特此诚挚邀请您及贵司代表参观广州2023世界太阳能光伏暨储能产业博览会（第15届广州国际太阳能光伏储能展），奔龙自动化展馆：11.3展位号:J121-J122。奔龙自动化科技有限公司成立于2008年，以自动化、智能化、机器人、传感器、物联网、MES系统技术为核心，为客户提供智能装备制造及系统集成解决方案的国家级高新技术企业。 期待与贵司建立长期的合作关系。

自动化生产线光伏系列

高低压电器元器件系列

奔龙自动化科技有限公司

一、限流型塑壳断路器触头结构

低压限流型塑壳断路器的工作原理是依靠短路电流产生的电动力，使触头系统在操作机构动作前就提前斥开而产生电弧，利用电弧电压来限制短路电流。ABB公司曾经对五种触头的限流能力进行对比，其中A方案为传统的非限流型触头结构，例如框架断路器的拍合式触头结构；

B方案的静触头做成U型导电回路，增强了磁场作用在动触头上的电动斥力，这种结构只有动触头斥开，动触头是静止的。

C方案和B类似，区别点在于C的动、静触头都可以在电动斥力的作用下斥开，属于双面斥开结构；

D方案在C的基础上增加了U型电动机槽来增强斥开磁场，用一个U型磁铁套在静触头导电板上增强触头区导电回路的自励磁场，增强作用在触头臂上的电动斥力；

方案E为双断点结构，两个触头串联起来，在电动力的作用下同时斥开，利用两个电弧串联来获得**的电弧电压。

双断点的优势还可以使得每一个灭弧室中所承受的电弧能量和恢复电压降低，因此双断点断路器具有**的限流能力，并且适用于额定电压较高的场合。

二、限流型塑壳断路器的开断过程

塑壳断路器一般采用灭弧栅灭弧，采用这种灭弧结构的塑壳断路器，其开断过程一般包含四个过程，

1、从短路电路出现的瞬间t=0到触头开始动时刻t₀，这段时间为限流机构的动作时间。对于塑壳断路器来说，是指动触头的电动斥力随着短路电流增长，到电动斥力等于触头压力，而使触头开始斥开所需要的时间。这段时间内触头尚未分开，因而触头两端电弧电压U_arc=0。

2、t₀到t₁段时间，动触头在t₀时刻开始打开，触头上出现电弧，由于电弧停滞现象，电弧在触头上保持不动，这段时间成为电弧停滞时间t_i=t₀-t₁，它决定于触头材料、吹弧磁场与触头的打开速度等因素，这一阶段电弧电压变化不大。

3、到t₁瞬间，电弧拉长到一定长度，这时电弧在自励磁场产生的电动力作用下，离开触头并通过弧角进入灭弧栅片，这一阶段电弧电压增长很快，其增长速度β决定了电弧运动速度和进入灭弧栅的时间t₂，t₂-t₁这段时间为电弧运动时间。

4、当电弧进入灭弧栅片后，电弧电压达到其**峰值U_arc，此时电弧电压已经大于电源电压瞬时值，电流被强制限制减少，到t₃瞬间电流降为零，电弧熄灭。

从塑壳断路器开断过程可以看出，决定电弧电压的参数有4个，它们是：限流机构的动作时间t₀，电弧停滞时间t_i，电弧电压上升率β和电弧电压幅值U_arc。

若能减少限流结构的动作时间和电弧停滞时间，增大电弧电压的上升率和电弧电压的幅值，则能增强低压断路器的限流作用，那么NSX塑壳断路器是如何实现限流的呢？

三、NSX塑壳断路器的限流原理

NSX塑壳断路器触头结构如下图所示，我们在**节分析到的双旋转触头和U型静触头结构，NSX塑壳断路器都具备。

当故障电流产生的电动力超过触头弹簧压力时，动、静触头开始斥开并产生电弧电压，限制短路电流的上升。

短路电流越大，动、静触头之间的电动斥力就越大，双旋转触头动作的速度就会越快，我们在第二节中分析到的“限流机构的动作时间”就会越短，限流效果就会越明显。

为了使触头快速动作，除了利用电流的电动斥力让触头快速打开，NSX断路器静触头侧还设置有产气材料，一般为聚甲醛POM材料、尼龙Nylon和大家耳熟能详的三聚氰胺等材料。当触头斥开产生的电弧使得产气材料气化，密闭分断单元内气压迅速升高，压力气体使得NSX断路器气动脱扣机构直接动作，这就是能量脱扣的原理。能量脱扣（气动脱扣）是独立于其他脱扣器的脱扣过程，与电子脱扣器或磁脱扣单元无关，即使没有电子脱扣器或磁脱扣线圈，只要故障电流超过能量脱扣电流值（NSX宣称25倍额定电流），NSX断路器同样动作。

