断路器工作原理及家用电路的原理

有关断路器工作原理及家用电路的原理，断路器分为万能式断路器和塑料外壳式断路器两大类，断路器类型及其工作原理，断路器的保护及选择要点，以及 四极塑料外壳式断路器有六种型式。

断路器的工作原理

断路器又叫空气开关，是一种很基本的低压电器，断路器具有过载、短路和欠电压保护功能，能保护线路和电源的能力。

它可用来分配电能，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。

而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件，所以获得了广泛的应用。一旦房屋配线中的电流流量过大，这种简单的电路装置就会切断电源，直至故障被排除。如果没有断路器（或其替代品——保险丝），家庭用电就会非常不方便，原因在于，仅仅是线路问题和设备故障就可能会造成火灾和其他事故。

断路器分为万能式断路器和塑料外壳式断路器两大类，目前我国万能式断路器主要生产有DWl5、DWl6、DWl7(ME)、DW45等系列，塑壳断路器主要生产有DZ20、CMl、TM30等系列。

断路器类型及其工作原理：

基本型：

最简单的电路保护装置是保险丝。保险丝只是一根很细的导线，加上一个保护套之后接入电路。电路闭合后，所有电流必须流经保险丝——保险丝处的电流与同一电路上其他各点的电流相同。设计这种保险丝，是为了让它在温度达到某一水平时能够熔断。烧毁保险丝可以造成开路，从而防止过量电流破坏房屋配线。

保险丝的问题是，它只能发挥一次作用。每当保险丝被烧断后，就必须换一个新的。断路器能起到与保险丝相同的作用，却可以反复使用。只要电流达到危险水平，它就能立刻造成开路。

基本型工作原理：

电路中的火线与开关两端相连。当开关置于接通状态时，电流从底部终端流出，依次流经电磁体、移动接触器、静态接触器，最终从顶部终端流出。

电流能磁化电磁体。电磁体产生的磁力随电流的增强而增强，如果电流降低，磁力也会减弱。当电流跃升到危险水平时，电磁体会产生足够大的磁力，以拉动一根与开关联动装置相连的金属杆。这会使移动接触器倾斜并离开静态接触器，继而切断电路。电流也就中断了。

双金属条设计依据的是相同的原理，区别在于这里无需给电磁体能量，而是让金属条在高电流下自行弯曲，继而启动联动装置。还有些断路器靠填充易爆物来移置开关。当电流超过某一水平时，就会点燃易爆材料，继而驱动活塞打开开关。

增强型：

更先进的断路器摒弃了简单的电气设备，转而使用电子器件（半导体设备）来监测电流水平。接地故障断路器（GFCI）是一种新型断路器。这种断路器，不仅能预防房屋配线损毁，而其能保护人免遭电击。

增强型工作原理：

GFCI会不断监测电路中零线和火线上的电流。一切正常时，两条线上的电流应当完全相同。一旦火线直接接地（例如有人不慎触碰火线），火线上的电流会突然猛增，而零线则不会。GFCI在检测到这种情况后会立即切断电路，以防止触电伤亡事故。由于GFCI无需等到电流上升到危险水平就能采取行动，因而其反应速度要比传统断路器快得多。

断路器的保护及选择要点：

额定电流在600A以下，且短路电流不大时，可选用塑壳断路器；额定电流较大，短路电流亦较大时，应选用万能式断路器。

一般选用原则为：

(1)断路器额定电流≥负载工作电流；

(2)断路器额定电压≥电源和负载的额定电压；

(3)断路器脱扣器额定电流≥负载工作电流；

(4)断路器极限通断能力≥电路最大短路电流；

(5)线路末端单相对地短路电流/断路器瞬时(或短路时)脱扣器整定电流≥1.25；

(6)断路器欠电压脱扣器额定电压=线路额定电压。

四极塑料外壳式断路器有六种型式：

1)断路器的N极不带过电流脱扣器，N极与其他三个相线极一起合分电路；

2)断路器的N极不带过电流脱扣器，N极始终接通，不与其他三个相线极一起断开；

3)断路器N极带过电流脱扣器，N极与其他三个相线极一起合分电路；

4)断路器的N极带过电流脱扣器，N极始终接通，不与其他三个相线极一起断开；

5)断路器的N极装设中性线断线保护器，N极与其他三个相线极一起合分电路；

6)断路器的N极装设中性线断线保护器，N极始终接通，不与其他三个相线极一起断开。

注意事项

漏电保护器必须要求有极高的灵敏性，所以一定要选用大牌子的才安全，比如西门子的就不错，因为它们对线路的检测非常精密、灵敏，在0.1秒甚至更短的时间内就可以检测到异常，并在电流强度和时间尚未达到伤害程度前，就立即跳闸，切断电源主回路，充分保证了人身安全。而如果使用质量不过关的杂牌子，或老旧不堪的，哪怕只晚了1秒甚至0.5秒，但是对人体的伤害也是致命的。生命安全，必须警惕！下一章我们来讲控制与保护开关中代替的接触器。

欲了解断路器，不妨先了解一下家用电路的工作原理。

电气属性主要由三个参量来界定：电压 电流 电阻

电压是推动电荷移动的“压力”。电流是电荷之“流”——即电荷流过导体的速率，可在任一定点测量。导体对电流具有一定程度的阻碍作用，称为电阻，阻值的大小由导体的材料和尺寸所决定。

