短路时电器的发热及电器的热稳定性
电器在通过工作电流时，在其工作制下，要经受额定电流发热的考验。若电路发生了短路故障，其短路电流远大于额定电流，当保护电器还未将故障切除前，电器还必须能承受住一定时间内短路电流的发热考验。由于短路电流的时间很短，可以认为是绝热过程，即不考虑散热，全部损耗都用来加热电器。
电器的热稳定性是指在一定时间内能承受短路电流(或所规定的等值电流) 的热作用而不发生热损坏的能力。例如不会因发热而产生不允许的机械变形，触头处不会熔焊等。热稳定性以表示，称为t 秒时热稳定电流(用有效值表示) ，一般时间采用1s 、5s 与10s 为准的热稳定电流I 1、I 5及I 10。按照热量相等的原则，同一电器不同时间的热稳定电流可以互相换算。换算公式为
时间愈短，其热稳定电流可以愈大。
各种电器使用于不同电路，热稳定电流有不同的规定，如表1－7所示。
表1－7 开关电器的热稳定电流
热稳定电流 电器类额定电热稳定电热稳定电流通电时间别 流(A) 流峰值(A) 有效值(A) (s)
10 120I e 70I e
25
60
电路隔
离用或
有载通
断用主
开关 100 200 400
600
1 000
1 500
电动机
用控制
电器的
主回路
120I e 110I e 110I e 100I e 100I e 80I e 60I e 40I e >20Ie 70I e 60I e 60I e 50I e 50I e 40I e 30I e 20I e >7Ie 10 I e
第四节 载流导体的电动力及电动稳定性
一、载流导体的电动力
载流导体处在磁场中会受到力的作用，载流导体间相互也会受到力的作用，这种力称为电动力。对于这种现象，有可利用的一面，如电动机的原理就是利用它将电能转换为机械能。也有危害的一面，如对大容量输配电设备来说，在短路情况下电动力可达很大数值，对配电装置的性能和结构影响极大。在电器中，载流导体间、线圈匝间、动静触头间、电弧与铁磁体间等都有电动力的作用。在正常电流下电动力不致于使电器损坏，但动、静触头间的电动斥力过大会使接触压力减小，接触电阻增大造成触头的熔化或熔焊，影响触头的正常工作。有时在强大短路电流所形成的电动力下，使电器发生误动作或使导体机械变形，甚至损坏。利用电动力的作用改善和提高电器性能的例子也是很多的。例如接触器的磁吹灭弧、快速自动开关的速断机构等。
电动力的方向判断可用左手定则或磁通管侧压力原理来进行。左手定则为伸平左手，磁通穿过左手掌，四个手指为电流方向，那大拇指指的就是电动力方向。磁通管侧压力原理(米特开维奇定则) 是：把磁力线看成为磁通管，磁通管密度高的一侧具有推动导体向密度低的一侧运动的力, 这个方向即为电动力的方向。
电动力方向判断的两种方法其结果是一样的，可根据具体情况采用某一种。在结构及产生磁场因素复杂的情况下用磁通管侧压力原理来判定电动力方向较为方便。例如图1－4、图1－5、图1－6所示情况。
图1－6 利用电动力的磁吹原理
1－磁吹线圈；2－磁吹铁芯；3－导弧角；4－电弧；
5－铁夹板；6－动触头；7－静触头
二、载流导体电动力计算基础和电动稳定性
当长为L 并通有电流I 的导体垂直置于磁感应强度为B 的均匀磁场中时，作用在该导体上的电动力F （见图1－7）为
F=BIL
图1－7 载流导体在磁场中受到电动力
若该导体与磁感应强度B 的方向成β夹角时，则作用在导体上的电动力为 F=BILsinβ
电动力是由作用在导体上各个长度元dL 的许多力元dF 的几何和来决定。因为可将无限短的导体视为直线，它处的磁场可认为是均匀的，因此它所受到的力dF ，可用下式表示
长为L 的全导体所受到的力则为
(1－14)
在通常情况下，磁场中各点的磁感应强度B 不是预先给定的，只给出导体电流及导体的空间位置情况，此时可采用比奥－沙瓦定律来进行电动力的计算。
电器的电动稳定性就是指当大电流通过电器时，在其产生的电动力作用下，电器有关部件不产生损坏或永久变形的性能。也可以说电器有关部分在电动力作用下不产生损坏或永久变形所能通过的最大电流的能力。它以可能的最大冲击电流的峰值表示，也有的以它与额定电流的比值表示。
