作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

為了保護(hù)電機(jī)和設(shè)備免受危險(xiǎn)電流增加的影響，電路保護(hù)至關(guān)重要。有兩類(lèi)危險(xiǎn)情況；一種是過(guò)電流可能使用電設(shè)備過(guò)載，另一種是出現(xiàn)短路或線路接地故障，導(dǎo)致電流快速且具有破壞性的增加。

機(jī)電斷路器是一種流行、成熟且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的保護(hù)有價(jià)值資產(chǎn)的技術(shù)。這種類(lèi)型的設(shè)備涵蓋了廣泛的應(yīng)用，但對(duì)于像電動(dòng)機(jī)這樣在啟動(dòng)時(shí)會(huì)受到浪涌電流的設(shè)備來(lái)說(shuō)不太有用。在這些情況下，更好的選擇是使用熱磁斷路器，因?yàn)樗鼈冊(cè)谔l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(dòng)的應(yīng)用或溫度不斷升高的發(fā)電機(jī)房等應(yīng)用。在此類(lèi)應(yīng)用中，組合式過(guò)載/故障電流保護(hù)的解決方案是液壓電磁斷路器。該設(shè)備具有熱磁斷路器的優(yōu)點(diǎn)，但沒(méi)有受環(huán)境溫度大幅波動(dòng)影響的缺點(diǎn)。

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(yīng)用。然后，本文使用[Sensata Technologies]的實(shí)際示例（包括設(shè)計(jì)示例）描述了各種類(lèi)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(hù)機(jī)構(gòu)包括螺線管和金屬杠桿。高于預(yù)定電流閾值時(shí)，螺線管的磁場(chǎng)足以吸引斷路器的杠桿并斷開(kāi)電路。該設(shè)備是最簡(jiǎn)單且最便宜的電磁斷路器類(lèi)型，適用于需要直接過(guò)載和線路接地故障保護(hù)的許多情況。一旦跳閘，斷路器可通過(guò)手動(dòng)翻轉(zhuǎn)其杠桿來(lái)重置。

主要缺點(diǎn)是電磁斷路器會(huì)立即跳閘——即使過(guò)量電流只持續(xù)很短的時(shí)間。例如，如果設(shè)備保護(hù)大型電動(dòng)機(jī)，這就是一個(gè)缺點(diǎn)。此類(lèi)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生較大的浪涌電流。浪涌電流通常會(huì)超過(guò)過(guò)載電流，但持續(xù)時(shí)間很短，因此不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)損壞。然而，這樣的電流確實(shí)會(huì)使磁斷路器跳閘。

熱斷路器提供了一種替代方案。該設(shè)備基于雙金屬片（或“熱元件”）。最常見(jiàn)的熱元件是兩種或三種不同金屬的夾層。低膨脹側(cè)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(yīng)用。高膨脹側(cè)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(duì)于過(guò)載情況，峰值電流僅在長(zhǎng)時(shí)間施加時(shí)才會(huì)造成損壞，熱元件提供了良好的保護(hù)。相對(duì)較高的電流由于其電阻而加熱熱元件并導(dǎo)致觸點(diǎn)打開(kāi)。熱元件的操作有足夠的延遲，這樣斷路器就不會(huì)因電機(jī)浪涌電流等瞬態(tài)過(guò)載而跳閘。跳閘時(shí)間通常與過(guò)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(guò)載電流加熱時(shí)使設(shè)備跳閘。電阻加熱會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲，防止因電動(dòng)機(jī)浪涌電流等瞬變而跳閘。 （圖片來(lái)源：森薩塔）

熱磁斷路器將熱元件和磁元件組合到一個(gè)設(shè)備中。過(guò)載電流不會(huì)在螺線管中產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)來(lái)操作跳閘桿，但會(huì)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(chǎn)生高磁場(chǎng)，超越熱元件并立即斷開(kāi)電路。

熱磁斷路器的一個(gè)缺點(diǎn)出現(xiàn)在設(shè)備特別敏感的應(yīng)用中。在這種情況下，過(guò)載電流通常低于 5 安培 (A)，并且不會(huì)產(chǎn)生足夠的熱量來(lái)激活雙金屬片。這可以通過(guò)在帶材上添加加熱線圈來(lái)預(yù)熱帶材并提高其靈敏度來(lái)克服，但缺點(diǎn)是增加了復(fù)雜性。

