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学点开关电器知识——断路器的基本原理之2

低压电气和低压电器技术  · 知乎专栏  ·  · 2017-10-16 21:24

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这一篇我们来讲断路器的结构。我们来看图1:

图1就是热磁式断路器的结构图。图中右侧的文字说明告诉我们,断路器有三大部件,分别是触头及灭弧系统、操作机构和脱扣器及控制单元。

现在,我来给大家解析图1的要点部分:

第一个概念:触头系统

我们看图2:

看得出来,图2就是图1的触头系统。

从图2中,我们看到了A相、B相和C相主触头,并且已经闭合了。注意到三组触头都是单触头系统。

要说明一下:断路器的触头分为主回路系统和辅助回路系统两组。

所谓主回路,指的是控制电能传递的回路,它的特点是电流很大,按断路器的规格和型号不同,主回路的电流在10A到6300A之间。见图中黄色的部分;

所谓辅助回路,指的是执行控制和信号传递的回路,它的特点是电流较小,一般在5A以下。见图2的左侧。因此,辅助回路不配灭弧装置,而主回路必须配灭弧装置。辅助回路接触点的一般叫做触点,与普通继电器相同。

第二个概念:触头的霍姆斥力和触头压力

我们看图3:

图3的左侧是动静触头系统,我们能看到其中的电流线。注意由于触头的结构所致,触头接触处其实是一个点,因此电流线会向中间倾斜。

图3的中间是静触头右侧电流线I1X产生的磁力线分布。我们用右手螺旋定则,很容易判断出它的左侧磁力线是离开纸面出来,右侧是进入纸面。于是动触头电流线I1s整个处于进入纸面的磁力线范围之内。

图3的右图是动触头电流线I1s的电动力分析图。我们由左手定则判断出它受到的电动力是F,并且F的方向与电流线I1s垂直指向左上角。我们把F分解为水平分力Fx和向上的分力Fy。由于水平分力受到触头左侧的对称分布电流线产生的右向水平分力抵消,所以触头不存在谁方向的作用力。然而,向上的诸电动力却被叠加,对动触头形成向上的斥力Fh。Fh斥力又叫做霍姆斥力。同理,静触头受到向下的霍姆斥力。

于是,当电流流过触头时,霍姆力试图把动静触头组合给斥开。

注意到触头的接触电阻与触头压力有关:触头压力越大,其接触电阻就越小。

由此可知,断路器必须对动静触头施加足够的触头压力,以实现稳定可靠的电接触。

我们再看图3:图3通过操作手柄,或者电动合闸机构与合闸电磁铁,使得原先处于打开状态的动静触头组合闭合,闭合后用一组弹簧施加压力在触头上,确保触头有足够的接触压力。

第三个概念:脱扣器的用途及其类型

我们看图4:

图4中,我们看到连杆机构向左运动并驱使触头闭合。让触头保持闭合状态的是一个叫做“扣”的机构,见右上方的连杆机构。连杆机构迫使触头保持接触状态,并对触头施加触头压力。

要解开这个“扣”,就要让下方的脱扣杆向上方作右旋运动,然后解开连杆机构的“锁扣”,使得触头打开并解锁。

能让脱扣杆向上方运动的有四个脱扣器,分别是热脱扣器、磁脱扣器、欠压脱扣器和分励脱扣器。

这四大基本脱扣器在不同的断路器中有不同的配置,有的断路器可能取消欠压脱扣器或者分励脱扣器,但一般都具有热脱扣器和磁脱扣器,这也是上述断路器被称为热磁式断路器的原因。

(1)热脱扣器

热脱扣器其实是利用双金属片的原理。

所谓双金属片,它的一面是一种金属例如铜,另一面是另外一种金属例如铁。金属有一个特点,就是哪种金属导电性能好,哪种金属的热膨胀系数就高。于是,对于一面是铜而另一面是铁的双金属片,它就会向铁的一面弯曲,并推动脱扣杆向上运动,执行脱扣跳闸操作。

双金属片上缠绕着电热丝,电热丝的电流是从主回路分流过来的,主回路电流越大,电热丝的发热量也就越大,双金属片的变形度也越大越快。

调节双金属片推块与脱扣杆之间的距离,可以调整热脱扣器的动作值。

热脱扣器一般用于断路器的过载保护。

(2)磁脱扣器

磁脱扣器是利用电磁作用推动脱扣杆运动。

图6是某型号的塑壳断路器的热脱扣器和磁脱扣器联合体:

由于改型断路器的电流不大(额定电流为250A),因此它采用了将工作电流直接流过双金属片的办法来执行过载电流的测量,而且磁脱扣器的弹片也与热脱扣器电流线装在一起,利用电磁力使得弹簧片动作,继而通过脱扣器动作顶杆调节螺丝使得操作机构执行脱扣操作。

磁脱扣器用于断路器的短路保护。

(3)欠压脱扣

我们看下图:

图7中,左下角就是欠压脱扣器。注意看欠压脱扣器的线圈电压:我们看到从B相引一条线,经过常闭的欠压脱扣按钮和断路器常闭辅助触头,接到欠压脱扣器线圈。而线圈的另外一侧则接到A相。所以欠压脱扣器线圈电压是380V的。

欠压脱扣器线圈平时必须带电。当系统失压或者按下欠压脱扣按钮后,线圈失压,撞针在弹簧的拉力作用下弹出,使得脱扣杆向上运动,从而引起脱扣,断路器跳闸保护。

(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。

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本章要点:

  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。






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