、起动电流大的电动机起动，称为重载起动。

不同脱扣等级的脱扣器动作时间和实际工作电流的关系如图3.3-4所示。脱扣等级中的5、10、15等数值是器件在7.2I_n过载时的保护动作时间（s），对于其他过载情况，脱扣器的动作时间见表3.3-3。

电动机、变压器、设备保护断路器的过载保护电流可调节，其脱扣等级一般可选择class 5（10A）、10、20、30、40，未特别说明的断路器脱扣等级通常为class 10。

图3.3-4 过载保护特性

表3.3-3 保护断路器的过载保护脱扣等级

注：I_n为断路器过载保护电流调整值。

微型断路器的过载保护电流不能调整，其过载保护脱扣特性与短路脱扣特性有关，短路脱扣特性A、B、C、D所对应的过载保护脱扣特性见表3.3-4。

表3.3-4 微型断路器的过载保护脱扣特性

注：I_n为断路器的额定电流。

7.辅助触点

电动机保护、变压器保护、组合起动装置用断路器通常具有1常开、1常闭2对内部辅助触点；如需要，也可通过选择附件增加1常开/1常闭、或2常开、或2常闭2对辅助触点。微型断路器一般无内部辅助触点，但可通过选择配套附件，增加1常开/1常闭2对辅助触点。

断路器的辅助触点使用类别一般为AC-15/DC-13，国产DZ108系列等断路器所标注的使用类别AC-11/DC-11，在DIN EN 60947等标准中已归至AC-15/DC-13。辅助触点容量与产品规格、结构有关，中小规格断路器通常见表3.3-5。

表3.3-5 断路器的辅助触点容量

8.断路器选择

断路器的主要参数有极数、额定电压U_e/频率f_e、额定电流等，极数可根据实际保护电路的需要选择。进口或引进的电动机保护、变压器保护、设备保护、组合起动装置用断路器，其额定电压U_e一般为AC690V，额定频率f_e为50/60Hz，故可用于AC690V以下线路的控制；国产低压断路器的额定电压U_e有AC380V、AC220V等，额定频率f_e为50Hz。微型断路器的额定电压U_e一般为230/415V，通常只能用于AC400V以下的电气设备控制。

电动机保护、变压器保护、组合起动装置用断路器及微型断路器的短路保护动作电流（n型脱扣器电流）由生产厂家按照表3.3-2在出厂时固定，用户不能改变。

断路器的额定电流应大于等于线路连续工作的电流，过载保护动作电流可在额定电流以下的一定范围内调节，使用时应将其整定为线路实际连续工作的电流值。断路器的过载脱扣等级一般为class 10，需要其他等级时，应在订货时专门说明。

例如，国产三相7.5kW/1400r/min、Y2-132M-4感应电动机的额定电流为15.6A，故可选择额定电流为16A、过载保护电流调节范围为10～16A的电动机保护断路器，如SIEMENS公司的3VU1340-MM00等；或者，选择额定电流为20A、过载保护电流调节范围为14～20A的电动机保护断路器，如SIEMENS公司的3VU1340-MN00等。使用时，应将断路器的过载保护电流调节到15.6A。电动机保护断路器的短路保护动作电流不能调节，如3VU1340-MM00固定为190A、3VU1340-MN00固定为240A等。

对于使用条件较好、空载或轻载起动、无过载或只存在轻微过载的电动机，如线路工作电压低于400V、短路电流小于25kA，也可选择短路脱扣特性为D或C的微型断路器进行短路和过载保护。选择微型断路器时，一般应按照电动机保护断路器同样的要求，来确定其短路保护脱扣电流。

例如，上述Y2-132M-4的电动机保护断路器的短路保护电流为190～240A，由表3.3-3可知，短路脱扣特性为D的微型断路器，其短路保护动作电流为10I_n，因此，其额定电流I_n应选择为20A或25A，如SIEMENS公司的5SX2320-8CC（20A）或5SX2325-8CC（25A）等。如选择短路脱扣特性为C的微型断路器，由于其短路保护动作电流固定为5I_n，因此，微型断路器的额定工作电流I_n应为40A或50A，如SIEMENS公司的5SX2340-7CC（40A）或5SX2350-7CC（50A）等。

断路器还可根据需要，选配图3.3-5所示的分励脱扣、欠电压脱扣、远程操作机构等辅助操作机构，也可选配各类辅助触点等附件。

图3.3-5 断路器附件