从温升的角度谈断路器在低压柜内的降容

某网友的提问：微断、塑壳、框架断路器额定电流最大值都等于壳架等级电流，那么在工程设计中是否够使用250/250A的断路器？他理解是可以使用，但是单位里的老工程师却建议，选用断路器如果要选用250A这一档，最好使用400/250A，而不是250/250A，这是为什么呢？
下面我们从"温升"的角度讨论断路器在低压柜内的降容问题，解答该网友的疑惑，为设计院工程师在低压元器件选型时提供参考。问题里面提到的250/250A和400/250A,斜杠"/"前面的250和400是指断路器的额定电流I_n，例如NSX250和NSX400；斜杠"/"后面250A是指脱扣器的额定电流I_n^'，完整型号描述如NSX250N-Micrologic2.3- 250A和NSX400N-Micrologic2.3- 250A。
一、断路器的壳架等级电流I_rq
在GB14048.2低压断路器标准和施耐德电气装置应用（设计）指南2017版，以及《工业与民用配电设计手册 》第三版都有提到，断路器的壳架等级电流I_rq指该断路器所能装的最大过电流脱扣器的额定电流。例如对于热磁式的NSX250塑壳断路器，它可以安装63A、80A、100A、125A、160A、200A、250A总共7种脱扣器，最大过电流脱扣器的额定电流为250A，所以Compact NSX250断路器的壳架等级电流就是250A。

对于热磁式脱扣器，其长延时整定范围为0.7-1.0倍额定电流，对于电子式脱扣器，整定范围为0.4-1.0倍额定电流。断路器壳架等级电流I_rq与脱扣器额定电流I_n^'、长延时保护整定电流I_r之间的关系如下图所示。

二、断路器在自由空气中的额定电流I_n
对于低压断路器而言，其本体的额定电流I_n=额定不间断电流I_u=自由空气发热电流I_th，自由空气发热电流I_th是指不封闭电器在自由空气中进行温升试验时的最大试验电流。"不封闭电器"是指无外壳防护，"自由空气"理解为在正常的室内条件下无通风和外部辐射的空气，从发热和散热的角度讲就是热源只有断路器本身（无外部辐射加热）、无自然对流散热（无通风）。例如NSX250断路器在40℃下的额定电流值为250A，这表明该断路器在敞开式的环境下，能长时间承载的250A电流且接线端子(镀银)的温升值不会超过70K,即端子允许的极限温度为110℃。

但是，由于断路器经常会安装在低压开关柜内使用，于是相对于自由空气发热电流I_th，断路器还要一个约定封闭发热电流I_the，用此电流对安装在规定外壳内的断路器进行温升试验。
自由空气发热电流I_th与约定封闭发热电流I_the的区别就在于，前者只考虑单独的断路器在敞开环境下的温升情况，不受外部空间限制且自由通风散热，后者考虑断路器在规定外壳或低压柜内的温升情况，与实际应用中断路器的运行方式相同。

三、断路器在自由空气中的温升∆θ
GB 14048.2低压断路器标准和GB 7251.12低压成套产品CCC认证，规定断路器端子（镀银）的温升极限是70K。温升∆θ是指载流导体或元器件表面温度与环境温度之差，单位为K。环境温度范围为-5℃~+40℃，且24h内平均温度值不超过35℃。当元器件的发热与散热到达平衡的情况下（8h），温度不再上升，此时温升也就稳定下来。试验时其环境温度应在10℃-40℃之间，其变化不应超过10K。

断路器温升试验时对于连接电缆的截面和长度也是有要求的，对于NSX250需要选用长度为2米截面积为120〖mm〗^2的单芯聚氯乙烯绝缘铜导线。

查询《工业与民用配电设计手册》第四版第九章表9-28（b），截面积为120mm^2的聚氯乙烯绝缘铜芯电线在明敷时的载流量是345A（40℃），远大于NSX250的额定电流250A（40℃），温升试验这样选型的目的是只考虑断路器自身发热对温升的"贡献"，大截面电缆可以通过热传导方式帮助断路器散热，截面越大散热效率越高。在实际工程中，设计工程师或现场电工在明敷的情况下一般不会选择截面积为120mm^2的电缆与额定电流为250A的断路器相连接，而会根据《工业与民用配电手册》第四版 11.2节关系式11.2-1和式11.2-2选择截面积为95〖mm〗^2电缆，其载流量为297A（40℃），大于NSX250的额定电流250A，满足过负荷保护要求，但从温升的角度考虑，电缆截面越小其热传导散热效率越差，这就是试验室条件与实际应用的差别。
过负荷保护电器的动作特性应满足以下两个条件：
I_c≤I_N≤I_z--------（11.2-1）
I_2≤1.45I_z--------（11.2-2）
式中： I_c为回路计算电流 A；
I_z为导体允许载流量A；
I_N为熔断体额定电流或断路器额定电流或整定电流 A；
I_2为保证保护电器可靠动作电流，A，当保护电器为断路器时，I_2为约定时间内的约定动作电流，当保护电器为熔断器时，I_2为为熔断体约定时间内的约定熔断电流，I_2由产品标准规定或由制造厂给出。

