關(guān)于斷路器大家都不陌生，在我們的身邊斷路器其實有很多的，小型斷路器廣泛的用于我們的民用住宅當中。因為小型斷路器的特點不僅分斷能力較強、性能可靠，而且還有先進的結(jié)構(gòu)。正在一些辦公樓或類似建的筑物、住宅當中作為照明、短路保護使用。也可以作為一種線路的轉(zhuǎn)換使用。小型斷路器的使用壽命也是比較長的。

空氣開關(guān)簡介

1、名稱及功能

“空氣開關(guān)”正式名稱是“小型斷路器”，在電路中起過載（過流）、短路保護作用，即在過載或短路時自動斷開電路。當然也可當作“開關(guān)”使用，因滅弧介質(zhì)為空氣，所以稱“空氣開關(guān)”，本文仍稱“斷路器”。

小型斷路器工作原理

小型斷路器的工作原理和塑殼斷路器其實是一樣的----俗稱空氣式斷路器 結(jié)構(gòu)：滅弧系統(tǒng)： 靜觸頭 動觸頭 機械系統(tǒng)：基架 鎖扣 跳扣 再扣 彎針等 保護系統(tǒng)：熱元件;線圈 鐵芯

工作原理：

1.過流保護原理斷路器熱元件（雙金屬片）在受熱后向一側(cè)物理彎曲牽引機械部分使其斷開動靜觸的接觸;

2.短路保護原理當大電流流過斷路器，線圈變產(chǎn)生磁場觸動鐵芯牽引機械部分使其斷開動靜觸的接觸。

1、狀態(tài)定義和圖解順序

狀態(tài)定義：機械及電氣上，都可用“接通”和“分斷”描述整個斷路器的兩種工作狀態(tài)，及兩種（人工或自動）操作的動作名稱。相應(yīng)的，用“通態(tài)”和“斷態(tài)”來描述各機械部件的位置狀態(tài)。

由于機械部件較多，又互相牽制，本文采用“從少到多、逐步添加”的方法，了解部件結(jié)構(gòu)及作用，及其傳力及動作。

2、軸銷和彈簧

軸銷是可轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)軸，共有5個，其中1、2、4、5號是獨立銷柱，3號軸銷是成型在主梁上的“上孔下柱”。4號軸銷不是固定在外殼上，而是固定在“三軸主梁”上，成為三軸中的一軸，詳見下節(jié)說明。

彈簧作用：通過加載時的形變提供保持力，自動動作時提供回復(fù)力。斷路器一共用到了5個彈簧，上圖指出4個，另有一個在電磁鐵芯內(nèi)部。簡單介紹如下：

1） “主力彈簧”最粗，彈力也最大，是加載后保持力和復(fù)位時回復(fù)力的主要來源。

2） “手柄彈簧”繞在軸銷1的底軸上，加載后為“手柄”提供逆時針方向動作回復(fù)力。

3） “鎖片彈簧”其實是一根彈性鋼絲，彈力最小，鎖定狀態(tài)時為“鎖片”提供定位保持力。

4） “觸點桿彈簧”：圖上被遮擋，見下節(jié)說明。

3、觸點桿組件

觸點桿組件較復(fù)雜，包括“三軸主梁“、“觸點桿”、“槽形托片”、“彈簧”和“軸銷4”，如下圖所示。主梁呈轉(zhuǎn)角造型，上面有三個軸：轉(zhuǎn)角處為“軸3”，兩頭為“軸4”和“連桿軸”。“軸3”是主梁本身的轉(zhuǎn)動軸，采用“上孔下柱”造型，固定在底盤上。 “軸銷4“把“觸點桿”、“槽形托片”、“彈簧”串接起來裝配到主梁上，從而形成一個組件。

組件支持以下3種動作（且支持下列3種的任意組合，是否很巧妙？）

1） 主梁圍繞軸3轉(zhuǎn)動，連桿軸、軸4兩上點跟著產(chǎn)生弧形位移。

2） 不管軸4是否位移，觸點桿組件可繞軸4旋轉(zhuǎn)。

3） 觸點桿受彈簧力緊貼槽形托片，受外力克服彈簧力時，二者產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。

