一、限流型塑殼斷路器觸頭結(jié)構(gòu)
低壓限流型塑殼斷路器的工作原理是依靠短路電流產(chǎn)生的電動力，使觸頭系統(tǒng)在操作機構(gòu)動作前就提前斥開而產(chǎn)生電弧，利用電弧電壓來限制短路電流。
ABB公司曾經(jīng)對五種觸頭的限流能力進行對比，其中A方案為傳統(tǒng)的非限流型觸頭結(jié)構(gòu)，例如框架斷路器的拍合式觸頭結(jié)構(gòu)；B方案的靜觸頭做成U型導電回路，增強了磁場作用在動觸頭上的電動斥力，這種結(jié)構(gòu)只有動觸頭斥開，動觸頭是靜止的；C方案和B類似，區(qū)別點在于C的動、靜觸頭都可以在電動斥力的作用下斥開，屬于雙面斥開結(jié)構(gòu)；D方案在C的基礎(chǔ)上增加了U型電動機槽來增強斥開磁場，用一個U型磁鐵套在靜觸頭導電板上增強觸頭區(qū)導電回路的自勵磁場，增強作用在觸頭臂上的電動斥力；方案E為雙斷點結(jié)構(gòu)，兩個觸頭串聯(lián)起來，在電動力的作用下同時斥開，利用兩個電弧串聯(lián)來獲得更高的電弧電壓。
雙斷點的優(yōu)勢還可以使得每一個滅弧室中所承受的電弧能量和恢復電壓降低，因此雙斷點斷路器具有極佳的限流能力，并且適用于額定電壓較高的場合。
二、限流型塑殼斷路器的開斷過程
塑殼斷路器一般采用滅弧柵滅弧，采用這種滅弧結(jié)構(gòu)的塑殼斷路器，其開斷過程一般包含四個過程，如下圖：
1、從短路電路出現(xiàn)的瞬間t=0到觸頭開始動時刻t0，這段時間為限流機構(gòu)的動作時間。對于塑殼斷路器來說，是指動觸頭的電動斥力隨著短路電流增長，到電動斥力等于觸頭壓力，而使觸頭開始斥開所需要的時間。這段時間內(nèi)觸頭尚未分開，因而觸頭兩端電弧電壓Uarc=0。
2、t0到t1段時間，動觸頭在t0時刻開始打開，觸頭上出現(xiàn)電弧，由于電弧停滯現(xiàn)象，電弧在觸頭上保持不動，這段時間成為電弧停滯時間ti=t0-t1，它決定于觸頭材料、吹弧磁場與觸頭的打開速度等因素，這一階段電弧電壓變化不大。
3、到t1瞬間，電弧拉長到一定長度，這時電弧在自勵磁場產(chǎn)生的電動力作用下，離開觸頭并通過弧角進入滅弧柵片，這一階段電弧電壓增長很快，其增長速度β決定了電弧運動速度和進入滅弧柵的時間t2，t2-t1這段時間為電弧運動時間。
4、當電弧進入滅弧柵片后，電弧電壓達到其最大峰值Uarc，此時電弧電壓已經(jīng)大于電源電壓瞬時值，電流被強制限制減少，到t3瞬間電流降為零，電弧熄滅。
從塑殼斷路器開斷過程可以看出，決定電弧電壓的參數(shù)有4個，它們是：限流機構(gòu)的動作時間t0，電弧停滯時間ti，電弧電壓上升率β和電弧電壓幅值Uarc。
若能減少限流結(jié)構(gòu)的動作時間和電弧停滯時間，增大電弧電壓的上升率和電弧電壓的幅值，則能增強低壓斷路器的限流作用，那么NSX塑殼斷路器是如何實現(xiàn)限流的呢？
三、NSX塑殼斷路器的限流原理
NSX塑殼斷路器觸頭結(jié)構(gòu)如下圖所示，我們在第一節(jié)分析到的雙旋轉(zhuǎn)觸頭和U型靜觸頭結(jié)構(gòu)，NSX塑殼斷路器都具備。
當故障電流產(chǎn)生的電動力超過觸頭彈簧壓力時，動、靜觸頭開始斥開并產(chǎn)生電弧電壓，限制短路電流的上升。
