断路器的综合指南 - 原理、功能、接线方法及类型

断路器的综合指南 - 原理、功能、接线方法及类型

断路器作为电气系统中的安全设备，其作用是防止过电流造成的损害，包括与超载和短路有关的问题。本文深入研究了各种断路器，分析了它们的组成、功能、工作原理以及与其它电路保护设备（如断开开关和保险丝）的区别，以提供对断路器的全面了解。

1. 什么是断路器？

断路器通常缩写为CB，是一种电气安全装置，可保护电路免受过多电流的影响，包括过载和短路。它允许手动控制打开或关闭电路，并在检测到异常电流后自动切断电源，从而防止电路内电气设备损坏并避免潜在的火灾。断路器在日常生活和工业应用中广泛使用，涵盖了从低电流的住宅电路到高压工业系统的范围。

断路器主要在它们处理的电压水平上有所不同。使用低压的应用通常在住宅和商业建筑物中发现，而高压断路器则用于更复杂且苛刻的电力系统（例如传输和分配网络）中。例如，由于它们有效防止过载和短路，因此，模制的案例断路器（MCCB）和微型断路器（MCB）被广泛用于住宅和商业环境中。为了满足更高容量的需求，使用空气断路器（ACB），它利用空气作为绝缘体来管理和中断数千座的电流。

在低于35kV的系统中，真空断路器的可靠性和易于维护。这些断路器使用在真空中维持弧的困难来快速中断电流流，从而保护电路。对于35kV以上的系统，SF6气体断路器很常见，因为SF6气体具有出色的绝缘和弧形淬火特性，使它们擅长处理非常高的电流和电压。

2. 断路器的组成和作用

断路器设计的目的是在异常功率条件（例如过载或短路）中中断电流，从而有效防止电路损坏。断路器的外部结构包括几个组件：框架，操作机构，触点，弧形灭火器和行程单元。该框架提供了维持结构完整性并保护内部组件免受环境污染物和机械影响所需的物理支持。

得益于操作机构的设计，断路器可以灵活地打开和关闭，而触点可以完成电流的传输。如果发生电异常，则弧形灭火器负责熄灭因突然断开连接而造成的任何弧线，从而防止对人员和设备的伤害。跳闸单元的存在确保断路器将在长时间的过载或短路期间自动打开并隔离故障电路。

在内部，断路器由多个核心组件组成：执行机构，操作机构，触点，终端，双金属条，校准螺钉和螺线管。执行器杆允许手动操作并指示断路器的状态，从而可以直接检查电路条件。操作机制可确保可靠的结束或打开触点，以继续正常的电路操作或在故障期间中断功率流。双金属条和螺线管对电不规则的反应。他们检测到过电流并迅速启动断层电路的断开，从而保护了电气系统的稳定性和安全性。此外，该设计包括弹簧和弧形溜槽，可显著提高破破坏者的性能和可靠性。

断路器的设计具有弹簧和弧斜槽。这些组件提高了断路器的性能和可靠性。Springs将能量存储到操作过程中的关键点，然后立即释放它。无论是在关闭还是打开电路，他们的动作都不受手动操作速度的限制。这意味着断路器可以在很短的时间内完成打开或关闭操作，从而显著提高了电气安全保护的效率。另一方面，弧斜槽在弧形外向室内产生强烈的磁场，迅速伸长和熄灭弧线，防止操作性火花，并确保操作员和设备的安全性。

对于具有负载电流的电路，尤其是那些最初消耗高电流（例如启动电动机）的电路，选择一个额定的断路器的标准练习是正常启动电流的1.5至2倍。这样可以确保电动机的启动电流不会损坏断路器，同时在实际的超负荷或短路情况下有效地保护了断路器，而不回过早跳闸。

3. 断路器工作原理

断路器的工作原理深层反映了电力系统中维持的安全性和稳定性。这些设备经过定制，以满足各种电压水平和额定电流的需求，它们必须应对不同的技术挑战和操作环境。它们的主要功能是在过载或短路等故障期间及时中断电流，从而防止对设备的潜在损坏和人员伤害。

故障检测：断路器配备了复杂的故障检测机制，尤其是在低压和住宅电源系统中。他们通常使用电流的热效应或当电流通过磁芯流动以识别问题时产生的磁效应。这种直接激活使断路器可以自主响应故障，而无需外部信号或控件。

在涉及高压或大电流的应用中，断路器利用更复杂的保护策略。这些包括高级保护继电器和试试点设备，这些设备根据电流或电压异常变化检测故障，并触发断路器断开连接。这些系统通常需要外部电源（例如电池）来操作保护继电器和控制逻辑。但是，有些设计使用一种自动机制，采用电流通过电路中的变压器流动以提供必要的能量。

