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《你所不知道的电气知识——电气世界漫游》

断路器的基本原理之1

当插线板发生短路，短路电流流过故障插线板，流过电缆导线，当然也流过开关电器，并引起电气火灾。紧急时刻，我们当然期望某路开关电器（断路器）执行保护跳闸。经过一段短暂的时间后，某路开关断路器执行跳闸保护。

但断路器执行完保护后，我们能把它合上继续为我们供电吗？这里面有什么学问？

断路器中流过正常的运行电流时，随着时间的推移，断路器中的保护测控装置探测到的发热量不大，未越过发热量门限限制值，断路器当然不会执行跳闸操作；当断路器中流过非正常的较大电流时，断路器中的保护测控装置探测到的发热量较大，越过了发热量门限值，断路器执行跳闸操作。

这里的门限，指的是断路器的保护整定值。

我们把断路器中流过的非正常大电流叫做过电流。过电流包括过载电流和短路电流。

也就是说，过电流越大，断路器动作的时间就越短，它执行线路保护就越快。这种特性有一个专有名词，叫做断路器的反时限保护特性。

现在，我们来一点数学知识，看看什么叫做反时限特性。

我们来看Y=K/X和Y=K/X2这两个幂函数，这里令K=1，得到如下图像：

我们马上就能想到：如果让纵坐标Y为断路器的动作时间t，而横坐标X为断路器额定电流的倍率nIe（n是倍率，Ie是断路器的额定电流），我们就能够让断路器按电流越大动作时间越快的保护方式来执行线路保护操作。

事实上，断路器的保护操作就是按这个原则来进行的。对应的曲线叫做断路器的反时限保护特性曲线。

这就是断路器的线路保护特性曲线。我们看到过载保护特性t=f(I)与Y=f(1/X) 如此类似，其实它们就是同一类函数关系。

下图是ABB的某型断路器的热磁式脱扣曲线：

图中红色的是热态曲线，蓝色的是冷态曲线。

有几个地方需要解释：

：关于断路器特性曲线的冷态曲线和热态曲线

冷态曲线指的是断路器刚刚送电，断路器内部的温度与环境温度是一致的，此时的曲线在曲线簇的右侧；热态曲线指的是断路器送电后已经进入了稳定状态，此时的曲线在曲线簇的中间或者左侧。

热态曲线和冷态曲线在横坐标中的范围，其实就是断路器短路保护的范围。例如B特性是4到7倍额定电流，C特性是7到15倍额定电流。

为何如此？我将在后面结合断路器内部结构来解释。

第二：关于断路器特性曲线的B特性与C特性

B特性用于照明配电控制，C特性则用于普通配电的配电控制。

第三：关于断路器的过载保护曲线和短路保护曲线

当线路发生过载时，也许是因为电压浪涌使得电流暂时性变大，等电压浪涌过去，电流就会恢复正常；也许是因为负载瞬时变重，使得电流加大，但负载恢复后，电流也会恢复。如此一来，断路器的保护就需要有一定时间的延迟。

我们看过载保护曲线。例如B特性冷态曲线的横坐标为2倍额定电流即2Ie位置，此时的纵坐标值为6秒，表示断路器将在5秒后执行过载保护跳闸。这里的6秒就是保护时延（注意：时延指的是保护操作机构的动作时间延迟）特性。

