如何保护电路免受高温过载和故障电流的影响
作者：Steven Keeping
投稿人：DigiKey 北美编辑
为了保护电机和设备免受危险电流增加的影响，电路保护至关重要。有两类危险情况；一种是过电流可能使用电设备过载，另一种是出现短路或线路接地故障，导致电流快速且具有破坏性的增加。
机电断路器是一种流行、成熟且经过验证的保护有价值资产的技术。这种类型的设备涵盖了广泛的应用，但对于像电动机这样在启动时会受到浪涌电流的设备来说不太有用。在这些情况下，更好的选择是使用热磁断路器，因为它们在跳闸前提供轻微的延迟。
尽管如此，在某些情况下，热磁断路器也不适用。示例包括温度剧烈波动的应用或温度不断升高的发电机房等应用。在此类应用中，组合式过载/故障电流保护的解决方案是液压电磁断路器。该设备具有热磁断路器的优点，但没有受环境温度大幅波动影响的缺点。
本文介绍了热磁断路器和液压磁断路器的功能和特性，以及为什么后者适合温度变化较大的应用。然后，本文使用[Sensata Technologies]的实际示例（包括设计示例）描述了各种类型的液压电磁断路器。
磁断路器和热断路器
磁力断路器的保护机构包括螺线管和金属杠杆。高于预定电流阈值时，螺线管的磁场足以吸引断路器的杠杆并断开电路。该设备是最简单且最便宜的电磁断路器类型，适用于需要直接过载和线路接地故障保护的许多情况。一旦跳闸，断路器可通过手动翻转其杠杆来重置。
主要缺点是电磁断路器会立即跳闸——即使过量电流只持续很短的时间。例如，如果设备保护大型电动机，这就是一个缺点。此类电机在启动时容易产生较大的浪涌电流。浪涌电流通常会超过过载电流，但持续时间很短，因此不会导致电机损坏。然而，这样的电流确实会使磁断路器跳闸。
热断路器提供了一种替代方案。该设备基于双金属片（或“热元件”）。最常见的热元件是两种或三种不同金属的夹层。低膨胀侧通常是因瓦合金，一种具有低热膨胀系数的镍钢合金。中心元件通常由铜制成（用于低电阻率），或由镍制成（用于高电阻率），具体取决于应用。高膨胀侧使用的金属差异很大。热元件的尺寸、配置、物理形状和电阻率决定了断路器的电流容量。
对于过载情况，峰值电流仅在长时间施加时才会造成损坏，热元件提供了良好的保护。相对较高的电流由于其电阻而加热热元件并导致触点打开。热元件的操作有足够的延迟，这样断路器就不会因电机浪涌电流等瞬态过载而跳闸。跳闸时间通常与过载电流成反比（图 1）。
图 1：热断路器的横截面显示了热元件，该热元件在被过载电流加热时使设备跳闸。电阻加热会产生时间延迟，防止因电动机浪涌电流等瞬变而跳闸。 （图片来源：森萨塔）
热磁断路器将热元件和磁元件组合到一个设备中。过载电流不会在螺线管中产生足够强的磁场来操作跳闸杆，但会加热热元件，使其最终跳闸。另一方面，故障电流立即在螺线管中产生高磁场，超越热元件并立即断开电路。
热磁断路器的一个缺点出现在设备特别敏感的应用中。在这种情况下，过载电流通常低于 5 安培 (A)，并且不会产生足够的热量来激活双金属片。这可以通过在带材上添加加热线圈来预热带材并提高其灵敏度来克服，但缺点是增加了复杂性。
热断路器和热磁断路器的一个关键缺点是它们对环境温度变化的敏感性。例如，10 A 断路器可能在高温环境中在低至 7 A 的电流下跳闸，或者在较冷环境中在高达 13 A 的电流下跳闸。制造商通过制作降额表来协助指示热或冷环境中的实际跳闸电流，但需要做出妥协。
例如，工程师经常过度指定用于炎热环境的热断路器，以防止误跳闸，从而增加了设备暴露在高电流下的可能性。同样，为了在较冷的环境中使用，可以降低断路器的额定值，以确保其在较低的电流下跳闸，这会增加不必要的跳闸的可能性（表 1）。
| | 温度 | -30℃ | -20℃ | -10℃ | 0℃ | +10°C | +20°C | +30°C | +40°C | +50°C | +60°C | +70°C |
| 在 | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 6A | 7.2 | 7.09 | 6.91 | 6.73 | 6.54 | 6.31 | 6 | 5.66 | 5.33 | 4.94 | 4.5 |
