1.5 低压开关电器的通断任务和各种不同负载的通断条件

1.5.1 低压开关电器的通断任务

低压开关电器的通断任务实质上也代表了低压成套开关设备的通断任务。这些通断任务如下：

1.隔离通断任务

隔离通断任务是指开关电器能将配电网的电源与电气设备隔绝开来，以便电气人员在对电气设备进行检修时确保人身安全和设备安全。

这里的隔离既包括动、静触头之间的隔离，还包括带电体与接地零部件之间的电气间隙，以及带电体与相邻带电体之间的隔离。

为了能实现隔离通断任务，有关的低压开关电器的动、静触头之间必须具有明确的断点，并且其电气间隙的技术要求和爬电距离的技术要求必须符合相关的制造标准，有关电气间隙的标准参阅国际电工标准IEC 60947-3和我国国家标准GB/T 14048.3—2008。如果在隔离期间需要确保电气设备一直处于无电状态，则执行隔离通断任务的低压开关电器其操作机构必须具有上锁的功能。

为了确保在整个隔离期间都不会出现带电状态，执行隔离通断任务的低压电器必要时可采用挂锁锁住。

2.空载通断任务

空载通断任务是在无电流状态下接通或断开低压电网电路。

由于执行空载通断任务的低压电器一般不具备带负荷分断电路的能力，故在带负荷的状态下强制操作，其触头上产生的电弧将损坏低压电器。执行空载通断任务的低压电器如刀开关及负荷开关等，其中负荷开关具有一定的带负荷分断电路的能力。

3.负载通断任务

负载通断任务是接通或断开正常的负荷电流。由于低压电器在进行负载通断时是带负荷的，故执行负载通断任务的低压电器必须具备接通与分断过电流的能力。确定低压电器执行带负载通断能力的标准是GB/T 14048.1—2023（等同于IEC 60947-1:2020），摘要如下：

AC-21：1.5倍额定工作电流Ie；

AC-22：3倍额定工作电流Ie；

AC-23：8～10倍额定工作电流Ie。

负载通断任务与短路电流通断任务的区别在于：前者对电路执行过载的通断任务，而后者则对电路执行短路的通断任务。

4.电动机通断任务

通断电动机的低压开关电器应当满足各种工作制下的各型电动机。一般用于通断电动机电路的接触器都具有AC-3的通断能力。

在GB/T 14048.4—2020《低压开关设备和控制设备 第4-1部分：接触器和电动机起动器机电式接触器和电动机起动器（含电动机保护器）》中的表1规定了接触器的使用类别及其代号，如下：

5.短路通断任务

执行短路通断任务一般采用各型断路器和熔断器。断路器是一种既能够通断负载电流、电动机电流和过载电流，还能够执行分断短路电流的开关电器。

发生短路时，断路器在出现电流峰值之前切断电路，同时有效地熄灭电弧。断路器通过电磁斥力推动脱扣器执行分断操作，同时利用电流过零熄弧或接通高电阻来限制电弧能量。

（1）电流过零熄弧式断路器

图1-35所示为电流过零熄弧式断路器在分断时的电流与电压过程。图中的断路器触头在t1时刻断开，由于电压已经将动静触头之间的空气击穿，故触头之间出现电弧，此电弧延续到电流过零时才熄灭。所以这种断路器被称为电流过零熄弧式断路器。

绝大多数低压断路器都是电流过零熄弧式断路器。

（2）限流式断路器

图1-36所示为限流式断流器的熄弧过程。

第一种限流式断路器利用安装双金属片导电排来限流。

限流的实质是将未受影响的冲击短路电流限制成较小的允许通过的电流（允通电流）。当发生短路时，由于断路器安装了双金属片构成的导电排和瞬时短路脱扣器，此时的导电排电阻变得非常大，足以将短路电流限制成为断路器能够承受的电动力和热效应，继而将较小的短路电流分断。

第二种限流式断路器利用合适的触头形状和灭弧室结构灭弧。当电弧产生后，电弧被电磁作用迅速地推到灭弧室中，灭弧室中的栅片将电弧分割成多段局部电弧，再将多段局部电弧进行强力冷却后灭弧。

