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《你所不知道的電氣知識——電氣世界漫游》

斷路器的基本原理之1

當插線板發(fā)生短路，短路電流流過故障插線板，流過電纜導線，當然也流過開關電器，并引起電氣火災。緊急時刻，我們當然期望某路開關電器（斷路器）執(zhí)行保護跳閘。經(jīng)過一段短暫的時間后，某路開關斷路器執(zhí)行跳閘保護。

但斷路器執(zhí)行完保護后，我們能把它合上繼續(xù)為我們供電嗎？這里面有什么學問？

斷路器中流過正常的運行電流時，隨著時間的推移，斷路器中的保護測控裝置探測到的發(fā)熱量不大，未越過發(fā)熱量門限限制值，斷路器當然不會執(zhí)行跳閘操作；當斷路器中流過非正常的較大電流時，斷路器中的保護測控裝置探測到的發(fā)熱量較大，越過了發(fā)熱量門限值，斷路器執(zhí)行跳閘操作。

這里的門限，指的是斷路器的保護整定值。

我們把斷路器中流過的非正常大電流叫做過電流。過電流包括過載電流和短路電流。

也就是說，過電流越大，斷路器動作的時間就越短，它執(zhí)行線路保護就越快。這種特性有一個專有名詞，叫做斷路器的反時限保護特性。

現(xiàn)在，我們來一點數(shù)學知識，看看什么叫做反時限特性。

我們來看Y=K/X和Y=K/X2這兩個冪函數(shù)，這里令K=1，得到如下圖像：

我們馬上就能想到：如果讓縱坐標Y為斷路器的動作時間t，而橫坐標X為斷路器額定電流的倍率nIe（n是倍率，Ie是斷路器的額定電流），我們就能夠讓斷路器按電流越大動作時間越快的保護方式來執(zhí)行線路保護操作。

事實上，斷路器的保護操作就是按這個原則來進行的。對應的曲線叫做斷路器的反時限保護特性曲線。

這就是斷路器的線路保護特性曲線。我們看到過載保護特性t=f(I)與Y=f(1/X) 如此類似，其實它們就是同一類函數(shù)關系。

下圖是ABB的某型斷路器的熱磁式脫扣曲線：

圖中紅色的是熱態(tài)曲線，藍色的是冷態(tài)曲線。

有幾個地方需要解釋：

：關于斷路器特性曲線的冷態(tài)曲線和熱態(tài)曲線

冷態(tài)曲線指的是斷路器剛剛送電，斷路器內(nèi)部的溫度與環(huán)境溫度是一致的，此時的曲線在曲線簇的右側(cè)；熱態(tài)曲線指的是斷路器送電后已經(jīng)進入了穩(wěn)定狀態(tài)，此時的曲線在曲線簇的中間或者左側(cè)。

熱態(tài)曲線和冷態(tài)曲線在橫坐標中的范圍，其實就是斷路器短路保護的范圍。例如B特性是4到7倍額定電流，C特性是7到15倍額定電流。

為何如此？我將在后面結(jié)合斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)來解釋。

第二：關于斷路器特性曲線的B特性與C特性

B特性用于照明配電控制，C特性則用于普通配電的配電控制。

第三：關于斷路器的過載保護曲線和短路保護曲線

當線路發(fā)生過載時，也許是因為電壓浪涌使得電流暫時性變大，等電壓浪涌過去，電流就會恢復正常；也許是因為負載瞬時變重，使得電流加大，但負載恢復后，電流也會恢復。如此一來，斷路器的保護就需要有一定時間的延遲。

我們看過載保護曲線。例如B特性冷態(tài)曲線的橫坐標為2倍額定電流即2Ie位置，此時的縱坐標值為6秒，表示斷路器將在5秒后執(zhí)行過載保護跳閘。這里的6秒就是保護時延（注意：時延指的是保護操作機構(gòu)的動作時間延遲）特性。