| 10A | 12 | 11.8 | 11.5 | 11.2 | 10.9 | 10.5 | 10 | 9.44 | 8.89 | 8.23 | 7.5 |
| 13A | 15.6 | 15.4 | 14.9 | 14.5 | 14.1 | 13.6 | 13 | 12.2 | 11.5 | 10.7 | 9.75 |
| 16A | 19.2 | 18.9 | 18.4 | 17.9 | 17.4 | 16.8 | 16 | 15.1 | 14.2 | 13.2 | 12 |
| 20A | 24 | 23.6 | 23 | 22.4 | 21.8 | 21 | 20 | 18.8 | 17.7 | 16.5 | 15 |
| 25A | 30 | 29.5 | 28.8 | 28 | 27.2 | 26.3 | 25 | 23.6 | 22.2 | 20.6 | 18.8 |
| 32A | 38.4 | 37.8 | 36.9 | 35.9 | 34.9 | 33.6 | 32 | 30.2 | 28.4 | 26.3 | 24 |
表 1：制造商的降额表，显示热断路器在指定温度下的实际跳闸电流。请注意，额定电流是在 +30°C 时指定的。温度较低时跳闸电流高于额定值，温度较高时跳闸电流低于额定值。 （图片来源：森萨塔）
在温度相对一致（无论是热还是冷）的环境中，过度指定或降额是一种令人满意的解决方案，但对于温度波动较大的区域来说，则不是最佳解决方案。当温度下降时，专为温暖环境设计的降额断路器可能无法保护设备。
如何应对大范围的温度波动
液压电磁断路器消除了热元件，从而消除了与温度变化相关的任何问题。这些器件在 -40°C 至 +85°C 的工业温度范围内具有一致的额定值和性能。
顾名思义，这些设备使用来自简单电磁断路器的磁性元件，但这里的螺线管芯由管中的弹簧固定，并且运动由液压（硅）流体阻尼。如果流经装置的电流保持在或低于额定电流，该机构将不会跳闸。如果过载电流增加到额定电流的 100% 到 125% 之间，线圈中产生的磁通量足以使磁芯移动到弹簧上，从而使设备跳闸。
在过载电流的情况下，会产生相对较弱的磁场，弹簧和阻尼液会充分减慢磁芯的运动，使其不会因电机浪涌电流等瞬态过载而跳闸。使用不同粘度的流体可以获得不同的时滞曲线。然而，对于真正的故障电流，螺线管磁场足够强，足以立即克服阻尼并断开电路（图 2）。
图 2：液压电磁断路器的横截面显示了磁性元件和内部阻尼铁芯（左侧），当过载或故障电流产生足够大的磁场时，该铁芯会使设备跳闸。芯管中的阻尼液会产生时间延迟。跳闸操作很大程度上不受温度影响。 （图片来源：森萨塔）
[图 3 比较了极端温度对热断路器和液压电磁断路器（来自 Sensata 的Airpax]系列）的延时曲线的影响 。该图定义了两种产品类型的 100% 和 125% 额定电流曲线。
图3：较大的温度变化对热断路器延迟的影响远大于对液压磁性装置的影响。 （图片来源：森萨塔）
对于 Airpax 产品，+125°C 的温度波动对延迟曲线影响很小。例如，在 +85°C 和额定电流 250% 的过载下，跳闸延迟在 0.013 至 0.2 秒 (s) 之间。在 -40°C 时，相同电流的延迟在 0.018 至 1 秒之间。对于更高的电流，这些极端温度下的延迟曲线之间的差异甚至更小。
对于热式断路器来说，温度的影响要大得多。此外，在高温下，最小跳闸水平远低于 100% 额定电流，而在低温下，最小跳闸水平远高于 100% 额定电流。这是由于上面讨论的温度对热元件的影响。在 +85°C 时，对于额定电流 250% 的过载，跳闸延迟在 0.8 至 3.0 秒之间。在 -40°C 时，延迟在 40 至 600 秒之间。对于较高电流，延迟曲线之间的差异不那么极端，但仍然很显着。
液压电磁断路器的设计注意事项
除了能够承受较大的温度波动之外，选择液压电磁断路器而不是其他类型的一个关键原因是确保设备不会由于电动机、变压器或大型电容器的浪涌电流而持续跳闸。这种跳闸会破坏机械操作。