当线路发生短路时，这属于紧急状态，断路器必须马上跳闸。

我们看B特性冷态曲线横坐标为4Ie的位置，它的动作时间为0.02s，而5Ie的位置动作时间是0.01s。

我们看到，在4Ie和5Ie之间曲线还有一点反时限特性，但在5Ie之后就完全没有反时限特性了。

我们把5Ie之后的特性曲线叫做定时限保护特性曲线，所有短路保护的时间都是0.01s；把4Ie到5Ie的这一段叫做短路短延时保护特性曲线。

短路短延时保护特性的目的与过载保护特性类似，期望短路是一个短暂的临时现象，如果短路在0.01秒时间内消失，则断路器就不做开断操作。

结一下我们学到的知识：

1.断路器内部的保护测控装置能实现过电流的线路保护；

2.断路器的过载保护具有反时限保护特性；

3.断路器的短路保护分为两段，其一具有反时限的短路短延时保护特性，其二具有定时限保护特性。

断路器的基本原理之2

接下来我们讲讲断路器的结构。看图1：

图1就是热磁式断路器的结构图。图中右侧的文字说明告诉我们，断路器有三大部件，分别是触头及灭弧系统、操作机构和脱扣器及控制单元。

现在，我来给大家解析图1的要点部分：

个概念：触头系统

我们看图2：

看得出来，图2就是图1的触头系统。

从图2中，我们看到了A相、B相和C相主触头，并且已经闭合了。注意到三组触头都是单触头系统。

要说明一下：断路器的触头分为主回路系统和辅助回路系统两组。

所谓主回路，指的是控制电能传递的回路，它的特点是电流很大，按断路器的规格和型号不同，主回路的电流在10A到6300A之间。见图中黄色的部分；

所谓辅助回路，指的是执行控制和信号传递的回路，它的特点是电流较小，一般在5A以下。见图2的左侧。因此，辅助回路不配灭弧装置，而主回路必须配灭弧装置。辅助回路接触点的一般叫做触点，与普通继电器相同。

第二个概念：触头的霍姆斥力和触头压力

我们看图3：

图3的左侧是动静触头系统，我们能看到其中的电流线。注意由于触头的结构所致，触头接触处其实是一个点，因此电流线会向中间倾斜。

图3的中间是静触头右侧电流线I1X产生的磁力线分布。我们用右手螺旋定则，很容易判断出它的左侧磁力线是离开纸面出来，右侧是进入纸面。于是动触头电流线I1s整个处于进入纸面的磁力线范围之内。

图3的右图是动触头电流线I1s的电动力分析图。我们由左手定则判断出它受到的电动力是F，并且F的方向与电流线I1s垂直指向左上角。我们把F分解为水平分力Fx和向上的分力Fy。由于水平分力受到触头左侧的对称分布电流线产生的右向水平分力抵消，所以触头不存在谁方向的作用力。然而，向上的诸电动力却被叠加，对动触头形成向上的斥力Fh。Fh斥力又叫做霍姆斥力。同理，静触头受到向下的霍姆斥力。

于是，当电流流过触头时，霍姆力试图把动静触头组合给斥开。

注意到触头的接触电阻与触头压力有关：触头压力越大，其接触电阻就越小。

由此可知，断路器必须对动静触头施加足够的触头压力，以实现稳定可靠的电接触。

我们再看图3：图3通过操作手柄，或者电动合闸机构与合闸电磁铁，使得原先处于打开状态的动静触头组合闭合，闭合后用一组弹簧施加压力在触头上，确保触头有足够的接触压力。

第三个概念：脱扣器的用途及其类型

我们看图4：

图4中，我们看到连杆机构向左运动并驱使触头闭合。让触头保持闭合状态的是一个叫做“扣”的机构，见右上方的连杆机构。连杆机构迫使触头保持接触状态，并对触头施加触头压力。

要解开这个“扣”，就要让下方的脱扣杆向上方作右旋运动，然后解开连杆机构的“锁扣”，使得触头打开并解锁。

能让脱扣杆向上方运动的有四个脱扣器，分别是热脱扣器、磁脱扣器、欠压脱扣器和分励脱扣器。

这四大基本脱扣器在不同的断路器中有不同的配置，有的断路器可能取消欠压脱扣器或者分励脱扣器，但一般都具有热脱扣器和磁脱扣器，这也是上述断路器被称为热磁式断路器的原因。

(1)热脱扣器

热脱扣器其实是利用双金属片的原理。

所谓双金属片，它的一面是一种金属例如铜，另一面是另外一种金属例如铁。金属有一个特点，就是金属导电性能好，金属的热膨胀系数就高。于是，对于一面是铜而另一面是铁的双金属片，它就会向铁的一面弯曲，并推动脱扣杆向上运动，执行脱扣跳闸操作。

双金属片上缠绕着电热丝，电热丝的电流是从主回路分流过来的，主回路电流越大，电热丝的发热量也就越大，双金属片的变形度也越大越快。

调节双金属片推块与脱扣杆之间的距离，可以调整热脱扣器的动作值。

热脱扣器一般用于断路器的过载保护。

(2)磁脱扣器

磁脱扣器是利用电磁作用推动脱扣杆运动。

图6是某型号的塑壳断路器的热脱扣器和磁脱扣器联合体：

由于改型断路器的电流不大（额定电流为250A），因此它采用了将工作电流直接流过双金属片的办法来执行过载电流的测量，而且磁脱扣器的弹片也与热脱扣器电流线装在一起，利用电磁力使得弹簧片动作，继而通过脱扣器动作顶杆调节螺丝使得操作机构执行脱扣操作。

