本文以施耐德的几款低压断路器为例，图1中GV2/GV3/GV4是典型的电动机保护型断路器，具有热磁保护和单磁保护两种脱扣器。
NSXm/NSX塑壳断路器适用于电动机保护还是配电保护取决于电子脱扣单元的类型，比如Micrologic 2.2/2.3M和6.2/6.3E-M脱扣单元属于电动机保护型(M代表Motor)，具有长延时保护、短延时保护、瞬时保护、接地故障保护(仅6.2/6.3E-M)。
Micrologic 1.3M和MA脱扣单元只具有瞬时保护(磁保护)，只为电动机提供短路保护。
图1 施耐德电动机保护断路器型号
图2中Acti 9微断和MT/MTZ框架断路器是典型的配电保护断路器，前者适用于配电线路末端如家庭用电回路，后者适用于线路始端如配电变压器低压侧。
NSXm/NSX配电断路器的脱扣器有热磁式TMD和电子式Micrologic 2.2/2.3/5.2/5.3/6.2(不带后缀M)。
图2 施耐德配电保护断路器型号
一、保护对象特性不同
电动机保护断路器的保护对象是电动机，而配电保护断路器的保护对象主要是电缆。
鼠笼式异步电动机起动时的电流波形见图3，大致可以分为三个阶段 。
图3 鼠笼式电机的起动和运行特性曲线
第一个阶段：起动瞬间时会有一个0.5周的不对称瞬时峰值电流，称为接通电流峰值，一般为为起动电流稳态值的1.8倍~2.8倍，这个阶段要保证断路器的瞬时保护整定电流(或磁脱扣电流值)大于接通电流峰值，避免断路器启动瞬间误动作。
在GB50055-2011通用用电设备配电设计规范中就要求 “瞬动过电流脱扣器或过电流继电器瞬动元件的整定电流应取电动机起动电流周期分量最大有效值的2倍~2.5倍”，即断路器的瞬时保护整定值应取起动电流的2~2.5倍，因此电动机保护型断路器的瞬时保护整定倍数比配电断路器高，一般为14倍额定电流或10~20倍可调。
第二个阶段：起动电流阶段，起动电流的大小一般为额定电流的4.8~8倍，起动时间的长短取决于电动机所拖动的负载转矩、传动系统的传动惯性和加速转矩，这个阶段需要保证断路器的过载保护在起动过程中不能误动作，但是由于电动机起动时间不同，假如断路器在起动电流下的脱扣时间小于电动机起动时间会导致电动机无法成功起动。
在GB14048.4-2010低压开关设备和控制设备第4-1部分_接触器和电动机起动器(含电动机保护器)标准中，对于电动机保护断路器要求验证脱扣等级。例如脱扣等级10，就要求断路器在7.2倍额定电流下的脱扣时间要大于4s小于10s。
第三个阶段：稳定运行阶段，这时候电动机完全运转起来，长期运行条件下电动机绕组的发热效应近似地按时间和电流平方的乘积作变化，超过额定值的电流会增加绕组的温度，影响绕组绝缘材料的使用寿命。
GB755-2008 旋转电机定额和性能标准规定，额定输出在315kW及以下和额定电压在1kV及以下的多相电动机应能承受1.5倍的额定电流，历时不小于2分钟，超过这个时间保护电器需要动作，所以对于脱扣等级为10的断路器，1.5倍整定电流下4分钟内需动作。
对于电缆，其长期允许工作电流取决于外层绝缘材料。例如聚氯乙烯(PVC)电缆长期允许工作的最高温度为70℃，交联聚乙烯电缆(XLPE)长期允许工作的最高温度为90℃。以常用的聚氯乙烯PVC电缆为例，如图4所示来说明线路过载内部热源引起短路起火的过程，当线路无载时，PVC电缆绝缘层的温度与室温相同。
图4 PVC绝缘电缆线路由过载转化为短路引起火灾的过程简示图
当线路通过负载电流时，如果电流不超过线路的额定载流量，则其工作温度不会超过最大允许工作温度70℃，可保证线路的正常使用寿命。如果线路过载，工作温度超过70℃，线路仍正常工作，但绝缘老化加快，过载越多，老化越快，使用寿命越短，因此线路过载到一定倍数和时间之后，过电流保护元器件应动作切断电源，以免线路老化严重，引起短路等其他故障。
对于电缆的过负荷保护，工业与民用供配电设计手册(第四版)中要求过负荷保护电器的动作特性与导体之间的配合，需满足以下两个条件：
其中，Ic为回路计算电流A；Iz为导体允许载流量A；In为熔断体额定电流或断路器的额定电流或整定电流。
对于家用微断(不能整定)，In为微断的额定电流。
对于塑壳断路器和框架断路器，In为断路器的整定电流值(非断路器壳架电流值或脱扣器额定电流值)。
图5为框架断路器或塑壳断路器脱扣器面板上的长延时保护整定电流值Ir，式2中I2为约定脱扣电流值，对于家用微断I2为1.45倍In，对于塑壳和框架断路器的I2为1.3倍整定电流值Ir。
图5 长延时保护整定电流值
二、断路器标准和过载保护特性不同
