作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

為了保護電機和設備免受危險電流增加的影響，電路保護至關重要。有兩類危險情況；一種是過電流可能使用電設備過載，另一種是出現(xiàn)短路或線路接地故障，導致電流快速且具有破壞性的增加。

機電斷路器是一種流行、成熟且經過驗證的保護有價值資產的技術。這種類型的設備涵蓋了廣泛的應用，但對于像電動機這樣在啟動時會受到浪涌電流的設備來說不太有用。在這些情況下，更好的選擇是使用熱磁斷路器，因為它們在跳閘前提供輕微的延遲。

盡管如此，在某些情況下，熱磁斷路器也不適用。示例包括溫度劇烈波動的應用或溫度不斷升高的發(fā)電機房等應用。在此類應用中，組合式過載/故障電流保護的解決方案是液壓電磁斷路器。該設備具有熱磁斷路器的優(yōu)點，但沒有受環(huán)境溫度大幅波動影響的缺點。

本文介紹了熱磁斷路器和液壓磁斷路器的功能和特性，以及為什么后者適合溫度變化較大的應用。然后，本文使用[Sensata Technologies]的實際示例（包括設計示例）描述了各種類型的液壓電磁斷路器。

磁斷路器和熱斷路器

磁力斷路器的保護機構包括螺線管和金屬杠桿。高于預定電流閾值時，螺線管的磁場足以吸引斷路器的杠桿并斷開電路。該設備是最簡單且最便宜的電磁斷路器類型，適用于需要直接過載和線路接地故障保護的許多情況。一旦跳閘，斷路器可通過手動翻轉其杠桿來重置。

主要缺點是電磁斷路器會立即跳閘——即使過量電流只持續(xù)很短的時間。例如，如果設備保護大型電動機，這就是一個缺點。此類電機在啟動時容易產生較大的浪涌電流。浪涌電流通常會超過過載電流，但持續(xù)時間很短，因此不會導致電機損壞。然而，這樣的電流確實會使磁斷路器跳閘。

熱斷路器提供了一種替代方案。該設備基于雙金屬片（或“熱元件”）。最常見的熱元件是兩種或三種不同金屬的夾層。低膨脹側通常是因瓦合金，一種具有低熱膨脹系數(shù)的鎳鋼合金。中心元件通常由銅制成（用于低電阻率），或由鎳制成（用于高電阻率），具體取決于應用。高膨脹側使用的金屬差異很大。熱元件的尺寸、配置、物理形狀和電阻率決定了斷路器的電流容量。

對于過載情況，峰值電流僅在長時間施加時才會造成損壞，熱元件提供了良好的保護。相對較高的電流由于其電阻而加熱熱元件并導致觸點打開。熱元件的操作有足夠的延遲，這樣斷路器就不會因電機浪涌電流等瞬態(tài)過載而跳閘。跳閘時間通常與過載電流成反比（圖 1）。

圖 1：熱斷路器的橫截面顯示了熱元件，該熱元件在被過載電流加熱時使設備跳閘。電阻加熱會產生時間延遲，防止因電動機浪涌電流等瞬變而跳閘。 （圖片來源：森薩塔）

熱磁斷路器將熱元件和磁元件組合到一個設備中。過載電流不會在螺線管中產生足夠強的磁場來操作跳閘桿，但會加熱熱元件，使其最終跳閘。另一方面，故障電流立即在螺線管中產生高磁場，超越熱元件并立即斷開電路。

熱磁斷路器的一個缺點出現(xiàn)在設備特別敏感的應用中。在這種情況下，過載電流通常低于 5 安培 (A)，并且不會產生足夠的熱量來激活雙金屬片。這可以通過在帶材上添加加熱線圈來預熱帶材并提高其靈敏度來克服，但缺點是增加了復雜性。

熱斷路器和熱磁斷路器的一個關鍵缺點是它們對環(huán)境溫度變化的敏感性。例如，10 A 斷路器可能在高溫環(huán)境中在低至 7 A 的電流下跳閘，或者在較冷環(huán)境中在高達 13 A 的電流下跳閘。制造商通過制作降額表來協(xié)助指示熱或冷環(huán)境中的實際跳閘電流，但需要做出妥協(xié)。

