斷路器工作原理_斷路器的作用與選型原則技巧分享

1. 引言 2. 斷路器設(shè)計(jì)

引言

　　在現(xiàn)代人的生活中，斷路器絕對(duì)是一種舉足輕重的電路裝置，而且是家用電路中最重要的安全機(jī)制之一。一旦房屋配線中的電流流量過(guò)大，這種簡(jiǎn)單的電路裝置就會(huì)切斷電源，直至故障被排除。如果沒(méi)有斷路器（或其替代品——保險(xiǎn)絲），家庭用電就會(huì)非常不方便，原因在于，僅僅是線路問(wèn)題和設(shè)備故障就可能會(huì)造成火災(zāi)和其他事故。

　欲了解斷路器，不妨先了解一下家用電路的工作原理。

　　電氣屬性主要由三個(gè)參量來(lái)界定：

　　電壓

　　電流

　　電阻

　　電壓是推動(dòng)電荷移動(dòng)的“壓力”。電流是電荷之“流”——即電荷流過(guò)導(dǎo)體的速率，可在任一定點(diǎn)測(cè)量。導(dǎo)體對(duì)電流具有一定程度的阻礙作用，稱為電阻，阻值的大小由導(dǎo)體的材料和尺寸所決定。

　　電壓、電流和電阻這三者是相互關(guān)聯(lián)的——改變其中一個(gè)另兩個(gè)也會(huì)發(fā)生改變。電流等于電壓除以電阻（一般記作I=v/r）。我們可以直觀地想到：如果增大驅(qū)動(dòng)電荷的電壓或是降低電阻，電流就會(huì)增大。如果降低電壓或增大電阻，電流就會(huì)減小。

　　所有這些又是如何來(lái)到您家中的呢？

　　配電網(wǎng)把電流從發(fā)電廠輸送到您的家中。在家用電路內(nèi)，電荷會(huì)在大電路中流動(dòng)，大電路又由很多小電路組成。電路的一端是火線，與發(fā)電廠相連。另一端稱為零線，與地面相連。由于火線與高電位相連，而零線則連往零電位（地面），電路兩端就產(chǎn)生了電壓——只要電路閉合，電荷就會(huì)流動(dòng)。這樣的電流稱為交變電流，因?yàn)樗苎杆俚馗淖兎较?。（有關(guān)更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)電網(wǎng)工作原理。）

　　在本文中，我們會(huì)介紹斷路器和保險(xiǎn)絲如何監(jiān)控電流，以及它們?cè)陔娏魉竭^(guò)高時(shí)如何切斷電源。我們不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于可能造成人員傷亡的事故來(lái)說(shuō)，使用斷路器不失為一種最簡(jiǎn)單的解決方案。

　　斷路器工作原理_斷路器的作用與選型原則技巧分享----斷路器的工作原理

　　　斷路器基本型工作原理：

　　電路中的火線與開(kāi)關(guān)兩端相連。當(dāng)開(kāi)關(guān)置于接通狀態(tài)時(shí)，電流從底部終端流出，依次流經(jīng)電磁體、移動(dòng)接觸器、靜態(tài)接觸器，最終從頂部終端流出。

　　電流能磁化電磁體。電磁體產(chǎn)生的磁力隨電流的增強(qiáng)而增強(qiáng)，如果電流降低，磁力也會(huì)減弱。當(dāng)電流躍升到危險(xiǎn)水平時(shí)，電磁體會(huì)產(chǎn)生足夠大的磁力，以拉動(dòng)一根與開(kāi)關(guān)聯(lián)動(dòng)裝置相連的金屬桿。這會(huì)使移動(dòng)接觸器傾斜并離開(kāi)靜態(tài)接觸器，繼而切斷電路。電流也就中斷了。