当电路中出现短路电流时，断路器的保护装置触发脱扣器将断路器的主触头打开，再结合上述的多种方式灭弧。

对于低压电网，当电压在400V以下时，限流式断路器的灭弧能力大于电流过零熄弧式断路器，见图1-36。

我们看到图1-36中阴影部分就是限流区域，它的幅值低于冲击短路电流峰值，故限流式断路器开断时产生的电弧冲击强度小于过零熄弧式断路器。不过需要注意的是：若负载是感性的，由于开断时间短容易产生开断过电压，其幅值甚至可达电源电压的3倍，这是限流式断路器的开断感性负载的特征。

图1-37所示为ABB公司生产的TmaxXT T2S160R160断路器的限流曲线。

图1-37中预期短路电流的真实值显示在横坐标上，短路电流的峰值显示在纵坐标上。其中曲线A是未加限制的短路电流峰值，曲线B是限流后的短路电流峰值。对于400V低压线路上出现的40kA短路电流限流后减少为16.2kA，对于400V低压线路上的84kA预期短路电流则减少了68kA的电流值。

值得注意的是，图1-37中的曲线A呈现出折线的形态。观察横坐标，这里的Irms表示对称短路电流，也就是我们熟知的短路周期分量，或者短路稳态电流。我们再观察曲线纵坐标，它是冲击短路电流Ip，是短路电流交流分量与直流分量的叠加，所以冲击短路电流Ip等于Irms（短路电流周期分量乘以峰值系数n）。

注意：冲击短路电流峰值与稳态短路电流之比或者冲击短路电流峰值与短路电流周期分量之比就是第1章1.4.1节中描述过的峰值系数n。

再来观察图1-37的曲线A，我们发现出现阶跃之处的Irms值是5kA、10kA、20kA和50kA，相应的IP分别是7.5kA/8.5kA、17kA/20kA、40kA/42kA和105kA/110kA，正好对应于峰值系数n的阶跃值1.5/1.7、1.7/2.0、2.0/2.1和2.1/2.2。

我们由此可以看出，限流特性反映了断路器切断冲击短路电流峰值从而限制短路电流对线路产生的电动力冲击和热冲击的能力。

1.5.2 三相异步电动机的通断条件

1.有关三相异步电动机的若干技术术语和机械特性

三相异步电动机在现代工业中占据重要的地位，在各行各业中安装的各类电动机中有95%是三相笼型异步电动机。

三相异步电动机的通断条件表征了低压配电网参数与电动机之间的制约关系，且涉及三相异步电动机的各种技术参数、工作特性、负载特性、起动条件、调速条件和使用运行参数等。

表1-24对有关三相异步电动机的技术术语、工作特性和起动条件予以汇总。

电力拖动系统由电动机、生产机械和传动机构三大部分构成，这三大部分之间存在互相制约的关系，这些制约关系可以通过电动机的机械特性曲线直观地显现出来。表1-25～表1-27对电动机的机械特性予以汇总。

2.三相异步电动机的通断条件

异步电动机在起动刚开始的瞬间，异步电动机的转子尚处于静止状态，此时电动机定子绕组中流过的是冲击电流峰值Ip，此电流相当于额定电流的8～14倍。所以在给电动机回路配置断路器或者熔断器时必须考虑到这种影响，如图1-38所示。

图中

In——异步电动机的额定电流；

Is——异步电动机的起动电流；

Ip——异步电动机的起动电流峰值；

ts——异步电动机的起动时间；

tp——异步电动机起动电流峰值时间。

我们从图1-38中可以看出异步电动机的起动过程：

电动机定子绕组电流从得电开始后的20～30 ms内出现起动电流峰值，起动电流峰值Ip为8～14倍额定电流，且异步电动机的转子尚未运转；当电动机的转子从开始旋转过渡到正常转速的起动状态，大约经历了数秒到数十秒的时间，在此起动状态下起动电流Is为4～8.4倍额定电流In；当电动机起动完成后，电动机电流迅速降低到额定电流In。

（1）异步电动机在低压电网中的起动条件

对于不频繁起动的异步电动机来说，短时大电流没有什么关系；对于频繁起动的异步电动机来说，频繁出现的短时大电流会使电动机内部发热较多而过热，但是只要限制每小时最高起动次数，电动机也是可以承受得住的。因此，如果只从电动机本身来说，是可以直接起动的。