例如，工程師經常過度指定用于炎熱環(huán)境的熱斷路器，以防止誤跳閘，從而增加了設備暴露在高電流下的可能性。同樣，為了在較冷的環(huán)境中使用，可以降低斷路器的額定值，以確保其在較低的電流下跳閘，這會增加不必要的跳閘的可能性（表 1）。

| | 溫度 | -30℃ | -20℃ | -10℃ | 0℃ | +10°C | +20°C | +30°C | +40°C | +50°C | +60°C | +70°C |

表 1：制造商的降額表，顯示熱斷路器在指定溫度下的實際跳閘電流。請注意，額定電流是在 +30°C 時指定的。溫度較低時跳閘電流高于額定值，溫度較高時跳閘電流低于額定值。 （圖片來源：森薩塔）

在溫度相對一致（無論是熱還是冷）的環(huán)境中，過度指定或降額是一種令人滿意的解決方案，但對于溫度波動較大的區(qū)域來說，則不是最佳解決方案。當溫度下降時，專為溫暖環(huán)境設計的降額斷路器可能無法保護設備。

如何應對大范圍的溫度波動

液壓電磁斷路器消除了熱元件，從而消除了與溫度變化相關的任何問題。這些器件在 -40°C 至 +85°C 的工業(yè)溫度范圍內具有一致的額定值和性能。

顧名思義，這些設備使用來自簡單電磁斷路器的磁性元件，但這里的螺線管芯由管中的彈簧固定，并且運動由液壓（硅）流體阻尼。如果流經裝置的電流保持在或低于額定電流，該機構將不會跳閘。如果過載電流增加到額定電流的 100% 到 125% 之間，線圈中產生的磁通量足以使磁芯移動到彈簧上，從而使設備跳閘。

在過載電流的情況下，會產生相對較弱的磁場，彈簧和阻尼液會充分減慢磁芯的運動，使其不會因電機浪涌電流等瞬態(tài)過載而跳閘。使用不同粘度的流體可以獲得不同的時滯曲線。然而，對于真正的故障電流，螺線管磁場足夠強，足以立即克服阻尼并斷開電路（圖 2）。

圖 2：液壓電磁斷路器的橫截面顯示了磁性元件和內部阻尼鐵芯（左側），當過載或故障電流產生足夠大的磁場時，該鐵芯會使設備跳閘。芯管中的阻尼液會產生時間延遲。跳閘操作很大程度上不受溫度影響。 （圖片來源：森薩塔）

[圖 3 比較了極端溫度對熱斷路器和液壓電磁斷路器（來自 Sensata 的Airpax]系列）的延時曲線的影響 。該圖定義了兩種產品類型的 100% 和 125% 額定電流曲線。

圖3：較大的溫度變化對熱斷路器延遲的影響遠大于對液壓磁性裝置的影響。 （圖片來源：森薩塔）

對于 Airpax 產品，+125°C 的溫度波動對延遲曲線影響很小。例如，在 +85°C 和額定電流 250% 的過載下，跳閘延遲在 0.013 至 0.2 秒 (s) 之間。在 -40°C 時，相同電流的延遲在 0.018 至 1 秒之間。對于更高的電流，這些極端溫度下的延遲曲線之間的差異甚至更小。

對于熱式斷路器來說，溫度的影響要大得多。此外，在高溫下，最小跳閘水平遠低于 100% 額定電流，而在低溫下，最小跳閘水平遠高于 100% 額定電流。這是由于上面討論的溫度對熱元件的影響。在 +85°C 時，對于額定電流 250% 的過載，跳閘延遲在 0.8 至 3.0 秒之間。在 -40°C 時，延遲在 40 至 600 秒之間。對于較高電流，延遲曲線之間的差異不那么極端，但仍然很顯著。

液壓電磁斷路器的設計注意事項

除了能夠承受較大的溫度波動之外，選擇液壓電磁斷路器而不是其他類型的一個關鍵原因是確保設備不會由于電動機、變壓器或大型電容器的浪涌電流而持續(xù)跳閘。這種跳閘會破壞機械操作。

在考慮浪涌電流對斷路器選擇的影響之前，工程師需要計算出斷路器的額定值，以實現(xiàn)標準過載和故障保護。經驗法則是選擇斷路器額定值等于所連接電路所需的連續(xù)負載的 100%。然而，重要的是要考慮設備正常運行期間發(fā)生的任何浪涌的幅度和持續(xù)時間。

工程師還需要指定最大工作電壓（通常為 80、125、240、250 或 277 伏）和工作頻率（通常為直流電 (DC)、50/60 或 400 赫茲 (Hz) 交流電 (AC)） ）。

