微型断路器的选型和短路分析

摘 要：微型断路器是电气终端配电装置中应用最广泛的一种终端保护电器，在城轨车辆的配电系统中也被大量使用。文章首先介绍微型断路器的工作原理、分类及其特点，通过试验对比验证其短路保护特性，分析微型断路器选型过程所要考虑的参数，为城轨车辆的设计提供参考。

关键词：微型断路器；选型；短路保护

1 概述

微型断路器也称小型断路器（Miniature/Micro circuit breaker，简称MCB），是电气终端配电系统中应用最为广泛的一种终端保护器件，适用于50Hz或60Hz，额定相电压不超过440V，额定电流不超过125A，额定短路电流不超过25kA的线路，主要用来对终端电气设备进行过电流和短路保护。因此，在设计过程中，MCB的选型是否得当对整个系统有着很大的影响。

2 微型断路器的工作原理

断路器用作合、分电路时，依靠扳动其手柄使动、静触头闭合或断开。正常情况下，触头能接通和分断额定电流；当出现过载时，双金属元件受热产生变形、弯曲，顶开断路器的牵引杆，使断路器脱钩跳闸；当线路短路时，达到一定值的短路电流会使过电流脱扣器的动铁芯被吸合，带动牵引杆使断路器分断。微型断路器的符号和结构简图如图1所示。

3 微型断路器的工作特性和选型原则

3.1 微型断路器的分类

（1）按额定电流In分：1～63A多种；（2）按瞬时脱扣电流分：B型（3～5）In、C型（5～10）In、D型（10～14）In；（3）按极数分：单极、二极、三极、四极。

3.2 工作特性

微型断路器在30°C～35°C环境温度下，过电流保护特性如表1所示。

表1 微型断路器过短路保护特性

当负载电流小于额定值时，断路器不会脱扣；当电流大于额定电流且小于瞬时脱扣电流时，脱扣时间与负载电流呈反函数关系，并随负载电流增大而减小；当负载电流大于瞬时脱扣电流时，脱扣时间急剧减小，并随电流增加成比例减小。

3.3 选型原则

在城轨车辆的设计过程，选择微型断路器时应遵循以下几条基本原则：

（1）额定电压不应小于线路额定电压；（2）额定电流与过流脱扣器的额定电流不小于线路的计算电流；（3）额定短路分断能力不小于线路中最大短路电流；（4）选择时需考虑短延时短路通断能力和延时保护级间配合；（5）当用于电动机保护时，则需要考虑电动机的启动电流并使之在启动时间内部动作。

4 微型断路器的短路分析

根据MCB的选型原则，在选择MCB时，不仅要考虑其参数是否满足线路的额定电压和额定电流的要求，还要考虑它在出现过电流或短路情况下能否正确动作。因此，MCB的参数选择并非越大越好，也非越小越好，只有在结合线路参数和负载的额定大小选出合适的MCB才能保证系统的正常工作和故障状况下正确动作。以下将针对安邦线设计中存在的缺陷进行试验，通过试验分析MCB选型不正确可能导致的后果。

4.1 安邦项目MCB的选型缺陷

安邦项目中永久负载回路选用的MCB为C20型，即额定电流为20A，额定瞬时脱扣电流为20*10=200A（按C型最大范围取10 In）。该MCB同时给四个支路供电，分别是紧急照明回路（C10）、司控钥匙回路（C6）、辅助逆变器紧急启动和列车激活回路。但其中的列车激活回路所用电缆为1.5mm2，在列车激活过程，若激活回路存在短路故障，则可能出现电缆烧损但MCB未跳开的情况。

以下对此进行计算分析：

线路电阻计算

安邦项目列车的列车激活回路列车线较长，初步估计100m左右（列车长86.4m），使用的电缆是截面积为1.5mm2的铜导线，铜的电阻率为ρ= 0.0175（Ω·mm2）/m。

线路电阻R= 0.0175（Ω·mm2）/m*100m/1.5mm2=1.167Ω

电源内阻计算

电源的空载电压110V，负载电流50A时的电源端电压为105V。

电源的内阻R0=（110-105）/50=0.1Ω

根据以上计算可以得到电路的等效模型，如图2所示。

由此可求得截面积为1.5mm2导线的短路电流：

短路电流=110V/（1.167+0.1）=86.8A

如果选用C20的MCB，其瞬间脱扣电流达200A，因此，线路短路时MCB并不会立即断开。根据其脱扣曲线可知，MCB要延时十秒左右才脱扣。而在线路发生短路时，线路功率达到8.8kW，很可能在短时间内造成电缆发热烧毁。

对于截面积为2.5mm2的电缆：

线路电阻R'=0.0175（Ω·mm2）/m*100m/2.5mm2=0.7Ω

短路电流=110V/（0.7+0.1）=137.5A

这时如果采用C10型MCB，可以瞬时脱扣，C20型MCB仍然不会瞬时脱扣。

4.2 接地短路试验

根据以上的计算结果，以下将通过试验观察C6、C10、C20三种型号的MCB开关分别在1.5mm2和2.5mm2两种电缆（100m）发生短路时的动作情况，分析MCB开关选型不合适时线路可能出现的故障。此外，通过试验对比电缆发生稳定接地短路和不稳定接地短路所产生的后果，分析两种短路的危害性。