电动机起动电流主要影响对象是低压电网的电源电压。

三相异步电动机起动电流过大会使电力变压器低压侧电压下降。若电力变压器额定容量相对较小则低压侧电压下降更多，有可能超过正常规定值（例如ΔU>15%或更多）。低压电网电压下降会影响到如下几个方面：

因为电动机的最初起动转矩Ts与电网电压的二次方成正比，所以电动机在负载很重时有可能无法正常起动。

影响同一配电网的其他负载：例如电灯变暗、数控和计算机设备失常、重载的异步电动机可能停止运行等。

判断电动机是否允许直接起动需要考虑多种因素，包括变压器容量、低压配电网电压、同时运行的电动机数量、工作制以及各级配电之间的电缆截面及长度等，计算时比较麻烦。当电力变压器独立配电，且容量不是太大，系统中的电动机也不太多的情况下，可用如下简易的经验公式来判断低压配电网是否允许电动机直接起动：

式中 KM——电动机的直接起动判据系数，其中

KM≥6则允许直接起动；

4≤KM<6时要采用星-三角起动；

KM<4时建议采用软起动器起动；

Sn——电力变压器的容量，单位为kV·A;

Pn——电动机的容量，单位为kW。

只有满足直接起动条件的电动机才允许直接起动，否则要采用减压起动。

将KM=6代入式（1-64）中，可得Sn=21Pn。也就是说，如果变压器的容量大于电动机功率20倍以上，则电动机在此低压配电网中可以直接起动。

【例1-14】电动机电网条件之一：电力变压器的容量为2500kV·A，电动机的功率是75kW；电动机电网条件之二：电力变压器的容量为1000kV·A，电动机的容量是75kW。试求该两种电网条件下的电动机的起动判据系数。

解：将电网条件之一的数据代入式（1-64）右边，得到75kW电动机的起动限制条件：

可知75kW的电机允许在该低压电网中直接起动。

将电网条件之二的数据代入式（1-64）右边，得到75kW电动机的起动限制条件：

因为KM=4.08，所以75kW的电动机不允许在该低压电网中直接起动，该电动机的起动必须配套采用某种减压起动措施，或者采用软起动器起动。

注：式（1-64）较适用于现场人员和低压开关柜制造厂人员估算电动机的起动条件。若需要准确判断，则建议还是采用规范的设计方法。

关于电动机起动经验公式有关论述见第5章5.4节“经验分享与知识扩展”。

（2）电动机的各种起动方式

我们来看电动机的各种起动方式，见表1-28。

1）三相异步电动机的直接起动：

三相异步电动机的起动电流（有效值）：

三相异步电动机的空载电流（有效值）：

三相异步电动机的起动时间Tn：在正常情况下起动时间Tn小于10s，在重载情况下起动时间Tn大于10s，且起动电流大于6倍In。

当运行中的三相异步电动机需要不经停机阶段直接逆向运行时则电流峰值会更大，特别当发生堵转的情况下三相异步电动机将达到最大的起动电流。

2）三相异步电动机的星-三角起动：当三相异步电动机按星-三角联结方法起动时，电动机定子绕组的接线方法为星形联结；当三相异步电动机在按星-三角联结方法运行时，电动机定子绕组的接线方法为三角形联结。

三相异步电动机按星形联结起动时电流降低到直接起动时的1/3，电动机定子绕组的相电压降低到直接起动的，电动机的起动转矩也降低到直接起动的1/3。

星-三角的起动方式只能应用在三角形联结的电动机上。由于实现电动机星-三角的起动方式相对简单，应当优先采用。

3）通过自耦起动变压器来起动三相异步电动机：三相异步电动机在起动时以星形联结接在自耦起动变压器的抽头上，一般接在额定电压的70%上，在这种情况下，起动转矩降低到直接起动的49%。

自耦起动变压器起动三相异步电动机的优点是起动转换相对星-三角起动方式比较平稳，起动转矩较大。但自耦变压器的体积和重量比较大，接线较多，所以已经很少采用了。

4）通过软起动器起动三相异步电动机：三相异步电动机利用软起动器起动具有许多优点，主要有：

①可限流起动：当采用软起动器以限流方式起动电动机时，软起动器输出的电压迅速增加，直到输出电流达到限定值Im，接着在保持输出电流不大于Im下将电压逐步提高，使电动机加速。当电动机达到额定电压和额定转速时，输出电流迅速下降到额定电流，起动过程结束。