短路電流越大，動、靜觸頭之間的電動斥力就越大，雙旋轉(zhuǎn)觸頭動作的速度就會越快，我們在第二節(jié)中分析到的“限流機構(gòu)的動作時間”就會越短，限流效果就會越明顯。
為了使觸頭快速動作，除了利用電流的電動斥力讓觸頭快速打開，NSX斷路器靜觸頭側(cè)還設置有產(chǎn)氣材料，一般為聚甲醛POM材料、尼龍Nylon和大家耳熟能詳?shù)娜矍璋返炔牧稀?/span>
當觸頭斥開產(chǎn)生的電弧使得產(chǎn)氣材料氣化，密閉分斷單元內(nèi)氣壓迅速升高，壓力氣體使得NSX斷路器氣動脫扣機構(gòu)直接動作，這就是能量脫扣的原理。
能量脫扣(氣動脫扣)是獨立于其他脫扣器的脫扣過程，與電子脫扣器或磁脫扣單元無關(guān)，即使沒有電子脫扣器或磁脫扣線圈，只要故障電流超過能量脫扣電流值(NSX宣稱25倍額定電流)，NSX斷路器同樣動作。
電力儀表再用另外一張圖來說明能量脫扣與瞬時脫扣或磁脫扣的關(guān)系。以NSX250為例，瞬時保護整定值為10In，圖中X軸為預期短路電流，Y軸為允通能量曲線。
A點：故障電流達到了瞬時保護整定值10In，此時斷路器按瞬時保護脫扣時間動作，不脫扣時間為10ms，最大脫扣時間為50ms，即動作時間在10~50ms之間。
B點：當故障電流大于瞬時保護整定值10In，從16In開始動作時間快速降到20ms左右；
C點：當故障電流達到了觸頭斥開電流值，觸頭斥開產(chǎn)生的電弧電壓對故障電流有限流作用。隨著故障電流的進一步增大，斷路器動作時間也從20ms降至10ms左右；
D點：當故障電流達到了觸頭斥開電流值的1.7倍左右，電流產(chǎn)生的電動力足以讓動、靜觸頭直接動作，開斷時間10ms左右(能量脫扣)。
如前所述，能量脫扣獨立于其他脫扣器，在這種情況下，電子脫扣器的瞬時保護動作或磁脫扣線圈的作用，主要是確保斷路器在過電流情況下的脫扣狀態(tài)。
E點：當故障電流達到了2倍觸頭斥開電流，斷路器限流作用更加明顯，動作時間會更短；
F點：曲線的終點代表斷路器的最大分斷能力。
四、NSX塑殼斷路器限流原理總結(jié)
經(jīng)過前面的分析，我們對NSX塑殼斷路器的限流原理總結(jié)如下：
1、限流斷路器是利用觸頭間的“電弧電壓”限流，通過減少限流機構(gòu)的動作時間和電弧停滯時間、增大電弧電壓上升率和電弧電壓幅值等措施來提高限流能力；
2、NSX塑殼斷路器具有雙旋轉(zhuǎn)觸頭和U型靜觸頭結(jié)構(gòu)，在短路電流產(chǎn)生的電動力下快速斥開形成電弧，一方面電弧電壓對短路電流有限制作用，另一方面電弧能量引燃產(chǎn)氣材料，產(chǎn)生的氣體壓力讓能量脫扣器直接推動脫扣機構(gòu)動作，進一步降低限流機構(gòu)的動作時間，提高了限流能力；
3、NSX斷路器的能量脫扣器(氣動脫扣)與電子脫扣器或磁脫扣是相互獨立的。在瞬時保護整定值下的動作時間按樣本宣稱，一般為10~50ms，當故障電流超過25倍額定電流時，能量脫扣器直接動作，脫扣時間5ms左右。
天下武功，唯快不破！限流斷路器限流能力的強弱與觸頭斥開的快慢有關(guān)，與電弧進入滅弧柵的速度有關(guān)。無論是雙旋轉(zhuǎn)觸頭、U型靜觸頭結(jié)構(gòu)、能量脫扣(氣動脫扣)、滅弧柵片等等設計，最終目的都是盡一切可能快速產(chǎn)生電弧電壓來限制短路電流。
五、GV2電動機保護斷路器限流原理