三、触头电动力
触头闭合通过电流时，在触头间有电动力存在。这是因为触头表面不管加工怎样平整，从微观上看仍然是凹凸不平的，如图1－8所示。由于接触面积远小于触头表面积，电流线在接触点处产生收缩，由此而引起触头间的电动斥力。
图1－8 接触的触头间收缩电动力
如图1－9，闭合的隔离开关动静触头间存在电动斥力，当电流很大时此电动力可将触头间接触压力减小，甚至引起触头的机械形变或触头拉开造成误动作。触头处在闭合位置能承受短路电流所产生的电动力而不致损坏的能力，称为触头的电动稳定性。由于触头面加工情况不同，触头压力情况不同，因而难以确定触头接触处电流线收缩的情况，因此由电流线收缩而产生电动斥力的计算较复杂。 通过分析可得视在接触面积S 、触头材料的抗压强度越大，电流线收缩得越厉害，电动斥力也越大。触头压力F j 越大，有效接触面积增加，电动斥力也就越小。
图1－9 隔离开关受到的电动力
断路器的极限短路分断能力、运行短路分断能力和短时耐受电流
极限短路分断能力（Icu ），是指在一定的试验参数（电压、短路电流、功率因数） 条件下，经一定的试验程序，能够接通、分断的短路电流，经此通断后，不再继续承载其额定电流的分断能力。它的试验程序为0—t （线上）C0 （“0”为分断，t 为间歇时间，一般为3min ，“C0”表示接通后立即分断）。试检后要验证脱扣特性和工频耐压。
运行短路分断能力（Ics ），是指在一定的试验参数（电压、短路电流和功率因数）条件下，经一定的试验程序，能够接通、分断的短路电流，经此通断后，还要继续承载其额定电流的分断能力，它的试验程序为0—t （线上）C0—t （线上）C0。
短时耐受电流（Icw ）, 是指在一定的电压、短路电流、功率因数下，忍受0.05、0.1、0.25、0.5或1s 而断路器不允许脱扣的能力，Icw 是在短延时脱扣时 ，对断路器的电动稳定性和热稳定性的考核指标，它是针对B 类断路器的，通常Icw 的最小值是：当In ≤2500A 时，它为12In 或5kA ，而In ＞2500A 时，它为30kA （ DW45_2000的Icw 为 400V、50kA ，DW45_3200的Icw 为400V 、65kA ）。
运行短路分断能力的试验条件极为苛刻（一次分断、二次通断），由于试后它还要继续承载额 定电流（其次数为寿命数的5%），因此它不单要验证脱扣特性、工频耐压，还要验证温升。 IEC947_2（以及1997新版IEC60947_2）和我国国家标准GB14048。2规定，Ics 可 以是极限短路分断能力Icu 数值的25%、50%、75%和100%（B 类断路器为50%、75%和 100%，B 类无25%是鉴于它多数是用于主干线保护之故）。 选择断路器的一个重要原则是断路器的短路分断能力≥线路的预期短路电流，这个断路器的短路分断能力通常是指它的极限短路分断能力。无论A 类或B 类断路器，它们的运行短路分断能力绝大多数是小于它的极限短路分断能力Icu 的。
A类：DZ20系列Ics ＝50%～77%Icu，CM1系列Ics ＝58%～7 2%Icu，TM30系列Ics ＝50%～75%Icu，（个别产品Ics ＝Icu ）。
B类：DW15系列Ics ＝60%左右的Icu ，（个别的如630AIcs ＝Icu ，但短路分断能力仅400V 时30kA ），DW45系列Ics ＝62.5%～80%Icu 。
不管是A 类或B 类断路器，只要它的Ics 符合IEC947_2（或GB14048.2）标准规定的 Icu 百分比值都是合格产品。
用户在设计选用时只要符合断路器的极限短路分断能力≥线路预期短路电流就能满足要求了，对线路本身来说，例如上面举例的变压器容量为1600kVA 的线路，可能出现的短路电流约为43kA, 它是仅计算离变压器距离为5m ，且把刀开关、互感器和断路器的内阻均看成零来计算的（短路电流因此比实际情况偏大）。这种短路的机率极小。在选用断路器时，只要它的极 限短路分断能力＞43kA ，譬如50kA 就足够了。经过“0”一次、“C0”一次就完成了它的使 命，必须更换新的断路器，而运行短路分断能力，例如为50%的Icu ，也达到25kA ，它既可以实现一次分断，二次通断（在25kA 短路电流时）故障电流然后还要承载其额定电流 ，任务是非常艰巨的。有些使用者认定要按断路器的运行短路分断能力（Ics ）≥ 线路预期短路电流来设计，其实是一种误解，也是不必要的。
