本文以施耐德的幾款低壓斷路器為例，圖1中GV2/GV3/GV4是典型的電動機保護型斷路器，具有熱磁保護和單磁保護兩種脫扣器。
NSXm/NSX塑殼斷路器適用于電動機保護還是配電保護取決于電子脫扣單元的類型，比如Micrologic 2.2/2.3M和6.2/6.3E-M脫扣單元屬于電動機保護型(M代表Motor)，具有長延時保護、短延時保護、瞬時保護、接地故障保護(僅6.2/6.3E-M)。
Micrologic 1.3M和MA脫扣單元只具有瞬時保護(磁保護)，只為電動機提供短路保護。
圖1 施耐德電動機保護斷路器型號
圖2中Acti 9微斷和MT/MTZ框架斷路器是典型的配電保護斷路器，前者適用于配電線路末端如家庭用電回路，后者適用于線路始端如配電變壓器低壓側。
NSXm/NSX配電斷路器的脫扣器有熱磁式TMD和電子式Micrologic 2.2/2.3/5.2/5.3/6.2(不帶后綴M)。
圖2 施耐德配電保護斷路器型號
一、保護對象特性不同
電動機保護斷路器的保護對象是電動機，而配電保護斷路器的保護對象主要是電纜。
鼠籠式異步電動機起動時的電流波形見圖3，大致可以分為三個階段 。
圖3 鼠籠式電機的起動和運行特性曲線
第一個階段：起動瞬間時會有一個0.5周的不對稱瞬時峰值電流，稱為接通電流峰值，一般為為起動電流穩態值的1.8倍~2.8倍，這個階段要保證斷路器的瞬時保護整定電流(或磁脫扣電流值)大于接通電流峰值，避免斷路器啟動瞬間誤動作。
在GB50055-2011通用用電設備配電設計規范中就要求 “瞬動過電流脫扣器或過電流繼電器瞬動元件的整定電流應取電動機起動電流周期分量最大有效值的2倍~2.5倍”，即斷路器的瞬時保護整定值應取起動電流的2~2.5倍，因此電動機保護型斷路器的瞬時保護整定倍數比配電斷路器高，一般為14倍額定電流或10~20倍可調。
第二個階段：起動電流階段，起動電流的大小一般為額定電流的4.8~8倍，起動時間的長短取決于電動機所拖動的負載轉矩、傳動系統的傳動慣性和加速轉矩，這個階段需要保證斷路器的過載保護在起動過程中不能誤動作，但是由于電動機起動時間不同，假如斷路器在起動電流下的脫扣時間小于電動機起動時間會導致電動機無法成功起動。
在GB14048.4-2010低壓開關設備和控制設備第4-1部分_接觸器和電動機起動器(含電動機保護器)標準中，對于電動機保護斷路器要求驗證脫扣等級。例如脫扣等級10，就要求斷路器在7.2倍額定電流下的脫扣時間要大于4s小于10s。
第三個階段：穩定運行階段，這時候電動機完全運轉起來，長期運行條件下電動機繞組的發熱效應近似地按時間和電流平方的乘積作變化，超過額定值的電流會增加繞組的溫度，影響繞組絕緣材料的使用壽命。
GB755-2008 旋轉電機定額和性能標準規定，額定輸出在315kW及以下和額定電壓在1kV及以下的多相電動機應能承受1.5倍的額定電流，歷時不小于2分鐘，超過這個時間保護電器需要動作，所以對于脫扣等級為10的斷路器，1.5倍整定電流下4分鐘內需動作。
對于電纜，其長期允許工作電流取決于外層絕緣材料。例如聚氯乙烯(PVC)電纜長期允許工作的最高溫度為70℃，交聯聚乙烯電纜(XLPE)長期允許工作的最高溫度為90℃。以常用的聚氯乙烯PVC電纜為例，如圖4所示來說明線路過載內部熱源引起短路起火的過程，當線路無載時，PVC電纜絕緣層的溫度與室溫相同。
圖4 PVC絕緣電纜線路由過載轉化為短路引起火災的過程簡示圖
當線路通過負載電流時，如果電流不超過線路的額定載流量，則其工作溫度不會超過最大允許工作溫度70℃，可保證線路的正常使用壽命。如果線路過載，工作溫度超過70℃，線路仍正常工作，但絕緣老化加快，過載越多，老化越快，使用壽命越短，因此線路過載到一定倍數和時間之后，過電流保護元器件應動作切斷電源，以免線路老化嚴重，引起短路等其他故障。
對于電纜的過負荷保護，工業與民用供配電設計手冊(第四版)中要求過負荷保護電器的動作特性與導體之間的配合，需滿足以下兩個條件：
其中，Ic為回路計算電流A；Iz為導體允許載流量A；In為熔斷體額定電流或斷路器的額定電流或整定電流。
對于家用微斷(不能整定)，In為微斷的額定電流。
對于塑殼斷路器和框架斷路器，In為斷路器的整定電流值(非斷路器殼架電流值或脫扣器額定電流值)。
圖5為框架斷路器或塑殼斷路器脫扣器面板上的長延時保護整定電流值Ir，式2中I2為約定脫扣電流值，對于家用微斷I2為1.45倍In，對于塑殼和框架斷路器的I2為1.3倍整定電流值Ir。
圖5 長延時保護整定電流值
二、斷路器標準和過載保護特性不同
