1.1　低壓開關電器

開關電器（Switching Device）是指用于接通或分斷一個或幾個電路中電流的電器。一個開關電器可以完成一個或者兩個操作。它是最普通、使用最早的電器之一，常用的有刀開關、隔離開關、負荷開關、組合開關、斷路器等。

1.1.1　刀開關

刀開關（Knife Switch）是帶有刀形動觸點，在閉合位置與底座上的靜觸點相契合的開關。它是最普通、使用最早的電器之一，俗稱閘刀開關。

（1）刀開關的功能

低壓刀開關的作用是不頻繁地手動接通和分斷容量較小的交、直流低壓電路，或者起隔離作用。刀開關如圖1-1所示，其圖形及文字符號如圖1-2所示。

（2）刀開關的分類

刀開關結構簡單，由手柄、刀片、觸點、底板等組成。

刀開關的主要類型有大電流刀開關、負荷開關和熔斷器式刀開關。常用的產品有HD11～HD14和HS11～HS13系列刀開關。按照極數分類，刀開關通常分為單極、雙極和三極3種。

（3）刀開關的選用原則

① 刀開關結構形式的選擇　刀開關結構形式應根據刀開關的作用和裝置的安裝形式來選擇，如果刀開關用于分斷負載電流，應選擇帶滅弧裝置的刀開關。根據裝置的安裝形式可選擇是否是正面、背面或側面操作形式，是直接操作還是杠桿傳動，是板前接線還是板后接線的結構形式。

② 刀開關額定電流的選擇　刀開關的額定電流一般應等于或大于所分斷電路中各個負載額定電流的總和。對于電動機負載，考慮其啟動電流，應選用刀開關的額定電流不小于電動機額定電流的3倍。

③ 刀開關額定電壓的選擇　刀開關的額定電壓一般應等于或大于電路中的額定電壓。

④ 刀開關型號的選擇　HD11、HS11用于磁力站中，不切斷帶有負載的電路，僅起隔離電流作用。

HD12、HS12用于正面側方操作前面維修的開關柜中，其中有滅弧裝置的刀開關可以切斷帶有額定電流以下的負載電路。

HD13、HS13用于正面后方操作前面維修的開關柜中，其中有滅弧裝置的刀開關可以切斷帶有額定電流以下的負載電路。

HD14用于配電柜中，其中有滅弧裝置的刀開關可以帶負載操作。

另外，在選用刀開關時，還應考慮所需極數、使用場合、電源種類等。

（4）注意事項

① 在接線時，刀開關上面的接線端子應接電源線，下方的接線端子應接負荷線。

② 在安裝刀開關時，處于合閘狀態時手柄應向上，不得倒裝或平裝；如果倒裝，拉閘后手柄可能因自重下落引起誤合閘，造成人身和設備安全事故。

③ 分斷負載時，要盡快拉閘，以減小電弧的影響。

④ 使用三相刀開關時，應保證合閘時三相觸點同時合閘，若有一相沒有合閘或接觸不良，會造成電動機因缺相而燒毀。

⑤ 更換保險絲，應該在開關斷電的情況下進行，不能用鐵絲或者銅絲代替保險絲。

【例1-1】　刀開關和隔離開關是否可以互相替換使用？

【解】　通常不可以。隔離開關是指在斷開位置上，能符合規定的隔離功能要求的一種機械開關電器，其作用是當電源切斷后，保持有效的隔離距離，可以保證維修人員的安全，隔離開關通常不帶載荷通斷電路。刀開關一般不用作隔離器，因為它不具備隔離功能，但刀開關可以帶小載荷通斷電路。

當然，隔離開關也是一種特殊的刀開關，當滿足隔離功能時，刀開關也可以用來隔離電源。

1.1.2　低壓斷路器

斷路器（Circuit-Breaker）是指能接通、承載以及分斷正常電路條件下的電流，也能在規定的非正常電路條件（例如短路條件）下接通、承載一定時間和分斷電流的一種機械開關電器，過去叫作自動空氣開關，為了和IEC（國際電工委員會）標準一致，改名為斷路器。低壓斷路器如圖1-3所示。

