過電流會損壞電路和設備。在此國家電氣規范系列的第 1 部分中了解過流和過流保護裝置。

美國國家電氣規范 （NEC） 第 240 條概括了過電流保護和保護裝置，以避免損壞電氣系統。造成過電流的因素包括苛刻的環境、過載、一般老化和電氣元件的意外損壞。

過電流概述

過電流可能是過載或短路。

?過載是限制在常規電路路徑上的過大電流，沒有絕緣擊穿。

過載可能是暫時的或持續的。

○暫時過載的例子是電機啟動電流和變壓器浪涌電流。這些電流是無害的日常事件——保護裝置不會對它們做出反應。

○持續過載包括電路中的許多負載、過載的設備和磨損的電機軸承。這些電流可能會在操作幅度的 2 到 6 倍之間波動，保護裝置會打開電路以防止損壞和火災。

?短路包括流過異常路徑的電流。短路或故障電流遠大于工作電流，可能高于 50 kA。短路電流可能會嚴重損害導體和設備，造成絕緣損壞、導體熔化、氣體電離、電弧、火災和能夠扭曲母線的巨大磁場應力。

在幾秒鐘內消除過載通常足以避免損壞。相比之下，在幾千秒內不發生短路（循環次數不多）可能會損壞電氣元件。

國家電氣法規第 240 條

第 240 條規定了過流保護和過流保護裝置的一般要求。表 240.3 列出了涵蓋特定電路和設備的過流保護的產品編號。例如，第 210 條保護分支電路，第 430 條保護電機、電動機電路和控制器，第 440 條保護空調和制冷設備，第 450 條保護變壓器和變壓器庫。

過流保護裝置

不可缺少的過流裝置是熔斷器和斷路器。它們將任何電線中的電流限制在國家電氣規范允許的最大值。NEC 使用術語“載流量”來表示任何特定類型和尺寸的電線的最大安全電流。

?保險絲。 從根本上說，保險絲是一種短金屬片，其種類和尺寸在電流超過預設大小（安培額定值）時會熔化，具有潛在的破壞力。

保險絲可靠、穩定、安全，不需要定期維護或測試。它們具有高分斷額定值 - 可以承受高短路電流而不會撕裂。

UL 對保險絲進行分類。一些類別是 L、RK1、RK5、T、J、CC、CD、G、K1、K5 和 H。

限流熔斷器在不到半個周期內清除短路電流——頻率為 60 Hz 時約為 0.00833 秒——避免短路電流累積到其潛在值。用相同阻抗的導體代替保險絲會出現潛在的短路電流。圖 1 顯示了電流限制的概念。

圖 1.保險絲的限流能力。圖片由 Lorenzo Mari 提供

曲線下的面積表示在故障條件下傳遞到電路的能量量。熱能和磁力與電流大小的平方成正比。將電流降低十倍將把能量降低到可用水平的 1/100。

?斷路器。 四種重要類型的斷路器（取決于熄滅電弧的介質）是空氣、油、SF6 和真空。我們將專注于低壓塑殼斷路器。

低壓塑殼斷路器是一種響應過載和短路的簡單機構。滅弧介質是空氣。

斷路器以兩種方式檢測電路電流：通過產生熱量 - 熱斷路器 - 或通過產生磁場 - 磁斷路器。

熱斷路器使用與負載串聯的加熱元件，靠近雙金屬片。如果電流高于額定值，以機械方式連接到斷路器觸點的雙金屬片將彎曲或翹曲以打開觸點。在電路打開之前有一個時間延遲，具體取決于過電流大小。這種類型的斷路器可防止過載。

電磁斷路器將線圈與負載串聯連接。由線圈周圍的負載電流建立的磁場吸引打開觸點的螺線管的金屬臂。

當發生過電流時，這些斷路器在打開觸點時具有短暫的延遲——它們是瞬時斷路器，利用來自短路大電流的力來實現開關功能。

熱磁式斷路器同時采用熱式和磁式兩種方式，將短路保護、過載保護、操作開關和斷開裝置合二為一。

限流斷路器不使用熔斷器。它們以超高速運行以在前半周期達到其最大潛在峰值之前限制短路電流——它們通過以超高速率打開觸點來中斷電弧。

在不影響過流保護裝置正確檢測和清除故障的能力的情況下，將短路電流保持在最低限度。

大多數過電流保護裝置都標有兩個額定電流

標準安培額定值

中斷評級

保護裝置標準安培額定值

過電流保護裝置以安培為單位。每個單元都有一個特定的安培額定值。表 240.6（A） 展示了熔斷器和固定跳閘反時限斷路器的標準安培額定值 - 固定跳閘意味著您無法更改電流設置，反時限意味著短路電流幅度越大，時間越短清除故障。

標準數字在 15 A 和 6 000 A 之間變化。保險絲有五個額外的標準安培額定值：1、3、6、10 和 601 A - 在第 240.6（A） 節中逐項列出。

