學點開關電器知識——斷路器的基本原理之3

1.斷路器的最基本分類

斷路器，它分成三大類。

第一類，叫做框架斷路器，又叫做空氣絕緣斷路器。既然有了空氣Air這個詞，電流英文單詞是Circuit，而斷路器的英文單詞是Breaker，所以框架斷路器的符號是ACB。

第二類，叫做塑殼斷路器，它的符號是MCCB；第三類是微型斷路器，它的符號是MCB。

ACB的額定電流範圍從1250A到6300A，額定電流範圍最大；MCCB的額定電流範圍從10A到1600A，額定電流範圍居中；MCB的額定電流範圍從6A到63A，額定電流範圍最小，但它卻是家裝用斷路器的主力軍。

不管是哪一類，斷路器內部動靜觸頭之間的絕緣，依靠的就是空氣，這也是微型斷路器MCB的俗稱是空氣開關的原因。

既然斷路器內部動靜觸頭之間的絕緣依靠的是空氣，我們就有必要來探討一番空氣的擊穿特性，以及若干電弧的基本知識。

2.關於電弧

我們先來認識一下電弧：

這就是電弧，我們看到電弧就是一團高溫氣體。在電弧內部，溫度高達3000度以上，電子會從原子中逸出形成負離子，丟失了因此空氣分子全部變成等離子體，也即電子與正離子氣體的混合體。

3.斷路器的開距

我們來看圖3：

圖3中是框架斷路器ACB，它正處於打開狀態。我們把此時的動觸頭與靜觸頭之間的最短距離叫做開距。

開距的用途就是確保處於打開狀態的動靜觸頭之間的空氣不會發生電擊穿。

4.空氣的擊穿電壓

我們看圖4：

圖4我在知乎上已經用了N遍。此處我們再次使用一番。

圖4左圖中我們看到了一個電路，其中電極1和電極2分別是陽極和陰極，它們與電池的正極和負極相連。當電壓等於零時，電路當然不通，電極之間沒有電流流過。

我們調節可變電阻R，逐步增加電極之間的電壓，我們發現電極之間有電流流過。這是因為宇宙射線的原因。宇宙射線把空氣分子給擊穿，擊穿後的負離子（電子）運動到陽極，而正離子則運動到陰極。由於地面的宇宙射線密度基本上是常數，所以電極之間的電流不大。見圖4右圖的A點到B點波形。我們看到觸頭之間的電壓增加了不少，但電流卻是常數。

我們繼續調節可變電阻，電壓繼續增加。當電壓越過B點後，空氣受到電場力的作用開始出現部分電離，我們看到電流略微增加。當電壓到達Uc點時，空氣被擊穿。此時的電壓Uc就是擊穿電壓。

空氣被擊穿後，電極間隙中出現輝光，一種很美麗的光：

我們繼續調高電壓，我們發現此時電壓開始下降，電流持續增大，空氣電離後出現強光，我們相繼進入了電弧擊穿區D區、E區和F區。

從C點往右，氣體擊穿後能夠自己維持，我們把這一段區間叫做自持放電區；從C點往左，氣體擊穿後不能自己維持，這一段區間叫做非自持放電區。

非自持區段很有意思，它的擊穿電壓會受到空氣壓強的影響，壓強越低越容易擊穿；同時，它還受到電極間隙的距離影響，距離越小越容易擊穿。所以，擊穿電壓Uc是氣體壓強p與電極間隙d之乘積的函數。表徵空氣擊穿特性關係是巴申曲線，如下：

圖中的空氣擊穿電壓出現最小值（約等於0.4kV），此值對應的pd值為0.47cm.133Pa，也就是電極間隙為4.7mm，空氣壓強為133Pa。我們知道，1個大氣壓是101.325kPa，故此時的空氣壓強相當於大氣壓的0.13%，相當於真空了。

所以，當我們在海平面上把電極之間的距離調整到1cm，隨之往高處走，海拔越高擊穿電壓就越低。也因此，國家標準中把海拔2000m作為一個標杆。超過2000m，則電器必須考慮到空氣擊穿電壓降低這個因素。

