数据中心低压开关技术白皮书

开放数据中心委员会2023-09 发布

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版权声明

ODCC（开放数据中心委员会）发布的各项成果，受《著作权法》保护，编制单位共同享有著作权。

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编写组

项目经理：

刘衍彬百度时代网络技术（北京）有限公司

工作组长：

李代程百度在线网络技术（北京）有限公司

贡献专家：

马莉莎施耐德电气（中国）有限公司

程曦施耐德电气（中国）有限公司

刘涛浙江正泰电器股份有限公司

敖登贵上海正泰智能科技有限公司

纪朝阳ABB(中国)有限公司

付真海上海良信电器股份有限公司

阮迪中国信息通信研究院

前言

近年来，AIGC、云计算、大数据产业蓬勃发展，国家“东数西算”战略稳步实施，数据中心行业迸发强劲的发展势能，已成为我国经济建设中最重要的基础设施之一。

数据中心低压配电系统是数据中心供配电系统的重要组成，有着高可靠性（7*24不间断供电）、复杂性（设备种类与运行工况多样）等特点。低压开关在数据中心低压配电系统运行控制与安全保护方面扮演者重要角色。当前数据中心配电系统呈现高密化、预制化等特征；为响应“双碳”战略，光伏、储能等新能源直流配电场景在数据中心配电系统涌现，促使行业对低压开关性能和稳定性的要求日益提高。

为了更好地帮助数据中心同行合理的选择低压开关，百度在ODCC的支持下，联合低压电器顶尖供应商施耐德、正泰、ABB、良信一同编纂《数据中心低压开关技术白皮书》，全面解析低压开关技术在数据中心的应用、维护及未来发展趋势。白皮书将涵盖低压开关分断技术、器件分类、特性参数、选用维护与技术展望等内容。基于数据中心应用场景的特殊需求，从实际案例出发，深入剖析不同配电设备低压开关的选用与配合，辅助读者更好应用与维护低压开关。绿色低碳，智能高效，低压开关与数据中心配电正走在协同创新的发展道路上，我们期待与广大读者共同探讨数据中心低压开关技术的未来发展。

由于时间仓促，水平所限，错误和不足之处在所难免，欢迎各位读者批评指正。如有意见或建议请联系编写组819328005@qq.com。

版权声明
编制说明
前言..
一、概述.
二、数据中心低压配电系统
低压配电系统特点.
1．概述. 3
2．数据中心低压配电系统 3
低压配电系统接地方式. 5
（三）数据中心低压配电系统组成设备： 11
1．变压器
2．低压成套柜， 12
3． UPS.
4．高压直流电源 14
精密列头柜... 15
6．配电箱（柜） 16
（四）低压配电系统保护
W 低压配电系统保护要求
2. 低压配电系统保护类型 19
数据中心常用低压开关器件分类 26
（一）断路器.. 26
1．空气断路器（ACB） 26
2．塑壳式断路器（MCCB） 27
3．微型断路器（MCB） 29
（二）隔离开关. 31
（三）转换开关电器 32
（四）接触器与继电器 34
1．接触器的结构和原理 35
2．接触器的主要特征， 35
3．接触器的分类 36
（五）熔断器. 37
1．熔断器的结构和原理 37
2．熔断器的特点.. 37
3．熔断器的分类. 38
（六）电涌保护器及其保护开关 38
低压开关分断技术.. 40
（一）断路器结构组成与分断原理 41
1．一般断路器的结构组成.. 41
2. 般断路器的动作原理， 45
（二）低压交流开关灭弧原理 46
WwwreDCC.org.cn 1．直流电弧的稳定燃烧点． 48
2．直流电弧的熄弧条件. 50
3．直流电弧的灭弧方法. 50
（四）低压开关分断技术手段.. 54
1．机械开关. 54
2．固态开关， 60
3．复合开关. 61
、低压开关特性与参数 63
（一）额定电压.. 63
1．额定工作电压 63
2．额定绝缘电压 63
3．额定冲击耐受电压 63
（二）额定电流. 64
1．约定自由空气发热电流. 64
2．额定工作电流Ie. 65
3．额定不间断电流， 65
（三）额定分断能力 66
1．额定极限短路分断能力 66
2．额定运行短路分断能力 67
（四）短路特性， 68
1．额定短路耐受电流（热稳定电流）Icw. 68
2．额定短路接通电流Icm... 69
（五）脱扣器与脱扣曲线 69
wywwy.ODCC.org.cn
3. 欠压脱扣器. 70
4．分励脱扣器 71
5．脱扣器保护类型. 72
6．脱扣曲线.. 75
（六）安装与应用 82
1．安装环境特性. 82
2．防护等级. 84
3．安装数量. 84
（七）使用类别.. ..85
、低压开关应用 87
（一）低压开关的选择性及后备保护 87
1．低压断路器的选择性.. 87
2．后备保护与选择性增强.. 94
（二）低压开关选型方法， 97
1．进线及母联断路器的选型 97
2．UPS输入输出断路器的选型， 102
3．末端塑壳断路器的选型 108
4．HVDC 系统的断路器选型 113
（三）低压开关选用常见问题， 115
1．剩余电流型接地故障保护与中性线互感器的选用 115
短路短延时时间的设定级差. 117
3．反时限与定时限的选用 121
ywDeC.org.cn
1．开关设备维护的意义 127
2．开关设备维护分类. 129
3．开关设备维护频率 134
4．低压开关的维护建议和措施 135
低压开关技术展望．.. 147
（一）数据中心低压配电系统演进方向…... 147
1．模块化（预制化）... 147
2．架构简洁化．... 148
3．绿色低碳能源.. 149
4．配电管理智慧化， 150
（二）低压开关技术路径．. 151
1．集成化.. 151
2．模块化. 155
3．智能化.. 156
（三）面向IDC的低压开关技术. 157
（四）智能化技术的发展.. 159
（五）绿色低碳. 161

数据中心低压开关技术白皮书

一、概述

近年来随着5G、物联网、云计算、AI等数字化技术的发展，数据计算量呈现井喷式增长，配套的数据中心与通信基站投资及建设力度也不断加大。国家高度重视数据中心产业的发展，“十四五”规划和2035远景目标纲要中明确提出“加快构建全国一体化数据中心体系，强化算力统筹智能调度，建设若干国家枢纽节点和大数据中心集群，建设E级和10E级超级计算中心”。国家发展和改革委员会等部委印发关于《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》等一系列落地实施政策。

在国家新基建政策的引导下，数据中心逐步向绿色、低碳和高能效方向发展。随着数据中心规模不断增大，导致耗电量剧增。据国家能源局数据显示，2022年我国数据中心耗电量达2700亿千瓦时，能耗约占全国总用电量的3.1%，足以满足上海、深圳两座超大型城市的全年用电需求。IDC预计，到2024年数据中心耗电量将占到全社会耗电量的5%以上。面对严峻的用能形势，新型数据中心逐步开始采用先进的供配电与空调制冷解决方案来降低能耗，这也对数据中心设计、及设备供应商提出了更高要求，也要求工程总包具备多产业集成能力。同时，算力需求的激增助推数据中心建设速度迎来高峰，国家及各地相继出台政策规范数据中心的能源使用效率（Power Usage Effectiveness，以下简称PUE）。2022年1月，国家发改委、工信部、国管局和国家能源局发布《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》中提出，到2025年，数据中心运行电能利用效率和可再生能源利用率明显提升，全国新建大型、超大型数据中心平均电能利用效率降到1.3以下，国家枢纽节点进一步降到1.25以下，绿色低碳等级达到4A级以上；北京、上海、深圳等各地方政府纷纷响应，制订了若干更加严格的数据中心PUE建设指导意见；在国家东数西算与“双碳”战略背景下，国家政策与法规的不断出台，既对数据中心行业发展起到规范与引导作用，也对数据中心供配电系统提出了更高的要求。 110

数据中心低压配电系统主要由低压开关、UPS、供电电缆等设备或环节组成，设计合理的配电系统是数据中心安全可靠、绿色低碳运行的关键。低压开关是低压配电系统的重要组成设备，在数据中心配电设备的数量占比非常可观，也承担着系统保护与运行控制的关键作用。根据格物致胜《中国低压电器白皮书》测算，2022年，数据中心低压配电市场规模达到32亿，复合增速高达14.5%。本白皮书将主要聚焦讨论数据中心内低压开关技术，包括低压开关分断技术、器件分类、特性参数、选用维护与技术展望等，以期为数据中心低压配电系统的方案设计与落地提供参考与帮助。

二、数据中心低压配电系统

（一）低压配电系统特点

1．概述

数据中心供配电系统为数据中心用电设备提供安全可靠的电能供应。数据中心供配电系统通常至少包括低压配电环节；大型数据中心园区通常包括中压10kV供电环节；部分特大园区甚至包括110kV或220kV自建变电站，将高压交流电转换为中压交流电向园区用电设备馈能。对于数据中心供配电系统的核心要求是能够保障数据中心中ICT设备在可靠稳定的动力环境下7*24小时不间断工作，既包括直接向ICT设备提供电能，还包括为ICT设备正常工作提供稳定环境的其他辅助用电负荷提供电能，如空调、监控等用电负荷。

2．数据中心低压配电系统

数据中心低压配电系统一般指交流380V系统，部分数据中心配备有直流电源设备，但通常也是通过低压交流作为输入转换而来，配套的后端直流配电设备（通常为DC 48V、DC240V或DC 336V）与 AC380V系统设备共同组成数据中心低压配电系统。从能量流动链路的方向来看，典型的数据中心低压配电系统通常从10kV干式变压器低压绕组输出端子开始，通过低压配电柜、交直流不间断电源、精密列头柜以及PDU等配电设备，将能量层层传递至服务器PSU电源，最终转换成不同低压直流环节输出，为服务器CPU、存储等设备提供不间断的电能。

变压器低压绕组出线与低压柜连接之后，通过低压柜以点状配电方案或线状配电方案将电能馈出。根据变压器容量以及后端负载特性，可规划合适数量的设备以及合适的设备层级，合理的设备连接方式。低压柜可通过密集母线或者电缆的形式将电能分配至后端配电或者不间断电源设备。数据中心为保证给ICT设备提供高质量且不间断的电能，增加不间断电源系统。通过电力电子变流技术，将交流输入通过整流加上逆变的环节，将市电电网中馈入的电能提升为输出更加稳定的电压源，同时直流环节的母线是挂载电化学电池（铅酸蓄电池、锂电池等）的必须。通过单体电池的串并联连接，成组的备电电池直挂在不间断电源的直流母线上，在市电故障无法保持持续供应时，输出电能供应后端ICT设备，维持IT业务不中断。通常不间断电源馈出回路数>1，每条回路与后端精密列头柜设备连接，通过精密列头柜输出母线分流为更多的支路，每条支路通常与一台ICT设备机柜直接连接。也有相当部分金融数据中心会选择小母线的形式承载不间断电源系统馈出支路的输入，电能通过不同节点的电缆将电能馈出到机柜。当然这两种形式本质原理是一致的，如何选用由用户配电场景IT业务特点决定。机柜通常会在后端挂载PDU（PowerDistributionUnit）设备，将电能进一步分配给机柜中不同的ICT设备。对于近些年在互联网比较火热的整机柜，来自精密列头柜输出支路的电缆通常直接与机柜集中式电源框（PowerShelf）通过连接器相连，从而省掉PDU设备。

以上是对数据中心主要的用电设备一一ICT设备的低压配电系统的阐述。对于保证ICT设备运行在合适的温度环境的空调制冷系统，根据设备的重要性设计有不同的配电方案。对于重要的空调设备或者子系统，通常需要配置双路不间断电源。现有大型数据中心空调系统通常采用AC380V系统供电，通常不间断电源系统采用UPS 电源，UPS馈出支路直接与动力配电箱（柜）连接，动力配电箱（柜）的支路电缆作为重要空调设备或子系统的输入与后者连接。对于不重要的空调设备，低压配电柜馈出的电缆直接与空调设备输入前端配电箱连接。 101011

数据中心除了ICT设备与空调设备两大最主要的配电场景，还包括照明、消防、安防、监控等配电场景。这些配电场景包含的设备主要是通过配电箱输入电能，只是根据设备是否有不间断供电的要求，配电箱输入分为与不间断电源馈线电缆连接和低压柜馈线直接连接。

（二）低压配电系统接地方式

低压配电系统的接地主要包括系统接地和保护接地。系统接地是指低压配电网内电源端带电导体的接地，通常低压配电网的电源端是指变压器、发电机等设备中性点。保护接地是指负荷端电气装置外露导电部分的接地，其中负荷端电气外露导电部分是指电气装置内电气设备金属外壳、布线金属管槽等外露部分。低压配电系统接地分为TN系统、TT系统和IT系统三种类型，接地类型中第一个字母说明电源与大地的关系，第二个字母说明电气装置的外露导电部分与大地的关系。

TN 系统的电源中性点是不经阻抗直接接地的，同时用电设备的外露导电部分则通过与接地的中性点连接而实现接地。TN系统按中性线和PE线的不同组合方式又分为三种类型：TN-C接地系统、TN-S 接地系统和TN-C-S接地系统。TN-C在全系统内N线和PE 线是合-的；TN-S在全系统内N线和PE线是分开的；TN-C-S接地系统在全系统内仅在电气装置电源进线点前N线和PE线是合一的，在电源进线点之后分为N和PE两根线，

TN接地系统特征：

1）强制性地要求把用电设备外露导电部分和中性点接通并连接。

2）TN接地系统中单相接地故障电流被放大为短路故障电流，因此TN系统下可利用断路器或熔断器的短路保护作用来执行单相接地故障保护。

3）TN 系统在系统发生第一次接地故障时就能切断电源。

TN-C接地系统要求在用电设备的内部范围内设置有效的等电位环境，切记需要均匀地分布接地极，也正是因为TN-C采用PEN线重复接地的措施，使得系统不能使用剩余电流动作保护装置。

图 2-1 TN-C接地系统接地故障保护

TN-S 系统中的中性线N和保护线 PE在整个过程中各自独立分开敷设，但在电源端两者合并在一起接入电源设备中性点，电源设备中性点直接接地。TN-S系统为三相四线制带电导体系统。

图 2-2 TN-S接地系统接地故障保护与剩余电流保护
TN-C-S系统中中性线和保护线前部分按PEN导线敷设，后部分

各自分开敷设，且分开后不能再合并。TN-C-S系统中的TN-C部分适合不平衡负载，而TN-S 部分适用于平衡负载。TN-C-S系统可以配套使用剩余电流动作保护装置，只是后部的TN-S系统其PE线不能穿过剩余电流动作保护装置的零序电流互感器铁芯。

IT 系统的三条相线与地之间存在泄露电阻与分布电容，两种效应叠加一起组成IT系统的对地泄露阻抗。在IT系统中发生单相接地故障时，电网的接地电流很小，系统仍能维持正常工作状态，通常对于不停电要求较高的场所IT接地系统应用比较广泛。由于IT系统某相接地短路后另外两相对地电压会升高到接近线电压，若人体触及另外的两条相线，触电电流将流经人体和大地，最后经过接地相线返回电网，容易造成人员伤亡。因此IT系统的用电设备必须配置剩余电流动作保护装置RCD

图2-3IT接地系统的绝缘监测和RCD保护

IT接地系统应用特征：

1）能提供最好的供电连续性;

2）IT接地系统可以省略中性线的敷设，减少投资费用;

3）当出现第一次接地故障报警信息时，操作人员可对系统实施必要的故障定位和故障排除，从而有效防止供电中断；当发生第二次异相接地故障时能启动过电流保护装置或RCD剩余电流保护装置切断用电设备的电源。

TT 接地系统的特征是应用于三相四线制且所有终端用电设备的外露可导电部分均各自由PE线单独接地。TT系统的用电设备端接地极和电源接地极之间可以不相连，也可以相连。TT系统用电设备的中性线不允许中断，若必须要分断中性线，则中性线不允许在相线分断之前先分断，同时中性线也不允许闭合之后再闭合。

TT 系统发生单相接地故障时，接地电流比较小，不能驱动断路器或熔断器执行接地故障保护操作。因此TT系统推荐使用剩余电流动作保护装置。

图 2-4 TT接地系统的接地故障 RCD保护

TT 系统的应用特征：

1）TT接地系统的设计和安装较为简单，适用于公用电网直接供电的电气装置;

2）TT接地系统运行时不需要安装绝缘监测装置;

3）TT接地系统中要使用剩余电流保护装置。

4）TT接地系统发生接地故障时将出现供电中断，供电中断仅限于故障回路。

根据GB50174-2017规定，数据中心低压配电系统的接地型式宜采用TN系统。采用交流电源的电子信息设备，其配电系统应采用TN-S 系统。数据中心低压配电采用TN-S系统可以对雷电浪涌进行多级保护，对UPS和电子信息设备进行电磁兼容保护。此外，TN-S系统还具备以下优势：

1）TN-S系统内，PE 线和N线被分为两根线。除非施工安装有误，除微量对地泄漏电流外，PE线平时不通过电流，也不带电位。只有当系统发生接地故障时PE线通过故障电流，因此电气装置的外露导电部分对地平时几乎不带电位，比较安全。

2）当出现相线碰壳的情况时，相当于相线直接对地短路，由于PE线阻抗很小，瞬间短路电流很大，会直接导致前端过电流保护开关断开，不会对人身造成危害，因此TN-S系统可以不必增加漏电保护器。

3）当 TN-S系统出现N线断开时，即使由于三相负载不平衡导致中性点带电，但是由于中性点和外壳并无电气连接，因此外壳对地无电位差，不会导致触电危险。

（三）数据中心低压配电系统组成设备

1．变压器

变压器是具有两个或两个以上绕组的静止设备，为了传输电能，在同一频率下，通过电磁感应将一个系统的交流电压和电流转换为另一个系统的交流电压和电流，通常这些电流和电压的值是不同的。从安全可靠、维护便利、环保、防火防爆、安装施工角度考虑，干式变压器相比于油浸式变压器更适合在数据中心配电场景应用。大型数据中心干式变压器容量通常在1600-2500kVA。变压器低压绕组输出可视为数据中心低压供配电系统的电源，为整个系统提供电能输入。

图2-510kV干式变压器

2．低压成套柜

低压柜成套是指低压成套开关柜，是低压成套开关设备的一类。按照标准定义，低压成套开关设备是由一个或多个低压开关设备和与之相关的控制、测量、信号、保护、调节等设备，由制造厂家负责完成所有内部的电气和机械的连接，用结构部件完整地组装在一起的一种组合体。低压成套开关设备主要由各种低压电器构成，低压电器元件的性能对低压成套开关设备的性能起到至关重要的作用。显然，低压柜中会涉及大大小小各类开关的应用，包括框架断路器（ACB）、塑壳断路器（MCCB）、微型断路器(MCB)等。低压柜主要作用是将变压器低压侧馈出的电能分配到后端各类电源与负载设备，并对后端设备起到一定的系统故障保护功能。

图 2-6低压成套开关柜

3. UPS

UPS（Uninterruptible PowerSupply）是数据中心应用最广的不间断电源，是一种含有储能装置的不间断电源。UPS电源技术方案众多，但整体而言它的基本结构是一套将交流电变为直流电的整流器和充电器，以及把直流电再变为交流电的逆变器，蓄电池在交流电正常供电时贮存能量且维持在一个正常的充电电压旦市电供电中断时，蓄电池立即对逆变器供电以保证UPS电源交流输出电压。

UPS 系统开关应用数量较多，这其中包括主路、旁路、检修旁路输入塑壳断路器，还包括电池组开关柜中的塑壳断路器或负荷开关与熔断器的组合，同时UPS馈出支路低压配电柜中也需配置一定数量的塑壳断路器。

图2-7 UPS电源

4．高压直流电源

高压直流电源简称 HVDC(High Voltage Direct Current)电源,在互联网与电信运营商的数据中心中有比较广泛的应用。HVDC电源基于通信用48V电源演变而来，主要为应对机柜日益增长的功率负荷。相同负载功率情况下，提升供电电压有利于减小供电电流，从而降低供电链路损耗，提升IDC低压系统配电效率。

HVDC 电源同UPS电源一样，都是典型的电力电子电源。通过PFC 整流与DC/DC调压，输出稳定可靠的直流电压源。电源系统中蓄电池组直挂在直流母线上，市电故障时，蓄电池存储的电能能够不经电力电子变流环节直接为负载提供电能。典型的 HVDC 电源直流母线主要包括240V与336V两个电压等级。

HVDC 输入柜通常通过交流塑壳断路器将上级低压柜馈出电缆与HVDC 整流模块相连，馈入电能的分配通常是通过交流母线经电缆分配给系统的所有整流模块，微型断路器被串接在各条支路电缆中HVDC电源直流输出并联汇聚到统一的直流母线上，通过串接直流柜中直流塑壳断路器或直流熔断器形成保护，将电能以不同的支路馈出。HVDC电源电池开关柜同UPS电池开关柜，通过塑壳断路器或负荷开关与熔断器的组合对电池组形成隔离分断与故障保护。