當線路發(fā)生短路時，這屬于緊急狀態(tài)，斷路器必須馬上跳閘。

我們看B特性冷態(tài)曲線橫坐標為4Ie的位置，它的動作時間為0.02s，而5Ie的位置動作時間是0.01s。

我們看到，在4Ie和5Ie之間曲線還有一點反時限特性，但在5Ie之后就完全沒有反時限特性了。

我們把5Ie之后的特性曲線叫做定時限保護特性曲線，所有短路保護的時間都是0.01s；把4Ie到5Ie的這一段叫做短路短延時保護特性曲線。

短路短延時保護特性的目的與過載保護特性類似，期望短路是一個短暫的臨時現(xiàn)象，如果短路在0.01秒時間內(nèi)消失，則斷路器就不做開斷操作。

結(jié)一下我們學到的知識：

1.斷路器內(nèi)部的保護測控裝置能實現(xiàn)過電流的線路保護；

2.斷路器的過載保護具有反時限保護特性；

3.斷路器的短路保護分為兩段，其一具有反時限的短路短延時保護特性，其二具有定時限保護特性。

斷路器的基本原理之2

接下來我們講講斷路器的結(jié)構(gòu)。看圖1：

圖1就是熱磁式斷路器的結(jié)構(gòu)圖。圖中右側(cè)的文字說明告訴我們，斷路器有三大部件，分別是觸頭及滅弧系統(tǒng)、操作機構(gòu)和脫扣器及控制單元。

現(xiàn)在，我來給大家解析圖1的要點部分：

個概念：觸頭系統(tǒng)

我們看圖2：

看得出來，圖2就是圖1的觸頭系統(tǒng)。

從圖2中，我們看到了A相、B相和C相主觸頭，并且已經(jīng)閉合了。注意到三組觸頭都是單觸頭系統(tǒng)。

要說明一下：斷路器的觸頭分為主回路系統(tǒng)和輔助回路系統(tǒng)兩組。

所謂主回路，指的是控制電能傳遞的回路，它的特點是電流很大，按斷路器的規(guī)格和型號不同，主回路的電流在10A到6300A之間。見圖中黃色的部分；

所謂輔助回路，指的是執(zhí)行控制和信號傳遞的回路，它的特點是電流較小，一般在5A以下。見圖2的左側(cè)。因此，輔助回路不配滅弧裝置，而主回路必須配滅弧裝置。輔助回路接觸點的一般叫做觸點，與普通繼電器相同。

第二個概念：觸頭的霍姆斥力和觸頭壓力

我們看圖3：

圖3的左側(cè)是動靜觸頭系統(tǒng)，我們能看到其中的電流線。注意由于觸頭的結(jié)構(gòu)所致，觸頭接觸處其實是一個點，因此電流線會向中間傾斜。

圖3的中間是靜觸頭右側(cè)電流線I1X產(chǎn)生的磁力線分布。我們用右手螺旋定則，很容易判斷出它的左側(cè)磁力線是離開紙面出來，右側(cè)是進入紙面。于是動觸頭電流線I1s整個處于進入紙面的磁力線范圍之內(nèi)。

圖3的右圖是動觸頭電流線I1s的電動力分析圖。我們由左手定則判斷出它受到的電動力是F，并且F的方向與電流線I1s垂直指向左上角。我們把F分解為水平分力Fx和向上的分力Fy。由于水平分力受到觸頭左側(cè)的對稱分布電流線產(chǎn)生的右向水平分力抵消，所以觸頭不存在誰方向的作用力。然而，向上的諸電動力卻被疊加，對動觸頭形成向上的斥力Fh。Fh斥力又叫做霍姆斥力。同理，靜觸頭受到向下的霍姆斥力。

于是，當電流流過觸頭時，霍姆力試圖把動靜觸頭組合給斥開。

注意到觸頭的接觸電阻與觸頭壓力有關：觸頭壓力越大，其接觸電阻就越小。

由此可知，斷路器必須對動靜觸頭施加足夠的觸頭壓力，以實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的電接觸。

我們再看圖3：圖3通過操作手柄，或者電動合閘機構(gòu)與合閘電磁鐵，使得原先處于打開狀態(tài)的動靜觸頭組合閉合，閉合后用一組彈簧施加壓力在觸頭上，確保觸頭有足夠的接觸壓力。

