关于过流保护装置设备

过电流会损坏电路和设备。在此国家电气规范系列的第 1 部分中了解过流和过流保护装置。

美国国家电气规范 （NEC） 第 240 条概括了过电流保护和保护装置，以避免损坏电气系统。造成过电流的因素包括苛刻的环境、过载、一般老化和电气元件的意外损坏。

过电流概述

过电流可能是过载或短路。

•过载是限制在常规电路路径上的过大电流，没有绝缘击穿。

过载可能是暂时的或持续的。

○暂时过载的例子是电机启动电流和变压器浪涌电流。这些电流是无害的日常事件——保护装置不会对它们做出反应。

○持续过载包括电路中的许多负载、过载的设备和磨损的电机轴承。这些电流可能会在操作幅度的 2 到 6 倍之间波动，保护装置会打开电路以防止损坏和火灾。

•短路包括流过异常路径的电流。短路或故障电流远大于工作电流，可能高于 50 kA。短路电流可能会严重损害导体和设备，造成绝缘损坏、导体熔化、气体电离、电弧、火灾和能够扭曲母线的巨大磁场应力。

在几秒钟内消除过载通常足以避免损坏。相比之下，在几千秒内不发生短路（循环次数不多）可能会损坏电气元件。

国家电气法规第 240 条

第 240 条规定了过流保护和过流保护装置的一般要求。表 240.3 列出了涵盖特定电路和设备的过流保护的产品编号。例如，第 210 条保护分支电路，第 430 条保护电机、电动机电路和控制器，第 440 条保护空调和制冷设备，第 450 条保护变压器和变压器库。

过流保护装置

不可缺少的过流装置是熔断器和断路器。它们将任何电线中的电流限制在国家电气规范允许的最大值。NEC 使用术语“载流量”来表示任何特定类型和尺寸的电线的最大安全电流。

•保险丝。 从根本上说，保险丝是一种短金属片，其种类和尺寸在电流超过预设大小（安培额定值）时会熔化，具有潜在的破坏力。

保险丝可靠、稳定、安全，不需要定期维护或测试。它们具有高分断额定值 - 可以承受高短路电流而不会撕裂。

UL 对保险丝进行分类。一些类别是 L、RK1、RK5、T、J、CC、CD、G、K1、K5 和 H。

限流熔断器在不到半个周期内清除短路电流——频率为 60 Hz 时约为 0.00833 秒——避免短路电流累积到其潜在值。用相同阻抗的导体代替保险丝会出现潜在的短路电流。图 1 显示了电流限制的概念。

图 1.保险丝的限流能力。图片由 Lorenzo Mari 提供

曲线下的面积表示在故障条件下传递到电路的能量量。热能和磁力与电流大小的平方成正比。将电流降低十倍将把能量降低到可用水平的 1/100。

•断路器。 四种重要类型的断路器（取决于熄灭电弧的介质）是空气、油、SF6 和真空。我们将专注于低压塑壳断路器。

低压塑壳断路器是一种响应过载和短路的简单机构。灭弧介质是空气。

断路器以两种方式检测电路电流：通过产生热量 - 热断路器 - 或通过产生磁场 - 磁断路器。

热断路器使用与负载串联的加热元件，靠近双金属片。如果电流高于额定值，以机械方式连接到断路器触点的双金属片将弯曲或翘曲以打开触点。在电路打开之前有一个时间延迟，具体取决于过电流大小。这种类型的断路器可防止过载。

电磁断路器将线圈与负载串联连接。由线圈周围的负载电流建立的磁场吸引打开触点的螺线管的金属臂。

当发生过电流时，这些断路器在打开触点时具有短暂的延迟——它们是瞬时断路器，利用来自短路大电流的力来实现开关功能。

热磁式断路器同时采用热式和磁式两种方式，将短路保护、过载保护、操作开关和断开装置合二为一。

限流断路器不使用熔断器。它们以超高速运行以在前半周期达到其最大潜在峰值之前限制短路电流——它们通过以超高速率打开触点来中断电弧。

在不影响过流保护装置正确检测和清除故障的能力的情况下，将短路电流保持在最低限度。

大多数过电流保护装置都标有两个额定电流

标准安培额定值

中断评级

保护装置标准安培额定值

过电流保护装置以安培为单位。每个单元都有一个特定的安培额定值。表 240.6（A） 展示了熔断器和固定跳闸反时限断路器的标准安培额定值 - 固定跳闸意味着您无法更改电流设置，反时限意味着短路电流幅度越大，时间越短清除故障。

标准数字在 15 A 和 6 000 A 之间变化。保险丝有五个额外的标准安培额定值：1、3、6、10 和 601 A - 在第 240.6（A） 节中逐项列出。