配电保护断路器中，家用微断遵循的是GB/T10963.1-2005家用及类似场所用过电流保护断路器 第一部分 用于交流的断路器。
塑壳断路器和框架断路器遵循的是GB/T14048.2-2020 低压开关设备和控制设备 第2部分：断路器。
电动机保护断路器遵循GB/T14048.2和GB/T14048.4-2020低压开关设备和控制设备第4-1部分_接触器和电动机起动器(含电动机保护器)两份标准，对比数据如表1。
表1 不同断路器遵循标准对比
断路器保护特性不同表现在约定不脱扣电流和约定脱扣电流值不一样，对比数据见表2。
表2 不同断路器的过载保护特性
注：对于塑壳和微断，当电流≤63A，约定脱扣时间为1h。
电动机保护断路器的约定脱扣电流为1.2Ir比塑壳和框架断路器的1.3Ir低，比家用微断的1.45In更低，意味着电动机在过载情况下需要尽快动作，对断路器过载保护的灵敏度要求更高。
三、7.2Ir脱扣级别和1.5Ir脱扣性能
电动机保护型断路器需要验证7.2Ir电流下脱扣级别和1.5Ir电流下脱扣性能，而配电保护断路器不需要。
电动机保护断路器脱扣级别的选择界面见图6，有的断路器脱扣等级不能选择，比如GV2/GV3热磁式电动机保护断路器，其脱扣级别默认为10A级。
图6：电子脱扣单元面板上脱扣级别选择界面
GB/T14048.4标准对脱扣级别的验证是：从冷态开始，7.2倍整定电流下，对于适当的脱扣级别和公差带，应在表3给出的极限值内脱扣。
目的是保证电动机保护断路器在起动电流下的脱扣时间大于电动机实际起动时间，避免误动作，所以电动机起动时间越长，选择脱扣级别的数字越大。
异步电动机起动时间的长短，由转速、转矩以及转子上所带飞轮惯量大小决定。
空载起动时起动时间很短，但是带不同的负载起动，起动时间各不相同，例如潜水泵起动时间在5秒以内，普通泵起动时间为5~20秒，普通生产机械起动时间为10~20秒，鼓风机起动时间可能需要15~40秒，而大型压力机、离心机起动时间更长，可达50~100秒。
起动时间小于10s的场合，可以选择10/10A脱扣级别，而起动时间更长的负载，建议选择20/30/40级别，或采取其他手段保证电动机能正常起动。
1.5Ir电流下脱扣性能是为了满足GB/T755-2008标准中允许电动机在1.5倍额定电流下运行不小于2分钟的要求。
对于不同的脱扣级别电动机保护断路器，1.5Ir电流下脱扣时间见表3第二列。
表3 脱扣级别对应的脱扣时间范围
四、缺相保护要求
电动机保护断路器一般具有缺相保护功能，而配电保护断路器不需要验证该功能。
GB/T14048.4标准中对于缺相保护的验证是：在规定的周围温度下，从冷态开始通A倍电流，在2h内应不脱扣，紧接着当两极电流增加到B倍整定电流且第三极不通电，应在2h内脱扣，试验要求见表4。
表4 三极过载继电器仅两极通电时的动作范围
以GV2热磁式电动机保护断路器为例，能实现缺相保护是由于内部有差动机构(图6)。
图6 GV2断路器差动机构
电动机三相过载情况下，三极双金属片同时弯曲推动差动板一起向左运动，带动脱扣机构动作。
电动机缺相情况下(以供电线路B相断线为例)，B相电流为0，流过完好相A、C两相的电流最小为1.2倍电动机额定电流(负载率为54%)，最大为2.2倍电动机额定电流(负载率为100%)。
此时B相双金属片保持在原来位置，A、C相双金属片弯曲推动下半部分差动板运动，断路器最终保护动作(图7)。
图7 三相过载保护和缺相保护时差动机构动作机
五、温度补偿
电动机保护断路器与配电保护断路器的另一个区别是前者自带温度补偿功能。
例如同样是热磁式脱扣结构，Acti 9微断是基于30℃为基准给出不同温度下的降容系数(图8)。
图8 iC65N/H,iDPNK2微断温度降容表(部分)
NSX塑壳断路器是基于40℃为基准给出不同环境下的降容系数(图9)。
图9 热磁式NSX塑壳断路器温度降容表(部分)
GV2/GV3断路器内部结构有热补偿双金属片，在不同的温度下热补偿双金属片会受热张开，抵消三相双金属片在环温下的弯曲角度，最大补偿温度为60℃(图10)。
图10 GV2断路器温度补偿片和温度补偿范围
六、总结
通过对电动机保护断路器和配电保护断路器各自保护对象特性的分析，可以看出二者无论是从遵循的产品标准，还是过载保护特性，以及为适应电动机本身特点而增加的特殊验证和要求(比如电动机保护断路器的瞬时保护整定值高、具有脱扣级别和1.5Ir电流下的脱扣时间要求、缺相保护功能)，除此之外，电动机还具有温度补偿功能，即60℃范围内不需要降容使用。
希望通过上述介绍和对比，为广大电气工程师选择合适的断路器提供参考。
作者：宾昭平
