1.5　开关电器

开关电器广泛用于配电系统和电力拖动控制系统，用做电源的隔离、电气设备的保护和控制。

1.5.1　刀开关

刀开关俗称闸刀开关，是一种结构最简单、价格低廉的手动电器，主要用于接通和切断长期工作设备的电源及不经常启动和制动、容量小于7.5kW的异步电动机。目前在大部分的应用场合，刀开关已被自动开关取代。

刀开关主要由操作手柄、触刀、触点座和底座组成，依靠手动实现触刀插入触点座与脱离触点座的控制。按刀数，分为单极、双极和三极刀开关。

在选择刀开关时，应使其额定电压等于或大于电路的额定电压，其电流等于或大于电路的额定电流。当用刀开关控制电动机时，其额定电流要大于电动机额定电流的3倍。

在安装刀开关时，手柄要向上，不得倒装或平装，避免由于重力自由下落，而引起误动作和合闸。接线时，应将电源线接在上端，负载线接在下端，拉闸后刀片与电源隔离，防止可能发生的意外事故。

刀开关的图形和文字符号如图1-21所示。

1.5.2　低压断路器

低压路器也称做自动开关或空气开关，是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的开关电器和保护电器，它集控制和多种保护功能于一身。除了能接通和分断电路外，低压断路器还能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护，也可以用于不频繁地启动电动机。在保护方面，它与漏电器及测量、远程操作等模块单元配合使用，完成更高级的保护和控制任务。现在的断路器还能提供隔离和安全保护功能，特别是在针对人身安全、设备安全以及配电系统的可靠性方面，都能满足配电系统更高、更新的要求。

自动空气开关具有操作安全、使用方便、工作可靠、安装简单、动作后（如短路故障排除后）不需要更换元件等优点，因此在自动化系统和民用中被广泛使用。

在低压配电系统中，常用它作为终端开关或支路开关，所以现在大部分的使用场合中，断路器取代了过去常用的闸刀开关和熔断器的组合。

（1）低压断路器的结构及工作原理

低压断路器主要由三个基本部分组成：触头、灭弧系统和各种脱扣器。脱扣器包括过电流脱扣器、失压（欠电压）脱扣器、热脱扣器、分励脱扣器和自由脱扣器。图1-22所示是低压断路器工作原理示意图。开关是靠操作机构手动或电动合闸的。触头闭合后，自由脱扣机构将触头锁在合闸位置上。当电路发生故障时，通过各自的脱扣器使自由脱扣机构动作，自动跳闸，实现保护作用。

①过电流脱扣器　当流过断路器的电流在整定值以内时，过电流脱扣器3所产生的吸力不足以吸动衔铁。当电流超过整定值时，强磁场的吸力克服弹簧的拉力拉动衔铁，使自由脱扣机构动作，断路器跳闸，实现过流保护。

②失压脱扣器　失压脱扣器6的工作过程与过电流脱扣器恰恰相反。当电源电压在额定电压时，失压脱扣器产生的磁力足以将衔铁吸合，使断路器保持在合闸状态。当电源电压下降到低于整定值或降为零时，在弹簧的作用下衔铁释放，自由脱扣机构动作而切断电源。

③热脱扣器　热脱扣器5的作用和工作原理与前面介绍的热继电器相同。

④分励脱扣器　分励脱扣器4用于远距离操作。在正常工作时，其线圈是断电的；在需要远程操作时，按动按钮使线圈通电，其电磁机构使自由脱扣机构动作，断路器跳闸。

说明：以上介绍的是自动开关实现的功能，并不是说每一个自动开关都具有这些功能。比如，有的自动开关没有分励脱扣器，有的没有热保护等。但大部分自动开关都具备过电流（短路）保护和失压保护等功能。

低压断路器的图形和文字符号如图1-23所示。

（2）低压断路器的主要参数

①额定电压：是指断路器在长期工作时的允许电压，通常等于或大于电路的额定电压。

②额定电流：是指断路器在长期工作时的允许持续电流。

③通断能力：是指断路器在规定的电压、频率以及规定的线路参数（交流电路为功率因数，直流电路为时间常数）下，所能接通和分断的短路电流值。

④分断时间：是指断路器切断故障电流所需的时间。

（3）低压断路器的主要类型

低压断路器的分类有以下几种：

①按极数分，有单极、两极和三极。

②按保护形式分，有电磁脱扣器式、热脱扣器式、复合脱扣器式（常用）和无脱扣器式。

③按分断时间分，有一般和快速式（先于脱扣机构动作，脱扣时间在0.02s以内）。

④按结构形式分，有塑壳式、框架式、模块式等。

电力拖动与自动控制线路中常用的自动空气开关为塑壳式。塑料外壳式低压断路器又称做装置式低压断路器，具有用模压绝缘材料制成的封闭型外壳，将所有构件组装在一起，用做配电网络的保护和电动机、照明电路及电热器等的控制开关。

模块化小型断路器由操作机构、热脱扣器、电磁脱扣器、触头系统、灭弧室等部件组成，所有部件都置于一个绝缘壳中。在结构上，它具有外形尺寸模块化（9mm的倍数）和安装导轨化的特点，即单极断路器的模块宽度为18mm，凸颈高度为45mm。它安装在标准的35mm电器安装轨上，利用断路器后面的安装槽及带弹簧的夹紧卡子定位，拆卸方便。该系列断路器可作为线路和交流电动机等的电源控制开关，以及用于过载、短路等保护，广泛应用于工矿企业、建筑物及家庭等场所。

传统的断路器的保护功能利用了热效应或电磁效应原理，通过机械系统的动作来实现。智能化断路器采用以微处理器或单片机为核心的智能控制器（智能脱扣器）。它不仅具备普通断路器的各种保护功能，还具备实时显示电路中的各种电气参数（电流、电压、功率因数等），对电路进行在线监视、测量、试验、自诊断和通信等；还能够对各种保护功能的动作参数进行显示、设定和修改；并能将电路动作时的故障参数存储在非易失存储器中以便查询。智能化断路器原理框图如图1-24所示。

智能化断路器有框架式和塑料外壳式两种。框架式智能化断路器主要用于智能化自动配电系统中的主断路器。塑料外壳式智能化断路器主要用在配电网络中分配电能和作为线路及电源设备的控制与保护，也可用于三相笼型异步电动机的控制。

（4）低压断路器的选择

①额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。

②热脱扣器的整定电流应与所控制负载（比如电动机）的额定电流一致。

③欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压。

④过电流脱扣器的额定电流Iz大于或等于线路的最大负载电流。对于单台电动机来说，可按下式计算：

Iz≥KIq　　（1-6）

式中，K为安全系数，可取1.5～1.7；Iq为电动机的启动电流。

对于多台电动机来说，可按下式计算：

Iz≥KIq.max+∑Ier　　（1-7）

式中，K也可取1.5～1.7；Iq.max为最大一台电动机的启动电流；∑Ier为其他电动机的额定电流之和。