可以拆、裝組件慢慢體會，但安裝稍難：將部件套好串入軸銷后再卡彈簧，一端先卡入觸點桿，再用小一字開刀將彈簧另一端頂?shù)街髁耗沁叺牟坌瓮衅目凵稀?/p>

4、安裝手柄和組件

現(xiàn)在裝入組件、手柄，分別掛上主力彈簧和手柄彈簧，再套入連桿。

如下圖左圖，受主力彈簧回復(fù)力作用，觸點桿?？壳乙蕾嗽凇皵鄳B(tài)港灣”。手柄受彈簧回復(fù)力作用，也處于斷態(tài)位。

再看右圖，當克服阻力推上手柄，盡管軸銷4帶動觸點桿組件上移，但組件左側(cè)卡扣未被卡死，組件可轉(zhuǎn)動，觸點仍在原位。松手后手柄掉下，說明此狀態(tài)無法自鎖。圖中用軸銷卡住了手柄才不掉下來。下一步要解決兩個問題：觸點不閉合、系統(tǒng)不能自鎖。

5、自鎖功能分析

加入“雙扣梁”后，因“雙扣梁”的下端不固定，推上手柄時“上扣”還是無法卡住。采用一螺絲桿頂住雙扣梁的下端，合上手柄，系統(tǒng)就能鎖定，且觸點也能閉合！

先分析觸點為何能夠閉合：這里利用了杠桿原理，“上扣”為支點，軸銷4處為動力點，而觸點處為阻力點。動作過程中，支點位置保持不動，動力點向上位移，動觸點則向上位移更多，與靜觸點閉合。到這里，可看出主梁為何采用“上孔下柱”的設(shè)計，原來要留出這個中空，讓“上扣”施展身手。

自鎖原理分析：有2個力矩作用在手柄上，第1個是手柄彈簧回復(fù)力矩M1，第2個是連桿推動手柄的力矩M2。如上右圖，手柄推上時經(jīng)歷了“復(fù)位、居中、臨界、頂部”4個位置時，這2個力矩的大小和方向是在變化的。先看方向，“復(fù)位、居中”狀態(tài)時，M1和M2是同向的，作用效果是讓手柄復(fù)位；到“臨界”時，2條力線A和B成直線，但M2＝0，受M1作用，手柄還是復(fù)位。直到“頂部”狀態(tài)時，M2終于反向，系統(tǒng)能夠鎖定在“通態(tài)”了。

那么問題來了：推上手柄也能使M2反向，何以不鎖定？二者的差別在于觸點閉合時，軸銷4向上位移更大，即加載彈簧1的回復(fù)力更大，這個力通過主梁、連桿傳回手柄上，實現(xiàn)了M2》M1，即M2和M1的合成力矩是順時針方向的。可想是不滿足M2》M1的。這些力矩要精心計算，否則導(dǎo)致“鎖定無力“或”不易脫扣”。

再通過上圖來說明一下動作和力量的傳遞：1“下扣”頂住——2“上扣”鎖住——4觸點桿抬高——3觸點閉合。4觸點桿抬高——彈簧回復(fù)力增大——5主梁連桿對手柄產(chǎn)生更大推力——6M2大于M1——手柄鎖定——系統(tǒng)鎖定在通態(tài)。

6、觸點閉合力

觸點會流過大電流，閉合時需要有效接觸，因此需要給動觸點提供持續(xù)的壓力，這個力來自“觸點桿組件”中彈簧的回復(fù)力。

如上圖，我們通過一枚螺母卡住“上扣”，然后合上手柄，可觀察到“觸點閉合壓力”現(xiàn)象。因螺母將槽形鐵片左端卡得更低，其右端可以抬得更高，手柄加載到位后，觸點桿片與槽形托片就克服彈簧力，張開了一個角度，此時彈簧回復(fù)力就成為觸點間的閉合力了。而且，靜觸點對動觸點也存在反作用力，通過整個機構(gòu)回傳到連桿上，成為手柄鎖定力矩M2的一部分。

設(shè)想取消組件中“槽形托片+彈簧+觸點桿”的設(shè)計，僅使用一個觸點桿，則從手柄到觸點都是剛性部件，沒有足夠的形變，也就無法為閉合觸點加載彈性力了。

