低压断路器的基本工作原理是什么?有哪些种类?
低压断路器(曾称自动开关)是一种不仅可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电流,还可以接通和分断短路电流的开关电器。
好的,以下是关于低压断路器基本工作原理和种类的中文说明:
一、 低压断路器的基本工作原理
低压断路器(也称为“空气开关”)是一种可以在正常电路条件下接通、承载和分断电流,也能在规定的非正常电路条件下(如短路、过载)接通、承载(一定时间)和自动分断电流的开关电器。其核心工作原理可以概括为“检测、判断、执行”:
-
检测环节:
- 过电流检测:
- 双金属片(热元件): 当过载电流(略大于额定电流)持续流过时,双金属片因电阻发热而弯曲。弯曲程度与电流大小和持续时间(即发热量)相关。
- 电磁线圈(磁元件): 当发生大电流(通常是短路电流,远大于额定电流)瞬间流过时,线圈产生强大的磁场,驱动内部的衔铁动作。
- 欠电压/分励脱扣检测(可选): 专门的线圈检测线路电压,当电压低于设定值(欠压脱扣)或接收到外部信号(分励脱扣)时触发动作。
- 其他信号(可选): 如接地故障、漏电电流等特殊检测。
- 过电流检测:
-
判断环节:
- 检测元件(双金属片、电磁线圈等)的动作量达到预设的触发阈值。
- 不同的检测元件对应不同的保护特性:
- 热元件:提供反时限过载保护(电流越大,动作越快)。
- 磁元件:提供瞬时短路保护(电流达到设定值时,几乎瞬间动作)。
- 内部机构会将检测到的机械位移传递给执行机构(操动机构)。
-
执行环节:
- 脱扣机构: 当检测环节产生的力(来自双金属片弯曲或电磁线圈吸合)超过脱扣机构的保持力时,机构瞬间释放(脱扣)。
- 操动机构: 脱扣动作释放了操动机构的锁扣,在储能弹簧(或操作手柄)的作用下,主触头(有时还包括灭弧触头)迅速断开。
- 灭弧系统: 触头断开瞬间产生的电弧被引入灭弧栅(由一组金属片组成)。电弧在金属片间被分割、拉长、冷却,最终在极短时间内熄灭,从而安全地分断电路。
- 状态指示: 操动机构动作的同时,“合”、“分”或“脱扣”状态指示器会改变位置。
- 复位: 故障排除后,需要手动操作手柄至“分”位再至“合”位(或使用复位按钮)来重新挂扣脱扣机构和储能,为下一次操作做准备。
简单总结: 低压断路器通过内部的热磁元件(或电子元件)实时监测线路电流。出现过载时,热量使双金属片弯曲,经一定延时后推动机构断开电路;发生短路时,大电流产生的强磁场瞬间推动电磁铁动作,使断路器以毫秒级速度断开电路,切断故障电流,保护线路和设备安全。可选的其他附件可扩展保护功能。
二、 低压断路器的种类(按结构、用途和容量分类)
低压断路器的分类方式多样,最常见的是按其结构形式、使用框架(壳架)和额定电流范围划分:
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万能式(框架式)断路器 (Air Circuit Breaker - ACB / Master Circuit Breaker - MEB)
- 特点: 最大型低压断路器,具有一个结构坚固、开放的金属框架(壳体),所有部件(触头系统、灭弧室、脱扣器、操动机构、附件)都安装在这个框架内。额定电流很大(常从630A起,可达6300A甚至更高),分断能力极高。
- 用途: 主要用于电源进线总开关、大容量配电干线保护和负载中心的主保护。易于安装、维护和功能扩展(通过添加模块化附件实现过电流、欠压、分励、接地、通信等复杂保护和控制功能)。
- 操作: 通常采用储能操作机构(手动或电动储能,然后释放能量合闸),合分闸速度快。
-
塑壳(式)断路器 (Moulded Case Circuit Breaker - MCCB)
- 特点: 所有部件都被完整地封装在一个绝缘塑料外壳中,结构紧凑、体积相对较小、使用安全。额定电流范围宽(从几安培到1600A左右),分断能力低于ACB但高于MCB。 保护功能以热磁式或电子式脱扣器为主。
- 用途: 应用最广泛。用于配电支路保护、电动机保护、保护负载分支电路(如照明、插座回路)、以及作为中小容量进线开关。
- 操作: 多数采用手动扳动操作手柄(直接操作机构,储能合闸/分闸),也有电动操作的型号。
-
微型(小型)断路器 (Miniature Circuit Breaker - MCB)
- 特点: 最小的断路器类型,专为终端用电保护设计。全部部件集成在一个小型标准化模块化塑料外壳内,采用标准导轨(DIN导轨)安装。额定电流小(通常在1A-125A之间),分断能力一般低于MCCB。 保护功能主要为热磁式(少数电子式),通常仅有过载和短路保护(A/B/C/D/K/Z等脱扣特性曲线代表磁脱扣瞬时电流范围,用于匹配不同负载)。
- 用途: 主要用于低压配电系统终端(如住户、办公室、商铺等)的照明、插座和其他小型电气设备的最终端保护。按极数分:单极(1P)、双极(2P)、三极(3P)、三极+中性线(3P+N)、四极(4P)。
- 操作: 手动扳动小型操作手柄。具有“脱扣指示”(通常手柄跳至中间位)方便识别故障。
-
按保护对象和特性分:
- 配电型断路器: 主要用于保护线路和设备。脱扣特性侧重于选择性(保证短路时只有最靠近故障点的断路器动作)和较高的分断能力。
- 电动机保护型断路器: 专为电动机设计。主要特征是磁脱扣整定值较高(避免电机启动时的瞬时大电流误动),有时配合专用的热磁或电子脱扣器匹配电机特性曲线(如Class 10/20保护)。
- 家用及类似场所用断路器: 通常指MCB和部分小电流MCCB,满足家用标准(如IEC/GB 60898, GB/T 10963)。
- 剩余电流动作断路器 (RCCB) / 带过电流保护的剩余电流断路器 (RCBO): 增加了漏电保护功能(检测火线与零线电流不平衡)。RCCB只有漏电保护(需与MCB串联使用),RCBO则集成了漏电保护+过流保护(相当于MCB+RCCB功能合一)。
- 直流断路器: 专门为直流电路设计的断路器,灭弧方式等需适应直流电弧的特点。
-
按脱扣器类型分:
- 热磁式: 最普遍,兼具热脱扣(过载保护)和电磁脱扣(短路保护)。
- 电子式(或智能式): 使用电流互感器采样、电子电路处理信号,可编程设置多种保护参数(长延时、短延时、瞬时、接地故障等),功能强大,精度高,可实现通讯(Modbus, Profibus等)。
- 液压电磁式: 主要存在于某些特定型号的老式或特种断路器中,利用液压阻尼实现反时限特性。
选择提示: 选择低压断路器时,需要综合考虑额定电流、额定电压、分断能力、保护特性(脱扣曲线)、安装方式、功能要求(是否需要远程分闸、状态指示、通讯等)、应用场合(配电、电机、终端)等因素。
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