电压、电流和电阻这三者是相互关联的——改变其中一个另两个也会发生改变。电流等于电压除以电阻（一般记作I=v/r）。我们可以直观地想到：如果增大驱动电荷的电压或是降低电阻，电流就会增大。如果降低电压或增大电阻，电流就会减小。

所有这些又是如何来到您家中的呢？

配电网把电流从发电厂输送到您的家中。在家用电路内，电荷会在大电路中流动，大电路又由很多小电路组成。电路的一端是火线，与发电厂相连。另一端称为零线，与地面相连。由于火线与高电位相连，而零线则连往零电位（地面），电路两端就产生了电压——只要电路闭合，电荷就会流动。这样的电流称为交变电流，因为它能迅速地改变方向。断路器设计

基本型

最简单的电路保护装置是保险丝。保险丝只是一根很细的导线，加上一个保护套之后接入电路。电路闭合后，所有电流必须流经保险丝——保险丝处的电流与同一电路上其他各点的电流相同。设计这种保险丝，是为了让它在温度达到某一水平时能够熔断。烧毁保险丝可以造成开路，从而防止过量电流破坏房屋配线。

保险丝的问题是，它只能发挥一次作用。每当保险丝被烧断后，就必须换一个新的。断路器能起到与保险丝相同的作用，却可以反复使用。 只要电流达到危险水平，它就能立刻造成开路 。

电路中的火线与开关两端相连。当开关置于接通状态时，电流从底部终端流出，依次流经电磁体、移动接触器、静态接触器，最终从顶部终端流出。

电流能磁化电磁体（请查阅电磁体工作原理一文，了解具体原因）。电磁体产生的磁力随电流的增强而增强，如果电流降低，磁力也会减弱。

当电流跃升到危险水平时，电磁体会产生足够大的磁力，以拉动一根与开关联动装置相连的金属杆。这会使移动接触器倾斜并离开静态接触器，继而切断电路。电流也就中断了。

点击断路器，观看打开开关的情形。

双金属条设计依据的是相同的原理，区别在于这里无需给电磁体能量，而是让金属条在高电流下自行弯曲，继而启动联动装置。还有些断路器靠填充易爆物来移置开关。当电流超过某一水平时，就会点燃易爆材料，继而驱动活塞打开开关。

增强型

更先进的断路器摒弃了简单的电气设备，转而使用电子器件（半导体设备）来监测电流水平。这些元件的精度要高得多，而且能更为迅速地切断电路，但价格也要贵得多。因此，多数家庭仍使用传统电气断路器。

接地故障断路器（GFCI）是一种新型断路器。这种断路器，不仅能预防房屋配线损毁，而其能保护人免遭电击。GFCI 会不断监测电路中零线和火线上的电流。一切正常时，两条线上的电流应当完全相同。一旦火线直接接地（例如有人不慎触碰火线），火线上的电流会突然猛增，而零线则不会。GFCI 在检测到这种情况后会立即切断电路，以防止触电伤亡事故。由于 GFCI 无需等到电流上升到危险水平就能采取行动，因而其反应速度要比传统断路器快得多。

房屋内的所有线路都应汇聚到中央断路器仪表板（或保险盒仪表板），仪表板通常位于地下室，或在一个壁橱内。典型的中央仪表板大约有十二个断路开关，它们连接着家庭电路中不同的支路。应当有一条支路能将客厅所有的电源插座汇集起来，还应有一条支路专门负责一楼的照明工作。大型的家用电器一般都使用专用电路，例如中央空调系统或电冰箱。

配电网以恒定的电压输电（在美国是120或240伏），但每个家庭的电阻却是不同的（因而电流也不尽相同）。尽管灯泡及其他电器种类各异，但它们都带有某个数值的电阻，也称为负载。正因为有了电阻的存在，电器才能工作。例如，灯泡里面的灯丝对电流有很强的阻碍作用。电荷为了克服电阻，就会发热并使灯丝的温度升高，导致灯泡发光。

在家用电路中，火线和零线绝不能直接相连。电路中的电荷总是要流经电器，而电器起到了电阻的作用。这样，电器对电流的阻碍作用就限定了电路中电荷的流量（电压和电阻恒定时，电流也是恒定的）。设计家用电器时，应考虑如何将电流维持在比较低的水平，以确保用电安全。如果某一时刻电路中的电流过大，就会导致家用电器和房屋配线的温度升高，如达到危险水平，就有可能导致火灾。

这样可以确保电力系在绝大多数时间里，都能平稳地运行。但有些时候，出于某种原因，火线可能会与零线（或其他接地导体）直接相连。例如，一部电风扇的电动机可能会因温度过高而熔化，并将火线与零线熔在一起。再者，也许有人会往墙里钉钉子，不巧的是，他钉中了一根电线。当火线直接接地时，电路中形成了一个最小阻抗，因而在电压的推动下，会有大量的电流流过导线。如果这一过程持续下去，导线就会因温度过高而起火。

断路器的职责是在电流高于安全水平时切断电路。在下面的章节中，您会了解断路器是如何做到这一点的。