注意：巴申曲線最小值點的左側是真空區段，我們看到它的特點是氣壓越低，擊穿電壓越高。正好和空氣中的情況反過來了。利用這個特點，人們設計了真空斷路器，並在高壓開關中得到廣泛運用。

5.斷路器在高海拔地區的降容

我們回頭再看圖3，我們發現，若開距是在海平面上定義的，那麼當海拔超過2000米後，就要考慮增加開距。然而斷路器產品定型後，開距是不能增加的，因此只剩下一條路，就是降低斷路器的額定電流值和額定電壓值，或者說降低容量。

我們來看ABB的Emax的樣本中是如何規定降容值的：

6.電弧的近陰極效應和電弧熄滅原理

設斷路器原先處於閉合狀態併流過額定電流，當斷路器打開瞬間，它的動靜觸頭之間會出現電弧。

由於斷路器剛剛才打開，交流電壓尚未發生極性轉換，故此時可以認為電源是直流電壓。我們設左邊是陽極右邊是陰極。見圖5：

我們看到，圖5的上圖中空氣被擊穿併產生出電弧。電弧中的電子向左邊的陽極運動，而正離子則向右邊的陰極運動。由於電子質量輕而正離子質量大，有部分正離子保留在陽極附近。

當交流電壓改換極性後，電弧熄滅，並且原先的陽極變成陰極而原先的陰極變成陽極，見圖5的下圖。

我們看到，在新陰極附近保存有許多正離子，它們阻止了新陰極的電子發射，從而具有抑制電弧重燃的功能。這種效應叫做近陰極效應。

近陰極效應的持續時間非常短暫，只有幾個微秒而已。但對於低壓開關電器來說，卻十分重要，它對電弧起到限流作用。也因此，幾乎所有具有觸頭的低壓開關電器，都具有一定的限流能力，其原因就是近陰極效應。

當然，斷路器僅僅依靠近陰極效應，是沒有辦法熄滅電弧的。它還要配備滅弧罩，才能有效地滅弧。

那麼滅弧罩的原理是什麼？我們看圖6：

圖6中，當斷路器的動靜觸頭中出現電弧後，畢竟電弧是帶電氣體，我們利用電磁推力，把電弧給吹進滅弧罩間隔中。當電弧進入滅弧罩後，這多個間隔內立刻就形成了等量的近陰極效應，再加上電弧氣體在金屬片上的降溫，最後電弧熄滅。

7.有趣的電弧運動現象

我們已經知道，電極分為陽極和陰極。我們來看看電弧在兩極上的運動，見圖7：

圖7的左1圖，陽極在下部的動觸頭上，陰極在上部的靜觸頭上。當斷路器開斷後，我們看到陰極的電弧弧根很快地就越過觸頭與滅弧罩間的間隙，幾乎與陽極電弧弧根一起同時進入滅弧罩並被滅弧。

再看圖7的左2圖，陽極在上圖的靜觸頭上，陰極在下部的動觸頭上。當斷路器開斷後，我們看到陰極電弧不能跳躍，它必須等到動觸頭到了最下方接觸到滅弧罩後才能進入滅弧罩。

再看左3圖，此時斷路器上部進線，下部出線。由於動觸頭在下，當觸頭開斷後，如果動觸頭是陽極，電弧自然很容易熄滅；如果動觸頭是陰極，雖然滅弧難了一些，但由於動觸頭是負載側，它的電弧電場強度會弱很多，所以電弧也很容易熄滅。

再看最右一張圖，它的進線在下方，屬於倒送電。當斷路器開斷時，若動觸頭是陽極，它很容易熄滅，但如果動觸頭是陰極，再加上動觸頭接在電源側，電場強度較強，所以電弧更難熄滅。

由此我們知道，如果斷路器反向送電，許多型號的斷路器必須降容。

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本篇內容就到這裡。內容較多，讓大家且消化一番吧。