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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，未越过发热量门限值，断路器当然不会执行跳闸作；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作。

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、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（GSFWLM），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作机构执行脱扣作。

磁脱扣器用于断路器的短路保护。