电工电子学课外阅读报告生活中的电工电子学两类常见的电路保护器

《电工电子学》 课外拓展阅读报告

生活中的电工电子学 --两类常见的电路保护器：

熔断器与断路器

姓 名： 指导教师： 学 号： 6 专业班级：

2012年12月

生活中的电工电子学

--两类常见的电路保护器：熔断器与断路器

摘要： 生活中和电气工业中经常使用两种类型的电路保护器，熔断器与断路器，这两种保护器都能实现短路保护，但是由于原理结构不同，应用范围、优缺点各不相同，给现实中电路保护器的选择带来了难题。本文通过对各种熔断器、断路器的分类分析和综合对比，分析了这两类电路保护器的工作原理、结构、优缺点、应用，给出了现实中电路保护器的选择建议。

1 熔断器的简单工作原理和分类特点

1.1 熔断器的简单工作原理

熔断器也被称为保险丝，英文名为\。定义是：当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一种电器。[1]它是一种安装在电路中，保证电路安全运行的元件。熔断器其实就是一种短路保护器，广泛用于配电系统和控制系统，主要进行短路保护或严重过载保护。基本工作原理是：当电路上电流过大时，使其中的金属线或片产生高温而熔断，导致开路而中断电流，以保护电路免于受到伤害。旧保险丝熔断后需要人工更换新的保险丝以使电路恢复运行。

具体工作原理如下：熔断器的工作原理是一个简单的I2R与时间的关系。电流越大，熔断或开路时间越短。熔断器的功耗与通过熔断器的电流的平方成正比。当功耗过高时，熔断器熔断。这个特性同样适用于受熔断器保护的线束。如果产生的热量超过散发的热量，熔断器的温度就会增加，当温度升到熔断器的熔丝熔点时熔断器就发生熔断亦即断开电路起到保护作用。

图1 熔断器工作原理示意图

1.2 熔断器的主要分类及特点

常见的熔断器有以下几种：插入式熔断器、螺旋式熔断器、封闭式熔断器、快速熔断器、自复熔断器。接下来我将从材料、结构、电路特性等方面进行分析。

（1）插入式熔断器[2]如图2所示，它常用于380V及以下电压等级的线路末端，作为配电支线或电气设备的短路保护用。

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图2 插入式熔断器

1-动触点 2-熔体 3-瓷插件 4-静触点 5-瓷座

（2）螺旋式熔断器 如图2所示。熔体上的上端盖有一熔断指示器，一旦熔体熔断，指示器马上弹出，可透过瓷帽上的玻璃孔观察到，它常用于机床电气控制设备中。螺旋式熔断器。分断电流较大，可用于电压等级500V及其以下、电流等级200A以下的电路中，作短路保护。

图3 螺旋式熔断器

1-底座 2-熔体 3-瓷帽

（3）封闭式熔断器 封闭式熔断器分有填料熔断器和无填料熔断器两种，如图3和图4所示。有填料熔断器一般用方形瓷管，内装石英砂及熔体，分断能力强，用于电压等级500V以下、电流等级1KA以下的电路中。无填料密闭式熔断器将熔体装入密闭式圆筒中，分断能力稍小，用于500V以下，600A以下电力网或配电设备中。

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图4 无填料密闭管式熔断器

1-铜圈 2-熔断管 3-管帽 4-插座 5-特殊垫圈 6-熔体 7-熔片

（4）快速熔断器 它主要用于半导体整流元件或整流装置的短路保护。由于半导体元件的过载能力很低。只能在极短时间内承受较大的过载电流，因此要求短路保护具有快速熔断的能力。快速熔断器的结构和有填料封闭式熔断器基本相同，但熔体材料和形状不同，它是以银片冲制的有V形深槽的变截面熔体。

5）自复熔断器 采用金属钠作熔体，在常温下具有高电导率。当电路发生短路故障时，短路电流产生高温使钠迅速汽化，汽态钠呈现高阻态，从而限制了短路电流。当短路电流消失后，温度下降，金属钠恢复原来的良好导电性能。自复熔断器只能限制短路电流，不能真正分断电路。其优点是不必更换熔体，能重复使用。

2 断路器的简单工作原理和分类

断路器（英文名称：circuit-breaker，circuit breaker）是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件（包括短路条件）下的电流的开关装置。断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。

断路器是电力系统中的关键元件,断路器的任务是关、合负荷电流及开断短路故障电流,保护电网及回路上电器设备免受损坏。[3]目前，已获得了广泛的应用。 2.1 断路器的简单工作原理[4]