第 240.6（A） 節允許使用具有非標準安培額定值的熔斷器和反時限斷路器。

當長時間拾音設置可調時——你可以改變它——有兩個選項

帶有可觸及的外部調節裝置（第 240.6（B） 節）。安培額定值是可能的最大設置。理由是任何人都可以更改設置

使用受限訪問調整手段（第 240.6（C） 節）。允許額定安培等于調整后的電流設置。理由是只有合格的人員才能更改設置

保護裝置中斷額定值

分斷額定值表示保護裝置承受短路電流的能力。

第 110.9 節規定，在標稱電壓下，過電流設備的分斷額定值必須等于或高于設備線路端子處可用的短路電流。

超過保護裝置能力的短路電流可能會輕微損壞零件或產生爆炸，具體取決于電流大小 - 后者可能會造成嚴重的安全隱患。

第 110.10 節規定，必須選擇和協調過電流保護裝置、電路阻抗、可用短路電流和其他電路特性，以盡量減少對電路元件的損壞。

第 110.9 節中的要求僅涉及過電流保護裝置，而不涉及其保護電路元件的能力。因此，必須選擇具有足夠短路耐受額定值的元件，并將它們與保護裝置協調，以避免超過這些額定值。

組件的短路耐受額定值是它可以抵抗的最大短路電流。超過此額定值可能會損壞該部件。

需要考慮的一些電路特性是

線長。導線越長，可用故障電流 （AFC） 越低

線材尺寸。線徑越大，AFC越高

線型。銅線導致的AFC高于鋁線

電纜或滾道。電纜中的導體與線槽中的相同導體相比，AFC 是不同的。

跑道類型。黑色金屬滾道中的導體比塑料滾道中的相同導體引起的 AFC 更少

保險絲

保險絲必須在 125V 時中斷至少 10 kA 的電流，但有一些例外。大多數限流熔斷器的分斷能力為 200 kA 或 300 kA。

限流熔斷器允許為具有高短路水平的系統指定具有低短路耐受額定值的組件。

第 240.60（C） 節要求在 10 kA 以外的保險絲筒上標記保險絲分斷額定值。對于用于輔助保護的熔斷器（例如用于保護額定值較低的斷路器時），該標記不是強制性的。

斷路器

大多數分支電路、塑殼斷路器的分斷額定值為 10 kA。較大的斷路器為 14 kA 或更高。限流斷路器可處理 200 kA。

對于特定設計，這些額定值隨額定電壓而變化，隨著施加電壓的增加而減小——限流斷路器的分斷額定值可能為 240 V 時 200 kA、480 V 時 150 kA 和 600 V 時 100 kA 。

第 240.83（C） 節要求在 5 kA 以外的斷路器上標記斷路器分斷額定值。對于用于補充保護的斷路器，該標記不是強制性的。沒有標記分斷額定值的斷路器的默認值為 5 kA。

保護裝置額定電壓

除了電流額定值外，過電流保護裝置還有電壓額定值。此額定值必須等于或高于標稱系統電壓。誤用的過電流裝置將無法分斷額定短路電流。

斷路器

第 240.83（E） 節要求用額定電壓標記斷路器。第 240.85 節涵蓋了斷路器中的直線和斜線電壓額定值。

?直電壓額定值。當任意兩個導體之間的標稱電壓不超過斷路器的額定直流電壓時，電路可以使用這些設備。例如，相電壓和線電壓均不超過 240 V 的電路可以使用直通式 240 V 斷路器。見圖 2。

圖 2. 208Y/120V 系統。圖片由 Lorenzo Mari 提供

每當線路電壓可能只出現在一個極上時，請使用直額定斷路器。

?斜線電壓額定值。這些斷路器顯示兩個由斜線分隔的電壓標記——一些典型標記是 120/240 V、208Y/120 V、480Y/277 V 和 480/277 V。

較低的數字是對地的標稱電壓，較高的數字是兩個未接地導體之間的標稱電壓。一極將清除線對地過電流，兩極或三極將清除線對線過電流。

斜線電壓斷路器僅適用于牢固接地的 Y 形系統，如圖 2 所示——它們不適用于浮動、電阻接地或角接地、三角形連接系統。

例如，480 V、三相、角接地、三角形連接的系統不能使用 480Y/277 V 斷路器，因為兩相對地電壓超過 277 V。

正確的應用是 480 V 或 600 V 額定電壓。此外，三相角接地三角形電路只能使用標有 1?-3? 的兩極斷路器。見圖 3。

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

同樣，240 V 三角形連接系統（浮動）不能使用 120/240 V 斷路器，因為沒有接地。這種情況需要 240 V、480 V 或 600 V 的直流額定電壓。見圖 4。

圖 4. 240 V 三角形系統。圖片由 Lorenzo Mari 提供

值得注意的是三相四線三角形系統。一個相的中間被抽頭并接地，產生一個中性點，并導致對地的高腳電壓是相間電壓的 √3 倍。

例如，120/240 V、3 相、4 線三角形系統的高腳電壓為 √3 x 120 V = 208 V。120/240 V 斜線額定斷路器不適用于高腳，因為對地電壓超過 120 V。見圖 5。

圖 5. 120/240V、3 相、4 線三角形系統。圖片由 Lorenzo Mari 提供

該系統可以使用額定電壓為 240 V 的斷路器，因為線電壓和相電壓不超過 240 V。

保險絲

保險絲沒有斜線額定電壓。它們是適用于任何電氣系統布置的總電壓額定設備。

要點總結

過電流可能是過載或短路。過載是受限于常規電路路徑的電流，可能是暫時的或連續的。

短路電流流經異常路徑，具有相當大的破壞力。

保險絲和斷路器通過清除過載和短路來保護電氣系統。

過電流保護裝置具有電流和電壓額定值。

限流器件在不到 1/2 個周期內清除故障，從而限制了提供給電路的故障能量。

在斜線電壓額定設備不合格的地方使用直流額定電壓斷路器。