一個常見的錯誤是通過過度指定斷路器的額定值來建立安全邊際并防止誤跳閘，從而浪費金錢。然而，與保險絲不同的是，斷路器的額定值是可以連續(xù)承載的最大電流，而不是跳閘時的電流。 20 A 斷路器可以輕松承受 25 A 的臨時浪涌。但是，如果浪涌電流通常持續(xù)時間超過 60 秒，則最好指定額定值為 100% 浪涌電流而不是正常連續(xù)電流的斷路器。當前的。

另一個關鍵性能特征是確定斷路器的適當延遲曲線。為此，工程師需要知道浪涌電流有多大以及持續(xù)時間如何。檢查浪涌電流峰值和持續(xù)時間的一種方法是在通過示波器監(jiān)視電路的同時啟動機器。重復測量幾次即可確定平均峰值和浪涌電流。設計者還可以查閱設備制造商的數(shù)據(jù)表。然而，由于線路損耗和其他組件的影響等局部因素，這一結果不太精確。

為電動機應用選擇液壓電磁斷路器

一旦設計人員確定了最大工作電壓、工作頻率、連續(xù)電流、浪涌電流和持續(xù)時間以及浪涌電流和持續(xù)時間，他們就可以選擇合適的液壓電磁斷路器。

森薩塔的 Airpax IEG 系列提供多種配置，包括帶輔助開關、分流器和繼電器的裝置，可選擇延遲和額定值，工作電壓為 80 至 250 伏，直流、50/60 或 400 Hz版本。手柄有七種不同的顏色，國際標記是標準的。

例如，[IEG1-1REC5-69-.100-21-V 的]額定電流為 100 毫安 (mA)。中檔是 20 A [IEG11-1-61-20.0-01-V]（圖 4），高端是 100 A [IELK1-1-72-100.-01]。

圖 4：Sensata 的 IEG11-1-61-20.0-01-V 液壓電磁斷路器的額定電流為 20 A，可用于多種電源輸入，包括 250 伏、50/60 Hz。 （圖片來源：森薩塔）

考慮一個保護大型交流電動機的液壓電磁斷路器的示例。電源電壓為 250 伏交流電，頻率為 50/60 Hz，正常運行時，電機電流為連續(xù) 20 A。當連接到電源電路的其他設備啟動和停止時，會出現(xiàn)臨時電流浪涌，最高可達 25 A。 20 至 45 秒之間。啟動時，浪涌電流在 0.6 秒內達到峰值 100 A（連續(xù)電流的 500%），并在不到 1 秒的時間內降至連續(xù)運行水平。

在此示例中，浪涌電流發(fā)生的時間少于 45 秒，因此設計人員可以安全地僅根據(jù) 20 A 的連續(xù)電流來選擇額定值。Sensata IEG11-1-61-20.0-01-V 具有 20額定值有 250 伏、50/60 Hz 版本，因此對于此應用來說它將是一個不錯的選擇。

森薩塔在數(shù)據(jù)表上提供了該型號的延遲圖表。例如，延遲 42、52 和 62 適用于 50/60 Hz 設備，并且足夠長，可以滿足某些類型電機以及大多數(shù)變壓器和電容器負載的浪涌電流。延遲 43、53 和 63 具有較長的延遲，適用于特殊電機應用。圖 5 顯示了延遲 63，從曲線來看，在 100 A (500%) 的峰值浪涌電流下，設備將在 0.8 至 15 s 之間跳閘。這使其能夠應對示例電機的浪涌電流（該浪涌電流在 0.6 秒內達到峰值并迅速減弱）而不會跳閘。

圖 5：森薩塔的液壓電磁斷路器 Delay 63 具有較長的延遲，適用于特殊電機操作。即使在650%額定電流下，脫扣時間也不小于0.2秒。 （圖片來源：森薩塔）

良好的做法是垂直安裝液壓電磁斷路器；否則，鐵芯會拖入管子并延長跳閘時間。

結論

電磁斷路器是機械電路保護的可靠選擇，但熱斷路器和熱磁設備通常是更好的選擇，因為它們的內置時間延遲可防止重復的誤跳閘。然而，當設備受到較大的溫度變化時，液壓電磁斷路器具有保護遭受浪涌電流的設備所需的時間延遲，同時在很寬的溫度范圍內保持延遲一致。