有些制造厂的样本里宣传，它的产品Ics=Icu ，如确实，说明它的I cu指标有 裕度，如不确实，说明它有水份，不可全信，而且Ics=Icu 的断路器 ，其售价要高很多，不合算。
国外几十年来盛行一种级联（cascade ）保护（也称后备保护），如图2所选QF2断路器的极限短路分断能力小于其线路的预期短路分断能力（例如线路额定电流为250A ，而预期短路电流为5 0kA），则QF2选择的是HSM1_250S断路器（Icu 为400V 、35kA ），当F 处出现线路 短路（短路电流达50kA ）时，由QF1
（设QF1处的额定电流为400A ，QF1选HSM1_400H，其Icu 为400V 、65kA ）和QF2一起分断，QF2仅承受一部分短路电流的分断，其余部分由QF1 承担），而对QF2处线路绝大部分小于35kA 的故障电流，就由QF2来承担。这种级联保护也有一定的条件，譬如邻近的支路不是重要负载（因为一旦QF1跳闸QF3回路也停电），同时QF1的 瞬动整定值与QF2的瞬定值也要协调等，这种级联保护主要目的也是为了节约投资。
应提到的是，所有断路器的短路分断能力（无论是Icu 还是Ics ）都是周期分量有效值。在短路试验中的“C0”的C （close 接通）的电流是峰值电流Ich 。 在试验站进行短路分断试验时，电压、短路电流（有效值）和功率因数（cos ）已调整好，它的接通电流也就被确定了。接通电流试验（“C ”试验），是以峰值电流来考核触头和其他导电体承受的电动斥力和热稳定性的能力，有什么样的有效值电流（分断电流），在其相应的功率因数下，便有什么样的峰值电流，使用者毋须去考虑峰值电流这个参数。
短路时电器的发热及电器的热稳定性
电器在通过工作电流时，在其工作制下，要经受额定电流发热的考验。若电路发生了短路故障，其短路电流远大于额定电流，当保护电器还未将故障切除前，电器还必须能承受住一定时间内短路电流的发热考验。由于短路电流的时间很短，可以认为是绝热过程，即不考虑散热，全部损耗都用来加热电器。
电器的热稳定性是指在一定时间内能承受短路电流(或所规定的等值电流) 的热作用而不发生热损坏的能力。例如不会因发热而产生不允许的机械变形，触头处不会熔焊等。热稳定性以表示，称为t 秒时热稳定电流(用有效值表示) ，一般时间采用1s 、5s 与10s 为准的热稳定电流I 1、I 5及I 10。按照热量相等的原则，同一电器不同时间的热稳定电流可以互相换算。换算公式为
时间愈短，其热稳定电流可以愈大。
各种电器使用于不同电路，热稳定电流有不同的规定，如表1－7所示。
表1－7 开关电器的热稳定电流
热稳定电流 电器类额定电热稳定电热稳定电流通电时间别 流(A) 流峰值(A) 有效值(A) (s)
10 120I e 70I e
25
60
电路隔
离用或
有载通
断用主
开关 100 200 400
600
1 000
1 500
电动机
用控制
电器的
主回路
120I e 110I e 110I e 100I e 100I e 80I e 60I e 40I e >20Ie 70I e 60I e 60I e 50I e 50I e 40I e 30I e 20I e >7Ie 10 I e
第四节 载流导体的电动力及电动稳定性
一、载流导体的电动力
载流导体处在磁场中会受到力的作用，载流导体间相互也会受到力的作用，这种力称为电动力。对于这种现象，有可利用的一面，如电动机的原理就是利用它将电能转换为机械能。也有危害的一面，如对大容量输配电设备来说，在短路情况下电动力可达很大数值，对配电装置的性能和结构影响极大。在电器中，载流导体间、线圈匝间、动静触头间、电弧与铁磁体间等都有电动力的作用。在正常电流下电动力不致于使电器损坏，但动、静触头间的电动斥力过大会使接触压力减小，接触电阻增大造成触头的熔化或熔焊，影响触头的正常工作。有时在强大短路电流所形成的电动力下，使电器发生误动作或使导体机械变形，甚至损坏。利用电动力的作用改善和提高电器性能的例子也是很多的。例如接触器的磁吹灭弧、快速自动开关的速断机构等。