中断过程：成功检测到故障后，断路器的触点必须迅速而可靠地分开放以中断电路并切断故障电流。通过迅速释放存储的机械能，例如弹簧，压缩空气或液压系统的机制来促进此动作，以确保快速接触分离。在某些设计中，故障本身的高电流可能会触发触点的分离，例如，通过导体内的热或磁力引起的热膨胀。

对于住宅或小型商业应用，断路器允许用户手动操作重置或关闭电路。在较大的工业或电力应用中，自动重置和行程机制（例如电动机驱动或电磁系统系统）可确保易用性并提高安全性。

接触材料：接触材料的选择至关重要；它必须承受正常的工作电流负载，并在弧形条件下保持身体和化学稳定。铜或铜合金等材料由于其高电导率和热稳定性而通常使用。

弧管理：管理弧线，尤其是在高电流中断期间生成的弧线，是断路器设计中的关键考虑因素。弧的高温和腐蚀性对接触材料的耐用性施加了严格的要求。断路器必须具有有效的弧形技术，例如特殊设计的弧形溜槽，这些溜槽通过物理或化学方法迅速冷却并熄灭弧线，以确保在最短的时间内安全断开电路。

4. 断路器接线方法

断路器可以通过各种配置进行连接：前面板，后面板，插件和抽屉类型。除非用户要求指定，否则断路器通常由前面板接线提供。以下是断路器的常见接线方法。

前面板接线：前面板接线是可以访问的，并且可以在面板的前面轻松连接。这种设置简化了安装和维护，因为所有连接都直接在技术人员的前面，增强了可见性并降低了通常隐藏的接线的复杂性。

后面板接线：后面板接线的主要优点是，它允许断路器更换或维修，而无需重新连接设备，只需断开前端电源即可。该配置配备了专用的安装板和用于安装和接线的螺钉，确保断路器根据制造商的规格精确安装。触点的可靠连接至关重要，尤其是对于大容量断路器，因为接触的有效性直接影响断路器的性能。

插件接线：对于插入式型号，首先将断路器的底座安装在设备的安装板上。该基座有六个插头，对应于断路器面板上的六个插座。功率和负载线已预先连接到该基座。使用此系统，仅将断路器插入基础。如果断路器失败，更换它就像拔出旧断路器并插入新的那样简单，从而大大简化了维护。该方法对减少停机时间特别有益，并且由于安全插入和去除所需的体力工作，通常仅限于框架电流的断路器，最高为400A。安装插件断路器时，重要的是要检查断路器的插头是否紧紧按下，并牢固地固定断路器以降低接触电阻并提高可靠性。

抽屉类型接线：抽屉型接线使用一种机制，该机制涉及将手柄顺时针或逆时针旋转以将断路器插入抽屉中或将其从抽屉中删除。这种类型的结构以可插入的形式结合了主要电路和二级电路，从而消除了对其他设置中所需的固定隔离器的需求。它具有双重功能，增强了成本效益并大大简化了操作和维护。抽屉的主电路触点基库与NT型保险丝触点兼容，从而增加了安装的通用性和实用性。

5. 断路器的操作条件

环境空气温度：

断路器应在指定的温度范围内运行，以确保可靠性和安全性：

• 最高环境温度不应超过 +40°C。
• 最低环境气温不应小于-5°C。
• 在24小时内，平均环境气温不应超过 +35°C。

这些温度条件确保断路器的组件不会因极端温度而降解或失败。

高度：

安装站点的高度不应超过2000米。由于在较高高度处的空气较薄，这可能会影响断路器的绝缘和破裂能力，从而降低了内部培养基的弧形猝灭能力。

大气条件：

• 在工作温度的上限（+40°C）下，相对湿度不得超过50%。
• 在较低的温度下，可以接受较高的相对湿度。
• 在最潮湿的月份中，平均相对湿度不得超过90%，该月的平均温度最低 +25°C。

温度变化会导致产品表面的凝结，因为水分会导电并导致电气故障和腐蚀。

污染水平：

该地点应达到3个污染度，这是典型的环境，在这种环境中发生导电污染或由于凝结而导电干燥的非导电性污染。这在工业区域和高湿度区域很常见，从而影响了组件的可靠性。

控制电路要求：

• 控制电路必须监视控制电路保护设备以及行程和关闭电路的完整性，以确保断路器的可靠操作。
• 它应表明断路器的正常打开或正常封闭的状态，尤其是在自动关闭或絆倒操作期间。
• 完成行程或关闭操作后，必须释放命令脉冲以断开电路的功率。
• 在没有机械防拖锁装置的情况下，应使用电气防倾锁装置。
• 断路器的断路器跳闸信号电路的接线应遵循“无对应原理”，以确保外部故障不会影响断路器的信号电路。
• 警告信号必须安装在可能异常操作或容易出现故障的设备上，以立即提醒维护人员。
• 弹簧机制和手动机制的电源可以是AC或DC，而电磁机构必须使用直流电源来确保可靠的操作。

