浅谈断路器、熔断器和限流式保护器的短路保护原理

应急管理部消防救援局统计，在造成电气火灾事故的原因中，最为主要的当为末端线路短路，在电气火灾事故中占比高达70%以上。如何效预防末端线路短路引发的电气火灾事故？

现阶段最为常见的短路保护产品为断路器和熔断器。220V末端用电回路中，由于安装有断路器和熔断器，如果发生短路故障，将通过断路器电磁脱扣或熔断器熔断的方式进行保护，分断短路电流速度为ms级。而短路电流很大，短路点能量的迅速聚集会产生电弧火花，在易燃易爆或部分重要供电的场合存在安全隐患。

《GB51348-2019民用建筑电气设计标准》以及多个地方标准中提到，需要在重要负荷、危险场所、电动车充电等场合使用限流式保护器。

断路器、熔断器和限流式保护器三者功能对比：

下面对断路器、熔断器和限流式保护器的短路保护原理和动作时间进行分别说明。

断路器

当线路发生一般性过载时，过载电流虽不能使电磁脱扣器动作，但能使热元件产生一定热量，促使双金属片受热向上弯曲，推动杠杆使搭钩与锁扣脱开，将主触头分断，切断电源。

当线路发生短路或严重过载电流时，短路电流超过瞬时脱扣整定电流值，电磁脱扣器产生足够大的吸力，将衔铁吸合并撞击杠杆，使搭钩绕转轴座向上转动与锁扣脱开，锁扣在反力弹簧的作用下将三幅主触头分断，切断电源。

空气开关开的动作曲线如下：

过载跳闸的响应时间在秒级，短路保护的门限值一般是3In或者5In，响应时间在10ms~20ms之间。

熔断器

当电路发生故障或异常时，保险丝就会在电流异常升高到一定的高度和一定的时间之后，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。

常规使用的熔断式保险丝的时间特性曲线如下图：

可以看出保险丝的熔断时间是和瞬时短路电流大小的平方正相关，空气开关的动作时间相对线性，因此熔断器动作时间在某一电流值下是比空气开关反应慢；在某电流值以后，动作时间比空气开关反应快，整体动作时间为ms级。

限流式保护器

下图为一种电气防火限流式保护器的结构示意图。

图1 

电气防火限流式保护器，包括：交流电源10、电流监控模块20、开关模块30以及负载40。其中，交流电源10为市电网络，用于给各电路和负载40供电；负载40为用电设备；电流监控模块20，用于对流经负载40的电流进行监控以防止短路引起事故；开关模块30为MOS管或其它形式的可控开关，用于在所述电流监控模块20监测到流经负载40的电流过大时断开供电电流通路。   电气防火限流式保护器的安全启动过程的步骤流程

电流监控模块主要由霍尔电流传感器电路来实现

CH704 是专为大电流检测应用开发的隔离集成式电流传感芯片。CH704 内置 0.1mΩ 的初级导体电阻，有效降低芯片发热支持大电流检测：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。其内部集成独特的温度补偿电路以实现芯片在 -40 到150­°C全温范围内良好的一致性。出厂前芯片已做好灵敏度和静态（零电流）输出电压的校准，在全温度范围内提供 ±2% 的典型准确性。

产品参数如下：

• 隔离电压：4800VRMS

• AEC-Q100 汽车认证 (CH704A)

• 电源：4.5-5.5V

• 输出电压与电流成正比：+/-50A,+/-100A,+/-150A,+/-200A

• 带宽：120kHz

• 响应时间：2us

• 宽温度范围：-40­°C 至 150­°C

• 使用 EEPROM 进行高分辨率偏移和灵敏度调整

• 导线电阻：0.1 mΩ

• 集成数字温度补偿电路

• 几乎为零的磁滞

• 电源电压的比例输出

• 抗外部磁场

 

220V末端用电回路中，由于安装有断路器和熔断器，如果发生短路故障，将通过断路器电磁脱扣或熔断器熔断的方式进行保护，分断短路电流速度为ms级。

而短路电流很大，短路点短路能量的迅速聚集会产生电弧火花，在易燃易爆或部分重要供电的场合存在安全隐患，应安装限流式保护器。

编辑：黄飞