断路器浅谈

作者:Digi-Key工程师 Robert Fay

本帖旨在帮助你

  • 熟悉一般的断路器。
  • 确定不同类型断路器的优缺点。
  • 在指定断路器时,识别并避免一些常见错误。

断路器 ——断路器是一种自动操作的电气开关,旨在防止电路产生由过载或短路造成的损坏。断路器最基本的功能是检测故障情况,并“立即”中断电流。与保险丝(使用过一次就必须更换)不同,断路器在复位之后可以继续正常工作。

断路器 保险丝

  • 断路器跳闸后能快速简单地复位,也能修复电路故障。而如果保险丝烧坏,可能没有现成的保险丝替换。
  • 断路器可以帮助操作员避免误操作。在保险丝应用中,可能会插入不正确的保险丝,这会导致过早烧坏电路或因故障损坏电路。
  • 一开始断路器的价格看似较高,但根据出现故障的次数及应用的设备数量随着时间的推移增加,断路器也有助于节省大量成本。
  • 一些断路器可以执行电路保护以外的功能,如开关和指示。示例——一些断路器既可以用作电源开关,也可以用作电路保护器,而熔断电路则始终需要单独的电源开关。
    另见:电路保护器件的差异

断路器的类型

热敏式断路器

  • 热敏式断路器结合了热响应双金属条或圆片。
  • 由于零件必须要加热后才会跳闸,因此会有可预测的延迟。
  • 这类断路器具有相对缓慢的特性曲线,可区分安全的临时浪涌和长时间的过载。
  • 热敏式断路器适用于机械或车辆,在启动电机、变压器和螺线管时会伴随较大电流。

热敏式断路器工作原理

  • 在接通状态下,电流将流过双金属板。如果电流值过高,会使双金属发热并弯曲,进而断开触点,并中断电流流动。

  • 当触点断开时,绝缘体会滑入触点之间的位置以保持触点处于断开状态(因此在冷却时不会自动复位),并使其持续保持该状态,直到手动复位断路器。

  • 通过观察其工作原理,我们不难发现,环境温度会减少或增加额定跳闸电流,但要根据具体的应用来判断该特点的优劣。

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磁动式断路器

  • 磁动式断路器通过螺线管工作。它利用电磁来移动内部电枢,从而断开触点。
  • 磁动式断路器在达到阈值电流后立即跳闸。
  • 此类断路器适用于印刷电路板应用和控制应用中的脉冲断开。

液力延迟磁动式断路器

  • 磁动式断路器常常与液压延迟相结合,以承受电流浪涌。
  • 液压延迟断路器最好安装在水平位置,以防重力影响螺线管的移动;否则可能需要降低额定值。

磁动式断路器工作原理

  • 流过线圈的电流使得活塞/磁芯向上或向下移动。当超过额定电流时,磁芯就会超过某一点。当磁芯位于“极片”附近的一定距离内时,电磁力就足以移动电枢,从而断开触点。
  • 液压延迟磁动式断路器采用了完全相同的设计,但有一个关键区别。在简单的磁动式断路器中,磁芯会暴露在空气中,以减少磁芯运动的阻力。
  • 液压延迟零件的磁芯周围会包裹某种液体。液体的粘度越大,延迟时间就越长。
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热磁式 断路器

  • 热磁式断路器结合了热敏和磁动式断路器的优点:1. 延迟功能可避免正常浪涌电流造成的干扰跳闸;2. 借助高电流脉冲实现快速响应。
  • 高过电流导致螺线管快速触发释放机制,而热机制则响应长时间的低值过载。
  • 此类断路器具有两步跳闸配置的特点,为昂贵的电气系统提供快速短路保护,同时将系统运行中断的风险降到最低。

热磁式断路器工作原理

  • 热磁式断路器结合了这两种不同的技术。

  • 如果在等于或低于额定电流的电流下工作,双金属元件便不会移动,并且磁芯也不会拉得足够远以使断路器跳闸(图A)。

  • 然而,与热敏式断路器类似,环境温度的大幅升高和/或电流的小幅增加都可能会使断路器跳闸(图B)。

  • 此外,与磁动式断路器类似的是,如果电流迅速增加到一定程度,那么断路器就会立即跳闸(图C)。
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  • 在需要瞬间跳闸功能并且环境温度过高会对产品产生负面影响的情况下,热磁式断路器即可凭借上述特性成为你的不二之选。

跳闸配置
以下基本截图展示了各类断路器的跳闸方式。
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价格

在大多数情况下,热敏式断路器的成本无疑是最低的。位列其后的便是磁动式断路器。价格最高的是液压延迟磁动式断路器和热磁式断路器。然而,像密封、触点负载、材料组成、物理尺寸等规格都会改变价格。

选定断路器时的常见错误

为应用选定错误类型的断路器。

  • 设计工程师最常犯的一个错误是为应用选定了错误的断路器技术。设计人员需要了解跳闸配置和断路器的运作环境。

指定过高的额定值可避免因励磁涌流或瞬态电流引起的干扰跳闸。

  • 工程师们习惯采用超大尺寸的保险丝来防止干扰跳闸。然而,却没有必要使用超大型的断路器。
  • 与保险丝额定值不同,断路器额定值表示断路器在环境室温下能保持的最大电流。因此,10A断路器会保持10A的电流而不会引起干扰跳闸。事实上,具有慢跳闸配置的典型4A断路器能承受临时的10A电流浪涌而不会造成引起跳闸。
  • 通常情况下,干扰跳闸是由与某些电气元件(主要是电机、变压器、螺线管和大电容)相关的励磁涌流引起的。在这种情况下,设计者需要指定带有延迟功能的断路器。

在设计中未考虑间距问题

  • 在非温度补偿热敏式断路器之间需要保持建议的最小间距,这一点非常重要。
  • 断路器之间通常仅需1mm的间距。如果没有这种微小的热间距,断路器就会升温并增加双金属跳闸机制的敏感度。
  • 如果断路器必须相互接触,生产厂家的建议是将电流降至正常额定电流的80%(生产厂家规格书应该列出了具体的降值信息)。

降低额定值容易出现的失误

  • 根据经验,断路器的额定负载应为100%。然而,一些应用需要断路器在高温或低温下连续工作。
  • 在这些情况下,请遵循厂商的降额指南。例如,当需要10A保护的应用在50℃条件下工作时就要求使用12A额定电流的热敏式断路器。

不必要地降低额定值

  • 热敏式断路器的性能对环境温度的波动很敏感。在寒冷的环境中,它会在电流较高时跳闸,而在炎热的环境中又会在电流较低时跳闸。
  • 工程师的一个常见错误是,认为在环境温度升高时有必要对热敏式断路器降额。
  • 实际上,热敏式断路器会跟踪系统的性能需求,从而假设它暴露在相同的热源中。例如,电机绕组在90℃时比在20℃时需要更多的过热保护。冷电机需要更多的励磁涌流才能启动,因此在寒冷条件下,较长的延迟是有利的。

为高振动环境指定错误类型的断路器。

  • 通常,磁动式断路器的触发器是铰接的金属电枢,会因电磁线圈的移动而闭合。正由于这种设计,磁动式断路器(和液压磁动式断路器)特别容易受到振动的影响。
  • 与之相反,典型的热敏式断路器由热致动器和机械锁存器组成。因此,热敏式断路器具有很强的抗冲击和振动能力。如果对某种应用而言,磁动式断路器是最适用的,则可使用推拉式致动器来提高其抗振性。这种类型的致动器带有锁存器设计。

英文原文链接:Circuit breakers