　　雙金屬條設(shè)計(jì)依據(jù)的是相同的原理，區(qū)別在于這里無(wú)需給電磁體能量，而是讓金屬條在高電流下自行彎曲，繼而啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置。還有些斷路器靠填充易爆物來(lái)移置開(kāi)關(guān)。當(dāng)電流超過(guò)某一水平時(shí)，就會(huì)點(diǎn)燃易爆材料，繼而驅(qū)動(dòng)活塞打開(kāi)開(kāi)關(guān)。

　　斷路器增強(qiáng)型工作原理：

　　GFCI 會(huì)不斷監(jiān)測(cè)電路中零線和火線上的電流。一切正常時(shí)，兩條線上的電流應(yīng)當(dāng)完全相同。一旦火線直接接地（例如有人不慎觸碰火線），火線上的電流會(huì)突然猛增，而零線則不會(huì)。GFCI 在檢測(cè)到這種情況后會(huì)立即切斷電路，以防止觸電傷亡事故。由于 GFCI 無(wú)需等到電流上升到危險(xiǎn)水平就能采取行動(dòng)，因而其反應(yīng)速度要比傳統(tǒng)斷路器快得多。

　　斷路器工作原理_斷路器的作用與選型原則技巧分享----斷路器的作用

　　斷路器主要的作用有兩個(gè)方面：

　?。?）控制作用。即根據(jù)運(yùn)行需要，投入或切除部分電力設(shè)備或線路。

　?。?）保護(hù)作用。即在電力設(shè)備或線路發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置作用于斷路器，將故障部分從電網(wǎng)中迅速切除，以保證電網(wǎng)非故障部分的正常運(yùn)行。

　　高壓

　　1.正常情況下接通和斷開(kāi)高壓電路中的空載及負(fù)荷電流。

　　2.在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能與保護(hù)裝置和自動(dòng)裝置相配合，迅速切斷故障電流，防止事故擴(kuò)大，從而保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

　　從其實(shí)斷路器就是一種開(kāi)關(guān)，它和其他普通開(kāi)關(guān)的不同點(diǎn)主要在：1.適用電壓等級(jí)高2.滅弧介質(zhì)及方式，有真空，少油，多油及六氟化硫等等3.滅弧能力強(qiáng)，效果好。

　　漏電保護(hù)器做為低壓

　　這種斷路器的原理是火線和地線相連接時(shí)，會(huì)起到保護(hù)作用。會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)。一般漏電 人體觸電，就會(huì)自動(dòng)斷路。

　　斷路器在日常生活中應(yīng)用得比較廣，各種電器內(nèi)保護(hù)電路、家庭用電線路中的觸電保護(hù)器等。其作用是：當(dāng)電路中發(fā)生短路時(shí)，斷路器瞬間動(dòng)作，斷開(kāi)電源，保護(hù)線路。如果人觸電，斷路器瞬間動(dòng)作，斷開(kāi)電源，就能起到保安作用。斷路器的質(zhì)量好壞直接關(guān)系到是否能真正起到保安作用，因此，家用斷路器質(zhì)量是關(guān)鍵，一定要買(mǎi)有生產(chǎn)產(chǎn)址，生產(chǎn)日期，質(zhì)量保證書(shū)。同時(shí)一定要請(qǐng)教專家，根據(jù)你家的用電負(fù)荷，購(gòu)買(mǎi)多大電流的斷路器，過(guò)大過(guò)小都不能起保護(hù)任用，甚至給自己找麻煩。

• 斷路器設(shè)計(jì)

  　　斷路器工作原理_斷路器的作用與選型原則技巧分享----基本型選型

  　　最簡(jiǎn)單的電路保護(hù)裝置是保險(xiǎn)絲。保險(xiǎn)絲只是一根很細(xì)的導(dǎo)線，加上一個(gè)保護(hù)套之后接入電路。電路閉合后，所有電流必須流經(jīng)保險(xiǎn)絲——保險(xiǎn)絲處的電流與同一電路上其他各點(diǎn)的電流相同。設(shè)計(jì)這種保險(xiǎn)絲，是為了讓它在溫度達(dá)到某一水平時(shí)能夠熔斷。燒毀保險(xiǎn)絲可以造成開(kāi)路，從而防止過(guò)量電流破壞房屋配線。