（1）低壓斷路器的功能

低壓斷路器是將控制電器和保護電器的功能合為一體的電器，其圖形及文字符號如圖1-4所示。在正常條件下，它常作為不頻繁接通和斷開的電路以及控制電動機的啟動和停止。它常用作總電源開關或部分電路的電源開關。

斷路器的動作值可調，同時具備過載和保護兩種功能，當電路發生過載、短路或欠壓等故障時能自動切斷電路，有效地保護串接在它后面的電氣設備。其安裝方便，分斷能力強，特別在分斷故障電流后一般不需要更換零部件，這是大多數熔斷器不具備的優點。因此，低壓斷路器使用越來越廣泛。低壓斷路器能同時起到熱繼電器和熔斷器的作用。

（2）低壓斷路器的結構和工作原理

低壓斷路器的種類雖然很多，但結構基本相同，主要由觸點系統和滅弧裝置、各種脫扣器與操作機構、自由脫扣機構部分組成。各種脫扣器包括過流、欠壓（失壓）脫扣器，熱脫扣器等。滅弧裝置因斷路器的種類不同而不同，常采用狹縫式和去離子滅弧裝置，塑料外殼式的滅弧裝置采用硬鋼紙板嵌上柵片制成。

當電路發生短路或過流故障時，過流脫扣器的電磁鐵吸合銜鐵，使自由脫扣機構的鉤子脫開，自動開關觸點在彈簧力的作用下分離，及時有效地切除高達數十倍額定電流的故障電流，如圖1-5所示。當電路過載時，熱脫扣器的熱元件發熱，使雙金屬片上彎曲，推動自由脫扣機構動作，如圖1-6所示。分勵脫扣器則作為遠距離控制用，在正常工作時，其線圈是斷電的，在需要距離控制時，按下啟動按鈕，使線圈通電，銜鐵帶動自由脫扣機構動作，使主觸點斷開。開關的主觸點靠操作機構手動或電動合閘，在正常工作狀態下能接通和分斷工作電流，若電網電壓過低或為零時，電磁鐵釋放銜鐵，自由脫扣機構動作，使斷路器觸點分離，從而在過流與零壓、欠壓時保證了電路及電路中設備的安全。

【例1-2】　某質量檢驗局在監控本地區的低壓塑殼式斷路器的質量時發現：單極家用斷路器的重量在60g以下的產品全部為不合格品。請從低壓塑殼式斷路器的結構和原理入手分析產生以上現象的原因。

【解】　家用斷路器由觸點系統和滅弧裝置以及各種脫扣器與操作機構組成，而滅弧裝置和脫扣器的重量較大，而且為核心部件，所以偷工減料是造成產品不合格的直接原因。該質監局檢查發現，所有低于60g的斷路器的滅弧柵片數量都較少，因而滅弧效果不達標，脫扣機構的銅質線圈線包很小或者沒有，因而幾乎起不到保護作用。通過稱量判定重量過小的斷路器為不合格品有一定的合理性，但這不能作為斷路器產品檢驗的標準。

（3）低壓斷路器的典型產品

低壓斷路器主要分類方法是以結構形式分類，有開啟式和裝置式兩種。開啟式又稱為框架式或萬能式，裝置式又稱為塑料外殼式（簡稱塑殼式）。還有其他的分類方法，例如，按照用途分類，有配電用、電動機保護用、家用和類似場所用、漏電保護用和特殊用途；按照極數分類，有單極、兩極、三極和四極；按照滅弧介質分類，有真空式和空氣式。

① 裝置式斷路器　裝置式斷路器有絕緣塑料外殼，內裝觸點系統、滅弧室、脫扣器等，可手動或電動（對大容量斷路器而言）合閘，有較高的分斷能力和動穩定性，有較完善的選擇性保護功能，廣泛用于配電線路。

