关于断路器的介绍

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关于断路器的介绍

§1. 什么是断路器

Electrical Symbol of Circuit Breaker

断路器是一种用于在出现异常电流时通过分离触点来实现电路开断的电气机械设备,由脱扣器、灭弧室、磁通变换器等机械部件和电气部件组成的一个紧凑结构。在电路中断路器往往处于常闭状态,只有当电路出现异常状态(例如电路过载,短路,漏电流过高,接地故障,远程控制关断等)时执行开断操作以此来保护线路和电源。虽然断路器包含大量机械动作,但是在电路中它不会频繁开关,所以其机械寿命相对比较长。

此外,断路器需要承载大电流且对于可靠性和稳定性有非常严格的要求,相较于存在漏电和反向漏电的半导体器件,断路器一般使用机械开关。

§2. 断路器有哪些结构

Construction of circuit breaker

断路器包含大量机械结构和电气结构,主要可分为三个系统:触头系统、灭弧系统、保护系统。触头系统用于保障电路运行的稳定以及受控于保护系统来进行电路的通断操作。灭弧系统是为了在大电流的工作环境下避免开断操作过程中电弧烧毁电器部件而对电弧进行灭弧。保护系统可用于设置保护条件,当触发保护条件时会对电路进行开断操作。这三个系统的相互协作让断路器能完成指定的电路保护操作。

2.1 触头系统

辅助触头是与断路器主电路分、合机构机械上连动的触头,主要用于断路器分、合状态的显示,接在断路器的控制电路中通过断路器的分合,对其相关电器实施控制或联锁。例如向信号灯、继电器等输出信号。

报警触头用于发生断路器事故时进行警示,且此触头只有当断路器脱扣分断后才动作,主要用于断路器的负载出现过载短路或欠电压等故障时而自由脱扣,报警触头从原来的常开位置转换成闭合位置,接通辅助线路中的指示灯或电铃、蜂鸣器等,显示或提醒断路器的故障脱扣状态。

常见触头对接方式有三种:对接式触头、桥式触头、插入式触头。

触头系统的工作原理

保护主触头并延长其寿命是触头系统的主要任务。电弧会破坏主触头并影响其长时间承载大电流的能力。因此需要副触头以及弧触头等部件将电弧引导到灭弧室。

Structure diagram of circuit breaker

触头系统中三种触头的分断顺序为主触头、副触头、弧触头,闭合顺序为弧触头、副触头、主触头。主要介绍一下分断过程中触头系统对应器件的工作。

当分断操作执行后,弹簧首先将主触头与对应静触头分离。此时原本经由主触头的回路通过保护系统中的欠电压脱扣器改道至弧触头,外部电路依旧维持工作状态。而后副触头分断,经由副触头的回路通关分励脱扣器或过载脱扣器改道至弧触头。最后弧触头分断,外部电路完成关断操作,弧触头上产生电弧并在灭弧室消散。

副触头还能承担额外的功能,例如发生分断事件后进行报警提示或向监控设备发送提示信号。

特殊情况

在真空断路器中触头系统只有一个主触头,其结构如下图所示:

vacuum arc extinguishing chamber, the contacts of vacuum circuit breaker

2.2 灭弧系统

灭弧系统由分断结构和灭弧室组成。当分断结构执行电路分断操作时,触头系统中的触头相继分断,在最后分断的弧触头上形成电弧。而后引导电弧进入灭弧室进行灭弧。

2.3 保护系统

保护系统包含各种脱扣器以及一些用于实现远程分断的外部控制电路。脱扣器主要由电磁线圈、磁芯、脱扣机构、热元件、双金属片等结构组成,用于实现过载、断路、漏电、欠压、过压、不平衡、欠频、过频、逆功率、相序等保护功能。

下列为常见脱扣器:

The releases of protection system like Overcurrent release, Overheating release, Under-voltage release, Shunt trip