图2-8 HVDC 电源

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5．精密列头柜

精密列头柜（Remote PowerPanel）简称列头柜，分为直流精密列头柜与交流精密列头柜，分别对应前级直流与交流不间断电源。列头柜通常放置于数据中心IT或网络机房单列机柜的起始位置，因此得名列头柜。

通常列头柜为对应机柜列的机柜进行电能分配，电能的馈入通常来自低压配电室的电缆，电缆经柜顶通过塑壳断路器接入交流母线，通过转接又将电能分配到多条支路，每条支路通过串接微型断路器对支路负载进行接通、断开与故障保护。

图 2-9 精密列头柜

6．配电箱（柜）

数据中心末端配电保护环节，通常是通过配电箱（柜）实现。配电箱主要面向制冷空调、照明、监控等负载设备的供电，且数据中心配电箱的形式多样，绝大多数为非标准产品。但配电箱结构原理基本类似，主要包括进线的塑壳断路器，输出支路的微型断路器，再配上SPD、计量表计等设备，便可组成一个满足配电功能与保护需求的配电箱。配电箱作为数据中心末端配电设备，数量可观，配置各异，使用低压开关的数量与类型也较为丰富。

图2-10户内配电箱

（四）低压配电系统保护

1．低压配电系统保护要求

自电气工业革命开始，低压配电系统便最早得以应用，为推动人类社会文明的发展，提升社会生产力提供了不竭动力。时至今日，无论从低压配电系统架构设计、低压配电系统配电设备以及低压配电系统保护，都彰显着低压配电系统的发展已步入成熟阶段。

电能以其输送安全经济；生产与使用方便清洁等优势，逐步成
为人类最为重要的二次能源。但作为能量传输系统，若输配电系统八
不能按照人类设计的方式与运行规则正常工作，便会产生巨大故障，
导致系统崩溃与直接经济损失；甚至对人身安全构成一定的威胁。
因此必须对输配电线路采取防范措施与保护手段，以确保供配电系
统操作人员人身安全和输配电线路的稳定可靠运行。最基本的防范

措施便是通过在各级配电线路安装设置保护电器，以确保在电路出现故障时，可以及时将故障电路断开。这种保护应当满足低压配电设计的有关规范的要求。

数据中心低压配电系统的保护包括过电流保护（短路保护和过负荷保护）、断相保护、低电压保护（欠压和失压保护）等。在不同的应用场合，应按规范要求装设不同的保护，比如，《低压配电设计规范》GB50054-2011规定：

1）配电线路应装设短路保护、过负荷保护；

2）配电线路装设的上下级保护电器，其动作特性应具有选择性，且各级之间应能协调配合。非重要负荷的保护电器，可采用部分选择性或无选择性切断。

短路保护应在短路电流产生的热作用和机械作用对被保护对象造成危害之前切断短路电流。大多数的短路保护均可以采用断路器来实现。采用断路器来实现短路保护，首先应使断路器的短路分断能力>被保护点预期短路电流，预期短路电流应通过计算或测量确定。断路器一般有三个指标来表示其分断能力，即极限短路分断能力、运行短路分断能力和短时耐受电流，三者的意义与区别将在后续章节详细阐述。

配电线路的过负荷保护，应在过负荷电流引起的导体温升对导体的绝缘、接头、端子或导体周围的物质造成损害之前切断电源。

过负荷保护电器宜采用反时限特性的保护电器，其分断能力可低于保护电器安装处的短路电流值。但应能承受通过的短路能量。

当建筑物配电系统符合下列情况时，宜设置剩余电流监测或保护电器，其应动作于信号或切断电源：

1）配电线路绝缘损坏时，可能出现接地故障;

2）接地故障产生的接地电弧，可能引起火灾危险。

剩余电流监测或保护电器的安装位置，应能使其全面监视有起火危险的配电线路的绝缘情况。

低压配电系统的保护类型与保护方式种类繁多，将在下一节详细介绍。数据中心低压配电系统因其肩负着为ICT负载设备与制冷空调系统等负荷7*24小时不间断输出电能的重要责任，同时需要保障系统运行的可靠性，发现故障隐患需要及时切断故障点，避免故障点对系统危害持续蔓延，导致人员伤亡或造成数据中心重大财产损失。因此科学设计与合理选用数据中心低压供电系统的开关设备成为了保障数据中心运行的关键环节。

2．低压配电系统保护类型

(1)过载长延时保护

电气线路中允许连续通过而不至于使电流过热的电流量，称为安全载流量或安全电流。如导线流过的电流超过了安全载流量，就叫导线过载。一般导线最高允许工作温度为65℃。过载时，温度超过该温度，会使绝缘迅速老化甚至于线路燃烧，过载长延时保护就是保护这种配电线路过载的情况。

过载长延时一般用来对电缆过负荷进行保护，以电流有效值为基础，按I²t反时限特性动作。智能控制器跟踪并记录负载电流的热效应，当过载累积的热效应达到预定水平，引动断路器分闸。可通过按键设定长延时可选特性曲线。

(2)短路短延时保护

短路短延时保护防止配电系统的阻抗性短路，此类短路一般是由于线路局部短路故障产生的，电流一般超出过载的范围，但又低于瞬时保护保护值。短路延时保护是基于电流有效值（RMS）的保护，可分为反时限段、定时限段。

短路短延时的分断延时是为了实现选择性，可实现区域联锁功能。当短路故障发生在本级断路器出线侧时，短路短延时将瞬时跳开断路器；当短路故障发生在本级断路器的下一级断路器的出线侧时，则短路短延时经设定的延时时间后跳开断路器。此功能的实现需配合使用开关量输入（DI），开关量输出（D0），DI用于检测下一级断路器的区域联锁信号，D0用于向上一级断路器发出联锁信号。

(3)短路瞬时保护

短路瞬时保护一般是由于线路局部短路故障产生的，电流一般远超出过载电流的范围。当发生短路时，短路电流会对线路、用电设备导电结构产生剧烈热冲击和电动力冲击作用。

为保护用电设备与输电线路免受短路电流破坏性冲击，当短路电流的有效值一越过断路器短路瞬时保护门限值，断路器立即以一个极短的固定时间切断线路，因此称之为瞬时保护。实际由于断路器开断时间的限制，线路和断路器自身必须承受冲击短路电流峰值的冲击。

(4)中性线保护

由于实际应用中中性相所用的电缆及电流特性和其它三相常常有很大差别，智能控制器针对不同的应用情况可对中性线实施不同的保护。当中性线较细时，可采用半定值的方法保护；当中性线和其它相一样时可采用全定值的方法保护；当电网中的谐波比较重时可采用双倍定值或1.5倍定值的方法进行保护。其差异如下方表格所示。

表2-1中性线保护类型

中性线保护类型	QDCC.org.cn
50%	半中性线保护中性相过载故障时，保护动作点等于设定值的一半。中性相短路短延时故障时，保护动作点等于设定值的一
	半。
	中性相短路瞬时故障时，保护动作点等于设定值中性相接地故障时，保护动作点等于设定值
100%	全中线保护中性相过载故障时，保护动作点等于设定值。中性相短路短延时故障时，保护动作点等于设定值。中性相短路瞬时故障时，保护动作点等于设定值。中性相接地故障时，保护动作点等于设定值。
150%00	1.5倍中线保护中性相过载故障时，保护动作点等于设定值1.5倍。中性相短路短延时故障时，保护动作点等于设定值1.5倍。中性相短路瞬时故障时，保护动作点等于设定值。中性相接地故障时，保护动作点等于设定值。
101六200%	双倍中线保护中性相过载故障时，保护动作点等于设定值2倍。中性相短路短延时故障时，保护动作点等于设定值2倍。中性相短路瞬时故障时，保护动作点等于设定值。中性相接地故障时，保护动作点等于设定值
OFF	无中性线保护功能

(5)接地保护

接地故障可引起故障点或导体内的温升，接地保护功能就是为了消除此类故障，有两种接地故障保护方式。差值型（T）保护检测零序电流，即相电流和中性线电流的矢量和，根据设备类型又可以分为3P、4P和3P+N三种。地电流型（W）保护通过互感器直接检测接地电缆上的电流，互感器与断路器间的最大距离可达10米。

3P+N

图 2-11差值型（T）接地保护检测原理图

图2-12 地电流型（W）接地保护检测原理图

(6)漏电保护

漏电保护防止人直接接触外露导电部位，适用于设备绝缘损坏导致的漏电故障，或人体接触外露导电部位而导致的漏电故障，漏电脱扣值和断路器额定电流无关。取信号的方式为零序取样方式，需外加一只漏电互感器，由于其取样是通过同一只互感器进行取样，因此其取样的精度较高，适用于较小电流的取样，其输出信号采用电流取样的方式，便于提高抗干扰能力。

LEC：矩形漏电互感器
图2-13漏电保护检测原理图

(7)电流不平衡保护

电流不平衡保护对断相和三相的电流不平衡进行保护，根据三相电流之间的不平衡率进行保护动作。

(8)电压保护

电压保护有通过附件欠电压脱扣器和通过控制器检测主回路电压两种保护方式。

欠电压脱扣器只能实现欠压情况下的保护。欠电压脱扣器与开关电器组合在一起，当外施电压下降，甚至缓慢下降至额定电压的70%至35%范围内，与开关电器组合在一起的欠电压脱扣器动作，使电器断开。 ODCC.org.cn

智能控制器从主回路探测电压的方式，除欠电压保护外，还可实现过电压保护、电压不平衡保护，并可根据需求设定保护方式为报警或者分闸。智能控制器测量一次回路电压的有效值，当有一个线电压小于设定值时，欠压保护动作，当三个线电压都大于返回值时报警动作返回；当有一个线电压大于设定值时，过压保护动作，当三个线电压都小于返回值时报警动作返回；电压不平衡保护根据三个线电压之间的不平衡率进行保护动作。

(9)频率保护

智能控制器检测系统电压的频率，对频率过低或者过高进行保护，并可根据需求设定保护方式为报警或者分闸。

(10）逆功率保护

逆功率保护取三相有功功率之和，当功率的流向和用户设定功率方向相反，且大于设定值时，保护启动，并可根据需求设定保护方式为报警或者分闸。

(11）相序保护

相序检测取自各相电压，当检测到的相序与相序保护设定方向相反时瞬时动作，当有一相或多相电压不存在时，此功能退出，可根据需求设定保护方式为报警或者分闸。

三、数据中心常用低压开关器件分类

（一）断路器

1．空气断路器（ACB）

空气断路器（AirCircuitBreaker），简称ACB，又称框架断路器或万能式断路器， -般额定电流为630A-6300A。该类断路器通常作为变压器二次侧的保护开关、母排联络开关或主配电回路进线保护开关。需要符合B类断路器的要求，具备短路耐受能力，线路中发生短路故障时，通常由下级断路器切除故障，保障非故障线路的供电连续性。

空气断路器通常配置智能控制单元，具备过载保护、短路短延时保护、短路瞬时保护及接地故障保护等基本保护功能。同时能够测量回路中的电流、电压及电能等重要电参量，配合通信附件可实现本地断路器状态、电参量、故障信息和报警信息等数据的上传。

空气断路器通常由以下部分组成：

1）断路器本体;

2）断路器抽架（如使用抽屉式产品）；

3）智能控制单元（按保护、测量及通信等功能要求选择具体型号）；

4）母排连接端子（通常有后水平和后垂直两种接线方式）。

空气断路器附件类型众多，通常有以下常用附件：

1）远程操作类：合闸线圈、分闸线圈、欠压线圈、储能马达、远程复位等；

2）触点指示类：位置辅助触点、脱扣报警触点、准备合闸触点，抽架位置触点等; 11

3）安全保护及联锁类附件：分闸位置锁、抽架锁、按钮锁、门联锁、缆绳联锁等；

4）其他：门框、外置互感器、通信模块等。

图 3-1空气断路器（左）与塑壳式断路器（右）

2．塑壳式断路器（MCCB）

塑壳断路器（Molded Case Circuit Breaker），简称 MCCB,一般额定电流为16-800A。该类断路器通常作为变压器二次侧的保护开关，母排联络开关，主配电回路出线保护开关，或分配回路的进线保护开关。一般符合A类断路器的要求，线路中发生故障时，需要和上下级断路器实现选择性配合，正确切断故障电流，并且避免越级跳闸，在保证故障回路被正确切断的同时保证非故障线路的供电连续性。

塑壳式断路器通常具有过载长延时、短路短延时、短路瞬动的三段保护功能。还可以与漏电保护、测量、电操等模块单元配合使用。在低压配电系统中，常作为终端开关或支路开关。

塑壳断路器通常由以下几部分构成：

1）外壳，所有的零件都密封于塑料外壳中，外壳的关键的性能是保证断路器的强度，绝缘和阻燃。

2）脱扣单元，用于检测故障电流，带动操作机构做分闸，从结构的角度可以进一步分为热磁式和电子式。

3）分断单元，用于断开故障电流，从触头结构的角度可以进步分为单断点结构和双断点结构。

4）操作机构，实现断路器分合闸，脱扣和复位。

5）塑壳断路器的保护类型分为N种：配电保护、漏电保护（分为集成式和加装模块式）、接地故障保护、电动机保护、发电机保护。 Dcc.org.ch

现在的配电系统要求断路器除了能通断电流实现电路控制和简单的短路、过载保护外，还要能提供隔离和安全保护功能，特别是在针对人身、设备安全与配电系统的可靠性、节能等方面都提出了新的要求。因此，产品的开发设计需要重点考虑以下4个方面：

1）人身安全，这是断路器设计的红线，在任何情况下需要保证操作人员的人身安全；

2）针对电气线路与设备的保护的可靠性，需要准确地检测故障电流，并切断故障电流;

3）可靠的、不间断的电力供应，需要准确断开电流，并且避免越级跳闸和断电区域扩大化;

4）节能环保，以碳中和为目标。

塑壳断路器通常有以下附件：辅助触点、分励脱扣器、欠压脱扣器、操作手柄、电操、插入式接线端子、抽出式接线端子、绝缘附件等等。

3．微型断路器（MCB）

微型断路器能接通、承载和分断正常电路条件下的电流，而且在规定的异常电路条件下，诸如过载、短路、漏电等故障电流也能接通、承载一定时间和自动分断电流的机械开关电器。同时具备隔离功能。

微型断路器作为支路保护开关，额定电流通常在125A及以下。交流产品具有1P、1PN、2P、3P、4P产品可选，直流产品具备多电压产品可选。

1）断路器本体正面具备可视化故障指示窗口，当断路器因为过载、短路或其他故障电流而脱扣时能够直观的进行本体指示。

2）断路器本体具备绿色指示条，可靠指示断路器内部触头的状态位置。

3）断路器结构能够有效限制触头闭合时的能量释放，不受外力控制机械速度，从而有助于防止设备过热和老化，保障长时间运行的安全可靠。

4）多极断路器每一极都具备独立的腔体，加强绝缘能力。

5）断路器端子应具备IP20B防护等级，有效保障人身安全。

6）断路器本体可根据需求搭配模块化附件、例如：辅助触点、分励线圈、电动复位机构等电气和机械附件。

7）断路器本体可根据需求搭配智能化模块附件，实现监测、计量、控制等智能化功能。

8）断路器上下级之间可通过匹配表实现级联和选择性，提高产品分断能力、保障供电连续性。

9）辅助触点及故障指示触点应选用匹配系统电流电压的产品，内部触头不易受到环境污染，长时间工作保证的稳定性和可靠性。

10)产品为绿色友好型产品，具有相应的ROHS& REACH等环境

报告。

（二）隔离开关

隔离开关在分位置时，触头间有符合规定要求的绝缘距离和明显的断开标志；在合位置，能承载正常回路条件下的电流及在规定时间内异常条件（例如短路）下的电流的开关设备。

隔离开关的结构和原理：

1）导电部分：包括触头、闸刀、接线座。主要起传导电路中的电流，关合和开断电路的作用。

2）操动机构：通过手动、电动向隔离开关的动作提供能源。

3）传动机构：接收操动机构的力矩，将运动传动给触头，以完成隔离开关的分、合闸动作。

隔离开关是一种主要用于隔离电源、倒闸操作、用以连通和切断小电流电路，无灭弧功能的开关器件，在电力系统中其主要作用如下:

1）隔离电源。在电气设备检修时，用隔离开关将需要检修的电气设备与带电的电网隔离，形成明显可见的断开点，以保证检修工作人员和设备的安全。

2）倒闸操作。在双母线接线形式的电气主接线中，利用与母线相连接的隔离开关将电气设备或供电线路从一组母线切换到

另一组母线上去。

按照隔离开关在电网中担负的任务及使用条件，其基本要求有：

1）隔离开关断开点之间应有足够的绝缘距离，以保证在过电压及相间闪络的情况下，不引起击穿而危及工作人员的安全。

2）隔离开关应具有足够的热稳定性、动稳定性、机械强度和绝缘强度。

3）结构简单，动作要可靠。

4）隔离开关应具备挂锁功能，避免隔离检修期间被误操作。

隔离开关与断路器的配合原则：

由于隔离开关没有专门的灭弧装置，只能用来分、合只有电压而没有负荷电流的电路，在电路中，为了避免隔离开关在带负荷情况下进行操作而引起的电网事故，一般只能在断路器断开的情况下才允许拉、合隔离开关。

因此在线路停、送电时的具体操作顺序为：停电操作时，断开断路器后，先拉线路侧隔离开关，后拉母线侧隔离开关；送电操作时，必须先合母线侧隔离开关，后合线路侧隔离开关，再合上断路器。

（三）转换开关电器

根据国家标准《低压开关设备和控制设备第6-1部分：多功能电器转换开关电器》（GB/T14048.11）的定义，转换开关电器（TSE）是指由一个或多个开关设备构成的电器，该电器用于从一路电源断开负载电路并连接至另外一路电源。转换开关电器根据短路能力分为PC级、CB级和CC级。根据控制转换的方式分为手动操作转换开关电器（MTSE）、远程操作转换开关电器（RTSE）和自动转换开关电器（ATSE）。根据结构分为专用型转换开关电器（TSE-S）和派生型转换开关电器（TSE-D）。

在数据中心行业的实际应用中，更多的指用于不同电源之间转换的装置或系统，并不局限于接入的电源数量、类型以及执行开关的数量。

转换开关电器的选型必须考虑负荷类型、负荷允许的最大断电时间要求、转换频度、应用位置的预期短路电流等多种因素，具体可参照国家标准《转换开关电器（TSE）选择和使用导则》（GB/T31142）。

转换开关电器根据应用位置的不同一般划分为电源端、配电端和负荷端，其中电源端通常指首级主配电的位置，即多个电源接入的第一级；负荷端通常指最终用电装置距离最近的配电位置；电源端和负荷端之外的其他位置一般归为配电端。

当转换开关电器应用于电源端时，在数据中心行业里最常见的接入电源是市电和柴油发电机组，因此通常用于转换市电与市电、市电与柴发电。通常由TSE管理柴油发电机组的起动、停机，柴油发电机组接收到TSE信号后进行起动和停机动作。在部分海外数据中心（例如美国）中，多个ATSE相互配合还能起到柴油发电机组容量管理的作用，可以根据电源容量、负荷率、负荷分级要求等因素自动调节负荷的接入和退出。在应用于单母线分段带联络的主接线形式时，应特别注意与中压电源转换系统之间的配合，低压主配电处的转换开关电器应具备外部信号闭锁转换（和解除闭锁）的功能，通过这样的闭锁和时间配合，避免TSE动作过程的相互干扰。

在要求达到冗余或容错等级的数据中心里，应考虑转换开关电器的在线可维护，根据国标图集的要求和具体的配电架构选择一体化双旁路型转换开关，避免因TSE造成单点瓶颈、降低整个供配电系统的可用性。

当转换开关电器应用于负荷端时，负荷主要被分为两大类：消防类负荷和非消防类重要负荷。通常用于转换市电与市电、市电与UPS（不间断电源）电，其他情况相对少见。特别需要注意的是，为防止电源转换过程中造成的中性线缺失问题，用于UPS上游的转换开关电器应具备中性线重叠切换功能。 C.org.cn

（四）接触器与继电器

接触器和起动器属于量大面广的控制电器，主要用于频繁接通或分断交、直流主电路和大容量控制电器，其主要控制对象是电动机，也可以用于控制其他电力负载，如电热器、照明设备、电焊机、电容器组。接触器和起动器可实现远距离频繁操作，与继电器配合使用可实现多种控制及保护功能，例如延时操作、联锁控制、定量控制和欠压失压保护，接触器和起动器已经被广泛应用于自动控制电路中。