磁脱扣器用于断路器的短路保护。

(3)欠压脱扣

我们看下图：

图7中，左下角就是欠压脱扣器。注意看欠压脱扣器的线圈电压：我们看到从B相引一条线，经过常闭的欠压脱扣按钮和断路器常闭辅助触头，接到欠压脱扣器线圈。而线圈的另外一侧则接到A相。所以欠压脱扣器线圈电压是380V的。

欠压脱扣器线圈平时必须带电。当系统失压或者按下欠压脱扣按钮后，线圈失压，撞针在弹簧的拉力作用下弹出，使得脱扣杆向上运动，从而引起脱扣，断路器跳闸保护。

(4)分励脱扣

我们看下图：

当分励脱扣按钮按下后，分励脱扣器线圈得电，脱扣撞针弹出，使得脱扣杆向上运动，从容让断路器跳闸。

分励脱扣器专门用于外部控制断路器开断跳闸。

(5)其它脱扣器

断路器还有其它一些脱扣器，下图是塑壳断路器的其它脱扣器：

这里有单相接地故障保护脱扣，有温保护和相不平衡保护脱扣。

框架断路器的脱扣器还有过压保护、逆功率保护、低频和频保护等等。

结要点：

1.主触头通过电流后会有霍姆斥力，因此主触头需要配套触头压力；

2.断路器有四个基本脱扣器：热脱扣器、磁脱扣器、欠压脱扣器和分励脱扣器。热脱扣器用于过载保护，磁脱扣器用于短路保护，欠压脱扣器用于失压保护，分励脱扣器则用于远方操作断路器跳闸。

断路器的基本原理之3

1.断路器的基本分类

断路器，它分成三大类。

类，叫做框架断路器，又叫做空气绝缘断路器。既然有了空气Air这个词，电流英文单词是Circuit，而断路器的英文单词是Breaker，所以框架断路器的符号是ACB。

第二类，叫做塑壳断路器，它的符号是MCCB。

第三类是微型断路器，它的符号是MCB。

ACB的额定电流范围从1250A到6300A，额定电流范围大；MCCB的额定电流范围从10A到1600A，额定电流范围居中；MCB的额定电流范围从6A到63A，额定电流范围小，但它却是家装用断路器的主力军。

不管是哪一类，断路器内部动静触头之间的绝缘，依靠的就是空气，这也是微型断路器MCB的俗称是空气开关的原因。

既然断路器内部动静触头之间的绝缘依靠的是空气，我们就有必要来探讨一番空气的击穿特性，以及若干电弧的基本知识。

2.关于电弧

我们先来认识一下电弧：

这就是电弧，我们看到电弧就是一团高温气体。在电弧内部，温度高达3000度以上，电子会从原子中逸出形成负离子，丢失了因此空气分子全部变成等离子体，也即电子与正离子气体的混合体。

3.断路器的开距

我们来看图3：

图3中是框架断路器ACB，它正处于打开状态。我们把此时的动触头与静触头之间的短距离叫做开距。

开距的用途就是确保处于打开状态的动静触头之间的空气不会发生电击穿。

4.空气的击穿电压

我们看图4：

图4在知乎上已经用了N遍。此处我们再次使用一番。

图4左图中我们看到了一个电路，其中电极1和电极2分别是阳极和阴极，它们与电池的正极和负极相连。当电压等于零时，电路当然不通，电极之间没有电流流过。

我们调节可变电阻R，逐步增加电极之间的电压，我们发现电极之间有电流流过。这是因为宇宙射线的原因。宇宙射线把空气分子给击穿，击穿后的负离子（电子）运动到阳极，而正离子则运动到阴极。由于地面的宇宙射线密度基本上是常数，所以电极之间的电流不大。见图4右图的A点到B点波形。我们看到触头之间的电压增加了不少，但电流却是常数。

我们继续调节可变电阻，电压继续增加。当电压越过B点后，空气受到电场力的作用开始出现部分电离，我们看到电流略微增加。当电压到达Uc点时，空气被击穿。此时的电压Uc就是击穿电压。