目前，常用的裝置式斷路器有DZl5、DZ20、DZX19、DZ47、C45N（目前已升級為C65N）等系列產品。T系列為引進日本的產品，等同于國內的DZ949，適用于船舶。H系列為引進美國西屋公司的產品。3VE系列為引進西門子公司的產品，等同于國內的DZ108，適用于保護電動機。C45N（C65N）系列為引進法國梅蘭日蘭公司的產品，等同于國內的DZ47斷路器，這種斷路器具有體積小、分斷能力高、限流性能好、操作輕便、型號規格齊全，可以方便地在單極結構基礎上組合成二極、三極、四極斷路器等優點，廣泛使用在60A及以下的民用照明支干線及支路中（多用于住宅用戶的進線開關及商場照明支路開關）或電動機動力配電系統和線路過載與短路保護。DZ47-63系列斷路器型號的含義如圖1-7所示，DZ47-63和DZ15系列低壓斷路器的主要技術參數見表1-1和表1-2。

② 萬能式斷路器　萬能式斷路器曾稱框架式斷路器，這種斷路器一般有一個鋼制框架（小容量的也有用塑料底板加金屬支架構成的），主要部件都在框架內，而且一般都是裸露在外，萬能式斷路器一般容量較大，額定電流一般為630～6300A，具有較高的短路分斷能力和較高的動穩定性。適用于在交流為50Hz或60Hz、額定電壓為380V或660V的配電網絡中作為配電干線的主保護。

萬能式斷路器主要由觸點系統、操作機構、過電流脫扣器、分勵脫扣器及欠壓脫扣器、附件及框架等部分組成，全部組件進行絕緣后裝于框架結構底座中。

目前，我國常用的有DW15、DW45、ME、AE、AH等系列的萬能式斷路器。DW15系列斷路器是我國自行研制生產的，全系列具有1000A、1500A、2500A、4000A等幾個型號。ME系列（ME系列開關電流等級范圍為630～5000A，共13個等級）技術生產的產品，等同于國內的DW17系列。AE系列為引進日本三菱公司技術生產的產品，等同于國內的DW18系列，主要用作配電保護。AH系列為引進日本技術生產的產品，等同于國內的DW914系列，用于一般工業電力線路中。

③ 智能化斷路器　智能化斷路器是把微電子技術、傳感技術、通信技術、電力電子技術等新技術引入斷路器的新產品，智能化斷路器的特征是采用了以微處理器或單片機為核心的智能控制器（智能脫扣器），它一方面具有斷路器的功能，另一方面可以實現與中央控制計算機雙向構成智能在線監視、自行調節、測量、試驗、自診斷、可通信等功能，能夠對各種保護功能的動作參數進行顯示、設定和修改，保護電路動作時的故障參數能夠存儲在非易失存儲器中以便查詢。

目前，國內生產的智能化斷路器有框架式和塑料外殼式兩種。框架式智能化斷路器主要用于智能化自動配電系統中的主斷路器，塑料外殼式智能化斷路器主要用在配電網絡中分配電能和作為線路以及電源設備的控制與保護，亦可用作三相籠型異步電動機的控制。國內DW45、DW40、DW914（AH）、DW18（AE-S）、DW48、DW19（3WE）、DW17（ME）等智能化框架式斷路器和智能化塑料殼斷路器都配有ST系列智能控制器及配套附件，ST系列智能控制器采用積木式配套方案，可直接安裝于斷路器本體中，無需重復二次接線，并有多種方案任意組合。

（4）斷路器的技術參數

斷路器的主要技術參數有極數、電流種類、額定電壓、額定電流、額定通斷能力、線圈額定電壓、允許操作頻率、機械壽命、電氣壽命、使用類別等。

① 額定工作電壓。在規定的條件下，斷路器長時間運行承受的工作電壓，應大于或等于負載的額定電壓。通常最大工作電壓即為額定電壓，一般指線電壓。直流斷路器常用的額定電壓值為110V、220V、440V和660V等。交流斷路器常用的額定電壓值為127V、220V、380V、500V和660V等。