第三個概念：脫扣器的用途及其類型

我們看圖4：

圖4中，我們看到連桿機構(gòu)向左運動并驅(qū)使觸頭閉合。讓觸頭保持閉合狀態(tài)的是一個叫做“扣”的機構(gòu)，見右上方的連桿機構(gòu)。連桿機構(gòu)迫使觸頭保持接觸狀態(tài)，并對觸頭施加觸頭壓力。

要解開這個“扣”，就要讓下方的脫扣桿向上方作右旋運動，然后解開連桿機構(gòu)的“鎖扣”，使得觸頭打開并解鎖。

能讓脫扣桿向上方運動的有四個脫扣器，分別是熱脫扣器、磁脫扣器、欠壓脫扣器和分勵脫扣器。

這四大基本脫扣器在不同的斷路器中有不同的配置，有的斷路器可能取消欠壓脫扣器或者分勵脫扣器，但一般都具有熱脫扣器和磁脫扣器，這也是上述斷路器被稱為熱磁式斷路器的原因。

(1)熱脫扣器

熱脫扣器其實是利用雙金屬片的原理。

所謂雙金屬片，它的一面是一種金屬例如銅，另一面是另外一種金屬例如鐵。金屬有一個特點，就是金屬導電性能好，金屬的熱膨脹系數(shù)就高。于是，對于一面是銅而另一面是鐵的雙金屬片，它就會向鐵的一面彎曲，并推動脫扣桿向上運動，執(zhí)行脫扣跳閘操作。

雙金屬片上纏繞著電熱絲，電熱絲的電流是從主回路分流過來的，主回路電流越大，電熱絲的發(fā)熱量也就越大，雙金屬片的變形度也越大越快。

調(diào)節(jié)雙金屬片推塊與脫扣桿之間的距離，可以調(diào)整熱脫扣器的動作值。

熱脫扣器一般用于斷路器的過載保護。

(2)磁脫扣器

磁脫扣器是利用電磁作用推動脫扣桿運動。

圖6是某型號的塑殼斷路器的熱脫扣器和磁脫扣器聯(lián)合體：

由于改型斷路器的電流不大（額定電流為250A），因此它采用了將工作電流直接流過雙金屬片的辦法來執(zhí)行過載電流的測量，而且磁脫扣器的彈片也與熱脫扣器電流線裝在一起，利用電磁力使得彈簧片動作，繼而通過脫扣器動作頂桿調(diào)節(jié)螺絲使得操作機構(gòu)執(zhí)行脫扣操作。

磁脫扣器用于斷路器的短路保護。

(3)欠壓脫扣

我們看下圖：

圖7中，左下角就是欠壓脫扣器。注意看欠壓脫扣器的線圈電壓：我們看到從B相引一條線，經(jīng)過常閉的欠壓脫扣按鈕和斷路器常閉輔助觸頭，接到欠壓脫扣器線圈。而線圈的另外一側(cè)則接到A相。所以欠壓脫扣器線圈電壓是380V的。

欠壓脫扣器線圈平時必須帶電。當系統(tǒng)失壓或者按下欠壓脫扣按鈕后，線圈失壓，撞針在彈簧的拉力作用下彈出，使得脫扣桿向上運動，從而引起脫扣，斷路器跳閘保護。

(4)分勵脫扣

我們看下圖：

當分勵脫扣按鈕按下后，分勵脫扣器線圈得電，脫扣撞針彈出，使得脫扣桿向上運動，從容讓斷路器跳閘。

分勵脫扣器專門用于外部控制斷路器開斷跳閘。

(5)其它脫扣器

斷路器還有其它一些脫扣器，下圖是塑殼斷路器的其它脫扣器：

這里有單相接地故障保護脫扣，有溫保護和相不平衡保護脫扣。

框架斷路器的脫扣器還有過壓保護、逆功率保護、低頻和頻保護等等。

結(jié)要點：

1.主觸頭通過電流后會有霍姆斥力，因此主觸頭需要配套觸頭壓力；

2.斷路器有四個基本脫扣器：熱脫扣器、磁脫扣器、欠壓脫扣器和分勵脫扣器。熱脫扣器用于過載保護，磁脫扣器用于短路保護，欠壓脫扣器用于失壓保護，分勵脫扣器則用于遠方操作斷路器跳閘。