1．接触器的结构和原理

接触器由主体部分和附件构成。主体部分主要包括主触头、灭弧室、电磁系统、反力弹簧、支架、外壳等，附件则包括辅助触头、机械连锁模块、接口模块、浪涌抑制模块等。

接触器的工作原理：当电磁系统线圈通电而使衔铁吸合时，常开主触头和常开辅助触头接通，常闭主触头和常闭辅助触头分断，反力弹簧储能；电磁系统断电衔铁释放时，则相反；当接触器电磁线圈不通电时，弹簧的反作用力和衔铁的自重使主触头保持在断开位置（常闭接触器则保持在闭合位置）

2．接触器的主要特征

按照接触器定义和功能，具有如下特点：

1）　操作方式为非手动操作，而采用电动或气动等操作方式；

2）仅有一个休止位置；

3) 可远距离、频繁操作；

4) 电气寿命和机械寿命长;

5）除了欠压（失压）释放外，不具有故障保护功能；

6) 正常工作时必须具有控制电源。

3．接触器的分类

接触器用途广泛，品种繁多，根据不同特点分类的方法很多，常见的分类方法有： 011010

1) 按主触头所控制的电路种类的不同，可以分为交流接触器和直流接触器；

2）按主电路极数的不同，可以分为单极接触器、两极接触器、三极接触器和多极接触器；

3）按电磁接触器吸引线圈电源性质的不同，可分为交流励磁接触器和直流励磁接触器;

4）按灭弧介质的不同，可以分为空气接触器和真空接触器;

5）按使用类别的不同，可以分为通用接触器、灯负载专用接触器、电容器专用接触器和空调专用接触器等；

6）按执行通断功能型式的不同，可以分为电磁接触器（有触头接触器）、半导体接触器（无触头接触器）和混合接触器（有触

头和无触头结合的接触器）。

（五）熔断器

熔断器是一种当通过的电流超过规定值一定时间后，以本身产生的热量使熔体熔断，从而断开电路的电器。熔断器广泛应用于高、低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过载电流的保护器件，是应用最普遍的保护器件之一。

1．熔断器的结构和原理

熔断器一般由熔断体和熔断器支持件组成，其中熔断器支持件包括：底座和载熔件。熔断体一般由：熔管、熔体、触头、盖板、石英砂等组成。

当电流超过规定值足够长的时间，熔体会在某个或多个部位逐渐发生熔化并形成断口，此时断口处会产生电弧，然后通过周围石英砂的灭弧作用，最终实现电路的开断。

2．熔断器的特点

ptDCC.org.cn

1．限流特性好，分断能力高，短路电流开断速度快

2.相对尺寸小

3．价格较便宜

4．故障后需要更换熔断体

5．正常运行时容易产生热量，有一定功耗

6．无法实现对电路分合的主动控制

3．熔断器的分类

熔断器根据不同特性分很多种类：

1.根据电压等级可分为高压熔断器和低压熔断器（≤1000V AC或≤1500V DC）。

2．根据保护电路类型可分为交流熔断器和直流熔断器。

3．根据保护对象可分为：通用保护熔断体（主要是线路保护）、半导体保护熔断体、电动机保护熔断体、光伏系统保护用熔断体、电池和电池系统保护用熔断体等。

4．根据分断范围可分为：部分范围分断能力熔断体和全范围分断能力熔断体。

（六）电涌保护器及其保护开关

电涌保护器根据所保护的系统类型主要分为用于低压配电系统、用于电信和信号系统两大类。

用于低压配电系统的电涌保护器主要遵循国家标准《低压电涌保护器（SPD）第1部分：低压配电系统的电涌保护器性能要求和

试验方法》（GB18802.1）。

用于电信和信号系统的电涌保护器主要遵循国家标准《低压电涌保护器第21部分：电信和信号网络的电涌保护器（SPD）性能要求和试验方法》（GB/T18802.21）和《低压电涌保护器第22部分：电信和信号网络的电涌保护器（SPD）选择和使用导则》（GB/T18802.22）

根据上述国家标准的定义，电涌保护器（SPD）是指用于限制瞬态过电压和泄放电涌电流的电器，它至少包含一非线性的元件。

用于低压配电系统的电涌保护器分类：

1）根据端口数分为一端口和二端口。

2）根据 SPD的设计类型分为电压开关型、电压限制型和复合型。

3）根据 SPD的试验分为I类、II类和III类。

电涌保护器的选型必须考虑所处雷电分区、接地型式、被保护设备的耐压要求等多种因素，具体可参照国家标准《建筑物防雷设计规范》（GB 50057）《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB 50343）和《低压电涌保护器第22部分：电信和信号网络的电涌保护器（SPD）选择和使用导则》（GB/T18802.22）。

特别需要注意的是，位于室外环境、而在低压配电系统又处于末端的被保护设备，例如屋顶的制冷设备等，在选择配电系统电涌保护器时需考虑同时通过I类和II类试验的、电压保护水平匹配被保护设备要求的规格。

在数据中心行业的实际应用中，低压配电系统的防电涌普遍比较重视，而信号系统的防电涌重视程度则相对较低。在一些设置集中冷源的园区型数据中心项目中，管道在室外环境架设的情况也较常见，当这类管道设置仪表类元器件时也应考虑信号系统的防电涌措施。还有就是园区周界安防摄像设备等，可能受到雷电侵害的可能性较高，尤其是数据中心被物理侵入造成影响和损失较大的，也应考虑信号系统的防电涌措施。

电涌保护器前级的保护开关传统上以采用微型断路器、熔断器或者塑壳断路器为主，但这些用于配电的保护开关在应用于防电涌支路时，越来越多的案例暴露出问题，例如被雷电冲击导致误跳或爆裂、最终导致 SPD失效，以及残压高无法实质保护设备等，因此需要应用电涌保护器专用保护开关来解决上述问题。

该类专用保护装置的选型必须考虑配电系统中SPD所处的位置、SPD接线形式等因素，也可以直接选用专用保护一体式 SPD。

四、低压开关分断技术

低压开关接通、承载与分断电路通常通过机械触头的电接触与分离实现，分合闸过程中往往伴随电弧现象。这里以低压断路器作

为低压开关的代表，通过阐述低压断路器的基本结构组成，分析低压开关分断过程中的灭弧机理与技术。

（一）断路器结构组成与分断原理

1．一般断路器的结构组成

断路器能接通、承载以及分断正常电路条件下的电流，也能在所规定的非正常电路（例如短路）下接通、承载一定时间和分断电流的一种机械开关电器，一般由传感元件、执行元件和传递元件三部分组成。

传感元件

传感元件又称感受元件，能感受到电路中非正常的情况和操作人员的命令或其他继电保护系统的信号，通过传递元件使执行元件动作。传感元件有许多类型，如热双金属脱扣器、电磁式脱扣器和电子式脱扣器等，其动作原理不同。

1）热双金属脱扣器

热双金属脱扣器主要感受过载电流的大小，利用该电流通过热双金属片使双金属弯曲而动作。通过热双金片的电流越大，它的弯曲变形越快越大，脱扣器的动作时间越短。形成反时限的保护特性。

2）电磁式脱扣器

电磁式脱扣器由电流线圈、铁心、衔铁和反力弹簧构成。当过电流通过电流线圈时，衔铁上所产生的电磁力足以克服反力弹簧而吸向铁心，产生瞬时动作。改变反力的大小可以改变动作电流值。多用于大短路电流的保护。如果用阻尼装置(油阻尼器或钟表延时机构)配合，亦可得到延时动作。

分励脱扣器也是一种电磁式脱扣器，它由电压线圈、铁心、衔铁和反力弹簧机构构成。由控制电源供电，它可以按照操作人员的命令或继电保护信号使分励脱扣器动作，从而使断路器断开。一台断路器可装一个或两个分励脱扣器，以满足控制的需要。

失压脱扣器或欠电压脱扣器也是一种电磁式脱扣器，感受电源电压的变化。当电压正常时(额定电压)，衔铁处于吸合状态。当电源电压消失或降低至一定数值(一般为额定电压的 35%)时，失压或欠电压脱扣器的电磁吸力不足以继续吸持衔铁，在反力弹簧的作用下，衔铁被释放而使断路器分断电路。

3）电子式脱扣器

电子式脱扣器由传感器、电子电路和脱扣执行机构构成。电子式脱扣器可以方便地获得长延时、短延时、瞬时保护特性和接地保护等，具有明显的优势，同时发展迅速。

电子式脱扣器的传感器为电流互感器，装在断路器的主电路中，经适当的变比反应主电流的变化。互感器有两种型式：其一为带铁心速饱和互感器，它的二次输出可作为电子电路的工作能源，其低电流区线性较好，可用作采集电流变化信号；其二是无铁心的空心互感器，主要用作信号采集，因为它的线性较好。为了提高脱扣器的可靠性和精确度可同时采用两种互感器来组成采样电路，例如现代智能型断路器就采用这种方式。

电子式脱扣器的脱扣执行机构可用分励脱扣器、欠电压脱扣器或磁通变换器来完成。

采用分励脱扣器是将电子电路的最终触发信号送至分励器脱扣器，使分励脱扣器吸合从而使断路器分断。同样采用欠电压脱扣器者是电子电路的最终触发信号送至欠电压脱扣器，将欠电压脱扣器短接，使欠电压脱扣器动作而使断路器分断。这两种方式的优点是结构简单，通用性强。其缺点是电子电路要提供较大的功率，且动作速度较慢，在传统产品中较多采用。在新型智能脱扣器中则采用磁通变换器作脱扣执行机构，其消耗功率小，动作速度快，体积质量也小，工作可靠。

所谓磁通变换器，是一种类似极化继电器工作原理的电磁系统。当断路器处于正常闭合位置时，磁通变换器的铁心被永久磁钢的吸力吸位。当出现过电流时，通过传感器至微处理器处理过的信号使线圈有电流流过，提供一个反向磁通，抵消了永久磁钢的吸力，铁心在反作用弹簧下弹出，推动机构的脱扣指使断路器脱扣。由于造成反向磁通的电流极小，因而脱扣所需的功率很小。

执行元件

执行元件包括主触头和灭弧室，二次触头(辅助触头)也是一种执行元件。触头执行接通或分断电路的任务，灭弧室用来配合触头执行任务、帮助熄灭触头分断时产生的电弧。

触头系统有多种类型。例如有单断点触头、双断点触头(桥式触头)；主触头、弧触头。有时还有副触头(三挡触头)，并联触头和单片触头并联)，以及对接触头和插入式触头，要根据具体情况选用。

传递元件

传递元件是承担力的传递、变换的部件，它包括传动机构、自由脱扣机构、主轴、脱扣轴等。断路器的绝缘底座、外壳或框架属承担力的传递的部件，各种机械连杆承担力的传递与变换。传动机构将人力或电力变为合闸力，使断路器闭合或断开。主轴把三相或四相触头带动一道闭合或断开。脱扣轴则把各相的脱扣动作传递给机构使之脱扣。

自由脱扣机构是低压断路器的一种特有性能，它把传动机构和触头系统之间的联系变为柔性联系。当自由脱扣机构再扣时，传动机构能直接带动触头系统闭合。当自由脱扣机构脱扣时，则解锁了传动机构与触头系统之间的联系，这时传动机构不能带动触头系统闭合。它应满足：当闭合操作开始之后，若进行脱扣操作时，即使闭合命令继续保持着，其动触头能回到并停留于断开位置。以达到操作安全的目的。

2．一般断路器的动作原理

将上述传感元件、执行元件和传动元件合理地组合一起，可构成一台断路器。如图4-1，当反时针方向推动操作手柄时(手动传动机构)，力经自由脱扣机构传递给传动杆，使触头闭合。最后锁扣将自由脱扣机构锁住，被保护电路接通。为了实现过载和短路保护，三相 (或四相)电路内串有热磁式脱扣器或穿有电流互感器，当三相中任何一相或二相、三相出现过电流时，感受元件将动作。过电流不大时，热双金片慢慢弯曲(与电流大小成反比)，经过一定延时后推动牵引杆，使机构脱扣；当过电流大到足以克服衔铁上的反力弹簧时，衔铁迅速拍合上磁轭，推动牵引杆，使机构瞬时脱扣(热磁式)。或当出现过电流时，互感器的二次输入超过整定值时(智能型)，过电流信号经运算处理后使机构脱扣。可达到过载长延时、短路短延时，大短路电流瞬时动作的保护特性。

图4-1热磁式断路器的结构原理

传动机构除手动外可带电动传动机构，电磁铁和电动机操作都有应用。采用电动机传动者一般都是储能操动机构。即电动机转动通过齿轮系统减速后将储能弹簧压缩或拉伸，直到能量储足，然后将此能量释放，推动机构快速闭合。

装有欠电压脱扣器的断路器可完成欠电压保护。装有分励脱扣器的断路器可实现遥控，可远方发指令，令断路器分断。以上各部件装入一个塑料外壳中就成为一台塑料外壳式断路器。所有零部件装入绝缘材料或金属材料的框架中，就成为万能式断路器。

（二）低压交流开关灭弧原理

交流电弧电流过零时，电弧的输入功率为零，此时弧隙得不到能量，却仍以热对流、热传导等方式继续散出能量，使弧隙温度迅速下降，这样弧隙的消电离作用将大大增强，电弧会暂时熄灭。在电弧电流过零以后，电弧可能再次重新燃烧，也可能就此熄灭。只要弧隙在电弧电流过零以后不再发生重燃，则电弧就会最终熄灭。因此，交流电弧电流过零为熄灭电弧创造了有利条件，相同条件下熄灭交流电弧要比熄灭直流电弧更容易。

从电弧电流过零时刻开始，弧隙上同时进行着作用相反而又相互联系的两个物理过程：一个是弧隙中电离气体从导电状态迅速转变为绝缘状态，使弧隙能够承受电压作用而不发生电弧重燃的过程，叫介质恢复过程，用介质恢复强度Ujr;表示;另一个是由于电弧熄灭后电路被开断，使弧隙两端的电压从零或反向电弧电压上升到电源

电压的过程、叫电压恢复过程，用恢复电压Unr表示。

图 4-2 弧隙中的介质恢复过程和电压恢复过程曲线

显然，介质恢复过程使弧隙的介质强度不断增加，它将阻碍弧隙的重燃而使电弧最终熄灭；而电压恢复过程使弧隙上的电压升高，将可能引起电弧重燃。因此，电弧电流过零以后，交流电弧能否不发生重燃而真正熄灭，将取决于介质恢复过程和电压恢复过程的竞赛。若介质恢复强度Uj的数值总是大于恢复电压U的数值，则电弧趋于熄灭;若Ujr在某一瞬间小于U，则电弧可能继续燃烧。

（三）低压直流断路器分断原理

1．直流电弧的稳定燃烧点

设有如图4-3所示直流回路，E为电源电动势，L和R分别为电路中的电感和电阻，C为折算到弧隙两端的线路分布电容。通常C的数值很小，当电弧电压变化不快时可忽略不计。当触头1和2之间存在电弧时，可写出微分方程式：

$$\tag{4-1}$$

对式(4-1)移项，得

$$\tag{4-2}$$

图4-3带有电弧的直流电路
图4-4直流电流的稳定燃烧点

在图4-4中，曲线A'-A表示给定条件下电弧的静态伏安特性，水平直线ab表示电源电动势E，直线ac与ab成一夹角α。令α

=arctanR，则ac 的高度表示E-I，R。直线ac 和曲线 A'-A交于1、2两点。

电弧稳定燃烧状态时，电弧电流I=常数，即 dIn =0，由式(4-1)dt知

$$\tag{4-3}$$

从图4-4可见：

1）在点1以左和点2以右的区域，直线ac的高度低于曲线dl pA'-A的高度，即(E-IR)-Un<0，得L <0，所以，这两个区域内，dtI将随时间的变化不断减小。

2）在点1以右和点2以左的区域，直线ac的高度高于曲线dlrA'-A的高度，即(E-IR)-Un>0,得L-t >0，所以，在这个区域内，I将随时间的变化不断增大。

dln3）在点1和点2上，(E-IR)-U=0，得-a𝑡 =0，也就是In为常数，电流I不随时间变化，电弧处于稳定燃烧状态。

由此可见，存在两个稳定点：点1和点2，分别对应于电流I,和I2。但是经仔细分析可知，点1的稳定燃烧是虚假的。这是因为：当I=I时，若有某种原因(例如弧长稍有变化)引起In稍大于I，则电路工作状态将背离点1进入点1和点2之间的区域，由于该区域L >0，于是I将继续增大，直到I=I；反之，若某种原因使In稍小于I，则进入1点以左的区域，此区域L<0，因此I将继续减小直到电弧熄灭。点2的情况则完全不同：当I=I时，不论何种原因引起In稍微偏离I，使电路工作状态进人点2以右或以左的区域，In都会自动返回到点2。由此可见，只有点2才是直流电弧的稳定燃烧点。

2．直流电弧的熄弧条件

在开关电器中，人们希望电弧不存在稳定燃烧点，从而促使电弧尽快熄灭。 101011010

图4-4表明，若使直流电弧不存在稳定燃烧点，必须使直线ac与曲线A'-A没有交点。因此，直流电弧的熄灭条件为：

$$\tag{4-4}$$

式(4-4)说明，当电路中电源电压不足以维持稳态电弧电压和线路上的压降时，或者说，外界电路施加在弧隙两端的电压低于维持电弧稳态燃烧所需的电压时，直流电弧趋于熄灭。

3．直流电弧的灭弧方法

根据直流电弧的熄灭条件，结合图4-4 可知，可以从两个方面采取措施：一是增加回路电阻R，使α角增大、直线ac变成ac';二是提高电弧的静态伏安特性曲线A'-A，使其移至A'-A1不与直线ac 相交。使稳定燃烧点不存在的措施如图4-5所示。

图 4-5 使稳定燃烧点2不存在的措施

为了熄灭直流电弧，低压开关电器通常采用提高电弧静态伏安特性的措施。

$$\tag{4-5}$$

其中Un为电弧电压，U为近阴极压降，Ua为近阳极压降，Uz为弧柱压降，U为近极压降，U=U+Ua，E、1分别为弧柱的电场强度和长度。

由电弧电压公式(4-5)可知，提高直流电弧的静态伏安特性，即增大Un，可以采取以下措施：

(1)增大近极压降 U。

采用n个平行排列的金属栅片将电弧分割成n+1个串联的相对较短的短弧，如图4-6所示。

图 4-6用金属栅片将电弧分割成串联短弧

由于每一个短弧都有一个近极压降U。，则总的电弧电压Un为

$$\tag{4-6}$$

式中，n为串联的短弧数；l为全部短弧的长度之和。

（2）增大电弧长度1

工程中常用的具体方法如下

1)用机械的方法增加触头之间的距离，如图 4-7 a)所示。

2)依靠导电回路自身的磁场或外加磁场使电弧横向拉长，如图4-7 b)所示。

3)在磁场的作用下，使弧根在电极上移动以拉长电弧，如图 4-7c）所示。

a）

c）
vt一切向速度 Un-法向速度
图4-7增加弧长的方法

(3)增大弧柱的电场强度E

1)增大气体介质的压力p。在高气压气体介质中，I,=1-20A 时，弧柱的电场强度E(V/cm)为

$$\tag{4-7}$$

式中，p为气体介质的气压(Pa);c、n和m均为常数。对于空气，c=80，n=0.6，m=0.31; 对于氢气，c=400，n=0.7.m=0.32。

由式(4-7)可知，相同条件下提高气体介质的压力p，可以增加弧柱的电场强度E。当气体介质的压力升高以后，电弧内部带电粒子的浓度增加，其平均自由行程减小，动能减小，使碰撞电离困难，电弧热传导及热对流的散热效果也越强，因此不易产生电离，导致弧柱的电场强度E上升。

2)增大电弧与流体介质之间的相对运动速度v。电弧与其周围气体介质之间的相对运动方式包括：电弧在磁场作用下在静止的流体介质中横向运动、采用高速运动的流体介质横吹或纵吹电弧（如图4-8 所示），进而达到提高电弧电压的目的。

图4-8强迫吹弧示意图

在1个大气压的空气中，铜电极间横向运动的电弧，当V<200m/s、I<600A 时，弧柱的电场强度E(V/cm)与电弧运动速度v的关系为

$$\tag{4-8}$$

3)采用绝缘栅片。使电弧与耐弧的绝缘栅片 (如陶土)密切接触，依靠电弧与绝缘栅片之间的热传导作用，加强电弧的冷却效果，使复合能力增加、弧柱的电场强度E增加。

（四）低压开关分断技术手段

从电路通断的载体形式上来看，低压开关可以分为机械开关、固态开关和复合开关三类。三种类型通断技术手段各有差异。

1．机械开关

机械开关用来接通电路的载体一般称为动、静触头，通常动、静触头都是由导电性和表面耐候性优异的金属材料制成。接通操作时，动、静触头物理接触接通电路；分断操作时，动、静触头分离，绝缘的灭弧介质填充在动、静触头之间使电路断开。机械开关接通或断开过程中，电路其他部件中储存的电荷会释放出来在动、静触头之间形成电弧。因此机械开关的分断始终围绕着熄灭电弧和阻止电弧重燃两个话题。低压领域中的机械开关通常采用空气和真空作为灭弧介质。