  　　保險(xiǎn)絲的問(wèn)題是，它只能發(fā)揮一次作用。每當(dāng)保險(xiǎn)絲被燒斷后，就必須換一個(gè)新的。斷路器能起到與保險(xiǎn)絲相同的作用，卻可以反復(fù)使用。 只要電流達(dá)到危險(xiǎn)水平，它就能立刻造成開(kāi)路 。

  　　基本型斷路器僅由一個(gè)與雙金屬條或電磁體相連的開(kāi)關(guān)構(gòu)成。下圖是一個(gè)典型的電磁體設(shè)計(jì)圖。

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  電路中的火線與開(kāi)關(guān)兩端相連。當(dāng)開(kāi)關(guān)置于接通狀態(tài)時(shí)，電流從底部終端流出，依次流經(jīng)電磁體、移動(dòng)接觸器、靜態(tài)接觸器，最終從頂部終端流出。

  電流能磁化電磁體（請(qǐng)查閱電磁體工作原理一文，了解具體原因）。電磁體產(chǎn)生的磁力隨電流的增強(qiáng)而增強(qiáng)，如果電流降低，磁力也會(huì)減弱。當(dāng)電流躍升到危險(xiǎn)水平時(shí)，電磁體會(huì)產(chǎn)生足夠大的磁力，以拉動(dòng)一根與開(kāi)關(guān)聯(lián)動(dòng)裝置相連的金屬桿。這會(huì)使移動(dòng)接觸器傾斜并離開(kāi)靜態(tài)接觸器，繼而切斷電路。電流也就中斷了。

  
  
  點(diǎn)擊斷路器，觀看打開(kāi)開(kāi)關(guān)的情形。

  雙金屬條設(shè)計(jì)依據(jù)的是相同的原理，區(qū)別在于這里無(wú)需給電磁體能量，而是讓金屬條在高電流下自行彎曲，繼而啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置。還有些斷路器靠填充易爆物來(lái)移置開(kāi)關(guān)。當(dāng)電流超過(guò)某一水平時(shí)，就會(huì)點(diǎn)燃易爆材料，繼而驅(qū)動(dòng)活塞打開(kāi)開(kāi)關(guān)。

  　　斷路器工作原理_斷路器的作用與選型原則技巧分享----增強(qiáng)型斷路器的選型技巧

  　　更先進(jìn)的斷路器摒棄了簡(jiǎn)單的電氣設(shè)備，轉(zhuǎn)而使用電子器件（半導(dǎo)體設(shè)備）來(lái)監(jiān)測(cè)電流水平。這些元件的精度要高得多，而且能更為迅速地切斷電路，但價(jià)格也要貴得多。因此，多數(shù)家庭仍使用傳統(tǒng)電氣斷路器。

  　　接地故障斷路器（GFCI）是一種新型斷路器。這種斷路器，不僅能預(yù)防房屋配線損毀，而其能保護(hù)人免遭電擊。GFCI 會(huì)不斷監(jiān)測(cè)電路中零線和火線上的電流。一切正常時(shí)，兩條線上的電流應(yīng)當(dāng)完全相同。一旦火線直接接地（例如有人不慎觸碰火線），火線上的電流會(huì)突然猛增，而零線則不會(huì)。GFCI 在檢測(cè)到這種情況后會(huì)立即切斷電路，以防止觸電傷亡事故。由于 GFCI 無(wú)需等到電流上升到危險(xiǎn)水平就能采取行動(dòng)，因而其反應(yīng)速度要比傳統(tǒng)斷路器快得多。