采用软起动器起动电动机时可根据实际负载的情况进行设定，电流范围为0.4倍额定电流Ie至8倍额定电流Ie,如图1-39所示。

因为电动机的转矩与电压的二次方成正比，若仅调整电压而不作对应处理将会造成电动机的机械特性变软，出现电动机起动转矩不足的问题。为了提高电动机低速时的转矩，软起动器对输出电压配置了负反馈，并由此大幅地提高了电动机的起动转矩。所以在各种电动机起动方式中，软起动器具有最优良的起动效果和性价比。

②电压斜坡起动：当采用电压斜坡起动时，软起动器的电压快速地上升至初始电压U1，然后在设定的时间t内逐渐上升，电动机随着电压的上升不断加速，达到额定电压Ue和额定转速时起动过程结束。

图1-40所示为电压斜坡起动的特征曲线。

U1的设定范围为0～380V，t的设定范围为0～600s。

除了以上两种常用的起动方式外，软起动器还具有斜坡限流起动、断相保护、过电流保护、过载保护等功能，以及自由停机和软停机等功能。

电动机利用软起动器起动和利用自耦变压器起动的主要性能比较见表1-29。

（3）各种起动方式的比较

各种电动机的起动方式见表1-30。

1.5.3 照明设备的通断条件

开关电器在接通照明设备的瞬间要允许通过较高的电流，这是开关电器在接通照明设备时必须满足的通断条件。

白炽灯使用的钨丝冷态与热态电阻相差近15倍，且白炽灯上标明的电压和功率数据是热态参数，所以在大量白炽灯构成的照明线路中，交流接触器必须满足AC-5B。

白炽灯中充入卤素后将会增加光输出量，灯的寿命也将加倍。对于高压钠灯和金属卤化物灯具，在5～10min的起动期间流过的电流约为额定电流的2倍。

白炽灯的电流可由式（1-67）得出

式中 In——白炽灯的额定电流；

PN——白炽灯的额定功率；

U——三相电源时取线电压，单相电源时取相电压。

白炽灯的功率和电流关系见表1-31。

荧光灯的电流可由式（1-68）得出

式中 In——荧光灯额定电流；

PB——荧光灯镇流器的功率，一般可取为25%PN；

PN——荧光灯灯管的功率；

U——单相电源的相电压；

cosφ——荧光灯灯具的功率因数。

一般来说，荧光灯灯管上标注的功率不包括镇流器的功率消耗。

对于荧光灯来说，可以并接上校正电容器来提高功率因数，见式（1-69）。

荧光灯的功率和电流关系见表1-32。

对于带并联校正电容和镇流器的荧光灯灯具，其接通电流峰值为按功率计算的电流的10倍左右。

因此，在设计照明回路开关电器的时候必须考虑到这些工作条件。

1.5.4 电热设备的通断条件

电热设备包括用户室内取暖和电阻性工业炉等。

对于电阻性电热元件（例如电阻丝），其接通电流为1.4倍额定电流。考虑到电网电压可能升高10%，电阻丝电热元件的工作电流也将相应地提高。

使用电热设备时一般使用类别为AC-1或DC-1作为设计依据，使用具有相应通断能力的开关电器就足以满足通断这种负载。因此要充分注意到电阻炉在冷态下起动的瞬间对低压电网会产生短暂而又强烈的电流冲击。

一般地，小型电热回路大多数采用单相工作，所以一般使用多极并接式开关电器，这样能提高允许的负载电流。

对于大功率的工业电阻炉，经常需要配套以晶闸管控制方式工作的电压调整器控制炉内温度。正是因为采用了晶闸管，造成电源中存在大量的谐波，污染了供电电源。所以对使用了大量工业电阻炉的工作场所，一定要配套能够消除电源谐波的装置。表1-33为工业电阻炉的功率和电流的关系。

对于工业电阻炉，为了减小对低压电网的冲击，常常采用晶闸管调功器实现功率调整，并且晶闸管的触发方式采用过零触发。这样处理后，有效地抑制了高次谐波。

晶闸管的过零触发虽然能抑制高次谐波，但缺点是对电网的冲击较大，而且配电网中会出现分数次谐波。所以具体采用哪种触发方式要由现场条件来决定。图1-41所示为晶闸管移相式触发和过零触发的波形比较图。