在空气开关中一般采用动、静触头分离时拉长和分割电弧来分断电路，利用空气填充在触头之间阻止电弧重燃。真空开关中则是利用真空管（或称真空灭弧室）中动静触头分离时，真空的优良绝缘性熄灭电弧、抑制电弧再生（真空环境中离子体极少，其密度不足以形成电离桥，极难形成电弧）来分断电路。因此同类型同规格的真空开关比空气开关的开距（机械开关断开状态下，动、静触头之间的距离）通常要小。

对于低电压、较小电流负载的开关，在分断过程中产生的电弧较小，仅依靠动、静触头之间距离的拉开，无需额外的灭弧手段即可让电弧自行熄灭。对于较高电压和较大电流甚至短路电流下，尤其是直流和感性、容性负载较多的电路中，电弧就非常难以熄灭，必须采用很多手段才能达到目的。在空气开关分断过程中，很重要的一点就是限流，通过限制电流的上升至电流下降最后到电弧熄灭（电弧是电流的一种体现形式）。本小节以下介绍在低压空气开关主要用到的分断技术手段和一些大电流接通时的技术手段。

电弧电阻限流

低压空气开关在电路正常和非正常电流的分断中，依靠电弧电阻的压降限流是使用最为普遍且有效的方法。

1）串联双（多）断点，增加初始电弧段数量，目前主流的限流断路器多采用串联双断点结构，有平行运动的双断点形式，也有旋转运动的双断点形式。在直流断路器中有串联使用多个断点的结构。各种串联双（多）断点结构的根本目的是为了增加分断时电弧的数量，以产生更多的电弧压降。

2）通过提高起弧速度和电弧移动速度来加快电弧电阻接入电路速率、通过拉长和分割电弧、强行冷却电弧来增加整体电弧电阻。

提高起弧速度主要利用电流流过导体时的磁电效应，合理设置动静触头导体的结构和位置，充分利用导体间的电动力，保证触头在大电流来临时克服触头压力斥开。常用措施有：①U形静触头结构。②静触头为半固定方式，在大电流来临时动、静触头可相互斥开。该类措施应用在开关的短路分断中。

提高电弧移动速度和拉长电弧通常是通过在触头系统中设置引弧角或引弧片，并对电弧进行磁吹或气吹实现。引弧角或引弧片可起到引导电弧和加速弧根移动的作用。磁吹或气吹是运用外加磁场或气压差来加强电弧的移动速度并拉长电弧。磁吹的主要措施有：①环绕触头周围加装导磁板，导磁板在电弧电流下磁化产生的磁场，提供磁吹力；②设置专用的线圈或永磁体进行磁吹，一般应用在直流开关中。气吹通常是在触头周围的侧壁设置绝缘产气材料，并保证触头与灭弧室所在的腔体有合理的气道和一定的气密性。产气材料在电弧高温下降解产生的气体将裹带电弧朝灭弧室中运动。气吹也能起到冷却电弧的作用。

分割和强行冷却电弧的主要措施为：在灭弧室中应用窄缝、横隔板、迷宫或铁磁栅片式等结构。电弧在这些结构中被切成数段且与固体介质接触被冷却。

依靠拉长和分割电弧来达到限流目的的方法与触头的开距和分断速度关系很大。 -定电流规格的产品在体积限制下，开距不会有太大的变化。触头的分断速度与触头和操作机构的运动速度有关。除了提高产品机构固有的动作速度外，常用提高触头和机构运动速度的措施有：①利用高速运动的瞬动电磁铁通过推杆撞击动触头使之加速分离。②利用触头斥开时产生的膨胀气体通过一个气动机构加速操作机构脱扣运动。事实上触头的分断速度达到一定的程度就很难继续提高，人们需要去寻找其他的限流方法。

产品固有材料电阻限流

该技术手段顾名思义是利用提高产品内部导电零件的电阻来进行限流的方法。当然实现的前提是产品的温升能够达到要求，因此该方法通常用于小电流规格的低压断路器产品。方案如下：

断路器的接触板等导电材料使用铜钢复合材料或黄铜代替纯铜，一方面增加了整个产品的限流电阻，另一方面增加了触头的结构强度。由于导电材料电阻发热的影响，该方案较适合应用于40A以下的断路器中。

这里介绍一下铜钢复合材料的优势。①省铜、成本低。比如室温下厚度比为8%T2／84%Q235／8%T2（质量比约为17.8%T2／82.2%Q235）的铜钢复合板20℃下电阻率约为7.03μΩ·cm，常用黄铜电阻率与之相近的牌号为H62（20℃电阻率7.1μΩ·cm），而前者的成本仅为后者的70%左右。并且随着未来加工工艺的继续提高和铜资源的紧张，铜钢复合材料的成本优势会更加明显。②结构强度好。由于中间有一层钢板，同样厚度的铜钢复合板强度通常会高于黄铜和纯铜。③焊接后不易变形。铜材料焊接骤冷后往往会变软易发生形变尤其是无支撑的U型静触头，而铜钢复合板焊接后与焊接前硬度和强度变化较小。④可增强磁场。在一些断路器的触头系统中，铜钢复合板中的钢铁材料在电流下磁化，可增强在灭弧时对电弧的磁吹效果。 0101100

断路器起过载保护作用的热元件采用直接加热或混合加热形式，将热元件的电阻串入产品中增加了整个产品的限流电阻。该方案一般应用于100A以下的断路器中。

外接电阻限流

在产品的进线端或进出线端都额外增加电阻性负载限流器，用以增加大电流产生时产品的电阻值。 C.org.cn

变阻限流器限流

额外加装通过正常工作电流时呈现为低阻态、通过大电流时呈现为高阻态的变阻限流器。例如PTC电阻限流器利用了PTC材料的正温度系数非线性电阻特性。流过限流器的是正常负载电流时，PTC材料发热小，温度低，电阻小；当出现大电流时，PTC材料急剧发热并膨胀，热量无法迅速散发导致温度急剧上升，在微秒级时间内电阻急剧增加；当大电流切除一段时间后，PTC材料的热量得到散发，温度降低，又恢复到低电阻状态。该种限流器在低压领域作为附件安装在一些断路器的进线端。

2）稳态电阻短时接入限流（大电流接通时的技术手段）

在产品的进线端或进出线端都额外加装较大电阻零件，电阻零件通常为一段铁基（铁铬铝等）合金材料的金属电阻限流线，在预期出现大电流前接入电路，电流恢复正常后切出电路。该种类型的限流方式大量使用在切换电容器交流接触器接通操作中。在电力系统中使用并联电容器进行无功补偿时，在电容器接入电网的瞬间会产生高峰值和高频率的浪涌冲击电流，其峰值可达到并联电容器额定工作电流的15倍以上。控制并联电容器投入执行的装置通常为交流接触器，普通交流接触器在浪涌电流的冲击下很容易造成主触头熔焊。切换电容器交流接触器的线圈通电时，先接通串有限流电阻线的辅助触头，它把电力电容器通过串联电阻线接入电路，从而有效地限制浪涌电流峰值；数毫秒以后，浪涌电流降低、接触器主触头才闭合，此时电阻线被短接；再经历数毫秒，串联电阻线的辅助触头断开，将其切出电路。

熔体分断

熔断器与其他机械开关差异较大。正常情况下，它依靠其他开关切断电路。异常大电流下，它利用熔体熔化分解，绝缘介质（比如石英砂、空气等）填充至进出导电部件之间使电弧冷却熄灭。

2．固态开关

固态开关是利用三极管、MOSFET、IGBT、可控硅等功率半导体元件的饱和区与截止区之间的特性差异，通过在两种状态之间切换，实现电路开关状态的切换。

固态开关与机械开关相比的优点是反应灵敏、无电弧、无噪音、操作频率高、寿命长、抗冲击振动能力强，缺点是通态功耗高、过载能力差、工作温度范围相对窄、断开状态存在泄漏电流。一般而言，在直流和操作较频繁的电路应用中，固态开关在正常负载和低倍过载电流的通断操作时更具优势。由于固态开关的缺点也很明显，因此通常与机械开关配合使用。

固态开关中固态断路器内置有电流检测装置，常为锰铜、霍尔传感器等，可在纳秒级别检测到短路或过载电流来临。电流传感器提供信号给关断电路，由关断电路操作固态元件关断，从检测到完成电路断开的时间可控制在微秒级别。小电流规格的固态断路器通常不带选择性保护，由于断开速度快，采用空冷散热片足以满足需求。大电流规格的固态断路器如带选择性保护，需要承受短时耐受电流产生的巨大热量，在分断过程中过热现象较机械断路器更为显著，因此常配备带风扇的空冷系统甚至液冷系统。固态断路器也可以利用谐振电路和PTC 变阻限流器来提高短路分断能力。

固态继电器在使用时，易因过流、过压和负载短路造成内部功率半导体元件永久损坏。可在电路中串联电感降低电流变化速率、增加快速熔断器或机械断路器进行过流和短路保护，可内置压敏电阻或RC吸收回路进行过压保护。

3．复合开关

复合开关是固态开关与机械开关的集成，是利用固态开关的无弧、高寿命的特点接通和分断电路正常负载，利用机械开关的低通态功耗来保持电路。比如上海诺雅克电气的NEV系列直流继电器就属于这类产品。混合开关通断正常负载电流的技术手段与固态开关基本相同。复合开关与机械开关和固态开关相比，优点是无电弧、寿命长、通态功耗低、断开无泄漏电流，缺点是开关速度相对较慢、成本高、需要依靠额外的短路电器保护。图4-9是一种单相复合开关的简化电气原理图，电路接通顺序如下①S2闭合-②晶闸管导通-③S1闭合-④双向晶闸管关断-③S2断开，电路断开顺序如下①S2闭合-②晶闸管导通-③S1断开-④双向晶闸管关断-③S2断开。图4-10是一种三相复合开关的简化电气原理图，电路接通顺序如下①

S3 三联开关闭合-②B、C相晶闸管按相位顺序导通-③S4双联开关闭合-④晶闸管关断，电路断开顺序如下①B、C相晶闸管导通-②S4双联开关断开-③B、C相晶闸管按相位顺序断开-④S3三联开关断开。

图4-9复合开关1

图4-10复合开关2

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五、低压开关特性与参数

（一）额定电压

1．额定工作电压

断路器正常工作下的电压，一般要高于或等于系统电压。标准规定中表征额定工作电压即在规定条件下，保证电器正常工作的工作电压值。

2．额定绝缘电压

额定绝缘电压指的是在规定条件下，用来度量电器及其部件的不同电位部分的绝缘强度，电气间隙和爬电距离的标准电压值。

GB14048.1-2012中表征额定绝缘电压是一个与介电试验电压和爬电距离有关的电压值，在任何情况下最大的额定工作电压值不应超过额定绝缘电压值。若电器没有明确规定额定绝缘电压，则规定的工作电压的最高值被认为是额定绝缘电压值。

3．额定冲击耐受电压

在规定的条件下，电器能够耐受而不击穿的具有规定形状和极性的冲击电压峰值，该值与电气间隙有关。

电器的额定冲击耐受电压应大于或等于该电器所处的电路中可能产生的瞬态过电压规定值。额定冲击耐受电压优选值见表 5-1。

表 5-1 冲击耐受电压

额定冲击耐受电压 Uimp (kv)	试验电压和相应的海拔
	U1.2/50 μ s (kV)
	海平面	200m	500m	1000m	2000m
0.33 0.5 0.8 1.5	0.35 0.55 0.91 1.75	0.35 0.54 0.9 1.7	0.35 0.53 0.9 1.7	0.34 0.52 0.85	0.33 0.5 0.8
2.5 4	2.95 4.8	2.8 4.8	2.8 4.7	1.6 2. 7 4.4	1. 5 2.5 4
6 8	7.3 9.8	7.2 9.6	7 9.3	6.7 9	6 8
12	14.8	14.5	14	14	12

（二）额定电流

对断路器而言，额定电流就是额定不间断电流(Iu）（见GB/T14048.1-2012中4.3.2.4），并且等于约定自由空气发热电流(Ith)。

1．约定自由空气发热电流

约定自由空气发热电流是不封闭电器在自由空气中进行温升试验时的最大试验电流值（见GB14048.1-20128.3.3.3温升试验部分）。不封闭电器是指制造商不提供外壳的电器或制造商提供的外壳是构成完整电器的一部分，但该外壳通常不预期单独作为电器的防护外壳。封闭电器可参照 ABBOTDCP系列产品外壳。

约定自由空气发热电流值应至少等于不封闭电器在8h工作制下最大额定工作电流值。8h工作制意指电器的主触头保持闭合且承载稳定电流足够长时间使电器达到热平衡，但达到8h必须分断的工作制，该工作制是确定电器的约定发热电流Ith和Ithe的基本工作制。自由空气应理解为在正常的室内条件下无通风和外部辐射的空气。

约定自由空气发热电流值并非开关额定电流值,不强制在开关电器上标志。

2．额定工作电流Ie

电器的额定工作电流由制造商规定，额定工作电流的确定应考虑到额定工作电压、额定频率，额定工作制，使用类别(详见5.8)和外壳防护的型式(如有)。额定工作制包含8h工作制、不间断工作制、断续周期工作制或断续工作制、短时工作制和周期工作制。

对于直接开闭单独电动机的电器：额定工作电流指标可在考虑额定工作电压的条件下由该电器所控制的电动机的最大额定输出功率指标代替或补充。制造商会提供规定工作电流与工作功率(如有)间的关系，供用户选用开关时参考。C.Orq.Cn

3．额定不间断电流

额定不间断电流是由制造商规定的开关能在不间断工作制下承载的电流值。不间断工作制意指没有空载期的工作制，电器的主触头保持闭合且承载稳定电流超过 8h(数周数月甚至数年)而不分断。数据中心大多数负载设备符合不间断工作制。不间断工作制区别于8h 工作制、因为氧化物和灰尘积聚在触头上可导致触头过热。因此电器用于数据中心不间断工作制设备保护时应考虑采用降容系数或采用特殊设计(例如用银或银基触头)。

（三）额定分断能力

断路器的额定短路分断能力是制造商在规定的条件及额定工作电压下对断路器规定的短路分断能力值。

额定短路分断能力规定为额定极限短路分断能力Icu与额定运行短路分断能力Ics。

应根据有关产品标准的规定及考虑额定工作电压和额定工作电流来确定额定分断能力。

电器应能分断小于和等于其额定分断能力的任何电流值。

1．额定极限短路分断能力

额定极限短路分断能力指断路器成功分断而不会被损坏的最高故障电流；按规定的试验程序所规定的条件下，不要求断路器连续承载其额定电流能力的分断能力。按照GB14048.28.3.5.3规定，被损坏是指极限短路分断能力实验之后需要验证介电耐受能力和过载脱扣器动作等，其中任一环节出现问题均认定为断路器损坏不合

格。

断路器的额定极限短路分断能力是制造商按相应的额定工作电压规定断路器在规定的条件下应能分断的极限短路分断能力值。它用预期分断电流表示，在交流情况下用交流分量有效值表示。

极限短路分断能力Icu的试验程序是：0—t—CO，0表示一次分断操作，C0表示闭合操作后经一适当时间间隔紧接着一次分断操作。t表示两个相继的短路操作之间的时间间隔。该时间间隔应为3min或断路器的复位时间。

试验线路如果处于0程序，断路器处于分断状态。C0试验时使断路器合闸，然后立即分断。这里的合闸C是考核断路器在经受了接通电流（峰值电流）以后，是否会因为峰值电流产生的电动斥力冲击和热冲击而损坏。如果断路器能够在合闸后立即分断，并且还能熄灭电弧，则说明该断路器的C0试验成功。

2．额定运行短路分断能力

额定运行短路分断能力Ics指断路器能够分断的最大短路电流;按规定的试验程序所规定的条件下，要求断路器连续承载其额定电流能力的分断能力。

断路器的额定运行短路分断能力是制造商按相应的额定工作电压规定断路器在规定的条件下应能分断的运行短路分断能力值。它

用预期分断电流表示，或用Icu的百分数表示(例如Ics=25%Icu）。
Ics 至少应等于25% Icu。

运行短路分断能力Ics 的试验程序是：0-t-C0-t-C0，即分断－延时－闭合后立即分断－延时-闭合后立即分断。

与极限短路分断能力Icu的试验程序相比，运行短路分断能力Ics 的试验程序多了一个C0。当试验顺利完成后，还需要做工频耐压验证、温升验证、过载脱扣器性能验证和操作性能验证。操作性能验证是在同样的工作电压加载了额定电流，让断路器反复操作的次数为电寿命的5%。运行短路分断能力试验合格的判定标准是每个试验程序都合格，并且断路器的外壳不应破碎，但允许有裂缝。

（四）短路特性

1．额定短路耐受电流（热稳定电流）Icw

开关电器的短时耐受电流Icw是一个测量值，它代表了该型开关电器导电材料和触头能够承受的短路电流最大热冲击。

从短时耐受电流的定义看，短时耐受电流就是当线路发生短路时低压开关电器能够在一段时间内承载和忍受的最大发热电流，它表征了低压开关电器对于短路电流的热稳定性。

对于交流，此电流为预期短路电流交流分量的有效值,并认为在短延时时间内是恒定的。与额定短时耐受电流相应的短延时应不小

于0.05s,其优选值为0.05s-0.1s-0.25s-0.5s-1s

额定短时耐受电流应不小于表5-2所示的相应值。

表 5-2 额定短时耐受电流最小值

额定电流In (A)	额定短时耐受电流Icw的最小值 (kA)
In≤2500 In>2500	12In或5，取较大者 30

2．额定短路接通电流Icm

电器的额定短路接通能力是在额定工作电压，额定频率、规定的功率因数(交流)或时间常数(直流)下由制造商对电器所规定的短路接通能力电流值。在规定的条件下，它用最大预期峰值电流表示。

额定短路接通能力Icm是一个瞬时量，它是低压开关电器能够承受的最大电流，尽管低压开关电器流过此电流后可能已经损坏。额定短路接通能力Icm表征了开关电器对于短路电流的动稳定性。

（五）脱扣器与脱扣曲线

脱扣器是指与断路器机械上相连的（或组成整体的），用以释放保持机构并使断路器自动断开的装置。在断路器内部有四种脱扣器，也即热脱扣器、磁脱扣器、分励脱扣器和欠压脱扣器。

1．热脱扣器

热脱扣器提供热保护，热保护也就是过载保护，其安秒曲线为

过载长延时L保护特性。

热保护：电流经过脱扣器时热元件发热（直热式电流直接过双金属片），双金属片受热变形，当变形至一定程度时，推动牵引杆旋转从而带动机构动作切断电路。

2．磁脱扣器

电磁脱扣器一般用于短路保护，其安秒特性曲线有短路短延时S保护特性和短路瞬时Ⅰ保护特性。

电磁脱扣器实际上是一个磁回路。线路中通过正常电流时，电磁铁产生的电磁力小于弹簧的拉力形成的反作用力，衔铁不能被电磁铁吸动，断路器正常运行。当线路中出现短路故障时，电流超过正常电流的若干倍，电磁铁产生的电磁力大于弹簧的反作用力，衔铁被电磁铁吸动通过传动机构推动自由脱扣机构释放主触头。主触头在分闸弹簧的作用下分开切断电路起到短路保护作用。

3．欠压脱扣器

欠压脱扣器用在主回路的欠电压保护中。欠压脱扣器多采用螺线管式电磁铁，其外形亦做成和分励脱扣器、闭合电磁铁的外形一致，以便安装到断路器上。其性能必须保证大于等于85%Un吸合。在零电压释放时就是失压脱扣器，在小于等于35%Un释放时称为欠压脱扣器。

按欠压脱扣器上电方式有自吸式和助吸式两种：自吸式要求接上电压时脱扣器吸合，失电时，脱扣器动作，安装较方便；助吸式的优点是在断路器断开时不带电，只有当断路器闭合时脱扣器才带电，有利于节能。下图分别为框架断路器、塑壳断路器和微型断路器欠压脱扣器。

图5-1 欠压脱扣器

4．分励脱扣器

分励脱扣器用于远距离操作低压断路器分闸控制。对于分励脱扣器的要求：在70%-110%额定电压时可靠地使断路器脱扣。它的电磁线圈独立于断路器的电源，由控制电源匹配相应的分励脱扣器（分励脱扣器具有多种控制电压）。需要进行分闸操作时，按动常开按钮使分励脱扣器的电磁铁得电吸动衔铁，通过传动机构推动自由脱扣机构，使低压断路器脱扣。下图分别为框架断路器、塑壳断路器和微型断路器分励脱扣器。