电动力的方向判断可用左手定则或磁通管侧压力原理来进行。左手定则为伸平左手，磁通穿过左手掌，四个手指为电流方向，那大拇指指的就是电动力方向。磁通管侧压力原理(米特开维奇定则) 是：把磁力线看成为磁通管，磁通管密度高的一侧具有推动导体向密度低的一侧运动的力, 这个方向即为电动力的方向。
电动力方向判断的两种方法其结果是一样的，可根据具体情况采用某一种。在结构及产生磁场因素复杂的情况下用磁通管侧压力原理来判定电动力方向较为方便。例如图1－4、图1－5、图1－6所示情况。
图1－6 利用电动力的磁吹原理
1－磁吹线圈；2－磁吹铁芯；3－导弧角；4－电弧；
5－铁夹板；6－动触头；7－静触头
二、载流导体电动力计算基础和电动稳定性
当长为L 并通有电流I 的导体垂直置于磁感应强度为B 的均匀磁场中时，作用在该导体上的电动力F （见图1－7）为
F=BIL
图1－7 载流导体在磁场中受到电动力
若该导体与磁感应强度B 的方向成β夹角时，则作用在导体上的电动力为 F=BILsinβ
电动力是由作用在导体上各个长度元dL 的许多力元dF 的几何和来决定。因为可将无限短的导体视为直线，它处的磁场可认为是均匀的，因此它所受到的力dF ，可用下式表示
长为L 的全导体所受到的力则为
(1－14)
在通常情况下，磁场中各点的磁感应强度B 不是预先给定的，只给出导体电流及导体的空间位置情况，此时可采用比奥－沙瓦定律来进行电动力的计算。
电器的电动稳定性就是指当大电流通过电器时，在其产生的电动力作用下，电器有关部件不产生损坏或永久变形的性能。也可以说电器有关部分在电动力作用下不产生损坏或永久变形所能通过的最大电流的能力。它以可能的最大冲击电流的峰值表示，也有的以它与额定电流的比值表示。
三、触头电动力
触头闭合通过电流时，在触头间有电动力存在。这是因为触头表面不管加工怎样平整，从微观上看仍然是凹凸不平的，如图1－8所示。由于接触面积远小于触头表面积，电流线在接触点处产生收缩，由此而引起触头间的电动斥力。
图1－8 接触的触头间收缩电动力
如图1－9，闭合的隔离开关动静触头间存在电动斥力，当电流很大时此电动力可将触头间接触压力减小，甚至引起触头的机械形变或触头拉开造成误动作。触头处在闭合位置能承受短路电流所产生的电动力而不致损坏的能力，称为触头的电动稳定性。由于触头面加工情况不同，触头压力情况不同，因而难以确定触头接触处电流线收缩的情况，因此由电流线收缩而产生电动斥力的计算较复杂。 通过分析可得视在接触面积S 、触头材料的抗压强度越大，电流线收缩得越厉害，电动斥力也越大。触头压力F j 越大，有效接触面积增加，电动斥力也就越小。
图1－9 隔离开关受到的电动力
断路器的极限短路分断能力、运行短路分断能力和短时耐受电流
极限短路分断能力（Icu ），是指在一定的试验参数（电压、短路电流、功率因数） 条件下，经一定的试验程序，能够接通、分断的短路电流，经此通断后，不再继续承载其额定电流的分断能力。它的试验程序为0—t （线上）C0 （“0”为分断，t 为间歇时间，一般为3min ，“C0”表示接通后立即分断）。试检后要验证脱扣特性和工频耐压。
运行短路分断能力（Ics ），是指在一定的试验参数（电压、短路电流和功率因数）条件下，经一定的试验程序，能够接通、分断的短路电流，经此通断后，还要继续承载其额定电流的分断能力，它的试验程序为0—t （线上）C0—t （线上）C0。
短时耐受电流（Icw ）, 是指在一定的电压、短路电流、功率因数下，忍受0.05、0.1、0.25、0.5或1s 而断路器不允许脱扣的能力，Icw 是在短延时脱扣时 ，对断路器的电动稳定性和热稳定性的考核指标，它是针对B 类断路器的，通常Icw 的最小值是：当In ≤2500A 时，它为12In 或5kA ，而In ＞2500A 时，它为30kA （ DW45_2000的Icw 为 400V、50kA ，DW45_3200的Icw 为400V 、65kA ）。