在考虑浪涌电流对断路器选择的影响之前，工程师需要计算出断路器的额定值，以实现标准过载和故障保护。经验法则是选择断路器额定值等于所连接电路所需的连续负载的 100%。然而，重要的是要考虑设备正常运行期间发生的任何浪涌的幅度和持续时间。
工程师还需要指定最大工作电压（通常为 80、125、240、250 或 277 伏）和工作频率（通常为直流电 (DC)、50/60 或 400 赫兹 (Hz) 交流电 (AC)） ）。
一个常见的错误是通过过度指定断路器的额定值来建立安全边际并防止误跳闸，从而浪费金钱。然而，与保险丝不同的是，断路器的额定值是可以连续承载的最大电流，而不是跳闸时的电流。 20 A 断路器可以轻松承受 25 A 的临时浪涌。但是，如果浪涌电流通常持续时间超过 60 秒，则最好指定额定值为 100% 浪涌电流而不是正常连续电流的断路器。当前的。
另一个关键性能特征是确定断路器的适当延迟曲线。为此，工程师需要知道浪涌电流有多大以及持续时间如何。检查浪涌电流峰值和持续时间的一种方法是在通过示波器监视电路的同时启动机器。重复测量几次即可确定平均峰值和浪涌电流。设计者还可以查阅设备制造商的数据表。然而，由于线路损耗和其他组件的影响等局部因素，这一结果不太精确。
为电动机应用选择液压电磁断路器
一旦设计人员确定了最大工作电压、工作频率、连续电流、浪涌电流和持续时间以及浪涌电流和持续时间，他们就可以选择合适的液压电磁断路器。
森萨塔的 Airpax IEG 系列提供多种配置，包括带辅助开关、分流器和继电器的装置，可选择延迟和额定值，工作电压为 80 至 250 伏，直流、50/60 或 400 Hz版本。手柄有七种不同的颜色，国际标记是标准的。
例如，[IEG1-1REC5-69-.100-21-V 的]额定电流为 100 毫安 (mA)。中档是 20 A [IEG11-1-61-20.0-01-V]（图 4），高端是 100 A [IELK1-1-72-100.-01]。
图 4：Sensata 的 IEG11-1-61-20.0-01-V 液压电磁断路器的额定电流为 20 A，可用于多种电源输入，包括 250 伏、50/60 Hz。 （图片来源：森萨塔）
考虑一个保护大型交流电动机的液压电磁断路器的示例。电源电压为 250 伏交流电，频率为 50/60 Hz，正常运行时，电机电流为连续 20 A。当连接到电源电路的其他设备启动和停止时，会出现临时电流浪涌，最高可达 25 A。 20 至 45 秒之间。启动时，浪涌电流在 0.6 秒内达到峰值 100 A（连续电流的 500%），并在不到 1 秒的时间内降至连续运行水平。
在此示例中，浪涌电流发生的时间少于 45 秒，因此设计人员可以安全地仅根据 20 A 的连续电流来选择额定值。Sensata IEG11-1-61-20.0-01-V 具有 20额定值有 250 伏、50/60 Hz 版本，因此对于此应用来说它将是一个不错的选择。
森萨塔在数据表上提供了该型号的延迟图表。例如，延迟 42、52 和 62 适用于 50/60 Hz 设备，并且足够长，可以满足某些类型电机以及大多数变压器和电容器负载的浪涌电流。延迟 43、53 和 63 具有较长的延迟，适用于特殊电机应用。图 5 显示了延迟 63，从曲线来看，在 100 A (500%) 的峰值浪涌电流下，设备将在 0.8 至 15 s 之间跳闸。这使其能够应对示例电机的浪涌电流（该浪涌电流在 0.6 秒内达到峰值并迅速减弱）而不会跳闸。
图 5：森萨塔的液压电磁断路器 Delay 63 具有较长的延迟，适用于特殊电机操作。即使在650%额定电流下，脱扣时间也不小于0.2秒。 （图片来源：森萨塔）
良好的做法是垂直安装液压电磁断路器；否则，铁芯会拖入管子并延长跳闸时间。
结论
电磁断路器是机械电路保护的可靠选择，但热断路器和热磁设备通常是更好的选择，因为它们的内置时间延迟可防止重复的误跳闸。然而，当设备受到较大的温度变化时，液压电磁断路器具有保护遭受浪涌电流的设备所需的时间延迟，同时在很宽的温度范围内保持延迟一致。
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