7、鎖定片與脫扣方式

最后加上“鎖片”和彈簧鋼絲，完成整個機械系統(tǒng)。

“雙扣梁”下端被“下扣”扣住很少，只要“鎖片”稍一轉(zhuǎn)動，就會脫扣，起到了“4兩撥千斤”的作用。熱脫扣靠的是雙金屬片，當電流過流時，雙金屬片發(fā)熱彎曲，左端頂?shù)芥i片，完成脫扣。電磁脫扣靠的是電磁鐵，當線圈流經(jīng)超大（短路）電流時，內(nèi)部動靜磁塊吸合，動磁塊推動“頂桿”頂?shù)健版i片”右端，完成脫扣。下圖分別是雙金屬片和電磁鐵組件的細節(jié)。

8、熱觸發(fā)微調(diào)機構(gòu)

這個組件把“軛鐵”、“雙金屬片”、“連接軟銅片”、“接線端”及“連接導(dǎo)線”（圖中已剪去）焊接在一起，如圖所示，上、下兩部分被固定在底盒的槽內(nèi)，無法活動，但中間部分未被卡死，是可以稍微活動的。當調(diào)節(jié)螺釘時，雙金屬片可跟隨上下位移，相當于調(diào)節(jié)了熱觸發(fā)的間距，也即調(diào)節(jié)的過流脫扣電流。中下部分連接靠“軟銅片”，但軛鐵是一個整體，下側(cè)微量調(diào)節(jié)依靠的是金屬形變，可觀察到形變處開了一個大窗，減少了剛性。

滅弧系統(tǒng)

1、 結(jié)構(gòu)

滅弧系統(tǒng)包括觸點區(qū)域、引導(dǎo)區(qū)域及滅弧柵區(qū)域。

1） 觸點區(qū)域包括動觸桿及觸頭、靜觸桿及觸頭。觸點通斷大電流，是易損部件。

2） 引導(dǎo)區(qū)域是從觸點處到滅弧柵之間的空間，由上下兩組導(dǎo)磁鐵片及絕緣隔離片組成，形成一個電弧轉(zhuǎn)移通道。

3） 滅弧柵組件：由9片相互絕緣、片間距約為1.8mm的帶有凹口的鋼片用絕緣框組裝而成，框背后開有通氣孔。

2、 電弧的害處

斷路器分斷大電流時，動靜觸點間會產(chǎn)生溫度極高、發(fā)出強光的電弧。電弧有兩個害處，一是引起高溫燒壞觸點等零件；二是它本身也是電流，電弧不熄相當于電流不斷，而斷路器需要非?？焖俚亟K止所有電流，通常要求機構(gòu)跳閘后30－150毫秒之間熄滅電弧。

3、 柵片滅弧原理

小型斷路器通常采用“金屬柵片滅弧法”，其基本原理是利用金屬柵片產(chǎn)生的感應(yīng)磁場形成電磁動力（磁吹弧力），將電弧吸入滅弧室，然后分割成若干小段，利用交流電的“過零”及電弧的“近陰極效應(yīng)”達到快速熄滅電弧的目的。另外滅弧柵還有降溫、散熱、通風等功能。

移動電弧的電磁力分析：電弧本質(zhì)上是一團被電離的氣體，受力時易發(fā)生移動。同時它也是一段電流，既可以產(chǎn)生磁場，也可受到電磁力作用。斷路器觸點右邊設(shè)置了上下2塊鐵片，滅弧柵組件中有9片鐵片，當電弧產(chǎn)生時，強大的電弧電流產(chǎn)生磁場，將鐵片磁化（有研究表明可多產(chǎn)生約39%的磁場）。這個磁場力反過來又對電弧產(chǎn)生安培力，將電弧往鐵片方向拉（另一邊看來是吹），電弧迅速移入滅弧柵組件。不用擔心會吹過頭，過頭了還會吹回來的。

電弧在滅弧室被截成多段小電弧，然后冷卻、熄滅。根據(jù)電弧的“近陰極效應(yīng)”，電弧放電時，近陰極一端吸引、積累了大量正離子，當交流電過零反向后，陰極變陽極，正離子區(qū)域可以形成約150V－250V左右的反向電場，這個電場能抵消起弧的外電場，從而阻斷電弧電流。滅弧室設(shè)計成9隔，電弧引入后被截成10段，每段都有一個陰極，串聯(lián)起來就有1500V以上的反壓，當外電場低于此值，電弧就會熄滅。