图1-41中描述了工业大功率电热装置中晶闸管的电源供电方式。其中移相式触发方式是当电压过零后，触发脉冲在延迟一段时间后触发晶闸管使之导通。调节触发脉冲延迟的时间来调节功率和工业炉炉温。移相式触发方式的缺点是因为电压被切除了一部分，由此产生了大量的谐波。

过零触发时每次电压过零就触发，电压波形基本完整，不会产生谐波。过零触发的控制功率的方式是：将每秒50个电压周波按温度需求来导通，温度高就减少导通的周波数，温度低就增加导通的周波数。过零触发的控温精度高，但缺点是对低压电网的冲击较大。

1.5.5 电容器的通断条件

在接通电容器时，电容器经过振荡过程后被充电到它的稳定值，此时频率从几百Hz提高到几千Hz，于是在电容电路中出现极高的电流尖峰。正是由于这种原因，接通电容器对开关电器提出了特殊要求。对电容器接通后的充电电流振幅和频率起重要作用的是接通回路中的电抗、电容器电容和电网电压。

随着被接通电容器的数量增加，这些已经接通的电容器此时成为附加的能源，因此系统中的电容器充放电电流越来越大，此时往往需要配备电抗器来限制接通电流的峰值。

控制电容器的开关电器其负载能力决定于：

1）被接通的电容器与已经接入电网的电容器之间的容量比；

2）电容器之间连接导线的长度即线路电阻。

使用特殊的切换电容器接触器或电容器—接触器组合装置可以通过前置的预充电电阻将电容器接入电网，这样处理后使得电容器的充电电流得到显著的衰减，并且能达到较高的操作频率，同时对三相电网的反作用为最小。

当电容器被释放后，电容器上存储的能量也必须被释放掉，电容器同样利用放电电阻泄放掉这些电能。

1.5.6 低压小型变压器的通断条件

低压小型变压器在低压电网中使用非常广泛，常常用于控制回路辅助供电、照明系统供电或用于接地系统变换（例如医院手术室中将TN-S系统变换为IT系统）等场所。

在接通低压变压器时会出现短时的电流峰值，其中包括直流分量。在考虑低压电网的保护方案时必须充分认识到变压器负载的这一特点。图1-42所示为低压变压器的励磁涌流。

图1-42中

Is——变压器的励磁涌流；

In——变压器的额定电流。

变压器在首次送电时，其励磁涌流峰值取决于电源的电压等级、变压器的阻抗电压、变压器励磁磁通的大小和极性、变压器负荷阻抗等。

计算变压器的励磁涌流峰值可近似地用变压器的冲击短路峰值来代替，见式（1-70）：

式中 In——变压器额定电流；

SN——变压器额定容量；

Ud——三相电源时取线电压，单相电源时取相电压；

Uk%——变压器阻抗电压。

式（1-70）的上式为三相变压器计算励磁涌流的近似公式，下式为单相变压器计算励磁涌流的近似公式。

例如若三相变压器的阻抗电压Uk%为4%时励磁涌流Is等于变压器额定电流In的25～30倍。对于一般的单相小型变压器，其励磁涌流一律按25倍的额定电流计算。低压小型变压器的额定容量和额定电流对照表见表1-34。

考虑到通用情况，低压变压器的阻抗电压Uk%的一般取值为5%，因此变压器的起动冲击电流等于变压器额定电流的25～30倍，起动冲击电流维持的时间一般不会大于0.2s。

注意：低压变压器的容量越小，则阻抗电压越大，但一般不会超过8%。

若采用低压断路器来保护低压变压器，断路器的保护脱扣只有过载长延时、短路短延时和短路瞬时等三种反时限保护参数。在这里我们用断路器的短路短延时S参数保护来实现断路器对变压器的起动闭锁和短路保护。

在具体的使用中将L参数用于变压器的常态过载保护，而S参数则用于变压器对起动冲击电流实施脱扣屏蔽：将S参数的脱扣电流设置为变压器的冲击电流，将S参数的延时时间设置为0.1～0.2s，这样就能够使得断路器既能够满足变压器顺利起动又能够实现对变压器的短路保护。

显见，为变压器执行通断任务的断路器必须具备S参数短延时保护功能，所用断路器其使用类别必须为B类。见3.5.2节有关断路器使用类别的说明。