  　　房屋內(nèi)的所有線路都應(yīng)匯聚到中央斷路器儀表板（或保險(xiǎn)盒儀表板），儀表板通常位于地下室，或在一個(gè)壁櫥內(nèi)。典型的中央儀表板大約有十二個(gè)斷路開(kāi)關(guān)，它們連接著家庭電路中不同的支路。應(yīng)當(dāng)有一條支路能將客廳所有的電源插座匯集起來(lái)，還應(yīng)有一條支路專門(mén)負(fù)責(zé)一樓的照明工作。大型的家用電器一般都使用專用電路，例如中央空調(diào)系統(tǒng)或電冰箱。

  　　配電網(wǎng)以恒定的電壓輸電（在美國(guó)是120或240伏），但每個(gè)家庭的電阻卻是不同的（因而電流也不盡相同）。盡管燈泡及其他電器種類各異，但它們都帶有某個(gè)數(shù)值的電阻，也稱為負(fù)載。正因?yàn)橛辛穗娮璧拇嬖?，電器才能工作。例如，燈泡里面的燈絲對(duì)電流有很強(qiáng)的阻礙作用。電荷為了克服電阻，就會(huì)發(fā)熱并使燈絲的溫度升高，導(dǎo)致燈泡發(fā)光。

  　　在家用電路中，火線和零線絕不能直接相連。電路中的電荷總是要流經(jīng)電器，而電器起到了電阻的作用。這樣，電器對(duì)電流的阻礙作用就限定了電路中電荷的流量（電壓和電阻恒定時(shí)，電流也是恒定的）。設(shè)計(jì)家用電器時(shí)，應(yīng)考慮如何將電流維持在比較低的水平，以確保用電安全。如果某一時(shí)刻電路中的電流過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致家用電器和房屋配線的溫度升高，如達(dá)到危險(xiǎn)水平，就有可能導(dǎo)致火災(zāi)。

  　　這樣可以確保電力系統(tǒng)在絕大多數(shù)時(shí)間里，都能平穩(wěn)地運(yùn)行。但有些時(shí)候，出于某種原因，火線可能會(huì)與零線（或其他接地導(dǎo)體）直接相連。例如，一部電風(fēng)扇的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)因溫度過(guò)高而熔化，并將火線與零線熔在一起。再者，也許有人會(huì)往墻里釘釘子，不巧的是，他釘中了一根電線。當(dāng)火線直接接地時(shí)，電路中形成了一個(gè)最小阻抗，因而在電壓的推動(dòng)下，會(huì)有大量的電流流過(guò)導(dǎo)線。如果這一過(guò)程持續(xù)下去，導(dǎo)線就會(huì)因溫度過(guò)高而起火。

  　　斷路器的職責(zé)是在電流高于安全水平時(shí)切斷電路。在下面的章節(jié)中，您會(huì)了解斷路器是如何做到這一點(diǎn)的。

  　　斷路器工作原理_斷路器的作用與選型原則技巧分享----其他選型要求及原則

  　　1、斷路器的額定電壓必須大于或等于線路的工作電壓。

  　　負(fù)載或額定電源的電壓要大于或等于開(kāi)關(guān)的額定電壓，因?yàn)檫@事關(guān)產(chǎn)品的安全性能。高于開(kāi)關(guān)額定電壓的電壓有可能會(huì)使產(chǎn)品絕緣性能性能下降，存在事故隱

  　　2、斷路器的額定短路通斷能力≥線路中可能出現(xiàn)的最大短路電流。

  　　線路中發(fā)生相線與相線或相線與中性線之間的短路電流是很大的，越是接近電源分配端的電流就越大，因?yàn)檎麄€(gè)短路回路的阻抗小。因此要求斷路器必須有一定的短路分?jǐn)嗄芰?，?dāng)短路分?jǐn)嗄芰Υ笥诨虻扔诰€路中可能出現(xiàn)的最大短路電流時(shí)，在瞬時(shí)脫扣器的作用下，開(kāi)關(guān)能瞬時(shí)熄弧斷開(kāi)。如開(kāi)關(guān)的額定短路通斷能力≤線路中可能出現(xiàn)的最大短路電流因開(kāi)關(guān)不能熄弧，由燃弧引起的過(guò)高溫度使觸點(diǎn)粘（短路）從而毀壞配電線路以致設(shè)備。

