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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）執行保護跳閘。經過一段短暫的時間后，某路開關斷路器執行跳閘保護。

但斷路器執行完保護后，我們能把它合上繼續為我們供電嗎？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熱量不大，未越過發熱量門限限制值，斷路器當然不會執行跳閘操作；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熱量較大，越過了發熱量門限值，斷路器執行跳閘操作。

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。

現在，我們來一點數學知識，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，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：

圖中紅色的是熱態曲線，藍色的是冷態曲線。

有幾個地方需要解釋：

：關于斷路器特性曲線的冷態曲線和熱態曲線

冷態曲線指的是斷路器剛剛送電，斷路器內部的溫度與環境溫度是一致的，此時的曲線在曲線簇的右側；熱態曲線指的是斷路器送電后已經進入了穩定狀態，此時的曲線在曲線簇的中間或者左側。

熱態曲線和冷態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？我將在后面結合斷路器內部結構來解釋。

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的動作時間延遲）特性。

當線路發生短路時，這屬于緊急狀態，斷路器必須馬上跳閘。

我們看B特性冷態曲線橫坐標為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象，如果短路在0.01秒時間內消失，則斷路器就不做開斷操作。

結一下我們學到的知識：

1.斷路器內部的保護測控裝置能實現過電流的線路保護；

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構。看圖1：

圖1就是熱磁式斷路器的結構圖。圖中右側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、操作機構和脫扣器及控制單元。

現在，我來給大家解析圖1的要點部分：

個概念：觸頭系統

我們看圖2：

看得出來，圖2就是圖1的觸頭系統。

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

要說明一下：斷路器的觸頭分為主回路系統和輔助回路系統兩組。

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。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的左側是動靜觸頭系統，我們能看到其中的電流線。注意由于觸頭的結構所致，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電流線I1X產生的磁力線分布。我們用右手螺旋定則，很容易判斷出它的左側磁力線是離開紙面出來，右側是進入紙面。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。

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的對稱分布電流線產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，以實現穩定可靠的電接觸。

我們再看圖3：圖3通過操作手柄，或者電動合閘機構與合閘電磁鐵，使得原先處于打開狀態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，我們看到連桿機構向左運動并驅使觸頭閉合。讓觸頭保持閉合狀態的是一個叫做“扣”的機構，見右上方的連桿機構。連桿機構迫使觸頭保持接觸狀態，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，電熱絲的發熱量也就越大，雙金屬片的變形度也越大越快。

調節雙金屬片推塊與脫扣桿之間的距離，可以調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節螺絲使得操作機構執行脫扣操作。

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。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的動靜觸頭之間的空氣不會發生電擊穿。

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。

我們調節可變電阻R，逐步增加電極之間的電壓，我們發現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，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。

我們繼續調節可變電阻，電壓繼續增加。當電壓越過B點后，空氣受到電場力的作用開始出現部分電離，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，電極間隙中出現輝光，一種很美麗的光：

我們繼續調高電壓，我們發現此時電壓開始下降，電流持續增大，空氣電離后出現強光，我們相繼進入了電弧擊穿區D區、E區和F區。

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

非自持區段很有意思，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。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是真空區段，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的降容

我們回頭再看圖3，我們發現，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電弧。

由于斷路器剛剛才打開，交流電壓尚未發生極性轉換，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。由于電子質量輕而正離子質量大，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.有趣的電弧運動現象

我們已經知道，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，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，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。