图5-2分励脱扣器

5．脱扣器保护类型

目前配电定义的脱扣器带的基本保护类型有长延时保护（热保护），短路短延时保护（磁保护），短路瞬时保护（磁保护），接地保护和漏电保护。一般脱扣器分为二段保护（长延时+瞬时），三段保护（长延时+短延时+瞬时），四段保护（长延时+短延时+瞬时+接地）。

过载长延时保护：一般用来对过负荷进行保护，保护基于电流的有效值（RMS）

表5-3框架过载长延时整定值

整定值		热记忆时间
电流Ir	时间 TR准确度±10%
（0.4-1.0）In+0FF整定步长：1A	15s、30s、60s、120s、240s、480s	O g.cr30min（ON）、OFF
注：t-1.5Ir 时的动作时间,过载长延时动作时间:t=(1.5Ir)²TR/I²；ON-打开该功能，OFF-关闭该功能；热记忆功能：0N时，在规定30min时间内具有该功能；大于规定时间热记忆

清除，或者控制器辅助电源断电亦可清除热记忆。需要关闭此功能（OFF），订货须说明。

短路短延时保护：短延时保护防止配电系统的阻抗性短路，此类短路一般是由于线路局部短路故障产生的，一般电流会超出过载的范围，但短路电流又不是很大。短路短延时的跳闸延时是为了实现选择性保护。短路短延时保护是基于电流真有效值（rms）的保护可分成两段：反时限段，定时限段；进一步加强了与下级保护装置的配合。

控制器短路短延时保护有两种方式：一种为定时限保护（It—OFF），当故障电流大于整定值按整定延时定值延时动作，延时时间与电流值无关；另一种为反时限加定时限保护（I²t一ON），当Isd≤I≤8Ir时，按反时限保护，延时动作时间与故障电流值有关，电流值越大，延时时间越短，但反时限动作时间不会小于短延时定时限的延时设定值，当Ⅰ>8Ir时，控制器自动转换为定时限保护。具有热记忆特性的控制器热效应是积累的。

表 5-4框架短路短延时整定值

整定值				热记忆时间
电流		时间准确度±10%
Isd	(1.5-15)Ir+OFF整定步长：1A-99A	Tsd	0.1s、0.2s、0.3s、0.4s	15min（ON）、OFF

注：

I2t:ON时，Isd≤I≤8Ir,则 tsd=(8Ir)²Tsd/I²具有反时限特性；当I>8Ir时具有定时限特征;

I2t：OFF时，当I>Isd时，特性为定时限。

短路瞬时保护：瞬时保护功能防止配电系统的金属性固体短路，此类故障一般为相间短路故障，短路电流比较大，需要快速断开。

表5-5短路瞬时整定值

参数名称	整定范围	整定步长
动作电流设定值Ii	OFF+（1.0-20）In	1A-99A

接地保护功能：接地保护适用于因设备绝缘损坏导致的故障，一般用于中性点直接接地系统。控制器根据三相或四相电流矢量和（T：差值型）进行保护，保护特性为定时限，根据断路器极数分为3PT、4PT和（3P+N）T三种形式。（3P+N）T需增选外接N相互感器。

表5-6接地保护整定值

整定值
电流Ig	时间Tg
（0.2～1.0）In+0FF整定步长：1A	0.1s～0.4s；整定步长：0.1s
注： 1）三极断路器接地特性关闭，用户可根据需要重新设定整定值。但要求三相电流平衡。

图5-3断路器控制器

6．脱扣曲线

脱扣曲线，是断路器速断脱扣器的动作特性曲线。

框架断路器脱扣曲线如下：

1）过载长延时特性曲线公式：t=（1.5Ir）²T,/I²;

2）短路短延时反时限特性曲线公式：当Is≤I≤8Ir时，则tsd=(8Ir)²Tsd/I²;

3）短路短延时定时限特性曲线公式：当I>Isd时，tsd=Tsd（0.1s、0.2s、0.3s、0.4s）;

4）接地保护定时限特性曲线公式：当I>Ig时，tg=Tg（0.1s、0.2s、0.3s、0.4s）

图 5-4 控制器长延时、短延时和瞬时保护特性曲线（I2t ON）

图 5-5 控制器长延时、短延时和瞬时保护特性曲线（I2t OFF）

图5-6控制器负载监控电流特性曲线（方式一）

图5-7控制器负载监控电流特性曲线（方式二）

图5-8接地保护

塑壳断路器脱扣曲线如下：

1）过载长延时特性曲线公式：tr=（2Ir）²Tr/I²;

2）短路短延时反时限特性曲线公式：当1.5Isd>I>Isd 时,则 tsd=(1.5Ir)²Tsd/I²

3）短路短延时定时限特性曲线公式：当Ii>I>1.5Isd 时，tsd=Tsd（0.06s、0.1s、0.2s、0.3s ）

4）接地保护反时限特性曲线公式：当1.1Ig≤I≤2Ig时，则t=（2Ig）²Tg/I²

5）接地保护定时限特性曲线公式：当I>Ig时，t=Tg（0.1s、0.2s、0.3s、0.4s）

图 5-9 三段式保护脱扣特性曲线

图5-10接地保护特性曲线

微型断路器脱扣曲线分为B、C、D等，各自的含义如下：

1）B曲线：脱扣电流为(3-5)倍额定电流（GB/T10963.1），脱扣电流为4(1±20%)倍额定电流（GB/T14048.2），适用于保护短路电流小的负载（如无感或微感电路）；

2）C曲线：脱扣电流为(5-10)倍额定电流，脱扣电流为8(1±20%)倍额定电流（GB/T14048.2），适用于保护配电线路以及具有较高接通电流的照明线路;

3）D曲线：脱扣电流为 (10-14)倍额定电流，脱扣电流为12(1±20%)倍额定电流（GB/T14048.2），适用于保护具有很高冲击电流的设备，如变压器电磁阀等；

图5-11微型断路器脱扣曲线（GB10963.1）

D型12In(1±20%）

图5-12 微型断路器脱扣曲线（GB14048.2）

（六）安装与应用

1．安装环境特性

1）周围空气温度

开关通常应用在周围空气温度上限不超过+40℃，且其24h内的平均温度值不超过+35℃；下限为-5℃的环境中。对不具有外壳的电器，周围空气温度是指存在其周围的空气温度。对具有外壳的电器，周围空气温度是指外壳周制的空气温度。

对于使用在周围空气温度高于+40℃(如在车间、锅炉房,热带国家)或低于-5℃(例如-25℃该要求是按GB7251.1对用于户外的低压成套开关设备和控制设备提出的)的电器应根据有关产品标准(如适用时)或根据制造商和用户的协议进行设计和使用。开关制造商样本

中给出的数据可以代替上述协议。

2）海拔

开关安装地点的海拔通常不超过2000m，对用于海拔高于2000m的电器，需要考空气冷却作用和介电强度的下降。

高海拔对电器的影响是多方面的。一方面，当海拔增加时，空气密度降低，散热条件变坏，使电器和开关设备在运行中的温升增加，但空气温度则随海拔的增加而相应递减，其值足以补偿由于海拔增加对高压电器温升的影响。因而在高海拔（不超过4000m）地区使用时，电器和开关设备的额定电流可以保持不变。另一方面，海拔增加时，由于空气稀薄气压降低，空气绝缘强度减弱，对于空气绝缘的电器，其绝缘水平降低。因此对于高海拔环境应用的开关电器，需要重点考虑温升和外绝缘的问题。

3）湿度

最高温度为+40℃时，空气的相对湿度不超过50%，在较低的温度下可以允许有较高的相对湿度，例如+20℃时达90%。对由于温度变化偶尔产生的凝露应采取特殊的措施。OrC

4）污染等级

污染等级分为四级，开关的选用应匹配根据当地环境污染等级。数据中心室内的低压配电开关可根据室内空气质量治理效果进行选

择。

污染等级1：无污染或仅有干燥的非导电性污染。

污染等级2：一般情况仅有非导电性污染，但是必须考虑到偶然由于凝露造成短暂的导电性。

污染等级3：有导电性污染，或由于凝露使干燥的非导电性污染变为导电性的。

污染等级4：造成持久性的导电性污染，例如由于导电尘埃或雨雪所造成的污染。

2．防护等级

防护等级将电器依其防尘防湿气特性加以分级。IP防护等级是由两个数字所组成，第1个数字表示电器防尘、防止外物侵入的等级(这里所指的外物含工具，人的手指等均不可接触到电器之内带电部分，以免触电)，第2个数字表示电器防湿气、防水浸入的密闭程度，数字越大表示其防护等级越高，详见（GB/T14048.1-2012中www.ODCC.ora.cn

3．安装数量

成套设备的所有电路能够单独地连续承载其额定电流但是任一电路的电流承载能力可能受到相邻电路的影响。热量的相互影响会导致热量传入或传出临近的电路。所以断路器的安装数量随着排布产品数量增多而需考虑降容问题；断路器安装时，分为并排安装和上下安装，考虑断路器之间飞弧距离，一般要求大于飞弧距离空间，微型断路器飞弧距离较小，可以采用并排安装，但要考虑并排安装散热情况，根据厂家提供并排安装降容系数，选用可以并排断路器数量。框架、塑壳并排安装数量，应考虑足够的飞弧距离空间进行并排安装。上下安装考虑足够的飞弧距离和导线或母排弯折空间、安装空间。（GB-7251.3）

表 5-7 计算负荷值

出线电路数量	计算负荷系数
2-3	0.8
4-5	0.7
6-9	0.6
>10	0.5

表5-8小型断路器并排降容系数

断路器并排数量			4 5	6-9	>10
电流降容系数		0.9	0.8

（七）使用类别

电器的使用类别确定电器的用途，有关产品标准应该规定使用

类别。使用类别由以下一个或多个使用条件来表征：

一电流，用额定工作电流的倍数标识;

一电压，用额定工作电压的倍数表示；

一功率因数或时间常数;

一短路性能；

一选择性；

一其他使用条件（如适用）

低压开关设备和控制设备的使用类别详见（GB/T14048.1-2012中附录A）。

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六、低压开关应用

（一）低压开关的选择性及后备保护

1．低压断路器的选择性

(1)选择性原理

选择性是从供电系统连续性角度衡量上、下级断路器之间的协调配合。根据GB/T14048.2-2020的条款2.17.1，选择性是指两台或多台过电流保护电器的一种动作特性的配合，例如一台保护电器在规定限值的过电流情况下实现过电流保护，另外的保护电器不动作。

在发生过电流故障时，只有离故障点最近的电源侧断路器动作而电源侧上游的断路器承载该故障电流保持不动作。上游断路器保持不动作既可以是故障电流没有达到过电流动作的阈值，也可以是电流虽然达到阈值，但是故障持续的时间尚未达到上游保护动作设置的延时，此时，过电流故障由下级断路器以比上级断路器设定延时更短的时间先快速切除。

理想的选择性配合应当是，在确保安全的前提下，对于小于断路器额定短路分断能力或者上下级串联组合装置短路分断能力的过电流故障，均由离故障点最近的电源侧断路器以最快的速度动作切除，并满足“稳” “Y 准” “快”三原则:

－“稳”是不应跳闸的上级保持稳定可靠，不发生越级误动作。

－“准”是应跳闸的下级准确可靠跳闸切除并隔离故障。

－“快”是故障切除、隔离应以最快的速度完成。

如图所示，理想的选择性配合应该是A点的故障由断路器D1快速切除，D2保持不动，B点的故障由断路器D2切除，且以最快的速度切除更妥。

图6-1 选择性对于确保供电连续性和快速故障定位至关重要

对于数据中心，由于负载性质的特殊性，对供电连续性要求是极高的，因此选择性配合对于数据中心尤为重要。

(2)选择性极限

根据GB/T14048.2-2020选择性极限电流Is的定义为：负载侧保护电器总的时间一电流特性与其他保护电器的弧前时间一电流特性（指熔断器）或脱扣时间一电流特性（指断路器）相交的电流坐标。

在选择性极限电流以下，如有两台串联的过电流保护电器，负载侧的保护电器及时完成其分断动作，以防止其上一级保护电器开始动作（即保证了选择性）。

在选择性极限电流以上，如有两台串联的过电流保护电器，负载侧的保护电器可能不及时完成其分断动作而不能防止其上一级保护电器开始动作（即不保证选择性）。

两台断路器之间的选择性根据选择性极限电流与安装点预期短路电流之间的关系，可分为部分选择性和全选择性：

1）全选择性：最大为下游断路器的预期短路电流；

2）部分选择性：根据断路器特性，最大为某个给定值。

通俗理解，当系统某点的最大短路电流低于系统中该点断路器之间配合的选择性极限时，全选择性得以实现。

应对系统所有类型故障进行选择性检查，常见的故障包括：

1）过载

2）短路

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考虑到系统可能有不同电源（如电网或发电机组），因供电容量的不同，在不同情况下都应该检查选择性，此类选择性称为网络选择性。

根据选择性实现手段的不同，有如下几种选择性实现方式：

1）电流

2）时间

3）能量

4）逻辑

(3)基于电流的选择性

上下级配合时，利用电流的差值实现选择性，过电流只能引起串联配合的下级动作，而不足以造成上级动作，则此时上下级的配合对于该范围的电流具有电流选择性。如图中阴影部分为电流选择性区域。

图6-2断路器配合的电流选择性

(4)基于时间的选择性

时间选择性，顾名思义，是通过断路器动作的时间差实现选择性配合。上下级串联时的电流既可以引起上级断路器脱扣，也可以引起下级断路器脱扣，但上级脱扣的时间大于下级脱扣的时间，发生过电流故障时，因下级脱扣时间快于上级，只有下级动作而上级保持不动，从而实现选择性。断路器之间的时间选择性常通过上级人为的短路延时实现，如图阴影部分区域。

图6-3断路器配合的时间选择性

(5)基于能量的选择性

能量脱扣作为一种特殊的脱扣方式，独立于断路器常规的过载、短路短延时（如有）和瞬动脱扣保护，等效于电流不可调的更高倍数（25In）的瞬动保护，只有当短路产生的能量达到一定的脱扣阈值以后方可快速脱扣，脱扣速度也快于断路器常规的瞬动脱扣。

借助断路器能量脱扣阈值不同，可以在不同额定电流等级的上下级断路器之间实现能量选择性。能量选择性只适用于带有专用能量脱扣装置的断路器，尤其是短路电流超过上级瞬动保护之后，从时间-电流特性曲线上判断，上下级断路器之间不再具有选择性，但通过脱扣能量曲线判断，上下级选择性依然能够实现，如图所示。

图6-4 断路器配合的能量选择性

(6)基于逻辑信号的选择性

逻辑选择性依托于上下级之间的时间选择性，是对上下级已实现的时间选择性的优化，与时间选择性的区别在于能够通过逻辑信号定位故障所处的位置，根据故障的位置闭锁上游断路器和触发紧邻上游断路器动作，实现不同位置的故障均以瞬动的速度脱扣，可更好地满足理想配合“稳”“准”“快”的原则，避免了时间选择性中不必要的人为延时，相应地减小人为延时造成的损失和带来的风险。

逻辑选择性实现的具体原理是当断路器检测到故障时，将输出闭锁信号给紧邻上级断路器并检查自身是否收到紧邻下级断路器的闭锁信号。如果收到紧邻下级断路器的闭锁信号，该断路器将在其短路延时时间内保持闭合，由其下游断路器切除故障。如果没有接收到下级的闭锁信号，即便是该断路器设置了延时，此断路器也将瞬时脱扣，而其紧邻的上级因收到其发送的闭锁信号而在短路延时时间内保持闭合。

图6-5 断路器配合的逻辑选择性

(7)过载和短路的选择性判别的基本规则

选择性的判断通常采用理论计算或比较脱扣曲线和试验验证两种方式，理论是根据GB/T25842.2-2012条款5.1.1.1，通过对比时间-电流特性曲线来验证，并且考虑断路器动作的误差。

断路器的保护脱扣器一般有热磁式和电子式两种形式，不同脱扣器之间在过载和短路区域实现选择性时，其脱扣器额定电流或者制定阈值一般应满足如下设定可在过载与短路区域内实现选择性配合。

在超过上级瞬动保护之后的选择性难以再通过时间-电流特性曲线判断，试验验证是根据GB/T25842.2-2012条款5.1.1.2要求，应按照GB/T14048.2-2020 附录A和GB10963.1-2005附录D的方法通过特性比较或者试验的方法来确定断路器之间的选择性。断路器制造商应提供选择性配合表或者数据库供用户查验校对。

2．后备保护与选择性增强

(1）后备保护

后备保护，又称为级联，是从供电系统安全性角度衡量上、下级断路器之间的协调配合。根据GB/T14048.1-2012条款2.5.24,后备保护是两个串联的过电流保护电器之间的一种过电流配合，电源侧保护电器（一般是电源侧但并非一定是电源侧电器）在有/无另-保护电器的帮助下实现过电流保护，并防止另一个保护电器的过负荷。

后备保护是系统位于保护装置下游的预期最大短路电流超过了保护装置自身的额定短路分断能力（额定短路分断能力包括额定极限短路分断能力Icu和额定运行短路分断能力Ics，下同，通常应满足Ics=100%Icu），在此情况下，位于保护装置上游的保护装置应有充足的短路分断能力，不仅能分断上下游保护装置之间的最大预期短路电流，也能够帮助下游保护装置分断高于其额定短路分断能力的最大预期短路电流。

断路器之间是否有后备保护，可以通过限流曲线和允通能量曲线比对，也可以按照GB/T14048.2-2020附录A的方法验证，通常制造商直接提供级联表或者数据库供参考。

比如：在线电压为400V的系统中，通过查级联表可知，NSX250H的上游断路器可将下游NSX100F的短路分断能力从36kA提升至70kA。这样，极限分断能力为36kA的NSX100F可以安装使用在预期短路电流为50kA的位置。

图6-6后备保护技术对提高短路分断能力的作用

(2)后备保护增强选择性

断路器之间实现后备保护时，上下级之间可以有选择性，也可以没有选择性。通常来说，后备保护是通过上级保护装置快速脱扣限制短路电流峰值和能量实现的，因此，后备保护与选择性之间似乎是矛盾的，但事实上，采用限流及限流特性衍生出的能量脱扣技术不仅可以实现后备保护，并且可以增强选择性。

GB/T14048.2附录A条款6.3的规定，按照试验验证串联组合装置的后备保护时，按照预定用途短路电流（串联组合装置通过级联提升后的分断能力Icucomb）结果有三种情况：

-超过下级断路器分断能力的电流至组合装置短路分断能力Icucomb，上、下级断路器同时脱扣，仅做后备保护，不做选择性增强。

-高于下级断路器分断能力的某个值以下的电流，只有下级脱扣，在该值以上，上下级同时脱扣，此时不仅有后备保护，并且选择性得以部分增强。

-超过下级断路器分断能力的电流至组合装置短路分断能力Icucomb的任意电流，只有下级脱扣而上级不脱扣，不仅做后备保护，并且选择性提升到了后备保护的水平。

例如，额定电压400VAC下，下级下游最大预期短路电流Iscmax=60kA，上级采用 NSX250H Mic2.2 250 可以将下级NSX100FTM-D25的额定短路分断能力从36kA提升至70kA（Icucomb），并且两者上下级配合之后的选择性极限也为70kA，等于后备保护下串联组合装置的短路分断能力，组合装置可以分断60kA的预期故障电流，并且只有下级脱扣。因此，此时的配合不仅做后备保护，而且选择性也得以全部增强。

增强的选择性一般需要查阅制造商提供的选择性配合表，难以通过脱扣曲线判断，因为在该区域脱扣曲线已经重合无法区分。

（二）低压开关选型方法

1．进线及母联断路器的选型

(1)分断能力的选择

数据中心变压器典型容量Sn= 2000kVA 或 2500kVA，阻抗电压百分数uk＝ 6%，因此低压侧出线的对称三相稳态短路电流 Ik满足：

$$\tag{6-1}$$

计算得Ik＝48.1kA 或60.1kA。因此，断路器的分断能力应满足：

$$\tag{6-2}$$

进线及母联断路器通常会关闭短路瞬时保护，以实现短路保护区间的时间选择性。所以，断路器的短时耐受电流应满足：

$$\tag{6-3}$$

(2)保护功能的选择

进线及母联断路器应具备基本的三段保护，即过载长延时保护L、短路短延时保护S以及短路瞬时保护I。此外，还可以参考系统的接地型式，按需配置接地故障保护G。

有一种故障情况我们必须考虑，即当短路故障点位于水平母排

或垂直母排时，进线ACB会按照设定的短延时后动作（如0.3s），此时可能会导致一种风险，即短路电流的热效应造成母排强度受损，下面解释这一现象。

参考GB/T35698.1－2017《短路电流效应计算第1部分:定义和计算方法》附录A.11 有关短路电流对导体产生热效应的公式：

$$\tag{6-4}$$

公式符号说明：

Stℎr为导体额定短时耐受电流密度，且Stℎr\~ th A th 为热等效短路电流、A为导体横截面积）

Tkr为额定短路时间

0b 为短路起始时导体温度

9e为短路结束时导体温度

K20、c、ρ、α2o均为导体材料决定的常数，其值见下表：

表6-1 导体材料常数

符号	SI单位一	铜	铝合金钢芯铝绞线	钢
C	J(kg K)	390福	910	480
	J(kg K)	390福	910	480
p	kg/m	8900	2700	7850
K20	1/(Ωm)	56×106	34.8 ×106	7.25×106
α20	1/K	0.0039	0.004	0.0045