过流脱扣器(短路脱扣器):如图中5A所示为过流脱扣器,是电磁脱扣器脱扣器的一种。在断路器工作中的任何时刻,若是负载电流大于短路脱口电流Im时,断路器的过流脱扣器会进行脱扣操作。首先,磁通圈产生的磁场使得铁扣产生磁力。进而磁力吸引衔铁S克服阻力带动自由脱口器的活动杆L向上运动。最后,自由脱扣器脱扣,连接在连接杆上的动触点被弹簧收缩力的带动下与静触点分离。

过热脱扣器(过载脱扣器):如图中5B所示为过热脱扣器,是一种热磁脱扣器。在断路器工作中,若是负载电流大于过热脱口电流Ir且维持一定时间后,过热脱扣器开始脱扣操作。当电路开始过载后,过热脱扣器中的加热电阻发热。进而使双层金属片S由于过热向上弯曲,带动活动杆L运动。而后自由脱扣器脱扣,连接在连接杆上的动触点被弹簧收缩力的带动下与静触点分离。一定条件下,过热脱扣器也可以承担短路保护。

欠电压脱扣器:如图中5C所示为欠电压脱扣器,是一种电磁脱扣器。一般情况下,欠电压脱扣器的衔铁S与磁通圈铁环保持闭合。当负载电压为额定电压Ue数值的35%至70%时,磁通圈产生的磁力不足以使衔铁S拜托弹簧的弹力与磁通圈保持闭合状态。因而衔铁S在弹簧弹力的带动下使自由脱口器的活动杆L向上运动。最后,自由脱扣器脱扣,连接在连接杆上的动触点被弹簧收缩力的带动下与静触点分离。此外只有在欠电压脱扣器通电且负载电压为Ue的85%以上后,断路器才能合闸。

分励脱扣器(shunt trip):如图中5D所示为分励脱扣器。分励脱扣器的控制电路为外部电路与负载电路无关。只有脱扣器的开关闭合后才能进行远程控制。当分励脱扣器的输入电压为额定控制电压时,分励脱扣器开始工作。其工作原理参考短路脱扣器。

电子脱扣器:可以拥有以上所有脱扣器的功能,而且可以进行一定范围的设置。电子脱扣器由大量电子元件构成的电路,可以监测主电路的工作状态,发现异常情况时会推动自由脱扣器进行脱扣操作。

§3. 断路器有哪些类型

1.根据负载

根据电源类型,断路器可分为直流断路器和交流断路器。

2.根据灭弧方式

根据灭弧方式可分为空气断路器真空断路器、多油断路器、少油短路、压缩空气断路器。

3.根据开关反应速度

根据开关反应速度,可分为一般型断路器和快速型断路器。

4.根据安装方式

根据安装方式,断路器可分为固定式断路器,插入式断路器,抽屉式断路器和嵌入式断路器。

§4. 断路器有哪些参数

断路器的主要参数为额定电压和额定电流。当断路器装载其他保护功能时,根据所需要的脱扣器会有相应的额外参数。这些参数为选购断路器提供重要帮助。

1.输入电压/输入电流

额定电压(Ue)是能维持让断路器可以不间断工作的电压。

额定电流(In)是在规定环境温度下断路器所能承载的最大电流值。当负载电流超过这个数值时会触发过载保护脱扣器、短路保护脱扣器等保护装置。

额定绝缘电压(Ui)为断路器自身能承载的安全电压,当高于此电压时断路器可能会被击穿。

2.脱扣器脱口电流

过载继电器脱口电流(长延时Ir;短延时Isd),当负载电流数值一定时间时间高于Ir或Isd时,会触发过载保护脱扣器。需要长延时分断情况下其数值Ir一般为0.4至1倍的In,短延时情况下其数值Isd一般为3至5倍的In,部分断路器可以调整其过载电流值。

短路继电器脱扣电流(Im),当负载电流数值瞬间或者短时间高于Im时,会触发短路保护脱扣器进而分断电路来避免烧坏负载。其数值一般为1.5至11倍的In或2至10倍的Ir

极限短路分断能力(Icu或Icn)是一定条件下短路断路器所能运行的最高负载电流值。当负载电流高于Icu或Icn执行分断电路来保护负载的操作后,该短路断路器将失去其额定电流下的分断能力。

