断路器的基本工作原理2

(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，有超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、低频和超频保护等等。

总结要点：

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

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1.断路器的最基本分类

断路器，它分成三大类。

第一类，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，额定电流范围最大；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，额定电流范围最小，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最短距离叫做开距。

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最小值（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，国家标准中把海拔2000m作为一个标杆。超过2000m，则电器必须考虑到空气击穿电压降低这个因素。

注意：巴申曲线最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，那么当海拔超过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，最后电弧熄灭。

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最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。

再看最右一张图，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。