低压断路器短路参数Icm、Icu、Icw、Ics含义及设计应用

Icm、Icu、Icw、Ics

断路器参数

代表什么意思

这四个断路器参数与断路器承受和抵御短路电流冲击有关。

一个比方：警察和强盗单打独斗，如果警察的搏斗技能优于强盗，警察胜算的可能性就很大。类似地，当短路电流出现时，如果断路器的参数能覆盖短路电流，断路器当然就能承受短路电流的冲击，并完成开断短路电流的任务。

以下我们来探讨一番。

01

四个断路器参数的意义

Icm——断路器的短路接通能力，它代表着断路器能够承受冲击短路电流峰值对动、静触头产生的电动斥力及电弧烧蚀的能力。此参数又叫断路器的动稳定性。

Icw——断路器的短时耐受电流，它代表着断路器能够在一定时间内承受短路电流热冲击的能力。此参数又叫做断路器的热稳定性。

动稳定性与热稳定性之比就是短路电流的峰值系数n。

Icu——断路器的极限短路分断能力，它代表着断路器可以开断的最大短路电流值，并且开断完成后断路器将损毁，必须更换。

Ics——断路器的运行短路分断能力，它代表着断路器可以重复开断的短路电流值，并且开断完成后断路器可以继续使用。一般地，Ics用Icu的百分占比来定义，如Ics等于100%Icu，或者75%和50%占比等等。

在这四个参数中，Icm是电流瞬时值，其它三个参数均为电流有效值。

类似问题记得去看相关的国家标准，立刻就知道了问题答案。

02

国标GB/T 14048.2-2020中对此参数的定义

国家标准GB/T 14048.2-2020《低压开关设备和控制设备 第2部分：断路器》的其封面如下：

图1：国家标准GB/T 14048.2-2020的封面

我们先看lcm:

图2：lcm的定义

再看Icu和Ics：

图3：Icu和Ics的定义

还有Icw：

图4：Icw的定义

一般地，我们都用1s的时间长度来定义和描述断路器的短时耐受电流。

至此，我们在国家标准层面上把四个断路器参数给弄清楚了。

值得注意的是，在实际使用时，常常有Icw≤Ics≤Icu，故国家标准中对断路器的短路接通能力Icm与极限短路分断能力Icu之比做了规定，如下：

图5：短路接通能力与分断能力之比n的定义值

这里的峰值系数n其实就是冲击短路电流峰值ipk与稳态短路电流Ik之比。为何如此？

03

知识扩展—从短路电流来认识断路器的短路参数

我们先了解短路电流的波形特征，再来解析断路器四个参数与短路电流的关系。

（1）短路电流的波形及计算方法 我们看下图：

图6：路端电压U的大小与电源内阻r及负载电阻R之比r/R有关

我们从图6看到，当线路发生短路后，我们设短路处的电阻是Rk，则短路处的路端电压U与比值r/Rk相关。若电源内阻r等于短路处电阻Rk的1/50，则有：

由于短路前负载电阻远远高于短路电阻，故短路前的路端电压几乎就等于电源电动势E，故知若电源内阻与线路电阻之和小于短路点电阻的1/50，则短路前后路端电压基本不变。

虽然图6是直流电路，但交流电路亦如此，只不过我们要把电源内阻和线路电阻换成阻抗z，把短路点电阻换成短路点阻抗Zk。只要z小于Zk的1/50，则短路前后的电压也是基本不变。

我们把具有此特性的供配电系统叫做无限大容量配电系统。高压和中压配电网都属于无限大容量配电系统，低压配电网因为线路阻抗大，故近似为无限大容量配电系统。当发生短路后，电力变压器处的电压会下降到0.5Un，配电网末端的电压会下降到0.15Un，这里的Un是额定电压。

我们看短路电流波形图：

图7：短路电流波形

在图7时刻t=0的左侧是正常运行电流和电压，在时刻t=0时发生了短路，我们看到短路前后电压u幅值基本不变，故知图7是无限大容量配电系统的短路波形图。

短路后短路点的阻抗很小。根据欧姆定律，我们把不变的电压U除以短路点阻抗，得到短路电流交流分量ip。同时电力变压器的绕组会向故障线路释放磁场能并产生逐渐衰减的直流分量ig，交流分量ip和直流分量ig在短路后0.01秒叠加产生了短路电流的最大值，也即冲击短路电流峰值ipk。之后，随着ig的衰减消失，线路中只剩下交流分量ip，我们叫它短路电流的稳态分量ik，其有效值用Ik表示。