6. 断路器的类型

断路器有各种类型，并根据其设计功能，应用程序设置和操作方法进行分类。这些类别反映了电气系统的多样化和复杂要求。

操作方法：

操作方法的选择会影响断路器的可用性和应用环境：

• 电动机的断路器：这些断路器使用电动机执行开放和关闭操作，非常适合最大程度地减少遥控器和自动化系统的干预。
• 存储的能量操作：这些断路器通常使用弹簧或压缩空气来存储能量，并在接收操作命令后快速释放它，从而确保维持系统完整性所需的快速动作和响应时间。
• 手动操作：最适于不经常运行的小型设备或环境。这些依靠人类操作员手动控制机制，提供简单而直接的控制，但以速度和潜在的人为错误为代价。

结构设计：

• 模制箱断路器（MCCB）：顾名思义，这些断路器的外壳由耐用的塑料制成。它们的设计具有成本效益，更易于安装，通常用于较低电压应用。
• 通用断路器：这些是多功能设备，旨在在各种电流和电压级别上运行，由于其自适应设计，适用于广泛的应用。

断路器类别：

• 选择性与非选择性：选择性断路器可以在电路的特定分支中隔离故障，而无需关闭整个系统，增强系统的可靠性并降低停机时间。相比之下，非选择性断路器通过完全切断功率来响应故障，尽管更简单，但可能会增加系统的停机时间。
• 弧形媒介：用于淬灭的培养基对于确定断路器的效率和适用性至关重要。
• 机油断路器：使用石油作为中等，高效率，但维护复杂和高度环境需求。
• 真空断路器：这些断路器在真空中熄灭弧度，具有高效率，易于维护，适用于中度至高压应用。
• 空气断路器：使用空气扑灭弧；与其他类型相比，它们具有更简单的结构，但具有较小的弧形功能。

性能指标：

• 操作速度：断路器操作的速度显著影响系统安全。快速隔离开关的设 计旨在快速中断故障电流，最大程度地减少系统损坏，而标准断路器满足典型的操作速度要求。

杆数：

• 单极断路器：用于单相电路，主要是在小型或住宅环境中。
• 三杆和四杆断路器：通常在三相系统中使用，它们通过同时覆盖所有阶段来提供全面的保护，这对于较大，更复杂的设置至关重要。

安装类型：

• 固定，插入和提取：每种类型都提供不同级别的安装和维护便利性。插件和可取款类型有助于替换和维护，适用于需要频繁检查的系统；如果不需要定期维护断路器的固定类型。

7. 断路器，断开开关和保险丝之间的差异

断路器配备了弧形的设备，使它们能够在负载下运行并管理正常电流和故障（短路）电流。它们的紧凑而密封的设计意味着仅查看它们并不能揭示它们是打开还是关闭的；这要求操作员具有专门的知识，以确保其正确和安全的使用。断路器对于保持电路的连续性和确保设备安全至关重要。在电力系统中，它们不仅发出电力和启动电动机，而且在严重故障时自动断开电路的连接，以保护电网的稳定性和安全性。

断开开关：

与断路器不同，断开开关没有弧形的机制，并且不能在超过5安培的负载电流下运行，而是旨在打破主动电路的旨在。但是，它们的简单结构使他们的运营状态显而易见，这在检查和维护过程中是有益的。断开开关可从电源提供明显的物理断开连接，确保维护人员的安全性，并在系统维护期间在安全中发挥关键作用。

实际上，断路器通常称为“开关”，断开开关称为“隔离开关”。应用中断路器和断开开关的联合使用说明了系统设计和操作维护之间的微妙平衡。断路器控制和保护电路免受可能造成设备损坏和安全危害的异常电流，而断开开关在电路维护过程中提供了必要的物理隔离，从而提高了人员安全。这种互补策略不仅提高了电力系统的稳定性和可靠性，而且确保了维护人员更安全的工作环境。

常见的过电流保护设备（OCPD）：

包括断路器和保险丝。尽管保险丝和断路器的目的具有相同的目的，但在选择设备和人员保护设备时，了解它们之间的根本差异至关重要：

• 保险丝：一旦保险丝运行，就必须更换它。它们最初是便宜的，不需要维护，并且只能通过在没有可调节的保护设置的情况下熔化来提供保护。
• 断路器：中断过电流事件后，可以重置断路器。他们的初始成本更高，需要维护。它还提供可调节的保护功能（例如地面故障），增强其功能和在复杂电网络中的适用性。

8. 摘要

电气工程师和技术人员需要深入了解断路器的设计，功能和应用。通过掌握断路器的不同类型和功能，他们可以更准确地为特定的应用程序选择合适的断路器，从而确保电气系统的稳定性和安全性。此外，将断路器与断开开关进行比较并融合进一步突出了电源系统中断路器的独到价值和不可替代性。随着电气系统的不断发展和技术创新，断路器的设计和应用将继续发展，以满足更高的安全性和效率需求。

本文原文来自ariat-tech.tw