四、断路器安装在低压柜内的情况
当NSX250安装在低压柜内时，由于NSX250作为发热源在同样的电流情况下其发热功耗不变，但是柜内散热条件和效率不如自由空气中，所连接电缆的长度远远低于单个断路器温升试验时的长度，还会受到相邻断路器发热的影响，如果还是需要保证导体允许温度极限不变就需要通过降容来保证（降低电流→减少发热功耗）。如下图所示，NSX250塑壳断路器安装在施耐德iPM低压柜内，在电缆截面120〖mm〗^2和导体允许温度极限不变的情况下，柜体防护等级IP≤31时允许承载的电流为231A（40℃）；柜体防护等级IP＞31时，由于散热条件更差，需要降容到220A（40℃），低于自由空气中NSX250的载流量250A(40℃)。

假如线路的计算电流I_c为245A，接近于NSX250的额定电流I_n, 断路器安装在防护等级为IP4X的低压柜内，柜体无强制通风。
从温升的角度考虑，线路电流为245A，iPM低压柜内的NSX250断路器在外部环境为40℃的情况下只能允许承载231A电流，此时线路电流大于断路器允许承载的电流，很显然会造成断路器温度超标、降低电缆的使用寿命，引发绝缘故障或短路故障，所以在这种情况下需要选择NSX400的断路器，其在40℃环境温度下柜内允许承载的电流为370A,大于245A的线路电流，不会造成断路器和电缆温度超标。

从线路过载保护的角度考虑，依据《工业与民用配电设计手册》第四版第11.3.7节 反时限过电流脱扣器整定电流要求：
I_set1≥I_c （11.3-2）
I_set1≤I_z （11.3-3）
式中I_set1为反时限脱扣器整定电流值，I_c为回路计算电流 A，I_z为导体允许载流量A；
选择电子式脱扣器塑壳断路器NSX400-Micrologic2.3- 250A，脱扣器额定电流为250A，长延时保护阈值I_o选择250A一档，长延时保护阈值微调I_r选择1.0档即可，如下图所示。

但是当外部环境温度为25℃甚至更低（例如恒温的变电站内），线路计算电流仍然为245A，低压柜防护等级为IP4X，此时选择的NSX250-Micrologic2.3- 250A，无论从温升角度还是保护角度考虑都是合适的。
对于框架断路器ACB在低压柜内的降容情况，MT断路器样本给出了如下图所示的推荐表，例如MT25的框架断路器，安装在H2300*W800*D900低压柜内，柜体IP等级为31，自然风冷，环境温度为35℃，连接母排为4根100x5，断路器端子为水平端子时允许承载的电流为2375A，垂直端子时允许承载的电流为2500A,需要说明的是这些表格的数据是从试验和理论计算得出，表格只是作为指导并不能替代工业实际经验或温升试验。低压成套设备制造商应通过温升试验的方式提供某型号断路器在低压柜内的允许承载电流值。当线路计算电流I_c与断路器额定电流I_n相近，又无法从成套制造商那里获得断路器在低压柜内允许承载电流值时，通过上面分析可知，设计院工程师在断路器选型时可以选择大一级额定电流,以保证温升要求。

五、总结
1、低压断路器样本中的额定电流I_n是指其在40℃环境温度下、"自由空气中"温升不超过70K（镀银端子）时的允许承载电流；
2、由于低压断路器一般安装在低压柜内运行，散热条件不如"自由空气中"，此时需要综合考虑柜体IP防护等级、柜体尺寸大小、环境温度、是否强制风冷、导体截面、海拔等因素对断路器允许承载电流的影响，尤其当线路计算电流I_c与断路器额定电流I_n接近，又无法从成套制造商那里获得该断路器在低压柜内的允许承载电流时，通过上面分析可知，设计院工程师在断路器选型时，考虑选择额定电流大一级的断路器，以满足温升要求。

来源：知乎 www.zhihu.com
作者：宾昭平

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