第 240.6（A） 节允许使用具有非标准安培额定值的熔断器和反时限断路器。

当长时间拾音设置可调时——你可以改变它——有两个选项

带有可触及的外部调节装置（第 240.6（B） 节）。安培额定值是可能的最大设置。理由是任何人都可以更改设置

使用受限访问调整手段（第 240.6（C） 节）。允许额定安培等于调整后的电流设置。理由是只有合格的人员才能更改设置

保护装置中断额定值

分断额定值表示保护装置承受短路电流的能力。

第 110.9 节规定，在标称电压下，过电流设备的分断额定值必须等于或高于设备线路端子处可用的短路电流。

超过保护装置能力的短路电流可能会轻微损坏零件或产生爆炸，具体取决于电流大小 - 后者可能会造成严重的安全隐患。

第 110.10 节规定，必须选择和协调过电流保护装置、电路阻抗、可用短路电流和其他电路特性，以尽量减少对电路元件的损坏。

第 110.9 节中的要求仅涉及过电流保护装置，而不涉及其保护电路元件的能力。因此，必须选择具有足够短路耐受额定值的元件，并将它们与保护装置协调，以避免超过这些额定值。

组件的短路耐受额定值是它可以抵抗的最大短路电流。超过此额定值可能会损坏该部件。

需要考虑的一些电路特性是

线长。导线越长，可用故障电流 （AFC） 越低

线材尺寸。线径越大，AFC越高

线型。铜线导致的AFC高于铝线

电缆或滚道。电缆中的导体与线槽中的相同导体相比，AFC 是不同的。

跑道类型。黑色金属滚道中的导体比塑料滚道中的相同导体引起的 AFC 更少

保险丝

保险丝必须在 125V 时中断至少 10 kA 的电流，但有一些例外。大多数限流熔断器的分断能力为 200 kA 或 300 kA。

限流熔断器允许为具有高短路水平的系统指定具有低短路耐受额定值的组件。

第 240.60（C） 节要求在 10 kA 以外的保险丝筒上标记保险丝分断额定值。对于用于辅助保护的熔断器（例如用于保护额定值较低的断路器时），该标记不是强制性的。

断路器

大多数分支电路、塑壳断路器的分断额定值为 10 kA。较大的断路器为 14 kA 或更高。限流断路器可处理 200 kA。

对于特定设计，这些额定值随额定电压而变化，随着施加电压的增加而减小——限流断路器的分断额定值可能为 240 V 时 200 kA、480 V 时 150 kA 和 600 V 时 100 kA 。

第 240.83（C） 节要求在 5 kA 以外的断路器上标记断路器分断额定值。对于用于补充保护的断路器，该标记不是强制性的。没有标记分断额定值的断路器的默认值为 5 kA。

保护装置额定电压

除了电流额定值外，过电流保护装置还有电压额定值。此额定值必须等于或高于标称系统电压。误用的过电流装置将无法分断额定短路电流。

断路器

第 240.83（E） 节要求用额定电压标记断路器。第 240.85 节涵盖了断路器中的直线和斜线电压额定值。

•直电压额定值。当任意两个导体之间的标称电压不超过断路器的额定直流电压时，电路可以使用这些设备。例如，相电压和线电压均不超过 240 V 的电路可以使用直通式 240 V 断路器。见图 2。

图 2. 208Y/120V 系统。图片由 Lorenzo Mari 提供

每当线路电压可能只出现在一个极上时，请使用直额定断路器。

•斜线电压额定值。这些断路器显示两个由斜线分隔的电压标记——一些典型标记是 120/240 V、208Y/120 V、480Y/277 V 和 480/277 V。

较低的数字是对地的标称电压，较高的数字是两个未接地导体之间的标称电压。一极将清除线对地过电流，两极或三极将清除线对线过电流。

斜线电压断路器仅适用于牢固接地的 Y 形系统，如图 2 所示——它们不适用于浮动、电阻接地或角接地、三角形连接系统。

例如，480 V、三相、角接地、三角形连接的系统不能使用 480Y/277 V 断路器，因为两相对地电压超过 277 V。

正确的应用是 480 V 或 600 V 额定电压。此外，三相角接地三角形电路只能使用标有 1ɸ-3ɸ 的两极断路器。见图 3。

图 3. 480 V，三相，角接地三角形。图片由 Lorenzo Mari 提供

同样，240 V 三角形连接系统（浮动）不能使用 120/240 V 断路器，因为没有接地。这种情况需要 240 V、480 V 或 600 V 的直流额定电压。见图 4。

图 4. 240 V 三角形系统。图片由 Lorenzo Mari 提供

值得注意的是三相四线三角形系统。一个相的中间被抽头并接地，产生一个中性点，并导致对地的高脚电压是相间电压的 √3 倍。

例如，120/240 V、3 相、4 线三角形系统的高脚电压为 √3 x 120 V = 208 V。120/240 V 斜线额定断路器不适用于高脚，因为对地电压超过 120 V。见图 5。

图 5. 120/240V、3 相、4 线三角形系统。图片由 Lorenzo Mari 提供

该系统可以使用额定电压为 240 V 的断路器，因为线电压和相电压不超过 240 V。

保险丝

保险丝没有斜线额定电压。它们是适用于任何电气系统布置的总电压额定设备。

要点总结

过电流可能是过载或短路。过载是受限于常规电路路径的电流，可能是暂时的或连续的。

短路电流流经异常路径，具有相当大的破坏力。

保险丝和断路器通过清除过载和短路来保护电气系统。

过电流保护装置具有电流和电压额定值。

限流器件在不到 1/2 个周期内清除故障，从而限制了提供给电路的故障能量。

在斜线电压额定设备不合格的地方使用直流额定电压断路器。　　

      审核编辑：彭静