配電保護斷路器中，家用微斷遵循的是GB/T10963.1-2005家用及類似場所用過電流保護斷路器 第一部分 用于交流的斷路器。
塑殼斷路器和框架斷路器遵循的是GB/T14048.2-2020 低壓開關設備和控制設備 第2部分：斷路器。
電動機保護斷路器遵循GB/T14048.2和GB/T14048.4-2020低壓開關設備和控制設備第4-1部分_接觸器和電動機起動器(含電動機保護器)兩份標準，對比數據如表1。
表1 不同斷路器遵循標準對比
斷路器保護特性不同表現在約定不脫扣電流和約定脫扣電流值不一樣，對比數據見表2。
表2 不同斷路器的過載保護特性
注：對于塑殼和微斷，當電流≤63A，約定脫扣時間為1h。
電動機保護斷路器的約定脫扣電流為1.2Ir比塑殼和框架斷路器的1.3Ir低，比家用微斷的1.45In更低，意味著電動機在過載情況下需要盡快動作，對斷路器過載保護的靈敏度要求更高。
三、7.2Ir脫扣級別和1.5Ir脫扣性能
電動機保護型斷路器需要驗證7.2Ir電流下脫扣級別和1.5Ir電流下脫扣性能，而配電保護斷路器不需要。
電動機保護斷路器脫扣級別的選擇界面見圖6，有的斷路器脫扣等級不能選擇，比如GV2/GV3熱磁式電動機保護斷路器，其脫扣級別默認為10A級。
圖6：電子脫扣單元面板上脫扣級別選擇界面
GB/T14048.4標準對脫扣級別的驗證是：從冷態開始，7.2倍整定電流下，對于適當的脫扣級別和公差帶，應在表3給出的極限值內脫扣。
目的是保證電動機保護斷路器在起動電流下的脫扣時間大于電動機實際起動時間，避免誤動作，所以電動機起動時間越長，選擇脫扣級別的數字越大。
異步電動機起動時間的長短，由轉速、轉矩以及轉子上所帶飛輪慣量大小決定。
空載起動時起動時間很短，但是帶不同的負載起動，起動時間各不相同，例如潛水泵起動時間在5秒以內，普通泵起動時間為5~20秒，普通生產機械起動時間為10~20秒，鼓風機起動時間可能需要15~40秒，而大型壓力機、離心機起動時間更長，可達50~100秒。
起動時間小于10s的場合，可以選擇10/10A脫扣級別，而起動時間更長的負載，建議選擇20/30/40級別，或采取其他手段保證電動機能正常起動。
1.5Ir電流下脫扣性能是為了滿足GB/T755-2008標準中允許電動機在1.5倍額定電流下運行不小于2分鐘的要求。
對于不同的脫扣級別電動機保護斷路器，1.5Ir電流下脫扣時間見表3第二列。
表3 脫扣級別對應的脫扣時間范圍
四、缺相保護要求
電動機保護斷路器一般具有缺相保護功能，而配電保護斷路器不需要驗證該功能。
GB/T14048.4標準中對于缺相保護的驗證是：在規定的周圍溫度下，從冷態開始通A倍電流，在2h內應不脫扣，緊接著當兩極電流增加到B倍整定電流且第三極不通電，應在2h內脫扣，試驗要求見表4。
表4 三極過載繼電器僅兩極通電時的動作范圍
以GV2熱磁式電動機保護斷路器為例，能實現缺相保護是由于內部有差動機構(圖6)。
圖6 GV2斷路器差動機構
電動機三相過載情況下，三極雙金屬片同時彎曲推動差動板一起向左運動，帶動脫扣機構動作。
電動機缺相情況下(以供電線路B相斷線為例)，B相電流為0，流過完好相A、C兩相的電流最小為1.2倍電動機額定電流(負載率為54%)，最大為2.2倍電動機額定電流(負載率為100%)。
此時B相雙金屬片保持在原來位置，A、C相雙金屬片彎曲推動下半部分差動板運動，斷路器最終保護動作(圖7)。
圖7 三相過載保護和缺相保護時差動機構動作機
五、溫度補償
電動機保護斷路器與配電保護斷路器的另一個區別是前者自帶溫度補償功能。
例如同樣是熱磁式脫扣結構，Acti 9微斷是基于30℃為基準給出不同溫度下的降容系數(圖8)。
圖8 iC65N/H,iDPNK2微斷溫度降容表(部分)
NSX塑殼斷路器是基于40℃為基準給出不同環境下的降容系數(圖9)。
圖9 熱磁式NSX塑殼斷路器溫度降容表(部分)
GV2/GV3斷路器內部結構有熱補償雙金屬片，在不同的溫度下熱補償雙金屬片會受熱張開，抵消三相雙金屬片在環溫下的彎曲角度，最大補償溫度為60℃(圖10)。
圖10 GV2斷路器溫度補償片和溫度補償范圍
六、總結
通過對電動機保護斷路器和配電保護斷路器各自保護對象特性的分析，可以看出二者無論是從遵循的產品標準，還是過載保護特性，以及為適應電動機本身特點而增加的特殊驗證和要求(比如電動機保護斷路器的瞬時保護整定值高、具有脫扣級別和1.5Ir電流下的脫扣時間要求、缺相保護功能)，除此之外，電動機還具有溫度補償功能，即60℃范圍內不需要降容使用。
希望通過上述介紹和對比，為廣大電氣工程師選擇合適的斷路器提供參考。
作者：賓昭平