运行短路分断能力(Ics)是指在一定条件下能够反复闭合、分断的短路电流。

短时耐受电流(Icw)是当在一定条件下负载电流达到Icw时能维持电路闭合0.05s、0.1s、1s等整定时间后才进行分断操作的电流值。

3.功率

功率,是指断路器合闸状态下正常工作时的功率。

4.时间

分断时间,又叫分闸时间,其数值为全开断时间与燃弧时间的和。其中,全开断时间是从断开操作到触点系统的所有触点分断所消耗的时间,燃弧时间是从触点系统分断后产生电弧开始到所有电弧熄灭所消耗的时间。

合分时间,又叫合闸时间,是指从执行合闸操作到触点全部闭合所消耗的时间。

§5. 断路器的工作原理

Structure of circuit breaker

断路器种类繁多,这里主要介绍一下空气断路器以及真空断路器的工作原理,其他类型的断路器工作原理与之相似。

空气断路器如何工作

空气断路器(Air Circuit Breaker),也叫空气开关(Air Switch),是一种以空气为灭弧介质的断路器。(如图3所示)

1.闭合时工作过程:

①弧触头处的电路闭合,欠电压脱扣器开始工作。当该脱扣器两端电压大于0.85倍的额定电压后进行合闸操作②;

②副触头的电路闭合,过载脱扣器开始工作。只有负载电流小于过载脱口电流才能进行合闸操作③;

③主触头闭合,其他脱扣器的保护功能启动。

2.分断时工作过程:

①任意脱扣器的保护功能被触发,开始进行对电路的分断操作;

②锁钩脱扣,在弹簧的牵引下各个触头相继分断;

③主触头分断,分断产生的浪涌通过欠电压脱扣器的电路引导至弧触头所在电路;

④副触头分断,分断产生的浪涌通过过载脱扣器的电路引导至弧触头所在电路;

⑤弧触头分断,浪涌电流在自身分断后产生电弧,其在灭弧室消失。

真空断路器如何工作

真空断路器,是一种以利用真空将带电离子迅速分隔开来进行阻断灭弧的断路器。其保护系统的工作原理及过程可以参考保护系统,与空气断路器最主要的区别是灭弧系统。真空短路器没有弧触头,断电时直接在主触头上产生电弧并在真空灭弧室灭弧。(如图4所示)

1.闭合时工作过程:

①欠压脱扣器检测电压是否满足启动条件。满足条件后闭合,执行操作②。

②真空灭弧室中的主触头与静触头闭合,外部电路导通。

③其他脱扣器开始工作,执行保护任务。

2.分断时工作过程:

①任意脱扣器触发保护机制执行分断操作。

②外部机械器件(分断弹簧 Breaking Spring )拉动主触头所在的活动杆向下运动。

②主触头与静触头分断,外部电路断开同时产生包含带点离子的电弧。真空环境下带电离子迅速扩散,电弧消失。

§6. 断路器有哪些应用

断路器往往在分配电能的设备中使用,用于预防单个电器设备的意外事故对其他电器的影响。通常在变电箱、开关柜等设备中出现。下列为其主要应用场所。

家用开关柜

现代住宅内电器设备繁多,各类用电设备功率大小各异。传统使用保险丝对家用电器的保护以及满足不了人们的需求。加上保险丝更换操作存在极大的危险。因此使用各种空气开关对不同用电区域进行保护。空气开关复位简单并且可重复开关。

配电柜

配电柜能有效地分配电能,其内部电路结构复杂。为了能保障配电柜的使用寿命以及安全,需要各类断路器执行不同的保护任务。这里常常使用真空断路器、多油断路器来保护高压、大电流情况下相应负载设备。

电动机保护

电动机在工作时会遇到各类情况,进而导致电动机过载、欠压、过压等情况。电动机设备一般都十分昂贵。因此需要对应的直流、交流断路器进行保护,防止其在遇到极端条件时烧坏。

漏电保护

很多大功率设备在运行时会在其表面或上下游电路产生极其危险的漏电流。一般情况下会使用漏电继电器对漏电进行不断中和,保障设备的工作安全。但仍需要一些的漏电断路器对可能会直接烧毁设备的极端漏电流进行预防性保护。


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