以铜导体为例，设起始温度9b=20℃（若起始温度不是20℃，公式需要做相应调整)，将上式转换为：

$$\tag{6-5}$$

当配电系统确定时，上式可看作9。关于Tkr的函数。显然随着Tkr增长，9。呈指数式增长。若9e超过下表规定限值，可能会导致母排强度受损（母排为裸铜）。

表6-2 母排短路最高温度推荐值

导体类型	短路时最高温度推荐值（℃）
实芯或绞合裸导体：铜，铝，或者铝合金	200
实芯或绞合裸导体：钢	300

因此，需要一种方式来实现：当母排短路时，在不影响选择性的前提下，以最快的速度切除母排上的短路故障。区域选择性联锁（ZSI）便是为了解决这一问题。（区域选择性联锁覆盖的保护范围包含短路短延时保护和接地故障保护，此处仅讨论短路短延时保护时的 ZSI原理）。

图6-7区域选择性联锁（ZSI）原理图

Z1-Z5为空气断路器的二次接线端子，短接Z4和Z5，以屏蔽接地故障保护 ZSI功能；短接 Z3和Z4，以终止ZSI功能。6个二极管各司其职，以保证信号的正常输出，此处不展开。讨论市电正常时的情况：

故障点1：进线断路器QF1监测到短路故障，同时搜索下游的ZSI信号。此时下游无ZSI信号，则QF1拒绝执行0.3s短延时，而执行无延时脱扣;

故障点2：进线断路器QF1和馈线断路器QF4均监测到短路故障，QF1接收到QF4发出的 ZSI信号，因此执行0.3s 短延时；QF4未接收到 ZSI信号，因此拒绝执行0.1s短延时，而执行无延时脱扣。

综上，进线及母联断路器应具备L、S、Ⅰ三段保护，宜具备区域选择性联锁，应根据低压系统接地型式决定是否使用接地故障保护。

(3)极数的选择

数据中心低压配电系统常采用TN-S接地型式，且多电源各自接地。进线和母联断路器极数的选择有两种方式：

1）进线和母联断路器均采用 4P;

2）进线断路器采用3P、母联断路器采用4P。

下图所示为进线和母联断路器均采用 4P。

优势：无杂散电流；

劣势：当市电中断，进线断路器分闸之后、母联断路器合闸之前的时间段内，中性线失去了零电位参考点（大地），末端服务器可能因“零地电压”过高而宕机甚至烧毁。（可通过在UPS输出侧加隔离变压器解决这一问题）

图6-8进线和母联断路器均采用4P 结构

下图所示为进线断路器采用3P，母联断路器采用 4P。

优势：电源系统切换时中性线始终有零电位参考点（大地），末端服务器不受影响。

劣势：当系统处于一路市电中断、母联断路器合闸的状态时，存在杂散电流。如下图，红色为中性线电流正常的路径，紫色则为杂散电流的路径。

图6-9进线断路器采用3P结构和母联断路器采用4P 结构

2．UPS 输入输出断路器的选型

下图所示，为数据中心IT类负荷2N配电架构中的UPS-A路，采用多机并联，正常工作时并机的UPS均分负荷。由于UPS单机功率常≥500kVA，故选择空气断路器作为保护和隔离元件。与UPS直接相关的断路器有以下五类：

MBB：维修旁路断路器，选用4P，并机的所有UPS共用一个维修旁路；

SSIB:静态旁路断路器，选用3P;

UIB:输入断路器，选用 3P;

UOB:输出断路器，选用 3P;

BB:电池断路器，选型将在后面详细讨论。

由于UPS距离变压器的距离并不远，可参考变压器的容量与阻抗电压来选择断路器的分断能力，如典型的2500kVA变压器，意味着 MBB、SSIB、UIB、UOB的分断能力应≥65kA。保护功能为LSI三段保护。

图6-10 UPS断路器选型

关于电池断路器BB的选型，应依据以下电池参数：

额定电压：以最常见的密封式阀控铅酸蓄电池（VRLA）为例，单体电池电压为12V，常采用40或48节串联，故电池组的额定电压为480V或576V，则最大均充电压为564V或677V（480*1.175=564，576*1.175=677V，1.175为经验值）。因此 BB的额定电压应高于564或677V。我们以主流厂家的直流空气断路器为例，其单极额定电压为250V，我们可以通过3P或4P串联来实

现所需的额定电压，如下图：

图 6-11 UPS 电池组开关极数选型

额定电流：额定电流取决于UPS的功率，以最常见的500kVAUPS 为例，UPS工作在蓄电池供电模式，当电池始终工作在满负载状态下且已达到放电终止电压时，此时的电流最大，参考某主流UPS厂家的产品手册，其500kVAUPS对应的满负载和最小电池电压下的电池电流为 1356A，因此断路器的额定电流必须大于该值;

表6-3某主流厂家UPS产品手册（部分）

参数	值
满负载时的放电终止电压(VDC)	384
无负载时的放电终止电压(VDC)	420
满负载和额定电池电压时的电池电流(A)	.org.cn
满负载和最小电池电压时的电池电流 (A)	1356
纹波电流	<5%C20(5分钟运行时间)
电池测试	手动/自动(可选)
最大短路额定值	30kA

分断能力：电池的短路电流等于电池电压除以内阻，再根据并联组数相加便可得最大短路电流；同样以上述厂家的500kVAUPS 为例，手册给出的最大短路额定值为30kA，因此断路器的分断能力必须大于30kA;

保护功能：两段保护，L过载长延时保护、I短路瞬时保护。

当前，数据中心预制化交流电力模块已广泛应用，从设计思路上来区分，可分为产品设计思路和工程设计思路。典型的产品设计思路省去了UPS输入断路器和输出断路器，取而代之的是通过集成在UPS内部的隔离开关+熔断器实现系统的隔离和过电流保护。从成本角度来看，这种做法的确降低了初始投资成本；然而从系统的安全性、可靠性层面以及运维的可操作性层面来看，这种思路却存在可靠性低、运维不便等劣势。具体总结如下：

图 6-12 工程设计思路

图 6-13 产品设计思路

可维护性较差：传统的工程设计思路，当并机的某台UPS出现故障时，可以通过断开对应的输入断路器（UIB和SSIB）与输出断路器（UOB），将该UPS彻底电气隔离进行检修，而其余并机的UPS依旧正常工作（如从正常工作时的4台均分负荷变为3台均分负荷，系统依然工作在2N的容错架构下）；若采用隔离开关方案，则当某台 UPS故障时，需要断开低压总进线开关，此时UPS系统从原来的2N架构变成了N架构，可靠性降低。此外，当隔离开关需要运维时，由于3-4个隔离开关紧凑地安装在狭小的空间内，且通过铜排与母排连接，更换隔离开关时也需要断开低压总进线，不仅增加了运维时间，运维时UPS系统也从原来的2N架构变成了N架构，可靠性降低。

扩大故障范围：传统方案，当某台UPS输入侧短路，则该台UPS 对应的输入断路器（UIB或 SSIB）保护脱扣，此时负荷将由其他并机的UPS均分，系统仍为2N容错架构；而隔离开关+熔断器方案，若UPS输入侧发生短路或隔离开关与功率模块或静态旁路模块熔断器之间的连接母排发生短路，则会导致整路市电链路失电，扩大了故障范围。

可能无法实现反向馈电保护：当市电中断、电池供电时，需要UPS 具备反向馈电保护功能。传统方案，通过断开SSIB即可实现这一目的；而隔离开关+熔断器方案，常通过手动操作隔离开关来断开回路。极端情况下，若静态旁路的晶闸管被击穿且熔断器尚未熔断，由于隔离开关无法分断较大的电流，此时会造成输入侧的电击风险（除非断开整路UPS的输入断路器）。

静态旁路熔断器与输出塑壳断路器的选择性配合可能无法实现：当安装位置越靠近变压器时，那么流经配电设备（如断路器，熔断器，负荷开关，电缆，母线等）的短路电流就越大，对UPS主回路及静态旁路中保护分断设备的分断或耐受性能要求就越严苛。当UPS 输出侧短路时，会自动切换至静态旁路；由于馈线柜距离变压器较近，以2500kVA、阻抗电压为6%的变压器为例，MCCB馈线处的预期最大短路电流超过50kA，静态旁路熔断器采用快熔，当下游馈出出线短路时，因为快熔的动作时间比断路器动作要快，大概率会出现静态旁路的熔丝熔断与下游保护设备的选择性难以保证。也即：一旦发生短路故障，下游的MCCB还没有动作，上游的熔丝已经先行熔断，对运维来说，需要排查的故障范围变大，故障平均修复时间MTTR变长。同时熔丝的更换也比较麻烦，更换UPS内部的熔丝可能需要厂家的技术支持，等待售后工程师到场，这样的设计实际是人

为增加了故障的恢复时间。

图6-14 熔断器时间-电流曲线

3．末端塑壳断路器的选型

从UPS的输出配电柜馈线断路器到精密列电柜输入断路器常采用塑壳断路器，以100kW精密配电柜为例，见下图：

图6-15精密列头柜开关选型

由于精密配电柜的功率是100kW，故可选择额定电流为250A的塑壳断路器QF1和QF2。为实现过载长延时保护的电流选择性，可将QF2的过载长延时电流Ir整定为200A，QF1的Ir整定为250A。参考各主流合资和国产品牌塑壳断路器的脱扣器参数整定范围，得出以下共性：

热磁脱扣器的磁脱扣电流阈值满足：Ii≤10In;

电子脱扣器的短路短延时脱扣电流阈值满足：Isd≤10In，且瞬时脱扣电流阈值满足：Ii≤15In。

这意味着当QF2下游短路电流超过3.75kA（15In=15*250A=3.75kA）时，QF1和QF2都一定会进入短路瞬时保护区间，此时QF1和QF2之间无选择性，即可能发生越级跳闸，脱扣曲线见下图。对于数据中心来说，UPS输出配电柜常位于低压配电室或UPS配电室，而精密配电柜位于机房内，对应的运维工作很可能由不同部门来负责，这意味着彼此之间的沟通可能不会很及时，也就给故障排查与恢复供电增加了难度。

图6-16 QF1与 QF2 脱扣曲线

然而，如果QF1的短路瞬时保护功能可以关闭，QF1与QF2之间的选择性配合极限便会显著提升，甚至可能实现实际意义上的全选择性（即选择性极限电流大于QF2下游可能出现的最大短路电流）。脱扣曲线见下图。

图6-17QF1（关闭瞬时保护）与QF2脱扣曲线

下图所示为数据中心动力负荷典型的分配电架构。电动机功率为30kW，分配电箱进线选择额定电流为250A的MCCB，馈线选择100A的MCCB。那么，当馈线MCCB下游发生短路，其与进线MCCB之间是否能实现全选择性？

图 6-18数据中心典型动力配电架构

MCCB属于A类断路器（部分厂家在样本中标注其MCCB为B类断路器，但其Icw值往往远小于线路中可能出现的最大短路电流，更是与B类断路器ACB的Icw值相去甚远），这意味着上游MCCB只能耐受较小的短路电流（如几千安或十几千安）；当短路电流超过该阈值后，便无法再通过上游MCCB的人为延时来实现与下游断路器的选择性。关于A类断路器之间如何在较大的短路电流下实现选择性，国标GB14048.2－2020《低压开关设备和控制设备第2部分：断路器》附录A给出了明确说明。

图6-19两台断路器之间的全选择性（GB14048.2）

上图为两台断路器之间实现全选择性的时间电流曲线图。图b）表示上游C2为具有人为短延时的断路器，下游C1为非限流型断路器，此时可通过上游的人为短延时实现与下游的选择性；图a)表示上游C2为无人为短延时的断路器，下游C1为限流型断路器，此时必须通过试验来验证短路时的选择性。

附录A.5.3也给出了通过试验确定选择性的方法，该试验应由一个 0-t-CO 操作组成，通过闭合下游断路器C1 进行CO操作，试验的结果应满足：

GB/T14048.1-2012中8.3.4.1.7适用（电器的极间或极与框架之间不应发生电弧也不应有闪络）。

在每次操作中，C1应脱扣，Cz不应脱扣。如果C的触头在操作过程中瞬间断开，则从短路开始到C2触头断开结束的时间应小于或等于30ms。实际值应记录在试验报告中。

此外，应用常规操作方式验证C2触头正常断开。

因此，判断该动力回路能否实现全选择性只能依据断路器制造商给出的上述试验结果。然而，通过该试验获得较高的选择性极限或全选择性有诸多困难，例如怎样实现下游断路器的快速分断、怎样实现上游断路器动触头在斥开后又恢复闭合，等等。纵观各低压断路器厂家，只有个别制造商完成了上述试验验证，并且公开其试验结果。

4．HVDC系统的断路器选型

数据中心除了最常见的UPS不间断电源外，还有HVDC不间断电源。HVDC系统主要由交流配电、高频开关整流器、直流配电、蓄电池组、监控单元、绝缘监察以及列头柜等。

现行的 HVDC主要标准为 YD/T 2378-2020《通信用240V直流供电系统》、YD5210-2014《240V直流供电系统工程技术规范》以及GB/T38833-2020《信息通信用 240V/336V直流供电系统技术要求和试验方法》等。目前国内的 HVDC 系统以 240V为主，也是此处讨论的范围，而336V的应用相对较少。原因是HVDC系统目前供电的设备主要是额定电压为交流220V的IT服务器类设备，240V直流可直接兼容服务器开关电源而336V无法兼容。直流输出可采用

二级或三级配电架构。

系统电气架构要求：

1）交流输入应与直流输出电气隔离;

2）直流输出必须采用悬浮方式，即正、负极均不接地；

3）必须配置绝缘监察系统，在线监测正、负母线对地绝缘的情况。

交流输入过载及短路保护要求：

1）系统交流总输入应配置交流断路器保护；

2）整流柜交流总输入配置交流断路器保护；

3）每个整流模块的交流输入应配置交流断路器保护。

直流输出过载及短路保护要求：

1）直流输出全程各级均应采用双极过流保护器件;

2）每个整流模块直流输出端应有过载及短路保护;

3）直流输出各级配电（末级除外）应采用直流断路器或熔断器保护；

4）直流输出末级配电（通信设备输入端）应采用直流断路器保护；

5）蓄电池组宜通过熔断器或直流断路器与直流母排连接；

6）机房如有直流分配电柜，应配置进线保护和若干馈线保护;

7）直流列头柜应配置进线保护和若干馈线保护;

设备柜内禁止一个分路断路器通过多用插座接入、控制多个电源模块。

图6-20 HVDC 二级配电结构示意图

（三）低压开关选用常见问题

1．剩余电流型接地故障保护与中性线互感器的选用

剩余电流型接地故障保护（接地故障保护或者GFP）是并列于过载长延时、短路短延时和瞬动保护的一类低压系统中常见的保护类型。其原理是通过计算带电导体的矢量和，并与设定阈值进行比较，当满足脱扣条件时，断路器保护脱扣。

对于低压配电系统常见的TN-S（或TN-C-S）系统，系统通常配出N线用于一些单相的负载，N线作为带电导体，其电流应被测量用于接地故障矢量和的计算，可采用4极断路器，也可以采用3极断路器+中性线互感器（ENCT，通常称零序互感器）的方案，采用哪种方案取决于N线是否和相线一样在断路器断开时隔离，如果不需要隔离，可采用3极断路器+中性线互感器的方案。无论三相电流是否平衡，必须安装ENCT中性线电流互感器，因为即便是三相负载平衡，当系统中含有谐波时，三次及三的奇数倍次谐波在中性线上叠加，中性线会存在一定的电流，如果没有中性线互感器，则流经中性线的电流没有被采集计算将可能导致接地故障保护误动作。

但是，对于三相三线系统或者从三相四线系统中局部的三相三线系统，比如电动机回路，没有中性线，此时不需要中性线互感器也能实现剩余电流型接地故障保护。

因此在实现剩余电流型接地故障保护时，需不需要中性线互感器，取决于系统的形式，并不是一定需要中性线互感器。

表6-4接地故障保护开关选型

系统	方案配置	接地故障电流
三相三线系统	.ODCC.	org:cn
三相四线系统	4P	Ig=I1+ I2+I3+In
三相四线系统	3P + ENCT	Ig=I1+I2+I3+In (ENCT)

值得一提是，依据GB/T16895.6-2014，当系统负载较均衡且谐波含有率小于15%时，中性线导体规格允许小于相线规格，通常不低于50%，因此，在符合上述条件时，中性线规格可以采用相线规格的一半，这种情况下，中性线互感器规格的选用推荐根据中性导体的额定载流量选取，不需要按照相导体额定载流量或者断路器额定电流选取，避免浪费。

但是，当中性线规格小于相线规格时，根据GB/T16895.5-2012,应对中性线进行过电流检测，避免电流超过中性线的载流量，即中性线需要过载和短路保护，中性线保护的方式也可以通过四极断路器或者三极断路器+中性线互感器的方案，后者便可满足GB/T16895.5-2012中“这种检测应能分断线导体，但不必分断中性导体”的要求。

2．短路短延时时间的设定级差

时间选择性是常见的选择性配合手段之一，断路器上、下级短路短延时的时间设置对于短路情况下的选择性很关键，级差设置太小，可能上下级保护曲线重叠无法实现选择性，级差设置太大，不仅要求主进线时间太大与中压保护难以配合，同时短路故障介于上下级之间时，上级动作延时时间太长，让系统承受更多的短路能量及其连带的损伤及风险。

无论A类还是B类断路器，由于制造和动作的误差的原因，短路短延时的每一个整定值均存在一定的动作允差，该允差除了整定延时时间的允差外，还包含了断路器的分断时间，允差可以单独申明，也可以表征在断路器制造商提供的时间-电流特性曲线上。时间-电流特性曲线中最大的不动作时间又称为最大可复归时间或最大可返回时间，即故障电流达到短路短延时整定电流的前提下，只要故障电流持续时间（比如故障由下级更短时间内切除）小于最大复归时间，则断路器不会脱扣，所以最大可复归时间与电流形成的最小动作特性曲线也称为必不脱扣曲线。

时间-电流特性曲线中最大的动作时间称为最大分断时间，表示该断路器分断故障电流所需的最大时间，最大分断时间与电流形成的最大动作特性曲线也称为必脱扣曲线。一般地，随着短路延时整定时间的增加，最大分断时间与最大复归时间的时间差△t也会相应的增加，这主要是因为短延时时间越长，可复归时间亦延长，断路器分断单元在可复归时间内的热积累就越大，断路器分断越困难。

最大复归时间与最大分断时间已经包含了断路器动作的误差，属于不动作与动作的极限，因此，只要满足下级的最大分断时间≤上级的最大复归时间的条件，上下级之间就可以实现时间选择性，无需再设置额外的时间差。图6-21是MasterPacTMT/MTZ短路短延时的动作特性，由各设定的最大复归时间和最大分断时间可以看出，其短路短延时相邻时间整定之间均能够满足时间选择性，脱扣时间带无重叠区域，可见MasterPacTMT/MTZ断路器0.1s的级差可以实

现时间选择性配合。

图6-21MasterPacT系列相邻时间级差可满足时间选择性

因此，除非另有规定，一般情况下无需额外考虑动作的误差而人为再放大断路器上下级之间短路短延时的时间级差。在能够满足选择性的前提下，越短的时间整定和越小的时间级差，对断路器及其保护的对象及配电系统收益越大，因为对于无限流特性的B类断路器，短路产生的能量几乎无限制地通过断路器，因此，缩短短路电流持续的时间，就意味着限制了短路产生的允通能量，降低了短路电流热效应、电动力效应和电磁效应对被保护对象及系统的损伤和潜在影响，诸如电缆和元件老化加速、母线的潜在变形和移位、连接的松动、结构件的变形和裂纹扩展等，并可有效地避免因一次故障衍生出的二次故障。假设下级短路短延时整定值为0.1s，同样的故障电流，上级短路短延时保护整定在0.3s和整定在0.2s，均可以实现选择性，但整定在0.3s产生的能量比整定在0.2s高出1倍以上，上级短路短延时整定在0.4s产生的能量更是可达0.2s时的2.5倍，但从选择性的角度，二者的收益是一样的，因此，在能满足选择性前提下，尽可能地缩短整定时间和上下级之间的时间级差。

