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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)熱量門限值，斷路器當然不會執(zhí)行跳閘作；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(zhí)行線路保護作。

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(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；熱態(tài)曲線指的是斷路器送電后已經進入了穩(wěn)定狀態(tài)，此時的曲線在曲線簇的中間或者左側。

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(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：時延指的是保護作機構的動作時間延遲）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象，如果短路在0.01秒時間內消失，則斷路器就不做開斷作。

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?？磮D1：

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、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(guī)格和型號不同，主回路的電流在10A到6300A之間。見圖中的部分；

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。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(wěn)定可靠的電接觸。

我們再看圖3：圖3通過作手柄，或者電動合閘機構與合閘電磁鐵，使得原先處于打開狀態(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，我們看到連桿機構向左運動并驅使觸頭閉合。讓觸頭保持閉合狀態(tài)的是一個叫做“扣”的機構，見右上方的連桿機構。連桿機構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(zhí)行脫扣跳閘作。

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。

調節(jié)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（GSFWLM），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節(jié)螺絲使得作機構執(zhí)行脫扣作。

磁脫扣器用于斷路器的短路保護。