空气被击穿后，电极间隙中出现辉光，一种很美丽的光：

我们继续调高电压，我们发现此时电压开始下降，电流持续增大，空气电离后出现强光，我们相继进入了电弧击穿区D区、E区和F区。

从C点往右，气体击穿后能够自己维持，我们把这一段区间叫做自持放电区；从C点往左，气体击穿后不能自己维持，这一段区间叫做非自持放电区。

非自持区段很有意思，它的击穿电压会受到空气压强的影响，压强越低越容易击穿；同时，它还受到电极间隙的距离影响，距离越小越容易击穿。所以，击穿电压Uc是气体压强p与电极间隙d之乘积的函数。表征空气击穿特性关系是巴申曲线，如下：

图中的空气击穿电压出现小值（约等于0.4kV），此值对应的pd值为0.47cm.133Pa，也就是电极间隙为4.7mm，空气压强为133Pa。我们知道，1个大气压是101.325kPa，故此时的空气压强相当于大气压的0.13%，相当于真空了。

所以，当我们在海平面上把电极之间的距离调整到1cm，随之往高处走，海拔越高击穿电压就越低。也因此，标准中把海拔2000m作为一个。过2000m，则电器必须考虑到空气击穿电压降低这个因素。

注意：巴申曲线小值点的左侧是真空区段，我们看到它的特点是气压越低，击穿电压越高。正好和空气中的情况反过来了。利用这个特点，人们设计了真空断路器，并在高压开关中得到广泛运用。

5.断路器在高海拔地区的降容

我们回头再看图3，我们发现，若开距是在海平面上定义的，那么当海拔过2000米后，就要考虑增加开距。然而断路器产品定型后，开距是不能增加的，因此只剩下一条路，就是降低断路器的额定电流值和额定电压值，或者说降低容量。

我们来看ABB的Emax的样本中是如何规定降容值的：

6.电弧的近阴极效应和电弧熄灭原理

设断路器原先处于闭合状态并流过额定电流，当断路器打开瞬间，它的动静触头之间会出现电弧。

由于断路器刚刚才打开，交流电压尚未发生极性转换，故此时可以认为电源是直流电压。我们设左边是阳极右边是阴极。见图5：

我们看到，图5的上图中空气被击穿并产生出电弧。电弧中的电子向左边的阳极运动，而正离子则向右边的阴极运动。由于电子质量轻而正离子质量大，有部分正离子保留在阳极附近。

当交流电压改换极性后，电弧熄灭，并且原先的阳极变成阴极而原先的阴极变成阳极，见图5的下图。

我们看到，在新阴极附近保存有许多正离子，它们阻止了新阴极的电子发射，从而具有抑制电弧重燃的功能。这种效应叫做近阴极效应。

近阴极效应的持续时间非常短暂，只有几个微秒而已。但对于低压开关电器来说，却十分重要，它对电弧起到限流作用。也因此，几乎所有具有触头的低压开关电器，都具有一定的限流能力，其原因就是近阴极效应。

当然，断路器仅仅依靠近阴极效应，是没有办法熄灭电弧的。它还要配备灭弧罩，才能有效地灭弧。

那么灭弧罩的原理是什么？我们看图6：

图6中，当断路器的动静触头中出现电弧后，毕竟电弧是带电气体，我们利用电磁推力，把电弧给吹进灭弧罩间隔中。当电弧进入灭弧罩后，这多个间隔内立刻就形成了等量的近阴极效应，再加上电弧气体在金属片上的降温，后电弧熄灭。

7.有趣的电弧运动现象

我们已经知道，电极分为阳极和阴极。我们来看看电弧在两极上的运动，见图7：

图7的左1图，阳极在下部的动触头上，阴极在上部的静触头上。当断路器开断后，我们看到阴极的电弧弧根很快地就越过触头与灭弧罩间的间隙，几乎与阳极电弧弧根一起同时进入灭弧罩并被灭弧。

再看图7的左2图，阳极在上图的静触头上，阴极在下部的动触头上。当断路器开断后，我们看到阴极电弧不能跳跃，它必须等到动触头到了下方接触到灭弧罩后才能进入灭弧罩。

再看左3图，此时断路器上部进线，下部出线。由于动触头在下，当触头开断后，如果动触头是阳极，电弧自然很容易熄灭；如果动触头是阴极，虽然灭弧难了一些，但由于动触头是负载侧，它的电弧电场强度会弱很多，所以电弧也很容易熄灭。

再看右一张图，它的进线在下方，属于倒送电。当断路器开断时，若动触头是阳极，它很容易熄灭，但如果动触头是阴极，再加上动触头接在电源侧，电场强度较强，所以电弧更难熄灭。

由此我们知道，如果断路器反向送电，许多型号的断路器必须降容。