运行短路分断能力的试验条件极为苛刻（一次分断、二次通断），由于试后它还要继续承载额 定电流（其次数为寿命数的5%），因此它不单要验证脱扣特性、工频耐压，还要验证温升。 IEC947_2（以及1997新版IEC60947_2）和我国国家标准GB14048。2规定，Ics 可 以是极限短路分断能力Icu 数值的25%、50%、75%和100%（B 类断路器为50%、75%和 100%，B 类无25%是鉴于它多数是用于主干线保护之故）。 选择断路器的一个重要原则是断路器的短路分断能力≥线路的预期短路电流，这个断路器的短路分断能力通常是指它的极限短路分断能力。无论A 类或B 类断路器，它们的运行短路分断能力绝大多数是小于它的极限短路分断能力Icu 的。
A类：DZ20系列Ics ＝50%～77%Icu，CM1系列Ics ＝58%～7 2%Icu，TM30系列Ics ＝50%～75%Icu，（个别产品Ics ＝Icu ）。
B类：DW15系列Ics ＝60%左右的Icu ，（个别的如630AIcs ＝Icu ，但短路分断能力仅400V 时30kA ），DW45系列Ics ＝62.5%～80%Icu 。
不管是A 类或B 类断路器，只要它的Ics 符合IEC947_2（或GB14048.2）标准规定的 Icu 百分比值都是合格产品。
用户在设计选用时只要符合断路器的极限短路分断能力≥线路预期短路电流就能满足要求了，对线路本身来说，例如上面举例的变压器容量为1600kVA 的线路，可能出现的短路电流约为43kA, 它是仅计算离变压器距离为5m ，且把刀开关、互感器和断路器的内阻均看成零来计算的（短路电流因此比实际情况偏大）。这种短路的机率极小。在选用断路器时，只要它的极 限短路分断能力＞43kA ，譬如50kA 就足够了。经过“0”一次、“C0”一次就完成了它的使 命，必须更换新的断路器，而运行短路分断能力，例如为50%的Icu ，也达到25kA ，它既可以实现一次分断，二次通断（在25kA 短路电流时）故障电流然后还要承载其额定电流 ，任务是非常艰巨的。有些使用者认定要按断路器的运行短路分断能力（Ics ）≥ 线路预期短路电流来设计，其实是一种误解，也是不必要的。
有些制造厂的样本里宣传，它的产品Ics=Icu ，如确实，说明它的I cu指标有 裕度，如不确实，说明它有水份，不可全信，而且Ics=Icu 的断路器 ，其售价要高很多，不合算。
国外几十年来盛行一种级联（cascade ）保护（也称后备保护），如图2所选QF2断路器的极限短路分断能力小于其线路的预期短路分断能力（例如线路额定电流为250A ，而预期短路电流为5 0kA），则QF2选择的是HSM1_250S断路器（Icu 为400V 、35kA ），当F 处出现线路 短路（短路电流达50kA ）时，由QF1
（设QF1处的额定电流为400A ，QF1选HSM1_400H，其Icu 为400V 、65kA ）和QF2一起分断，QF2仅承受一部分短路电流的分断，其余部分由QF1 承担），而对QF2处线路绝大部分小于35kA 的故障电流，就由QF2来承担。这种级联保护也有一定的条件，譬如邻近的支路不是重要负载（因为一旦QF1跳闸QF3回路也停电），同时QF1的 瞬动整定值与QF2的瞬定值也要协调等，这种级联保护主要目的也是为了节约投资。
应提到的是，所有断路器的短路分断能力（无论是Icu 还是Ics ）都是周期分量有效值。在短路试验中的“C0”的C （close 接通）的电流是峰值电流Ich 。 在试验站进行短路分断试验时，电压、短路电流（有效值）和功率因数（cos ）已调整好，它的接通电流也就被确定了。接通电流试验（“C ”试验），是以峰值电流来考核触头和其他导电体承受的电动斥力和热稳定性的能力，有什么样的有效值电流（分断电流），在其相应的功率因数下，便有什么样的峰值电流，使用者毋须去考虑峰值电流这个参数。