稳定接地短路

Step1 基本参数测量：用万用表欧姆档分别测量1.5mm2和2.5mm2两根电缆（100m）的电阻，用万用表电压档测量蓄电池组的开路电压。

Step2 电路接线：利用调试车间充电机电缆引出蓄电池输出端的正、负极，同时断开列车的负载输出线，防止试验损坏车辆设备。将MCB开关打到断开位，按图2所示电路图将蓄电池的正极引出线接到MCB的进线端，出线端则和试验电缆串接后连到蓄电池的负极引出线。

Step3 短路参数测量：用钳型电流表卡到蓄电池正极引出线，合上MCB开关，观察短路现象，并记录电流表读数和MCB跳闸时间。

分别将C6、C10、C20三种型号MCB和1.5mm2、2.5mm2两根电缆组合，按上述步骤测试六组数据，并做记录。

不稳定接地短路

Step1 基本参数测量（同上）

Step2电路接线：利用调试车间充电机电缆引出蓄电池输出端的正、负极，同时断开列车的负载输出线。将MCB开关打到断开位，将蓄电池的正极引出线接到MCB的进线端，出线端连接试验电缆，蓄电池的负极引出线与铝块连接。用钳型电流表卡到蓄电池正极引出线。

Step3 短路参数测量：用绝缘钢丝钳夹住试验电缆的活动端（注意不能和让导线碰到任何物体），合上MCB，将电缆活动端触碰铝块，出线电弧即移开（模拟电缆的不稳定接地短路），注意观察并记录短路电流和短路现象（防止弧光灼伤眼睛，须通过电焊面罩观察）。

分别将C6、C10、C20三种型号MCB和1.5mm2、2.5mm2两根电缆组合，按上述步骤测试六组数据，并做记录。

试验记录：

由于测试条件有限，MCB动作时间测量不够精确，小于1s的可认为是瞬断，大于或等于1s的认为是延时断。由于MCB瞬断过程很短，部分电流值有误差。

4.3 试验结果分析

4.3.1 导线截面大小对短路电流的影响

根据以上试验记录，1.5mm2和2.5mm？两种电缆的导体电阻与计算结果相符，说明其它条件相同时，导体截面越大电阻就越小，从而，短路时短路电流就越大。

根据断路器工作特性的分析，断路器的过电流保护脱扣时间与电流的大小呈反函数关系，电流越大，脱扣时间就越短。表2中C20的稳定接地短路试验时，1.5mm2和2.5mm2两种电缆对应脱扣时间分别为4s和1s，试验结果和分析相符合。

对比表2中C6、C10、C20三种MCB在短路时的动作情况可以发现，C20在两种电缆发生短路时都不能瞬断，尤其是1.5mm2电缆，延时达4s。如果在列车发生短路时，很可能因为MCB未能及时断开而造成严重的后果。

4.3.2 不稳定接地短路的危害

不稳定接地短路试验是模拟电缆在绝缘损坏、破皮等故障时发生的短路，这时由于短路处接触不牢固，一方面会产生高温电弧，很可能会损坏周围的电缆和设备；另一方面由于接触电阻较大以及电弧产生压降，短路电流比稳定接地短路时小得多，这时可能造成MCB不动作或延时动作。

对比表2中稳定接地和不稳定接地两种情况下MCB动作情况，可以看出不稳定接地时，短路电流明显比稳定接地的小。其中C10型MCB在1.5mm2电缆稳定短路时会瞬断，而在不稳定短路时没有顺断，说明不稳定接地短路会影响MCB的动作时间。并且在短路时产生明显的电弧，甚至把铝块和线芯烧蚀，如图3所示。

5 结束语

回到安邦项目的设计缺陷，如果永久负载回路在空载或低载状态下发生线路短路（稳定或不稳定），1.5mm2的导线的短路电流很可能达不到C20型MCB瞬断的最小电流，从而造成线路和设备烧毁。因此，应该将永久负载回路中的紧急照明（C10）、车内电钥匙（C6）、辅助逆变器紧急启动3条支路分离出来，将永久负载MCB型号改为C6，以确保该回路在发生短路故障时能通过MCB跳闸切断故障，保证系统的安全。

文章通过理论计算和试验对比分析了微型断路器在线路发生短路时的工作特性，说明了在系统设计时，尤其是对于城轨车辆的设计，断路器的选型不合适可能会对整个系统造成严重的后果。

参考文献

[1]连理枝.低压断路器及其应用[M].北京：中国电力出版社，2002.

[2]苏邯林.微型断路器的特性和应用[J].现代建筑电气，2013，1：11-15.

[3]卢军.微型断路器的选择和使用[J].电气开关，2004，3：37-39.

作者简介：梁世兴，2013年毕业于武汉理工大学电力电子与电力传动专业，工学硕士，从事城轨车辆电工调试。