我们把冲击短路电流峰值ipk与稳态短路电流Ik之比用峰值系数n表示，见下图：

图8：GB/T 14048.1中定义的峰值系数n

利用图8，我们就可以计算出冲击短路电流峰值ipk。

例1：设电力变压器的容量是1000kVA，低压侧线电压是400V，阻抗电压Uk%约等于6%，求此电力变压器产生的短路电流Ik以及冲击短路电流峰值ipk。

解答：

第一步：计算变压器的额定电流In

第二步：计算变压器低压侧的短路电流Ik

第三步：计算冲击短路电流峰值ipk

查图8，在左侧倒数第二行看到20到50kA的短路电流，往右在最后一列看到峰值系数n=2.1。于是有：

\由此可知，此电力变压器在低压侧的额定电流是1443A，短路电流为24.1kA，其冲击短路电流峰值ipk为50.6kA。

（2）断路器短路接通能力Icm与冲击短路电流峰值ipk的关系，断路器的动稳定性

我们知道，断路器的脱扣器侦测到短路电流后最快也要15ms后才能启动开断操作。我们由图7看到，冲击短路电流峰值ipk出现在短路后10ms，故断路器导电结构和动、静触头都会承受冲击短路电流ipk的冲击。

我们看下图：

图9：断路器的触头结构模式图

图9中电流从下侧静触头流入上侧动触头。由于触头实际接触点很小，故电流线在静触头中产生收缩，在动触头中产生扩展。我们用右手螺旋定则判断静触头右侧的电流线Ix的磁力线方向，发现磁力线从左侧离开纸面右侧进入纸面。我们再用左手定则判断磁力线对动触头右侧Ix电流线的电动力方向，再把电动力分解为向左的水平分力和向上的垂直分力，我们发现向左的水平分力会被触头左侧电流线产生的向右水平分力给抵消，而向上的垂直分力则叠加加强。垂直向上的电磁作用力就是触头斥力，又叫做霍姆力，是西门子公司有关电接触的著名学者霍姆在上世纪中叶提出来的。

当冲击短路电流峰值ipk出现时，断路器的动触头会在霍姆力的作用下离开静触头，之后霍姆力减弱消失动触头返回，然后再斥开，再返回，如此往复。在此过程中动、静触头间会产生电弧烧蚀作用。若动触头的材质存在问题，则断路器动触头在尚未正式开断前触头就发生粘连，或者发生材料熔融蒸发损失，以及开断时的触头熔融材料喷溅损失。

（3）极限短路分断能力Icu与动稳定性的关系

我们已经知道冲击短路电流峰值ipk与短路电流Ik之比就是峰值系数n，而短路接通能力Icm与极限短路分断能力Icu之比也是峰值系数n。可见，只要使得断路器的极限短路分断能力Icu大于短路电流Ik，就能确保断路器的动稳定性。

我们知道，断路器处于闭合状态时动触头与静触头之间存在触头压力。如果霍姆力大于触头压力，则在短路电流的作用下触头就会被斥开。

霍姆斥力Fh的计算式如下：

式中，Fh就是触头斥力，I是电流，R是触头视在半径，r是触头的实际接触点半径。一般地，触头实际接触点半径在触头视在半径的1%到4%且不会超过4%。

例2：设某断路器触头压力200N，触头直径15mm，触头实际接触点半径0.2mm。当短路电流Ik为24.1kA时，此断路器的动稳定性是否合格？我们把

数据代入到式1中：

我们看到210.5N的触头斥力大于200N的触头压力，故触头会被斥开，其动稳定性不合格。

我们由此理解了断路器动稳定性的物理意义：断路器的短路接通能力Icm必须大于冲击短路电流峰值ipk，或者断路器的极限短路分断能力Icu必须大于短路电流Ik，我们就能确保断路器的动稳定性。

（4）短时耐受电流Icw的意义，断路器的热稳定性

当短路电流流过触头对时，触头会发热，甚至造成触头电接触处熔融。看我的课件摘录：

图10：有关触头材料熔融的课件摘录之一

注意看图10中的曲线，当t=1s后，熔化电流与通电时间几乎无关。这就告诉我们，为何短时耐受电流Icw的时间长度一般设定为1秒。

我们由此知道，若断路器的Icw满足要求，则当短路电流流过断路器时，它的触头不会发生熔焊而无法开断的故障。

由于短路电流存在的时间很短，断路器导电结构散发的热量有限，我们可认为断路器触头处于绝热状态，也即I²t等于常数。我们以1秒时长的短时耐受电流Icw为基准，可以推得其它时间长度下的短时耐受电流。

例3：已知某断路器标准短时耐受电流Icw=25kA，问在0.5s和3s下短时耐受电流Icw是多少？

由式4可得：0.5秒的短时耐受电流：

3秒的短时耐受电流：

可见，短路电流存在时间短于1s时短时耐受电流会增大，存在时间长于1s时短时耐受电流会减小。

这个例子的应用很广泛，例如地铁、航空港和石化企业低压配电系统中的断路器短时耐受电流一般都要求为3秒，我们就可以利用式4来转换计算。

4.断路器的电流参数不等式 断路器的电流参数不等式如下：

式3中，I1是断路器过载保护L参数动作门限电流值，In是额定电流，I2是短路短延时保护S参数动作门限电流值，I3是短路瞬时保护I参数动作门限值。我们看到短路保护I参数小于短时耐受电流Icw，这说明什么？

答案是：从Icw往左是断路器保护动作电流参数，从Icw往右是断路器承受短路电流冲击并保护自己参数。

从这个不等式中我们能解读出何种意义？我就留给大家吧。

来源：网络

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