  　　3、斷路器的額定電流≥線路的負(fù)載電流。

  　　負(fù)載的額定電流必須等于或小于開(kāi)關(guān)的額定電流，一般情況下小于開(kāi)關(guān)的額定電流，考慮到留有一定的裕度，一般選開(kāi)關(guān)的額定電流比實(shí)際負(fù)載電流大20℅左右，不要選得太大，必須考慮過(guò)載保護(hù)及短路保護(hù)都能動(dòng)作，選取過(guò)大的額定電流，過(guò)載保護(hù)失去作用，由于線路的粗細(xì)及長(zhǎng)短關(guān)系，負(fù)載端的短路電流達(dá)不到瞬時(shí)脫扣器的整定動(dòng)作值，從而使短路保護(hù)失效。

  　　4、漏電斷路器的額定漏電動(dòng)作電流必須≥2倍的線路業(yè)已存在的泄漏電流。

  　　在配電線路中由于線路的絕緣電阻隨著時(shí)間的增長(zhǎng)會(huì)下降及對(duì)地布線分布電容的存在，線路或多或少對(duì)地存在一定的泄漏電流，有的還比較大，因此在選取漏電斷路器的額定漏電動(dòng)作電流必須大于實(shí)際泄漏電流的兩倍才能保證開(kāi)關(guān)不會(huì)誤動(dòng)作，這也是與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的額定漏電不動(dòng)作電流為額定動(dòng)作電流的一半是相符合的。

  　　5、斷路器末端單相對(duì)地短路時(shí)能使選用B、C、D型瞬時(shí)脫扣器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，對(duì)于不同類型的負(fù)載（用電設(shè)備）選用不同的瞬時(shí)脫扣器和相應(yīng)的電流等級(jí)的產(chǎn)品。

  　　根據(jù)不同的負(fù)載設(shè)備選用不同類型的瞬時(shí)脫扣器和額定電流，B、C、D型瞬時(shí)脫扣器的使用對(duì)象前面有說(shuō)明。選取額定電流及相應(yīng)的瞬時(shí)脫扣器時(shí)必須考慮負(fù)載的額定電流及可能輸出的最大短路電流。當(dāng)最大短路電流大于或等于B、C、D型瞬時(shí)脫扣器的整定動(dòng)值時(shí)，短路保護(hù)才能起作用。

  　　6、在裝漏電保護(hù)器之前必須搞清原有的供電保護(hù)型式，以便判斷是否可以直接安裝或需改動(dòng)。

  　　供電保護(hù)型式在前面已有詳細(xì)說(shuō)明。在未安裝漏電斷路器之前，有些設(shè)備已采取一些供電保護(hù)型式，但是有一些保護(hù)型式如不改動(dòng)是不適宜直接安裝漏電斷路器，否則會(huì)引起開(kāi)關(guān)的誤動(dòng)或拒動(dòng)。具體使用將在后面案例中進(jìn)行分析。

  　　7、有進(jìn)出線規(guī)定的產(chǎn)品必須嚴(yán)格按要求接線，進(jìn)出線不可反接。

  　　漏電斷路器必須按要求接線，否則會(huì)引起開(kāi)關(guān)漏電保護(hù)功能的損壞，因漏電保護(hù)線路板的工作電源從開(kāi)關(guān)的出線端引出，如采取反接線，則線路板的工作電源長(zhǎng)期存在，一旦漏電保護(hù)動(dòng)作，內(nèi)部電磁脫扣線圈因長(zhǎng)期通電而損壞（電磁脫扣線圈的設(shè)計(jì)為瞬時(shí)工作方式），漏電功能損壞。