② 額定工作電流。在規定的條件下，斷路器可長時間通過的電流值，又稱為脫扣器額定電流。

③ 短路通斷能力。在規定條件下，斷路器可接通和分斷的短路電流數值。

④ 電氣壽命和機械壽命。電氣壽命是指在規定的正常工作條件下，斷路器不需要修理或更換的有載操作次數。機械壽命是指斷路器不需要修理或更換的機構所承受的無載操作次數。目前斷路器的機械壽命已達1000萬次以上，電氣壽命約是機械壽命的5%～20%。

（5）低壓斷路器的選用原則

① 應根據線路對保護的要求確定斷路器的類型和保護形式，如萬能式或塑殼式斷路器，通常電流在600A以下時多選用塑殼式斷路器，當然，現在也有塑殼式斷路器的額定電流大于600A。

② 斷路器的額定電壓U_idGenCharOverride-4應等于或大于被保護線路的額定電壓。

③ 斷路器欠壓脫扣器額定電壓應等于被保護線路的額定電壓。

④ 斷路器的額定電流及過流脫扣器的額定電流應大于或等于被保護線路的計算電流。

⑤ 斷路器的極限分斷能力應大于線路的最大短路電流的有效值。

⑥ 配電線路中的上、下級斷路器的保護特性應協調配合，下級的保護特性應位于上級保護特性的下方，并且不相交。

⑦ 斷路器的長延時脫扣電流應小于導線允許的持續電流。

⑧ 選用斷路器時，要考慮斷路器的用途，如要考慮斷路器是作保護電動機用、配電用還是照明生活用。這點將在后面的例子中提到。

⑨ 在直流控制電路中，直流斷路器的額定電壓應大于直流線路電壓。若有反接制動和逆變條件，則直流斷路器的額定電壓應大于2倍的直流線路電壓。

（6）注意事項

① 在接線時，低壓斷路器上面的接線端子應接電源線，下方的接線端子應接負荷線。

② 照明電路的瞬時脫扣電流類型常選用C型。

【例1-3】　有一個照明電路，總負荷為1.5kW，選用一個合適的斷路器作為其總電源開關。

【解】　由于照明電路額定電壓為220V，因此選擇斷路器的額定電壓為230V。照明電路的額定電流為：，可選擇斷路器的額定電流為10A。DZ47-63系列的斷路器比較適合用于照明電路中瞬時動作整定值為6～20倍的額定電流，查表1-1可知，C型合適，因此，最終選擇的低壓斷路器的型號為DZ47-63/2、C10（C型10A額定電流）。

【例1-4】　CA6140A車床上配有3臺三相異步電動機，主電動機功率為7.5kW，快速電動機功率為275W，冷卻電動機功率為150W，控制電路的功率約為500W，請選用合適的電源開關。

【解】　由于電動機額定電壓為380V，所以選擇斷路器的額定電壓為380V。電路的額定電流為：，可選擇斷路器的額定電流為40A。DZ15-40系列的斷路器比較適合用作電源開關，因此，最終選擇的低壓斷路器的型號為DZ15-40/40。

1.1.3　剩余電流保護電器

剩余電流保護電器（Residual Current Device，簡稱RCD）是在正常運行條件下，能接通承載和分斷電流，以及在規定條件下，當剩余電流達到規定值時，能使觸點斷開的機械開關電器或者組合電器。也稱剩余電流動作保護電器（Residual Current Operated Protective Device）。

（1）剩余電流保護電器的功能

剩余電流保護電器的功能是：當電網發生人身（相與地之間）觸電事故時，能迅速切斷電源，可以使觸電者脫離危險，或者使漏電設備停止運行，從而避免觸電引起人身傷亡、設備損壞或火災的發生，它是一種保護電器。剩余電流保護電器僅僅是防止發生觸電事故的一種有效的措施，不能過分夸大其作用，最根本的措施是防患于未然。