我们再用另外一张图来说明能量脱扣与瞬时脱扣或磁脱扣的关系。以NSX250为例，瞬时保护整定值为10In，图中X轴为预期短路电流，Y轴为允通能量曲线。

A点：故障电流达到了瞬时保护整定值10In，此时断路器按瞬时保护脱扣时间动作，不脱扣时间为10ms，**脱扣时间为50ms，即动作时间在10~50ms之间。

B点：当故障电流大于瞬时保护整定值10In，从16In开始动作时间快速降到20ms左右；

C点：当故障电流达到了触头斥开电流值，触头斥开产生的电弧电压对故障电流有限流作用。随着故障电流的进一步增大，断路器动作时间也从20ms降至10ms左右；

D点：当故障电流达到了触头斥开电流值的1.7倍左右，电流产生的电动力足以让动、静触头直接动作，开断时间10ms左右（能量脱扣）。如前所述，能量脱扣独立于其他脱扣器，在这种情况下，电子脱扣器的瞬时保护动作或磁脱扣线圈的作用，主要是确保断路器在过电流情况下的脱扣状态。

F点：曲线的终点代表断路器的**分断能力。

四、NSX塑壳断路器限流原理总结

经过前面的分析，我们对NSX塑壳断路器的限流原理总结如下：

1、限流断路器是利用触头间的“电弧电压”限流，通过减少限流机构的动作时间和电弧停滞时间、增大电弧电压上升率和电弧电压幅值等措施来提高限流能力；

2、NSX塑壳断路器具有双旋转触头和U型静触头结构，在短路电流产生的电动力下快速斥开形成电弧，一方面电弧电压对短路电流有限制作用，另一方面电弧能量引燃产气材料，产生的气体压力让能量脱扣器直接推动脱扣机构动作，进一步降低限流机构的动作时间，提高了限流能力；

3、NSX断路器的能量脱扣器（气动脱扣）与电子脱扣器或磁脱扣是相互独立的。在瞬时保护整定值下的动作时间按样本宣称，一般为10~50ms，当故障电流超过25倍额定电流时，能量脱扣器直接动作，脱扣时间5ms左右。

天下武功，唯快不破！限流断路器限流能力的强弱与触头斥开的快慢有关，与电弧进入灭弧栅的速度有关。无论是双旋转触头、U型静触头结构、能量脱扣（气动脱扣）、灭弧栅片等等设计，最终目的都是尽一切可能快速产生电弧电压来限制短路电流。

五、GV2电动机保护断路器限流原理

前面我们花了很大篇幅在分析NSX塑壳断路器的限流原理，相对于NSX塑壳断路器，GV2电动机保护断路器的限流原理既简单又粗暴，简单到只要学过欧姆定律都可以理解其工作原理。

先看GV2电动机保护断路器的短路分断能力，GV2ME01~14的短路分断能力＞100kA（400/415V）,而且I_cs=I_cu，但是GV2ME16~32的短路分断能力就只有15/10kA左右，并且I_cs=50%I_cu。

按理说GV2断路器从01到32只有一个壳架，其内部结构大部分一致，什么原因导致同样壳架的断路器，短路分断能力差异如此之大呢？

在计算设备安装处预期三相短路电流时，通常会用到欧姆定律-电压除以阻抗，线路侧阻抗越大则短路电流会越小。

预期短路电流计算时一般不会考虑低压元器件本身的回路阻抗，因为一般情况下框架断路器、塑壳断路器、微断、隔离开关、接触器等产品的触头接触电阻以毫欧计，对预期短路电流影响不大。

但是，如果元器件本身阻抗就很大呢？是不是对预期短路电流有一定限制作用？这个想法是对的，并且有的断路器就是通过这种简单粗暴的方式实现限流。

由于GV2断路器回路电阻无公开资料，我们以另一品牌电动机保护断路器公开的回路电阻值为例来说明，

你会发现，越是小电流档的断路器，其回路阻抗越大。相对于NX塑壳断路器通过双旋转触头和能量脱扣器快速分断来获得电弧电压的方式限流，GV2等类似断路器的限流就是通过串接“电阻”来实现。

增大断路器回路电阻的方式固然可以降低短路电流，实现限流的效果，但是我们不要忘了，电流通过电阻会产生额外的功耗，会导致断路器温度过高。一方面要合理利用电阻的限流作用，另一方面要考虑断路器温升在产品标准允许范围内。

越是小电流档的断路器，通过增大回路电阻实现限流的效果明显。越是大电流档的断路器，由于温升的限制，无法再通过增大回路电阻来获得高分断和出色的限流能力，但可以通过增加限流模块来实现。

例如，GV2断路器与限流模块GV1L3配合之后，其短路分断能力可以提到到≥100kA（400/415V）。

对比NSX100S与GV2ME01~14断路器的限流曲线和允通能量曲线，在不加装限流模块GV1L3的情况下，两种断路器的短路分断能力都为100kA，限流后的峰值电流和允通能量见可见。

通过对比可以看出，当电动机功率较小时，GV2断路器可以体现其体积小、占比空间小、限流能力强的优势。特别是在与接触器实现短路协调配合方面，正是由于其限流能力强，配置的接触器才会比NSX断路器小。

六、总结

NSX塑壳断路器的是通过双旋转触头和能量脱扣器等措施，使限流动作机构快速动作后产生的“电弧电压”来限制短路电流。

GV2电动机保护断路器小电流档是通过几个欧姆到几十欧姆的回路电阻，来实现高分断和限流作用。大电流档断路器受制于温升，其分断能力和限流效果明显降低，只能通过外加限流模块实现。

由于GV2断路器的限流方式更加直接，通过对比限流后的峰值电流曲线和允通能量曲线，小电流档GV2的限流效果确实会比NSX好，**电流档需要增加限流模块来提高短路分断和限流能力。

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