断路器一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。当短路时，大电流（一般10至12倍）产生的磁场克服反力弹簧，脱扣器拉动操作机构动作，开关瞬时跳闸。当过载时，电流变大，发热量加剧，双金属片变形到一定程度推动机构动作（电流越大，动作时间越短）。现在有电子型的，使用互感器采集各相电流大小，与设定值比较，当电流异常时微处理器发出信号，使电子脱扣器带动操作机构动作.断路器的作用是切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩大，保证安全运行。而高压断路器要开断1500V，电流为1500-2000A的电弧，这些电弧可拉长至2m仍然继续燃烧不熄灭。故灭弧是高压断路器必须解决的问题。吹弧熄弧的原理主要是冷却电弧减弱热游离，另一方面通过吹弧拉长电弧加强带电粒子的复合和扩散，同时把弧隙中的带电粒子吹散，迅速恢复介质的绝缘强度。低压断路器也称为自动空气开关，可用来接通和分断负载电路，也可用来控制不频繁起动的电动机。它功能相当于闸刀开关、过电流继电器、失压继电器、热继电器及漏电保护器等电器部分或全部的功能总和，是低压配电网中一种重要的保护电器。

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图5 低压断路器结构及工作原理

低压断路器具有多种保护功能（过载、短路、欠电压保护等）、动作值可调、断路器分断能力高、操作方便、安全等优点，所以目前被广泛应用。结构和工作原理低压断路器由操作机构、触点、保护装置（各种脱扣器）、灭弧系统等组成。低压断路器的主触点是靠手动操作或电动合闸的。主触点闭合后，自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，欠电压脱扣器的线圈和电源并联。当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁吸合，使自由脱扣机构动作，主触点断开主电路。当电路过载时，热脱扣器的热元件发热使双金属片上弯曲，推动自由脱扣机构动作。当电路欠电压时，欠电压脱扣器的衔铁释放。也使自由脱扣机构动作。分励脱扣器则作为远距离控制用，在正常工作时，其线圈是断电的，在需要距离控制时，按下起动按钮，使线圈通电，衔铁带动自由脱扣机构动作，使主触点断开，完成动作。

2.2 断路器的常见分类及特点

断路器有多种分类方式，如果按照结构分，可以分为两种——框架式断路器和塑料外壳式断路器。框架式断路器俗称万能断路器；塑料外壳式断路器俗称“空气开关”。他们具有短路和过载保护，可重复使用。如果按照操作方式分，有电动操作式、储能操作式和手动操作式。按工作电压分，有低压断路器和高压断路器。按使用类别分：有选择型和非选择型等等，不一而足。下面我将只对几种有特色的的断路器进行分析。

(1) 剩余电流动作断路器[5]

漏电断路器主要由检测元件、中间环节、脱扣机构和试验装置等 4 个部分组成。检测元件即零序电流互感器, 被保护的相线和零线同时穿过零序电流互感器的铁芯构成了互感器的一次线圈, 缠绕在铁芯上的绕组构成了二次线圈且二次绕组的输出端和漏电脱扣线圈相连接。漏电脱扣器的衔铁

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靠永久磁铁将其吸住同时又拉紧了释放弹簧, 通过调节弹簧的拉力可以将磁铁的吸力与弹簧的拉力之间处于一种临界状态, 使得在出现漏电流时断路器能够迅速断开, 所以漏电脱扣线圈、永久磁铁、衔铁、弹簧等就构成了脱扣机构。中间环节通常包括放大器、比较器等, 其作用是对来自零序电流互感器的漏电流进行放大和处理, 并输出到执行机构。试验装置是由跨接在零序电流互感器的两端的 1 个按钮与电阻串联形成的 1 条支路组成, 用来模拟剩余电流, 主要作用是周期性(一般为 1 个月)检查漏电断路器是否处于良好状态。在正常使用情况下没有出现漏电时, 通过零序电流互感器内部的电流矢量和为零, 零序电流互感器的二次绕组无感应电动势所以也就无漏电信号输出。当发生漏电时, 通过零序电流互感器内部的电流矢量和不为零而是漏电电流(Id), 此时零序电流互感器的二次绕组将会产生感应电动势, 交流感应电流通过漏电脱扣线圈形成的磁力抵消了一部分永久磁铁原有的吸力使衔铁释放, 使得断路器迅速脱扣切断了电源起到了保护作用。

(2) 电磁推斥式快速真空断路器[6]

在日本三菱公司的15kv快速真空断路器中采用的是CPRM结构,见图6。这是一种线圈—平板推斥机构。其上边是脱扣固定线圈;下边是并合闸固定线圈;与固定线圈相向的是铜制推斥板,它通过可动轴连接到真空灭弧室的动触头上。脱扣固定线圈上通有脉冲电流后,铜制推斥板中感应诱发涡流,其结果,使铜制推斥板受到电磁推斥力作用,带动连杆运动,而使连接在灭弧室上的触头分断。合闸固定线圈上通脉冲电流后,铜制推斥板受到电磁推斥力作用,带动连杆运动,其结果是使连接在灭弧室上触头关合。

图6 CPRM的结构

(3) 永磁机构断路器[7]

永磁机构断路器的工作原理如图7所示:

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图7 永磁机构断路器的工作原理图

其工作过程如下:接通控制电源,首次接通电源要等待60s,此时储能电容已充满电(充电指示灯亮),同时欠压脱扣器电源也准备接通,断路器处在准备操作状态。按合闸钮接通合闸线圈,永磁机构动铁芯向下运动通过传动拐臂将开关管触头闭合,同时通过辅助触点,并使分闸拉簧储能。按分闸钮接通分闸线圈,同时断开欠压电源,在分闸磁场和分闸弹簧的共同作用下使开关管触头迅速分开,完成一次合闸,分闸操作。永磁机构通过动铁芯与主轴传动拐臂相连直接驱动开关管动触头,机械结构简单,磨损小,使得断路器在使用寿命期内基本实现免维护。该断路器除正常电动分闸外,还设有欠压分闸、紧急手动分闸装置,使断路器工作更加可靠。开关电源将100VAC变成155VDC,一路经过限流电阻R1和隔离二极管VD1对电容器C1充电,另一路经过电阻R2和断电器J1也对电容器C1充电,当电压充至150VDC左右时,断电器J1停止工作,J1常闭点接通合闸电路和储能灯电路。此时合闸,合闸继电器KM1动作,电容器C1向合闸线圈放电,完成一次合闸过程。电容C3延时一定的合闸时间,保证可靠合闸。另一路9VDC经过隔离二级管VD2、分闸继电器常闭点KM2-4、行程开关常开点ST1-1、辅助开关常开点FZ1-1送至合闸线圈,维持合闸状态。分闸功能由分闸继电器KM2完成,电容C2功能是保证分闸断电器KM2在电压降低时能可靠分闸。C1和C2的放电回路,由按钮SB3控制,放电时间需1 min。

3 熔断器和断路器的特点及应用比较分析

3.1熔断器与断路器的区别

熔断器与断路器相同点是都能实现短路保护，熔断器的原理是利用电流流经导体会使导体发热，达到导体的熔点后导体融化所以断开电路保护用电器和线路不被烧坏。它是热量的一个累积，所以也可以实现过载保护。对于大部分熔断器来说，一旦熔体烧毁就要更换熔体。

断路器也可以实现线路的短路和过载保护，不过原理不一样，它是通过电流底磁效应（电磁脱扣器）实现断路保护，通过电流的热效应实现过载保护。具体到实际中，当电路中的用电负荷长时

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间接近于所用熔断器的负荷时，熔断器会逐渐加热，直至熔断。像上面说的，熔断器的熔断是电流和时间共同作用的结果起到对线路进行保护的作用，它是一次性的。而断路器是电路中的电流突然加大，超过断路器的负荷时，会自动断开，它是对电路一个瞬间电流加大的保护，例如当漏电很大时，或短路时，或瞬间电流很大时的保护。当查明原因，可以合闸继续使用。正如上面所说，熔断器的熔断是电流和时间共同作用的结果，而断路器，只要电流一过其设定值就会跳闸，时间作用几乎可以不用考虑。断路器也是现在低压配电常用的元件。 3.2 熔断器与断路器的选用分析[8]

近十多年来，无论是工业建筑、民用建筑还是户外装置的低压配电系统设计中，使用低压熔断器越来越少，大多数甚至千篇一律地使用低压断路器；与之相对应的是低压配电箱中装设熔断器的也大大减少，很多人认为在电路保护器选择中，熔断器已经过时。然而即使是，在欧美一些发达国家，并没有因为断路器的快速发展而淘汰熔断器，也没有把熔断器视作落后或过时的产品。据知，在德、法等国家如西门子、溯高美等电器公司，不但仍生产熔断器，还继续研制新的产品，技术上也不断进步。从这些方面说明：断路器是先进的保护电器，而熔断器也绝非过时或落后的产品。应该说，两者相辅相成，各有自己的应用范围。

相比于断路器，熔断器有以下几大优点：(1)选择性好。上下级熔断器的熔断体额定电流只要符合国标和IEC标准规定的过电流选择比为1.6：1 的要求，即上级熔断体额定电流不小于下级的该值的1.6 倍，就视为上下级能有选择性切断故障电流；(2)限流特性好，分断能力高；(3)相对尺寸较小；(4)价格较便宜。

根据这一特点，在此给出电路保护器综合选型方案。

图8 各级线路的保护电器选型建议

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参考文献:

[1] 百度百科：熔断器http://baike.http://wodefanwen.com//view/323792.htm [2]《配电线路作业技术与安全1000问》

[3]小山健一,竹内敏惠,等.24kV快速真空断路器的开发[J].电气学会论文志,2001一12lB(9)1187一1192 [4]百度百科：断路器 http://baike.http://wodefanwen.com//view/326674.htm

[5]路阳,浅析家用和类似用途的几种断路器的原理与应用[J]. 广东土木与建筑,2007(08):38 [6]陈振生，决速真空断路器的特性及应用[J].华通技术,2005(2)：12-13 [7]朱思河,永磁机构断路器的工作原理[J].煤炭技术,2006(6):50

[8]任元会，低压熔断器和断路器的比较和应用[J].电器工业,2007(2)：59-60

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/93n3.html