斷路器的基本原理之3

1.斷路器的基本分類

斷路器，它分成三大類。

類，叫做框架斷路器，又叫做空氣絕緣斷路器。既然有了空氣Air這個詞，電流英文單詞是Circuit，而斷路器的英文單詞是Breaker，所以框架斷路器的符號是ACB。

第二類，叫做塑殼斷路器，它的符號是MCCB。

第三類是微型斷路器，它的符號是MCB。

ACB的額定電流范圍從1250A到6300A，額定電流范圍大；MCCB的額定電流范圍從10A到1600A，額定電流范圍居中；MCB的額定電流范圍從6A到63A，額定電流范圍小，但它卻是家裝用斷路器的主力軍。

不管是哪一類，斷路器內(nèi)部動靜觸頭之間的絕緣，依靠的就是空氣，這也是微型斷路器MCB的俗稱是空氣開關的原因。

既然斷路器內(nèi)部動靜觸頭之間的絕緣依靠的是空氣，我們就有必要來探討一番空氣的擊穿特性，以及若干電弧的基本知識。

2.關于電弧

我們先來認識一下電弧：

這就是電弧，我們看到電弧就是一團高溫氣體。在電弧內(nèi)部，溫度高達3000度以上，電子會從原子中逸出形成負離子，丟失了因此空氣分子全部變成等離子體，也即電子與正離子氣體的混合體。

3.斷路器的開距

我們來看圖3：

圖3中是框架斷路器ACB，它正處于打開狀態(tài)。我們把此時的動觸頭與靜觸頭之間的短距離叫做開距。

開距的用途就是確保處于打開狀態(tài)的動靜觸頭之間的空氣不會發(fā)生電擊穿。

4.空氣的擊穿電壓

我們看圖4：

圖4在知乎上已經(jīng)用了N遍。此處我們再次使用一番。

圖4左圖中我們看到了一個電路，其中電極1和電極2分別是陽極和陰極，它們與電池的正極和負極相連。當電壓等于零時，電路當然不通，電極之間沒有電流流過。

我們調(diào)節(jié)可變電阻R，逐步增加電極之間的電壓，我們發(fā)現(xiàn)電極之間有電流流過。這是因為宇宙射線的原因。宇宙射線把空氣分子給擊穿，擊穿后的負離子（電子）運動到陽極，而正離子則運動到陰極。由于地面的宇宙射線密度基本上是常數(shù)，所以電極之間的電流不大。見圖4右圖的A點到B點波形。我們看到觸頭之間的電壓增加了不少，但電流卻是常數(shù)。

我們繼續(xù)調(diào)節(jié)可變電阻，電壓繼續(xù)增加。當電壓越過B點后，空氣受到電場力的作用開始出現(xiàn)部分電離，我們看到電流略微增加。當電壓到達Uc點時，空氣被擊穿。此時的電壓Uc就是擊穿電壓。

空氣被擊穿后，電極間隙中出現(xiàn)輝光，一種很美麗的光：

我們繼續(xù)調(diào)高電壓，我們發(fā)現(xiàn)此時電壓開始下降，電流持續(xù)增大，空氣電離后出現(xiàn)強光，我們相繼進入了電弧擊穿區(qū)D區(qū)、E區(qū)和F區(qū)。

從C點往右，氣體擊穿后能夠自己維持，我們把這一段區(qū)間叫做自持放電區(qū)；從C點往左，氣體擊穿后不能自己維持，這一段區(qū)間叫做非自持放電區(qū)。

非自持區(qū)段很有意思，它的擊穿電壓會受到空氣壓強的影響，壓強越低越容易擊穿；同時，它還受到電極間隙的距離影響，距離越小越容易擊穿。所以，擊穿電壓Uc是氣體壓強p與電極間隙d之乘積的函數(shù)。表征空氣擊穿特性關系是巴申曲線，如下：

圖中的空氣擊穿電壓出現(xiàn)小值（約等于0.4kV），此值對應的pd值為0.47cm.133Pa，也就是電極間隙為4.7mm，空氣壓強為133Pa。我們知道，1個大氣壓是101.325kPa，故此時的空氣壓強相當于大氣壓的0.13%，相當于真空了。