前面我們花了很大篇幅在分析NSX塑殼斷路器的限流原理，相對于NSX塑殼斷路器，GV2電動機保護斷路器的限流原理既簡單又粗暴，簡單到只要學過歐姆定律都可以理解其工作原理。
先看GV2電動機保護斷路器的短路分斷能力，GV2ME01~14的短路分斷能力＞100kA(400/415V),而且Ics=Icu，但是GV2ME16~32的短路分斷能力就只有15/10kA左右，并且Ics=50%Icu。
按理說GV2斷路器從01到32只有一個殼架，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)大部分一致，什么原因?qū)е峦瑯託ぜ艿臄嗦菲鳎搪贩謹嗄芰Σ町惾绱酥竽兀?br />
在計算設備安裝處預期三相短路電流時，通常會用到歐姆定律-電壓除以阻抗，線路側(cè)阻抗越大則短路電流會越小。
預期短路電流計算時一般不會考慮低壓元器件本身的回路阻抗，因為一般情況下框架斷路器、塑殼斷路器、微斷、隔離開關(guān)、接觸器等產(chǎn)品的觸頭接觸電阻以毫歐計，對預期短路電流影響不大。
但是，如果元器件本身阻抗就很大呢？是不是對預期短路電流有一定限制作用？這個想法是對的，并且有的斷路器就是通過這種簡單粗暴的方式實現(xiàn)限流。
由于GV2斷路器回路電阻無公開資料，昌暉儀表以另一品牌電動機保護斷路器公開的回路電阻值為例來說明，其阻值如下表：
你會發(fā)現(xiàn)，越是小電流檔的斷路器，其回路阻抗越大。相對于NX塑殼斷路器通過雙旋轉(zhuǎn)觸頭和能量脫扣器快速分斷來獲得電弧電壓的方式限流，GV2等類似斷路器的限流就是通過串接“電阻”來實現(xiàn)。
增大斷路器回路電阻的方式固然可以降低短路電流，實現(xiàn)限流的效果，但是我們不要忘了，電流通過電阻會產(chǎn)生額外的功耗，會導致斷路器溫度過高。一方面要合理利用電阻的限流作用，另一方面要考慮斷路器溫升在產(chǎn)品標準允許范圍內(nèi)。
越是小電流檔的斷路器，通過增大回路電阻實現(xiàn)限流的效果明顯。越是大電流檔的斷路器，由于溫升的限制，無法再通過增大回路電阻來獲得高分斷和出色的限流能力，但可以通過增加限流模塊來實現(xiàn)。
例如，GV2斷路器與限流模塊GV1L3配合之后，其短路分斷能力可以提到到≥100kA(400/415V)。
對比NSX100S與GV2ME01~14斷路器的限流曲線和允通能量曲線，在不加裝限流模塊GV1L3的情況下，兩種斷路器的短路分斷能力都為100kA，限流后的峰值電流和允通能量見下圖。
通過對比可以看出，當電動機功率較小時，GV2斷路器可以體現(xiàn)其體積小、占比空間小、限流能力強的優(yōu)勢。特別是在與接觸器實現(xiàn)短路協(xié)調(diào)配合方面，正是由于其限流能力強，配置的接觸器才會比NSX斷路器小。
六、總結(jié)
NSX塑殼斷路器的是通過雙旋轉(zhuǎn)觸頭和能量脫扣器等措施，使限流動作機構(gòu)快速動作后產(chǎn)生的“電弧電壓”來限制短路電流。
GV2電動機保護斷路器小電流檔是通過幾個歐姆到幾十歐姆的回路電阻，來實現(xiàn)高分斷和限流作用。大電流檔斷路器受制于溫升，其分斷能力和限流效果明顯降低，只能通過外加限流模塊實現(xiàn)。
由于GV2斷路器的限流方式更加直接，通過對比限流后的峰值電流曲線和允通能量曲線，小電流檔GV2的限流效果確實會比NSX好，更高電流檔需要增加限流模塊來提高短路分斷和限流能力。
作者：賓昭平