对于典型的低压配电系统，GB50052-2009条款4.0.6要求“供配电系统应简单可靠，同一电压等级的配电级数高压不宜多于两级;低压不宜多于三级。”在一、二级配电中经常需要通过短路短延时实现上下级的选择性，尤其是进线空气断路器与馈线空气断路器及进线空气断路器与馈线塑壳断路器之间需要实现选择性的配合，即使考虑进线断路器与联络断路器，甚至包括二级配电中的馈线断路器与联络断路器之间的时间选择性配合，时间的级差需求通常也不会超过5级，0s，0.1s，0.2s，0.3s，0.4s（0s依然存在0.02s的固有延时）的时间级差能够满足实际工程中通过短路短延时选择性的需求，所以Icw/0.5s（短时耐受0.5s的电流）常作为断路器时间选择性的选择性极限电流。过渡地追求低压断路器较长的短路延时时间反而增加与中压保护装置之间配合的难度。

如果断路器的相邻时间设定之间无法满足下级的最大分断时间≤上级的最大复归时间的条件，比如因动作误差太大，则应当适当放大上下级断路器的时间级差，以满足选择性的需求，但这很显然意味着对于介于上下级之间的故障，上级动作切除故障的时间更长，相比上下级通过相邻级差满足选择性的情况，产生的允通能量I2t更大。

因此在能够满足选择性时间级差的前提下，尽可能缩小上下级之间时间级差的设置，避免上级对选择性没有收益的额外延时，以此限制短路电流产生的机械、热和电磁应力，减少甚至防止短路电流对系统造成危害和潜在的风险，减低低压系统对动、热稳定的设计成本。

3．反时限与定时限的选用

断路器的脱扣时间根据过电流脱扣器类型可分为定时限脱扣器（I2t=0ff）和反时限脱扣器（I2t=0n）。 1010

定时限脱扣器动作时间不取决于过电流的大小，不论电流多大，只要超过脱扣器保护设置阈值，断路器就以固定的时间（延时时间，如有）脱扣。定时限的脱扣时间可以是可调的，也可以是不可调的。

反时限脱扣器的动作时间取决于电流大小。一般地，电流越大，脱扣时间越短，反时限脱扣的时间-电流特性由制造商以曲线的形式给出，是冷态情况下脱扣时间与电流的关系。

反时限主要用于过载保护，因为大多数电气设备、开关元件及电缆、母线槽、变压器的过电流热耐受能力与时间均呈反时限特性。对于短路短延时，同样也可以设置反时限动作特性，断路器的反时限主要是用于与熔断器实现选择性配合，因为熔断器的短路保护特性始终为反时限，对于上级为断路器下级为熔断器的串联组合，如果上级断路器设置为定时限动作特性（I2t=0ff），那么，短路电流较小时上下级之间会失去选择性，如果将上级的短路保护特性从定时限改为反时限（I2t=0n），则上下级之间可以实现全选择性配合，如图所示。

图6-22断路器与熔断器配合时的定时限与反时限

但是，对于断路器与断路器之间的短路情况下的时间选择性配合，若无其他特殊的考虑，推荐采用定时限脱扣特性以最大限度地限制短路的能量，避免采用反时限特性，因为同样的延时时间设定，采用定时限特性和反时限特性对于选择性本身来说效果是一样的，但是反时限在动作时延时时间更长，这也意味着更大的允通能量，对下级的保护装置和电气系统产生相对更高的风险。

如图所示，上下两级断路器同样可以实现选择性，但相比下级短路短延时采用定时限特性，上级采用反时限时允通能量高于定时限，右图阴影部分面积为多余的允通能量。因此，除非有特殊的需要，短路短延时的反时限应谨慎使用，断路器之间相互配合时应尽量采用定时限，可有效地限制短路条件下的允通能量。

图6-23断路器配合时反时限增加允通能量

4．热磁脱扣器过载特性的修正与降容

对于与周围温度有关的脱扣器，断路器的脱扣特性应在基准温度下测试，基准温度可由制造商表明，如果周围温度不同于基准温度，则应按制造商的温度/电流数据进行校正，以获得需求的脱扣特性。

降容和校正系统均取决于周围环境温度，以Compact NSX为例：

过载保护的基准温度为40℃，这意味着当环境温度低于或高于40℃时，长延时整定电流Ir需略微调整以获得不同温度时的正确整定值或脱扣时间，I/In 比值必须用以下校正系数进行校正：

热磁 TM-D 和 TM-G NSX 校正系数表，用于确定In 时的设定值或脱扣时间温度°C
热磁 TM-D 和 TM-G NSX 校正系数表，用于确定In 时的设定值或脱扣时间温度°C														额定电流(A) In	10
15	20	25	30	35	404	5	50	55	60	65	70			额定电流(A) In	10
16	1. 15	1.171.	131.	131.	061	.041	.000	.980	.950	.930	.910	.880	.86
25	1.151	.121.	101	.081	.051	.021	.000	.980	.960	.940	.920	.880	.84
32	1.15	1.131	.101	.07	1.05	51.03	1.00	0.980	.950	.94(	0.922	0.91	0.89
40	1.15	1.13			5	1.03	1.00	0.98	0.95	0.93	0.9	0.88	0.85
50	1.15	1.12	1.10 1	.081	.051	.021	.000	.980	.960	.940
63	1.14	1.13	1.101	.081	.051	.031	.00	00.980	.95	0.92
80	1.15	1.13	1.101	.081	.051	.03	1.00	0.98	0.95	0.93
100	1.15	1.13			5	1.03	1.00	0.98	0.95	0.93
125	1.15	1.13	1.101	.071	.051	.02	1.00	0.98	0.95	0.933	0.90	0.87	0.85
160	1.15	1.13	1.101	.081	.051	.03	1.00	0.98	0.95	0.933	0.90	0.88	0.85
200	1.15	1.13	1.101	.081	.051	.031	.000	.980	.950	.9303	0.90	0.88	0.85
250	1.15	1.12	1.111	.081	.051	.02	1.00	0.98	0.95	0.922	0.90	0.88	0.85
320	1.14	1.12	1.10 1	.071	.051	.031	.000	.980	.950	.9202	0.89	0.86	0.84
400	1.14	1.12	1.101	.071	.051	.031	.00	0.980	.950	.92	0.89	0.87	0.84
500	1.12	1.10	1.081	.061	.041	.021	.000	.980	.960	.94	0.91	0.89	0.87
600	1.12	1.10	）1.081	.061	.04	1.02	1.00	0.980	.96	0.93	0.91	0.89	0.86
630	1.131	.111.	091	.071	.051	.021	.000	.980	.950	.93	0.90	0.87	0.85

并且当温度超出基准温度40℃时，应根据下表对断路器进行降容：

In 时热磁 TM-D 和 TM-G NSX 的温度降容温度（℃）
40	45	50	55	60	65	70
额定电流（A）In
16	15.6	15.2	14.8	14.5	14	13.8
25	24.5	24	23.5	23	22	21
32	31.3	30.5	30	29.5	29	28.5
40	39	38	37	36	35	34
50	49	48	47	46	45	44
63	61.5	60	58	57	55	54
80	78	76	74	72	70	68
100	97.5	95	92.5	90	87.5	85
125	122	119	116	113	109	106
160	156	152	148	144	140	136
200	195	190	185	180	175	170
250	244	238	231	225	219	213
320	312	303.6	295	286	277	267.7
400	390	379.3	368.5	357.3	345.8	334
500	489.6	479	468	457	445.4	433.6
600	587	574	560.6	547	532.7	518
630	614.8	599.2	583.3	566.8	549.9	532.4

例1 如果带 TM100D脱扣单元的ComPacTNSX100的额定电流为100A，用于过载I=500A时，其脱扣时间是多少？

过载I/Ir作为温度的函数进行计算。使用上述值和脱扣特性曲线，确定相应的时间。

-40℃、Ir=100A、I/Ir=5时，脱扣时间介于6和60秒之间。
-20℃、Ir=110A、I/Ir=4.54时，脱扣时间介于8和80秒之间。
-60℃、Ir=90A、I/Ir=5.55时，脱扣时间介于5和50秒之间。

例1故障电流1=500A

/lr	4.5	5	5.5
T°C	20°C	40°C	60°C
最小脱扣时间	8s	6s	5s
最大脱扣时间	80s	60s	50s

例2在考虑温度的情况下，配备TM250D脱扣单元的ComPacT

NSX250获得Ir实际值210A的设定值是多少？

以下显示了必要的刻度盘设置（以安培为单位）：

-40℃时，Ir=(210/250)×250A=210A

-20℃时，Ir=(210/277) × 250A=189.5A

（四）低压开关的维护

1．开关设备维护的意义

低压开关设备的正常运行会受到诸多因素的挑战，比如温度、尘埃、湿度、供电电能质量、负载率等。上面异常因素在一定时间周期内可能不会对开关设备正常运行造成影响，但是长时间运行势必影响开关设备的安全运行，造成停电事故，由此带来经济损失。

对低压开关设备进行维护，可以获得五大显著收益：

1）保证人员安全及确保配电设备功能正常

确保数据中心业务的可持续发展，采取技术上和经济上可行的一切措施，将意外事件风险降至最低，因为这些事件可能会导致财产损失，还可能危及运维和操作人员的生命安全。

低压开关设备将专门用于将导致员工人身伤害的风险和严重性降至最低，维护的首要优先级就是先确保这些设备的功能正常。因

为对于任何品牌的低压开关设备来说，缺乏专业有效的维护，其发生故障的风险和概率将会大大增加。

2）保证供电的连续性

预防性维护能够最大程度延长开关的正常运行时间。开展计划性的设备停机维护，可减少生产中断风险和降低设备压力。预防性维护的耗时比紧急维修要少，并且能够降低紧急停机的风险。

3）提高开关设备的能效

研究表明，维护不善的开关设备耗能高于定期维护的设备。随着时间的推移，电气元件正常使用所产生的磨损和缺陷会增加设备运行压力，进而导致设备耗能增加。减少磨损和消除缺陷意味着设备运行时损失的能量将减少。

4）提高备件管理效率

在日常运营维护中，维修用备件成本占比很大，甚至可达到总开支的一半。这部分费用可以通过采取预防性维护（详见6.4.2）取代被动响应式维护的方式降低。因为预防性维护可减少复杂部件或系统发生故障的次数。这样一来，将大大减少维护用备件的采购。

5）延长设备使用寿命，优化开关设备成本

考虑到开关设备昂贵的购置成本，需要使低压开关配电设备能够尽可能地长时间正常运行。而开关设备的预期寿命往往会受到多种因素的影响，如环境条件（温度、空气污染、通风情况等）、生产工艺环境（如震动、冲击性负载等）、运维管理状况（巡检、维护质量等），它们直接导致开关设备实际使用寿命与预期寿命相比有很大偏差。

2．开关设备维护分类

低压开关的维护主要分为三种：

(1)被动响应式维护

被动响应式维护是指为恢复故障开关的应用功能对其进行的必要干预和维修。具体的内容可能是如下内容：

1）表面上或暂时的处理，使故障部件能够在彻底维修前的有限时间段内临时发挥其应有作用。

2）完全修复故障，使故障部件能够以原有性能水平发挥其应有作用。此时常常需要对设备进行深入诊断，以识别和定位、分析故障原因及制定处理方案。另外，还需进行最终的功能查验，以确认该单元能够发挥其应有的作用。

开关设备原始制造商的服务及其诊断方案具备得天独厚的优势，能够为您提供最优的、成本最划算的修正和解决方案，主要因为：

1）制造商掌握其设备最佳运行条件方面的专业知识，因此能延长设备的使用寿命。

2）在专有技术、程序、检测设备技术、设备装配和制造过程方面也掌握核心知识。这些知识会在设备维护时用到，并影响其今后的性能表现（例如：开关设备需要对更换后的备件进行调整）。

3）可直接提供原厂备件。

(2)预防性维护

预防性维护是指对低压开关设备所进行的定期检查、机构维护以及部件更换等的一系列活动。其目的是为在一定程度或最大程度上避免一切可能发生的故障，以及随之而来的高昂费用（用于临时性或修复性处理）

根据设备维护内容本身的复杂程度，在现场执行的预防性维护可分为三种类型：

1）制造商专有维护措施（技术等级：四级）

由开关设备原制造商提供的维护服务，它会对配电设备的性能产生影响。如:

a）灭弧室、操作机构的清洁/检查/润滑；

b）合闸和分闸弹簧的清洁/检查/润滑。

2）高级维护措施（技术等级：三级）

由设备原制造商或具备明确资质的认证合作伙伴提供的维护服

务。如:

a）可抽出的活动部件的清洁/检查/润滑;

b）母排检查（紧固、局放产生的表面腐蚀、开裂、发热迹象等）。

3）基本维护措施（技术等级：一级&二级）

由经培训的客户员工根据制造商的预防性维护指南进行的维护。如：

a）总体状况检查：外观、清洁度、绝缘件状况、氧化、支撑结构无腐蚀；

b）辅助触头状况检查（分/合、摇入、摇出等）。

根据EN13306，维护人员能力等级：

表6-5EN13306维护人员能力等级

能力等级	维护条件	维护定义
等级五	原厂服务专家，或者在一些技能/技术/工艺方面的专家级技师，在有工业生产设施（具备技术和后勤保障）支持的条件下，所具有的更高级别的服务能力。它解决的是那些在现场无法解决的疑难故障。在这种情况下，通常需要将设备返厂进行深入检查和修理。	g.cn
等级四	原厂服务专家或专家级技师所具有的服务能力，具有如下特点：配备有专用设备，这些设备集成了先进技术和特殊功能。	制造商专有维护
	熟悉配电设备的装配和制造的特殊工序。
等级三	经过高级培训，能够运用复杂工具/方法手段/整定仪器/专业措施的原厂服务人员或合格技术人员所具有的能力。	高级维护
等级二	经过基础培训，能够根据厂商的维护指南进行简单操作的服务人员或有资质的客户员工所具有的能力。	基本维护
等级一	仅接受过电气方面极少量培训的服务人员或客户员工的能力。	基本维护

随着维护方法论及诊断技术的发展，预防性维护的管理方式可以分为两个层级：

1）常规预防性维护

为减少对生产运行的影响，同时又要满足定期维护自然规律的要求，常规预防性维护通常会在预先安排好的停机期间进行。也就是说，常规预防性维护工作所计划和实施的时间是每隔一定的时间段，或者根据设备生产要求来安排，或者二者结合考虑。但它并未对配电设备进行任何前期的状况调研分析。因此，常规预防性维护在成本优化方面并非最优。

2）基于诊断的预防性维护（现场状态维护）

这是技术成熟水平更高一级的维护。它是在条件允许的情况下，通过定期现场诊断行动来指导完成的基于诊断的预防性维护。其目的是在故障发生之前，识别出配电设备未被发现的故障或性能下降

的征兆。

其目的是使得设备运行时尽可能接近最佳状态（此过程中并不包括维修及排除所有故障），并且必要时计划好日后开展一次全面的大修（在最方便的时间），以使设备恢复其原有的性能水平。

这种维护方法对于关键的设备更有意义。这些设备一旦发生故障，会对生产连续性、设备寿命、安全和产品质量造成重大影响，还可能造成高额的被动维修支出。它是一种容易实施，成效更优的维护方式。

(3)预测性维护

预测性维护是利用传感器和仪表技术，以及这些技术所提供的持续分析的功能，来对低压开关设备进行的状态监测。实际上，它代表着“及时就好”的原则在预防性维护中的应用。用这种方式可以减少周期性的维护活动。周期性维护要求每年必须要停电数次，且不得少于严格规定的最低标准。

当预编程警报（用以对设备核心单元的几个重要参数进行在线监视）被激活，即提示某个预设的磨损门限已被超限时，就表明应该规划和启动该设备的维护行动了。为此，需要在元件、开关设备和整个配电系统内安装相应的传感器。此功能是在一个维护信息系统的帮助下实现的。该系统用于计划出最合适的维护干预时间，以及相应的具体安排，例如备件、现场服务内容等。一些厂家还会通过收集开关的基础维护数据，结合运行时间、负载率等参数，通过复杂的算法给出预测性干预维护建议。如正泰NA5T框架断路器可通过健康监测功能（包括本体状态监测、电流互感器监测、磁通变换器监测等）实现预测性维护，快速运维降低电源中断风险，保障供电连续性。

3．开关设备维护频率

配电设备制造商通常会推荐一个设备维护周期表，以期随着时间的推移通过定期的设备维护，延长设备的运行时间以及提升设备的运行性能。在正常／良好的运行条件下（理想运行环境、非关键设备）的维护频率一般可按如下所定：

表6-6正常运行条件开关设备维护周期表

维护类型	最低频率	实施人员
维护类型	最低频率	制造商	认证合作伙伴	最终用户
原厂专有维护（四级）	4年		×	×
高级维护（三级）	2年	√	√	×
基本维护（一/二级）	1年

维护频率在考虑高强度的使用工况下，比如负载切换频率、是否长期带电、供电的稳定性等方面，可以适当地提高。维护频率在考虑用电的关键程度，对于高关键性的开关设备（比如UPS上游开关）也可以适当地提高。

数据中心行业的低压开关可以根据开关设备使用环境及重要性，自行调整维护频率。

4．低压开关的维护建议和措施

(1)微型断路器维护计划

微型断路器属于免维护设备，但是针对数据中心应用场合对于供电连续性的要求，可以定期对接线端子的连接进行检查，防止虚接导致过热引起故障。带有漏电功能的微型断路器需定期进行漏电检测，防止漏电功能失效。

(2)塑壳断路器维护计划

1）一级维护：根据制造厂商用户手册的流程执行，无需使用仪器，维护人员需要基本的产品知识和简单培训。

表6-7塑壳断路器一级维护

推荐维护内容	维护等级	推荐周期	仪器及材料
1．断路器本体
1.1 检查面罩是否有破损或变形	L1	每季度	g.cn
2．断路器底座
2.1检查面罩是否有破损或变形	L1	每季度
3．控制回路
3.1 检查低压柜信号指示灯是否与断	L1	每季度
路器一致
4．控制单元
4.1 检查并记录控制单元保护定值设置	L1	每季度

2）二级维护：根据制造厂商用户手册流程执行，需要使用基本的测试仪器，维护人员需要参加制造厂商专业的技术培训。

表6-8塑壳断路器二级维护

推荐维护内容		维护等级	推荐周期	仪器及材料
1．断路器本体
1.2 拆除面罩并清除其内外积尘		L2	每年	无纺布，真空吸尘器
01.3 清除表面积尘		L2	每年	无纺布，真空吸尘器
1.4清除灭弧罩滤网积尘		L2	每年	真空吸尘器
1.5手动合、分闸测试（3次）		L2	每年
1.6检查接线端子连接紧固		L3	每年	力矩扳手
2．断路器底座
2.2 检查抽出式底座机构操作		L2	每年
2.3 检查底座安全联锁		L2	每年	rg.cn
3．控制回路
3.2检查连接端子接线是否破损		L2	每年
	3.3检查连接端子接线是否紧固	L2	每年

3.4检查合分、报警、故障报警指示触点状态转换	L2	每年	万用表
4．控制单元
4.2漏电保护测试	L2	每年	万用表，外部电源

3）三级维护：根据制造厂商内部流程执行，需要使用专用的测试及简单的诊断仪器，现场对产品进行维护和诊断，维护人员需要参加制造厂商专业的服务认证培训。

表6-9 塑壳断路器三级维护

推荐维护内容	维护等级	推荐周期	仪器及材料
断路器本体
1.7接线端子润滑（抽出/插入式断路器）	L3	2年	导电膏，刷子
2．断路器底座
2.4抽出式底座机构油脂去除及重新润滑	L3	2年	润滑脂，无纺布，刷子
2.5底座夹头油脂去除及重新润滑	L3		导电膏，无纺布，刷子
3．控制回路
3.5电气分闸测试（标准及最低工作电压）	L3	2年	可调外部电源，万用表
4．控制单元
4.3保护脱扣测试（电子脱扣器）	L3	2年	制造商专用测试设备

4）四级维护：根据制造厂商内部流程执行，需要使用专用的测试及复杂诊断仪器，现场对产品进行深度维护及诊断，维护人员为制造厂商原厂认证服务工程师。

表 6-10 塑壳断路器四级维护

推荐维护内容	维护等级	推荐周期	仪器及材料
1101 断路器本体 110010101
1.8绝缘电阻测试	L4	4年	绝缘电阻测试仪
1.9回路电阻测试	L4	4年	回路电阻测试仪
vww.ODcC.org.cn2．断路器底座
无
3．控制回路
3.6评估电气附件使用寿命及预防性更换	L4	4年	制造商专用评估软件，分闸线圈，失压线圈备件
4．控制单元
4.4 电子式控制单元脱扣特性测试及诊断	L4	4年	制造商专有测试工具
4.5评估控制单元使用寿命及预防性更换	L4	4年	通过厂家专用评估软件，控制单元备件
1016181010110 通信模块及附件
5.1断路器本体遥控及遥信测试	L4	4年	串口调试软件、制造商测试软件
5.2 测试寄存器数据擦写		4年	串口调试软件、制造商测试软件