（2）剩余電流保護電器的分類

① 按照保護功能和結構特征分類，剩余電流保護電器可分為剩余電流繼電器、剩余電流開關、剩余電流斷路器和漏電保護插座。

② 按照工作原理分類，可分為電壓動作型和電流動作型剩余電流保護電器，前者很少使用，而后者則廣泛應用。

③ 按照額定漏電動作電流值分類，可分為高靈敏剩余電流保護電器（額定漏電動作電流小于30mA）、中靈敏剩余電流保護電器（額定漏電動作電流介于30～1000mA之間）和低靈敏剩余電流保護電器（額定漏電動作電流大于1000mA）。家庭可選用高靈敏剩余電流保護電器。

④ 按照主開關的極數分類，可以分為單極二線剩余電流保護電器、二極剩余電流保護電器、二極三線剩余電流保護電器、三極剩余電流保護電器、三極四線剩余電流保護電器和四極剩余電流保護電器。

⑤ 按照動作時間分類，可分為瞬時型剩余電流保護電器、延時型剩余電流保護電器和反時限剩余電流保護電器。其中，瞬時型的動作時間不超過0.2s。

（3）剩余電流斷路器的工作原理

在介紹剩余電流斷路器的工作原理前，首先介紹剩余電流的概念。剩余電流（Residual Current）是指流過剩余電流保護器主回路的電流瞬時值的矢量和（以有效值表示）。

① 三極剩余電流斷路器的工作原理　圖1-8所示的剩余電流斷路器是在普通塑料外殼式斷路器中增加一個零序電流互感器和一個剩余電流脫扣器（又稱為漏電脫扣器）組成的電器。

根據基爾霍夫定律，三相電的矢量和為零，即

所以在正常情況下，零序電流互感器的二次側沒有感應電動勢產生，剩余電流斷路器不動作，系統保持正常供電。當被保護電路中出現漏電事故時，三相交流電的電流矢量和不為零，零序電流互感器的二次側有感應電流產生，當剩余電流脫扣器上的電流達到額定剩余動作電流時，剩余電流脫扣器動作，使剩余電流斷路器切斷電源，從而達到防止觸電事故的發生。每隔一段時間（如一個月），應該按下剩余電流保護電器的試驗按鈕一次，人為模擬漏電，以測試剩余電流保護電器是否具備剩余電流保護功能。四極剩余電流保護電器的工作原理與三極剩余電流保護電器類似，只不過四極剩余電流保護電器多了中性線這一極。

② 二極剩余電流斷路器的工作原理　二極剩余電流斷路器如圖1-9所示，負載為單相電動機，I_idGenCharOverride-4和I_idGenCharOverride-4大小相等，方向相反，即

當有漏電I_idGenCharOverride-4時，，互感器中產生磁通，互感器的副邊線圈產生感應電動勢，使斷路器的脫扣線圈動作，從而使電源切斷，起到保護作用。

③ 電子式剩余電流保護電器的工作原理　當發生漏電事故時，電流繼電器將漏電信號傳送給電子放大器，電子放大器將信號放大，從而斷路器的脫扣機構使主開關斷開，切斷故障電路。

（4）剩余電流斷路器的性能指標

① 剩余動作電流。指使剩余電流保護電器在規定的條件下動作的剩余電流值。

② 分斷時間。從達到剩余動作電流瞬間起到所有極電弧熄滅為止所經過的時間間隔。

以上兩個指標是剩余電流斷路器的動作性能指標，此外還有額定電流、額定電壓等指標。

（5）剩余電流斷路器的選用

剩余電流斷路器的選用需要考慮的因素較多，下面僅講解其中幾個因素。

① 根據保護對象選用。若保護的對象是人，即直接接觸保護，就應該選用剩余動作電流不高于30mA、靈敏度高的漏電斷路器；若防護電氣設備，則其剩余動作電流可以高于30mA。

② 根據使用環境選用。如家庭和辦公室選用剩余動作電流不高于30mA的剩余電流斷路器。具體請參考有關文獻。

③ 額定電流、額定電壓、極數的確定與前面介紹的低壓斷路器的選用一樣。

通常家用剩余電流斷路器的剩余動作電流小于30mA，分斷時間小于0.1s。