熱斷路器和熱磁斷路器的一個(gè)關(guān)鍵缺點(diǎn)是它們對(duì)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(dá) 13 A 的電流下跳閘。制造商通過(guò)制作降額表來(lái)協(xié)助指示熱或冷環(huán)境中的實(shí)際跳閘電流，但需要做出妥協(xié)。

例如，工程師經(jīng)常過(guò)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(shè)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(huì)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(shí)際跳閘電流。請(qǐng)注意，額定電流是在 +30°C 時(shí)指定的。溫度較低時(shí)跳閘電流高于額定值，溫度較高時(shí)跳閘電流低于額定值。 （圖片來(lái)源：森薩塔）

在溫度相對(duì)一致（無(wú)論是熱還是冷）的環(huán)境中，過(guò)度指定或降額是一種令人滿(mǎn)意的解決方案，但對(duì)于溫度波動(dòng)較大的區(qū)域來(lái)說(shuō)，則不是最佳解決方案。當(dāng)溫度下降時(shí)，專(zhuān)為溫暖環(huán)境設(shè)計(jì)的降額斷路器可能無(wú)法保護(hù)設(shè)備。

如何應(yīng)對(duì)大范圍的溫度波動(dòng)

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(guān)的任何問(wèn)題。這些器件在 -40°C 至 +85°C 的工業(yè)溫度范圍內(nèi)具有一致的額定值和性能。

顧名思義，這些設(shè)備使用來(lái)自簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)由液壓（硅）流體阻尼。如果流經(jīng)裝置的電流保持在或低于額定電流，該機(jī)構(gòu)將不會(huì)跳閘。如果過(guò)載電流增加到額定電流的 100% 到 125% 之間，線圈中產(chǎn)生的磁通量足以使磁芯移動(dòng)到彈簧上，從而使設(shè)備跳閘。

在過(guò)載電流的情況下，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較弱的磁場(chǎng)，彈簧和阻尼液會(huì)充分減慢磁芯的運(yùn)動(dòng)，使其不會(huì)因電機(jī)浪涌電流等瞬態(tài)過(guò)載而跳閘。使用不同粘度的流體可以獲得不同的時(shí)滯曲線。然而，對(duì)于真正的故障電流，螺線管磁場(chǎng)足夠強(qiáng)，足以立即克服阻尼并斷開(kāi)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(nèi)部阻尼鐵芯（左側(cè)），當(dāng)過(guò)載或故障電流產(chǎn)生足夠大的磁場(chǎng)時(shí)，該鐵芯會(huì)使設(shè)備跳閘。芯管中的阻尼液會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲。跳閘操作很大程度上不受溫度影響。 （圖片來(lái)源：森薩塔）

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

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

對(duì)于 Airpax 產(chǎn)品，+125°C 的溫度波動(dòng)對(duì)延遲曲線影響很小。例如，在 +85°C 和額定電流 250% 的過(guò)載下，跳閘延遲在 0.013 至 0.2 秒 (s) 之間。在 -40°C 時(shí)，相同電流的延遲在 0.018 至 1 秒之間。對(duì)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(duì)于熱式斷路器來(lái)說(shuō)，溫度的影響要大得多。此外，在高溫下，最小跳閘水平遠(yuǎn)低于 100% 額定電流，而在低溫下，最小跳閘水平遠(yuǎn)高于 100% 額定電流。這是由于上面討論的溫度對(duì)熱元件的影響。在 +85°C 時(shí)，對(duì)于額定電流 250% 的過(guò)載，跳閘延遲在 0.8 至 3.0 秒之間。在 -40°C 時(shí)，延遲在 40 至 600 秒之間。對(duì)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(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

除了能夠承受較大的溫度波動(dòng)之外，選擇液壓電磁斷路器而不是其他類(lèi)型的一個(gè)關(guān)鍵原因是確保設(shè)備不會(huì)由于電動(dòng)機(jī)、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(huì)破壞機(jī)械操作。