(3)框架断路器维护计划

1）一级维护：根据制造厂商用户手册的流程执行，无需使用仪器，维护人员需要基本的产品知识和简单培训。C

表6-11框架断路器一级维护

推荐维护内容	维护等级	推荐周期	仪器及材料
1．断路器本体
1.1 检查面罩是否有破损或变形	L1	每季度
1.2检查断路器合、分闸及储能指示牌位置	L1	每季度
2．断路器抽架
2.1 检查抽架机械位置指示	L1	每季度
3.控制回路
3.1 检查低压柜信号指示灯是否与断路器一致	L1	每季度
4．电子式控制单元
4.1 检查控制单元是否有报警信息	L1	每季度
4.2 检查故障跳闸指示灯、蓝牙指示灯和“就绪指示灯”	L1	每季度
4.3检查并记录控制单元保护定值设置	L1	每季度

2）二级维护：根据制造厂商用户手册流程执行，需要使用基本

的测试仪器，维护人员需要参加制造厂商专业的技术培训。

表6-12框架断路器二级维护

推荐维护内容	维护等级	推荐周期	仪器及材料
断路器本体
1.3 拆除面罩并清除其内外积尘	L2	每年	无纺布，真空吸尘器
1.4 清除内部机构积尘	L2	每年	无纺布，真空吸尘器
1.5清除灭弧罩滤网积尘	L2	每年	真空吸尘器
1.6手动合、分闸测试（3次）	L2	每年
1.7检查安全联锁（钥匙锁及缆绳联锁）	L2	每年
WWW.O .org.cn2．断路器抽架
2.2 清除抽架面板及内部积尘	L2	每年	无纺布，真空吸尘器

2.3检查抽架位置触点指示（退出、试验、连接/工作）	L2	每年	万用表
2.4 测试抽架推进机构功能（摇入/摇出操作）	L2	每年	摇进摇出手柄
2.5 测试安全挡板是否正常开合	L2	每年
2.6检查抽架推进机构联锁	L2	每年
3.控制回路
3.2检查连接端子接线是否破损	L2	每年
3.3检查连接端子接线是否紧固	L2	每年
3.4检查合分指示触点状态转换	L2	每年	万用表，三线接线端子
www.O. .org.cn电子式控制单元
.4.4 接地或漏电保护测试	L2	每年	按照制造商的测试要求进行模式测试，必要时借助工具

表 6-13框架断路器三级维护

推荐维护内容	维护等级	推荐周期	仪器及材料
1．断路器本体
1.8拆除并检查灭弧室使用状况	L3	2年	螺丝刀，力矩扳手
1.9检查主触头磨损情况	L3	2年
1.10 操作机构润滑	L3	2年	润滑脂，刷子
1.11检查接线端子连接紧固	L3	2年	力矩扳手
1.12 插接端子润滑（抽屉式断路器）	L3	2年	润滑脂，刷子
2．断路器抽架
2.7 抽架机构油脂去除及重新润滑	L3	2年	润滑脂，无纺布，刷子
2.8束状夹头及底座油脂去除及重新润滑	L3	2年	润滑脂，无纺布，刷子

3．控制回路

3.5电气分合闸测试（标准及最低工作电压）	L3	2年	可调外部电源,万用表，三线端子
3.6电动储能时间测试（标准及最低工作电压）	L3	2年	可调外部电源，万用表，秒表，三线端子
4.电子式控制单元
4.5保护脱扣测试	L3	2年	制造商专用测试工具、或测试软件

表6-14 框架断路器四级维护

推荐维护内容	维护等级	推荐周期	仪器及材料
1．断路器本体
1.13绝缘电阻测试	L4	5年	绝缘电阻测试仪
1.14 回路电阻测试	L4	5年	回路电阻测试仪
1.15机构分合闸力测试		5年	专用测力计
1.16 机械特性诊断测试	L4	5年	机械特性测试仪器
－ 1.161监测分闸/合闸/弹簧储能操作的特性改变
－1.162阻尼器和停止装置的状态检查
- 1.163分闸/合闸时间和速度检查
－ 1.164储能电流及时间检查
－ 1.165主触头同期性检查
－ 1.166合闸安全性（超程和稳定性）检查
-1.167分闸安全性（超程和稳定性）检查			110110101
2．断路器抽架 011010
2.9 束状夹头夹紧力测试	L4	5年	制造商推荐使用的工具
2.10 抽架推进机构清洁及润滑	L4	5年	润滑脂，无纺布，刷子
3.		控制回路
3.7 评估电气附件使用寿命及预防性更换	L4	5年	制造商专用评估软，合/分闸线圈，储能马达备件
4．电子式控制单元
4.6 控制单元电流采样回路连通性测试	L4	5年	大电流发生器、根据制造商脱扣单元特性判断是否需要提供电源
4.7 储存定值、事件记录检查	L4	5年	制造商专用测试工具、或测试软件
4.8控制单元脱扣特性测试及诊断	L4	5年	制造商专用测试工具、或测试软件
4.9评估控制单元使用寿命及预防性更换	L4	5年	制造商专用评估软件，控制单元备件

5．通信模块及附件
5.1断路器本体遥控及遥信测试	L4	5年	串口调试软件、制造商测试软件
5.2断路器抽架遥信测试	L4	5年	串口调试软件、制造商测试软件
5.3控制单元寄存器数据擦写测试	L4	5年	串口调试软件、制造商测试软件

10010 10011010 101101 5101011 10 1100 101011

www.ODCC.org.cn

七、低压开关技术展望

（一）数据中心低压配电系统演进方向

数据中心的基础设施多年来的发展方向是安全、可靠、智能、高效、弹性，物联网（IoT）、人工智能（AI）、虚拟现实（VR）、大数据等新技术的应用持续助力数据中心基础设施建设，也对数据中心供配电系统的供电能力有着更高的要求。

GB50174-2017按照数据中心的使用性质和数据丢失或网络中断在经济或社会上造成的损失或影响程度将数据中心等级分为A、B、C 三级，较大规模以上数据中心多数采用的是冗余或容错系统，系统结构相当成熟，但也存在着各个系统相互割裂、系统架构复杂、占地面积大、遇到故障定位困难等问题。因此，简化供电架构、减少占地面积、缩短建设周期，是数据中心供电系统当前的主要发展趋势。同时，绿色节能、低碳运营、智慧管理等社会发展目标也促使供配电系统发生改变。主要有以下几种趋势：

1．模块化（预制化）

模块化分为预制化配电模块、电力模块、高压直流模块、微模块等。预制化配电模块是将高低压配电室单列设备统一预制在固定底座上，到现场直接安装。电力模块是将变压器、低压配电、UPS输入输出按照预定的容量集成，现场组合拼装。高压直流模块采用移相变压器技术将变压器抽出多组接头直接整流成240V或336V高压直流到列头柜，直接减去低压配电链路，架构极其简化。微模块更多的适用于边缘数据中心，将供电电源、存储运算设备、制冷系统、通信监控等集中在一个封闭空间、部署相当灵活。

图 7-1 数据中心配电模块化、预制化

2．架构简洁化

数据中心传统供电链路及架构非常复杂，各环节设备种类繁多，对运维人员素质要求比较高。但现在整个行业发展速度飞快，人员配备无法跟上建设与运维的需要，迫切需要将供配电系统向架构简化、易操作、易运维转变。例如机柜电源就从传统的2N UPS系统，逐步向市电直供、市电加UPS、一体化配电系统甚至中压UPS等转变。直流电源的应用同时也重新得到重视，高压直流、移相直流电源在部分数据中心场所得以大量应用，积累了丰富的运行经验，也获得了较好的经济收益。

图 7-2 数据中心配电架构简洁化

3．绿色低碳能源

数据中心是用电设备布置密度高、能耗高的场所。为响应数据中心低碳甚至零碳运营的需求，使得数据中心有必要选择至少是部分选择接入绿色能源。同时数据中心又是典型的交直流负荷并存的负载中心，如能将数据中心内各类负载进行交直流应用的分类，接入绿色能源，在低压配电系统分别设置直流母线系统和交流母线系统给相应设备供电，可以有效提高供电效率。

图7-3数据中心绿色能源应用

4 配电管理智慧化

数据中心供配电系统运行安全管理以国际标准IEC61850“基于通用网络通信平台的变电站自动化管理系统”为基础，实现变电站的运维管理软件化、系统运维预判化、未来扩展灵活化的使用需求。使得供配电管理系统具有智慧诊断、智慧灵动、管理透明、专家随行的特点，打破传统供配电方案信息孤岛的问题，从底层数据库出发，以纵向管理一体化为中心，有机结合综合信息，简化人工管理过程，实现配电系统运行安全管理、配电设备健康在线诊断、实时专家运维建议、配电设备能耗优化以及智慧移动运维管理等，数据中心的配电管理愈来愈趋向智能化、智慧化。Org.Cn

图7-4 数据中心智慧配电管理架构

（二）低压开关技术路径

从开关诞生以来，集成化、模块化、智能化就一直是电气开关产品的主要发展趋势。

1．集成化

集成化是将更多的功能集成在低压开关上，低压开关已经不再仅仅起到一个分断电源、保护负载的作用，更是将测量、分析、管理、控制集成于一体，使之成为一个配电系统的管理者。比如 ABB公司于2013年推出的Emax2系列空气断路器，除了基础的各种保护功能外，还有1级精度电能测量、接口保护、负载智能投切、内嵌双电源切换控制、同步校验、电能管理，甚至在不需要专用管理平台的情况下独立实现对其覆盖的配电系统内负载进行控制。施耐德公司于2017年推出的MasterpactMTZ系列空气断路器，可以通过简单的人机对话单元，结合最新的数字化技术，成为智能配电系统的关键部分，将配电系统接入物联网。同时开关内置了所有通信功能和1级测量精度的电力/电能测量，可将配电柜连接至任何建筑物和电能管理系统，甚至可以使用智能手机作为远端的人机对话工具，简单方便地监控配电系统。

ABB 的自动转换开关（AutoTransfer Switch）系统利用新的EkipConnect3软件提供的新功能，以及Emax2等智能数字化开关提供多样化、可靠的解决方案。其嵌入式ATS功能为转换开关应用场景做好准备，并可减少逻辑编程和调试的时间。可应用的场景主要有：UPS机组的供电、手术室和关键的医疗服务设施、民用建筑、酒店和机场的紧急电源、数据机房和通讯系统、连续工业流水线的电源；另一种应用场景是微电网与市政主电网的断开或连接。

图7-5嵌入式ATS 解决方案

rg.cn

Emax2通过PMS（电能管理系统）负载控制功能能够控制负载和发电机，以按照电能管理策略确保节约电费和实现需求响应应用。

凭借功率控制软件，Emax2可以管理电能削峰填谷。通过这种方式，可削减电费、提高20%能源效率和为需求响应计划做好准备。

电能管理功能是以专利计算算法为基础，这种算法允许通过相关开关装置（比如开关装置、接触器、传动控制）或控制电路的远程命令，按照用户在本地或远程定义的优先级，根据他们自身的要求和负载类型来控制负载列表。该算法被设计用于预测平均功率吸收值。用户可以在确定好的时间间隔内设置这个值。在任何时候这个值超过固定功率时，电能管理功能介入使它重新回到限值内。

此外，控制装置不仅控制无源负载，还管理应急发电机。从经济以及技术角度来说，按照已经定义的优先性列表控制负载的能力有巨大的优势： 11010

1）经济方面：能源消耗优化的重点是控制与用能指标罚款相关的成本。在因为反复超过限值，导致超过合同功率或配电系统运营商（DS0）增加合同功率时，会征收这种罚款。

2）技术方面：可以短时间在合同限值以上实现功率吸收，并长时间管理和控制功率消耗。因此，它可以降低因过载导致故障的可能性，或是更坏情况下因低压主开关装置的脱扣导致的整个数据中心的效率低下。

图7-6负载控制功能方案

Masterpact MTZ 可集成 Smart Panels 智能配电系统，从而：

1）结合 EcoStruxure 配电软件，发挥配电系统的潜能

2）借助任意监视系统进行远程监测和控制，执行预测性和预防性维护

3）借助施耐德千里眼运维专家的数字化维护日志，实现远程通知和运维规划

4）借助施耐德千里眼资产顾问、EcoStruxure电能管理专家、EcoStruxure电力监控系统、EcoStruxure 楼宇运营系统,提供主动的设施管理

5）通过设备监控，提供电气资产的全生命周期管理和按需运维管理

6）资产管理和报警管理

7）能效管理和电能质量管理

图 7-7 Masterpact MTZ 集成 Smart Panels 智能配电系统

2．模块化

模块化是将低压开关的各个功能结构模块化，比如开关的机械结构尽量合成一个模块，只需一到两个固定螺丝就可以拆除与安装，分合机构单极化组装，灭弧系统、辅助脱扣器件、智能脱扣器、通讯、接线端子都分成可轻松组合与拆卸的模块，可有效提高维护效率、降低维护成本、节约安装维护时间，方便客户使用。

图 7-8框架断路器模块化

3.智能化

智能化是将低压开关的功能设计更加“傻瓜化”、智能化，比如ABB的 Emax2系列空气断路器、XT塑壳断路器均已采用基于同一开发平台的智能触摸屏显示、图形化界面，就像智能手机上的APP-样，所有保护、测量、分析、控制功能都是傻瓜式的点击选择方式。施耐德的MTZ系列空气断路器、新一代NSX塑壳断路器也是采用图标加文字的树形图结构，轻松展开智能断路器的保护设定、参数测量、波形分析、输入输出控制等等各种功能。正泰NA5T系列万能式断路器、NM5T系列塑壳断路器可配合后台电力监控系统实现对配电系统的可观、可控、可测，达到无人值守。良信的NDW3系列万能式断路器、NDM3E系列物联型塑壳断路器也已经自带数字化基因，能实现断路器预测性维护、保护及参数设定、故障录波等功能，助力运维闭环。 A

Emax 2 Ekip Touch 智能脱扣器
MTZ Micrologic X智能脱扣器
图7-9开关智能化

（三）面向IDC 的低压开关技术

面对大规模数据中心（IDC）的出现，低压开关及低压配电系统都做出相应的技术改变来适应IDC这种高功率密度、高能耗、集约化、无人值守的应用场景。例如，配电系统采用智能配电系统、开关采用智能化开关代替传统开关，监控范围从仅监控开关状态、运行时的电参数发展到开关运行时的电参数、关键节点的温度、压力、流量、机械特性变化曲线等，设备也从开关扩展到UPS、变压器、母线、列头柜等，实施精细化管理、大数据比对运维、预测预判开关设备的寿命，实现主动运维。

图 7-10 数字化低压开关及开关柜

机架式开关的推出也是针对IDC发展需要开发的新型断路器，它可以做到开关体积更小，安装更加简单，与数据设备同处一个空间，贴近设备端运维更加便捷，监控管理颗粒度也更精细、基础数据更准确，方便集成进入智慧监控与管理系统。

新型低压开关柜比如 ABB的 NeoGear 也是面向 IDC 发展的一款具有创新技术的低压配电设备，其核心是用叠层母排技术取代了传统的水平和垂直母排系统，有效节约25%以上的物理空间，并且设备故障率大大降低，帮助数据中心用户实现空间价值和可靠性价值。

图 7-11 NeoGear开关柜及其叠层母排

（四）智能化技术的发展

智能化技术的应用是数据中心低压配电设备发展的必然趋势，物联网（IOT）、云服务、云运维的兴起，需要对低压开关及系统实现全生命周期管理、预测性维护、自我诊断、能源趋势管理等。物联网及人工智能（AI）技术的不断发展，为数据中心基础设施智慧运维提供了可能，通过数字孪生识别健康隐患，流程优化提高管理效率，辅助专业人员从管理强度、广度、深度，三位一体，全面优化、科学提高数据中心全生命周期的运维管理效率。

1）全生命周期管理

通过对低压开关的数字化和智能化技术来提供维护服务，远程设备管理服务，资产管理服务和电能管理服务。将开关本地连接集成到数字化能效管理架构中，可生成远程基础数据集，给出专业的维护计划，形成数字维护日志，通过监控设备来制定合理的运维建议，通过资产和警报管理提升设备运行管理，通过电能效率和电源质量管理来实现电能成本、资产利用和设备运行的最佳优化。

2）预测性维护

配电设备通过开关内外各处传感器收集温度信息、机械特性信息；动力设备直采或以通讯方式采集末端设备、管道运行温度、流量、压力等信息，基于设备机理模型、工业大数据算法进行健康诊断，实现领域专家与数据科学家的完美结合，针对关键特性进行健康状况评估，识别健康隐患，对设备健康状态给出运维建议，指导运维人员及时排除故障隐患。

3）自我诊断

通过对开关等设备的实时动态温升监测，根据运行工况，综合时间、环境温度、负载大小等进行科学的动态温升评估，同时结合大量实验数据和设备运行经验校正，对热老化、机械老化、电老化做出科学诊断。动力设备健康管理则是通过实时采集，与设备运行各类参数、运行状况及关联工艺参数等多维相关量拟合进行智能分析，将设备的健康状态进行专家分析诊断，从而实现运维的闭环管理，提升运维效率，实现智慧运维。

4）能源趋势管理

通过PUE、WUE等能源使用效率的动态调优手段、全面的能源轨迹监测、智能算法的加持用来识别节能机会，并提供优化策略，得到能源趋势，实现高效的数据中心管理效率。

图7-12低压开关智能化技术

（五）绿色低碳

未来，数据中心的每一层级低压开关将不再仅仅起到一个分断、保护负载的作用，还可将能耗测量、数据分析、综合管理、智能控制集成于一体，成为每一个精细能耗单元的管理者，为数据中心智能运维与管理提供更细颗粒度用能数据，明晰负载的能源轨迹、识别节能机会，通过大数据决策模型来优化节能策略，进行PUE动态调优、WUE调优、柴发经济运行下可算力匹配度的评估，并通过大模型的自我学习能力，持续监测并验证节能效果，提升每一单元颗粒能源使用效率，优化多种测量手段，构建能源轨迹、运行实时数据库并持续优化，促进数据中心绿色低碳运营的实现。

低压开关供应商生产运营逐步绿色化，持续降低数据中心用户供应链上的碳排放。ABB在其厦门工业中心建立了“碳中和”园区示范基地，是ABB践行绿色低碳、可持续发展的示范性工程。ABB厦门工业中心拥有先进的中压、低压开关柜和断路器生产线，通过安装100,000平方米的屋顶光伏，实现了50%的绿电替代。通过多策略精准柔性调控技术，实现清洁能源的更大化本地消纳，源荷储协同提高能源使用效率。该智慧能源解决方案配置发电预测和负荷预测AI算法，通过预测发电和用电的情况，部署调控策略，实现用电低碳化和经济性之间的平衡，为电气制造行业生产型工业园区起到绿色低碳运营的示范带头作用。

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编写组

前言

目录

数据中心低压开关技术白皮书

一、概述

二、数据中心低压配电系统

（一）低压配电系统特点

1．概述

2．数据中心低压配电系统

（二）低压配电系统接地方式

TN接地系统特征：

（三）数据中心低压配电系统组成设备

1．变压器

2．低压成套柜

3. UPS

4．高压直流电源

g.cn

5．精密列头柜

6．配电箱（柜）

（四）低压配电系统保护

1．低压配电系统保护要求

2．低压配电系统保护类型

(1)过载长延时保护

(2)短路短延时保护

(3)短路瞬时保护

(4)中性线保护

(5)接地保护

(6)漏电保护

(7)电流不平衡保护

(8)电压保护

(9)频率保护

(10）逆功率保护

(11）相序保护

三、数据中心常用低压开关器件分类

（一）断路器

1．空气断路器（ACB）

2．塑壳式断路器（MCCB）

3．微型断路器（MCB）

（二）隔离开关

隔离开关的结构和原理：

（三）转换开关电器

（四）接触器与继电器

1．接触器的结构和原理

2．接触器的主要特征

3．接触器的分类

（五）熔断器

1．熔断器的结构和原理

2．熔断器的特点

4．故障后需要更换熔断体

3．熔断器的分类

（六）电涌保护器及其保护开关

四、低压开关分断技术

（一）断路器结构组成与分断原理

1．一般断路器的结构组成

传感元件

1）热双金属脱扣器

2）电磁式脱扣器

3）电子式脱扣器

执行元件

传递元件

2．一般断路器的动作原理

（二）低压交流开关灭弧原理

（三）低压直流断路器分断原理

1．直流电弧的稳定燃烧点

2．直流电弧的熄弧条件

3．直流电弧的灭弧方法

（2）增大电弧长度1

(3)增大弧柱的电场强度E

（四）低压开关分断技术手段

1．机械开关

电弧电阻限流

产品固有材料电阻限流

外接电阻限流

变阻限流器限流

数据中心低压开关技术白皮书-2023.10-173页-WN11