所以，當我們在海平面上把電極之間的距離調(diào)整到1cm，隨之往高處走，海拔越高擊穿電壓就越低。也因此，標準中把海拔2000m作為一個。過2000m，則電器必須考慮到空氣擊穿電壓降低這個因素。

注意：巴申曲線小值點的左側(cè)是真空區(qū)段，我們看到它的特點是氣壓越低，擊穿電壓越高。正好和空氣中的情況反過來了。利用這個特點，人們設計了真空斷路器，并在高壓開關中得到廣泛運用。

5.斷路器在高海拔地區(qū)的降容

我們回頭再看圖3，我們發(fā)現(xiàn)，若開距是在海平面上定義的，那么當海拔過2000米后，就要考慮增加開距。然而斷路器產(chǎn)品定型后，開距是不能增加的，因此只剩下一條路，就是降低斷路器的額定電流值和額定電壓值，或者說降低容量。

我們來看ABB的Emax的樣本中是如何規(guī)定降容值的：

6.電弧的近陰極效應和電弧熄滅原理

設斷路器原先處于閉合狀態(tài)并流過額定電流，當斷路器打開瞬間，它的動靜觸頭之間會出現(xiàn)電弧。

由于斷路器剛剛才打開，交流電壓尚未發(fā)生極性轉(zhuǎn)換，故此時可以認為電源是直流電壓。我們設左邊是陽極右邊是陰極。見圖5：

我們看到，圖5的上圖中空氣被擊穿并產(chǎn)生出電弧。電弧中的電子向左邊的陽極運動，而正離子則向右邊的陰極運動。由于電子質(zhì)量輕而正離子質(zhì)量大，有部分正離子保留在陽極附近。

當交流電壓改換極性后，電弧熄滅，并且原先的陽極變成陰極而原先的陰極變成陽極，見圖5的下圖。

我們看到，在新陰極附近保存有許多正離子，它們阻止了新陰極的電子發(fā)射，從而具有抑制電弧重燃的功能。這種效應叫做近陰極效應。

近陰極效應的持續(xù)時間非常短暫，只有幾個微秒而已。但對于低壓開關電器來說，卻十分重要，它對電弧起到限流作用。也因此，幾乎所有具有觸頭的低壓開關電器，都具有一定的限流能力，其原因就是近陰極效應。

當然，斷路器僅僅依靠近陰極效應，是沒有辦法熄滅電弧的。它還要配備滅弧罩，才能有效地滅弧。

那么滅弧罩的原理是什么？我們看圖6：

圖6中，當斷路器的動靜觸頭中出現(xiàn)電弧后，畢竟電弧是帶電氣體，我們利用電磁推力，把電弧給吹進滅弧罩間隔中。當電弧進入滅弧罩后，這多個間隔內(nèi)立刻就形成了等量的近陰極效應，再加上電弧氣體在金屬片上的降溫，后電弧熄滅。

7.有趣的電弧運動現(xiàn)象

我們已經(jīng)知道，電極分為陽極和陰極。我們來看看電弧在兩極上的運動，見圖7：

圖7的左1圖，陽極在下部的動觸頭上，陰極在上部的靜觸頭上。當斷路器開斷后，我們看到陰極的電弧弧根很快地就越過觸頭與滅弧罩間的間隙，幾乎與陽極電弧弧根一起同時進入滅弧罩并被滅弧。

再看圖7的左2圖，陽極在上圖的靜觸頭上，陰極在下部的動觸頭上。當斷路器開斷后，我們看到陰極電弧不能跳躍，它必須等到動觸頭到了下方接觸到滅弧罩后才能進入滅弧罩。

再看左3圖，此時斷路器上部進線，下部出線。由于動觸頭在下，當觸頭開斷后，如果動觸頭是陽極，電弧自然很容易熄滅；如果動觸頭是陰極，雖然滅弧難了一些，但由于動觸頭是負載側(cè)，它的電弧電場強度會弱很多，所以電弧也很容易熄滅。

再看右一張圖，它的進線在下方，屬于倒送電。當斷路器開斷時，若動觸頭是陽極，它很容易熄滅，但如果動觸頭是陰極，再加上動觸頭接在電源側(cè)，電場強度較強，所以電弧更難熄滅。

由此我們知道，如果斷路器反向送電，許多型號的斷路器必須降容。