在考慮浪涌電流對(duì)斷路器選擇的影響之前，工程師需要計(jì)算出斷路器的額定值，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)載和故障保護(hù)。經(jīng)驗(yàn)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(fù)載的 100%。然而，重要的是要考慮設(shè)備正常運(yùn)行期間發(fā)生的任何浪涌的幅度和持續(xù)時(shí)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(gè)常見(jiàn)的錯(cuò)誤是通過(guò)過(guò)度指定斷路器的額定值來(lái)建立安全邊際并防止誤跳閘，從而浪費(fèi)金錢(qián)。然而，與保險(xiǎn)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(shí)的電流。 20 A 斷路器可以輕松承受 25 A 的臨時(shí)浪涌。但是，如果浪涌電流通常持續(xù)時(shí)間超過(guò) 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(dāng)前的。

另一個(gè)關(guān)鍵性能特征是確定斷路器的適當(dāng)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(shí)間如何。檢查浪涌電流峰值和持續(xù)時(shí)間的一種方法是在通過(guò)示波器監(jiān)視電路的同時(shí)啟動(dòng)機(jī)器。重復(fù)測(cè)量幾次即可確定平均峰值和浪涌電流。設(shè)計(jì)者還可以查閱設(shè)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(jié)果不太精確。

為電動(dòng)機(jī)應(yīng)用選擇液壓電磁斷路器

一旦設(shè)計(jì)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(shí)間以及浪涌電流和持續(xù)時(shí)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(kāi)關(guān)、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(guó)際標(biāo)記是標(biāo)準(zhǔn)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(lái)源：森薩塔）

考慮一個(gè)保護(hù)大型交流電動(dòng)機(jī)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(yùn)行時(shí)，電機(jī)電流為連續(xù) 20 A。當(dāng)連接到電源電路的其他設(shè)備啟動(dòng)和停止時(shí)，會(huì)出現(xiàn)臨時(shí)電流浪涌，最高可達(dá) 25 A。 20 至 45 秒之間。啟動(dòng)時(shí)，浪涌電流在 0.6 秒內(nèi)達(dá)到峰值 100 A（連續(xù)電流的 500%），并在不到 1 秒的時(shí)間內(nèi)降至連續(xù)運(yùn)行水平。

在此示例中，浪涌電流發(fā)生的時(shí)間少于 45 秒，因此設(shè)計(jì)人員可以安全地僅根據(jù) 20 A 的連續(xù)電流來(lái)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(duì)于此應(yīng)用來(lái)說(shuō)它將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

森薩塔在數(shù)據(jù)表上提供了該型號(hào)的延遲圖表。例如，延遲 42、52 和 62 適用于 50/60 Hz 設(shè)備，并且足夠長(zhǎng)，可以滿(mǎn)足某些類(lèi)型電機(jī)以及大多數(shù)變壓器和電容器負(fù)載的浪涌電流。延遲 43、53 和 63 具有較長(zhǎng)的延遲，適用于特殊電機(jī)應(yīng)用。圖 5 顯示了延遲 63，從曲線來(lái)看，在 100 A (500%) 的峰值浪涌電流下，設(shè)備將在 0.8 至 15 s 之間跳閘。這使其能夠應(yīng)對(duì)示例電機(jī)的浪涌電流（該浪涌電流在 0.6 秒內(nèi)達(dá)到峰值并迅速減弱）而不會(huì)跳閘。

圖 5：森薩塔的液壓電磁斷路器 Delay 63 具有較長(zhǎng)的延遲，適用于特殊電機(jī)操作。即使在650%額定電流下，脫扣時(shí)間也不小于0.2秒。 （圖片來(lái)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(huì)拖入管子并延長(zhǎng)跳閘時(shí)間。

結(jié)論

電磁斷路器是機(jī)械電路保護(hù)的可靠選擇，但熱斷路器和熱磁設(shè)備通常是更好的選擇，因?yàn)樗鼈兊膬?nèi)置時(shí)間延遲可防止重復(fù)的誤跳閘。然而，當(dāng)設(shè)備受到較大的溫度變化時(shí)，液壓電磁斷路器具有保護(hù)遭受浪涌電流的設(shè)備所需的時(shí)間延遲，同時(shí)在很寬的溫度范圍內(nèi)保持延遲一致。