1.6 低压刀开关和低压断路器

1.6.1 低压刀开关

低压刀开关又称低压隔离器。低压隔离器是指在断开位置能符合规定隔离功能要求及隔离距离要求，起隔离电源作用的低压开关电器。低压刀开关是指在断开位置能满足隔离器要求的开关。低压刀开关是低压电器中结构比较简单，应用十分广泛的手动操作电器，用于隔离电源、不频繁的手动接通和断开，交、直流电路以及小容量（功率小于5.5kW）的三相异步电动机不频繁起动或停止。在对电气设备的带电部分进行检修时，必须保证这部分处于无电状态。通过低压刀开关将电源切除后，设备与电网脱离，保证检修人员安全。

低压开刀关产品种类很多，刀开关按闸刀数的不同又可分为单极、双极、三极等几种。主要类型有：带灭弧装置的大容量刀开关，带熔断器的开启式负载开关（俗称胶盖闸刀），带灭弧装置和熔断器的封闭式负载开关（俗称铁壳开关）及普通型组合开关等。常用的产品有：HD11～HD14和HS11～HS13系列刀开关，HK1、HK2系列胶盖瓷底刀开关，HH3、HH4系列封闭式负载开关。其图形符号和文字符号如图1-48所示。

1.胶盖瓷底刀开关

胶盖瓷底刀开关是低压刀开关中应用很广泛的手动电器，作为一般照明、电热等回路的控制开关，也可作分支线路的配电开关。适当降低容量时三极胶盖瓷底刀开关可直接用于不频繁地控制小型电动机。此种刀开关由操作胶壳、手柄、熔丝、触刀、触刀座和瓷底座等部分组成，带有短路保护功能。图1-49所示是HK2系列胶底瓷盖刀开关结构图。胶壳的主要作用是使电弧不致飞出来灼伤操作人员，防止极间电弧造成电源短路。熔丝起短路保护作用。

图1-48 刀开关的图形符号和文字符号

图1-49 胶壳瓷底刀开关

1—上胶盖 2—下胶盖 3—插座 4—触刀 5—瓷柄 6—胶盖紧固螺钉 7—出线座 8—熔丝 9—触刀座 10—瓷底座 11—进线座

在安装刀开关时，合上开关手柄在上方，不得倒装或平装。倒装时，手柄由于重力作用可能会自动下滑引起误合闸，造成人身伤害事故。接线时，进线座处接电源端的进线，出线座处接负载端导线。靠触刀与瓷底座的分合来接通和分断电路。将电源线接在熔丝的上端，负载接在熔丝的下端。拉闸后，刀开关与电源隔离，便于更换熔丝。

2.熔断器式刀开关

熔断器式刀开关主要用于具有高短路电流的配电电路和电动机电路中，作为电源开关、隔离开关和应急开关。对电路过载和短路进行保护，但一般不作为单台电动机的直接开关。熔断器式刀开关主要有HR3、HR5和HR11系列，HR3系列型号如图1-50所示。

图1-50 HR3系列型号

HR3系列熔断器式隔离开关适用于交流50Hz、380V，额定电流至1000A的配电系统中作为短路保护和电缆、导线的过载保护之用。在正常情况下，可供不频繁地手动接通和分断正常负载电流与过载电流。在短路情况下，由熔断器分断电流。

3.组合开关

组合开关是一种刀开关，由动触点、静触点、转轴、手柄、定位机构和外壳等组成。结构如图1-51所示。动触点和静触点分别叠装于数层绝缘底座内，手柄转动时，每层的动触片可随转轴转动，实现动、静触片的分合，接通或断开电路，广泛应用于机床电气设备中做电压引入开关，可直接控制小容量的三相异步电动机的非频繁正、反转。国产的主要产品有HZ系列。

HZ5系列组合开关主要用于交流50～60Hz，电压380V及以下的电气线路中作电源开关和笼型异步电动机的起动、换向、变速开关，也可作控制电路的换接之用。型号如图1-52所示。

图1-51 HZ5系列普通型组合开关结构

1—手柄 2—转轴 3—弹簧 4—凸轮 5—绝缘垫片 6—动触片 7—静触片 8—接线柱 9—绝缘杆

4.主要技术参数

刀开关的主要技术参数有额定电压、额定电流、通断能力、动稳定电流、热稳定电流等。表1-16为HZ5系列组合开关的主要技术参数。

图1-52 HZ5系列型号

（1）通断能力。通断能力指在规定条件下，能在额定电压下接通和分断的电流值。

（2）动稳定电流。电路发生短路故障时，刀开关并不因短路电流产生的电动力作用而发生变形、损坏或触刀自动弹出之类的现象，这一短路电流（峰值）即称为刀开关的动稳定电流。

（3）热稳定电流。电路发生短路故障时，刀开关在一定时间内（通常为1s）通过某一短路电流，并不会因温度急剧升高而发生熔焊现象，这一最大短路电流称为刀开关的热稳定电流。

表1-16 HZ5系列主要技术参数

5.刀开关选择

1）根据使用场合，选择刀开关的类型、极数及操作方式。

2）刀开关额定电压应大于或等于线路电压。

3）刀开关额定电流应等于或大于线路的额定电流。对于电动机负载，开启式刀开关额定电流可取电动机额定电流的3倍。封闭式刀开关的额定电流可取电动机额定电流的1.5倍。

1.6.2 低压断路器

低压断路器俗称空气开关，是一种既有手动开关作用又能自动进行欠电压、失电压、过载和短路保护的开关电器，用来分配电能，不频繁地起动异步电动机，对电源电路及电动机等实行保护，功能相当于熔断器式断路器与过电流、欠电压、热继电器等的组合。低压断路器具有操作安全，动作值可调、分断能力高、使用方便，工作可靠，安装简单，动作后（如短路故障排除后）不需要更换元器件（如熔体）等优点。因此，在工业、住宅等方面获得广泛应用。

低压断路器按结构形式分类，有装置式和开启式两种。装置式又称为塑料壳式。开启式又称为框架式或万能式，一般容量较大，具有较高的短路分断能力和较高的动稳定性。此外，还有一种内部采用微处理器作为核心部件的新型断路器，被称为智能化断路器。

1.低压断路器的结构和工作原理

低压断路器主要由触点、灭弧系统、各种脱扣器和操作机构等组成，结构如图1-53所示。其图形符号和文字符号如图1-54所示。脱扣器是低压断路器中用来接收信号的元器件。若线路中出现不正常情况或由操作人员或继电保护装置发出信号时，脱扣器会根据信号的情况通过传递元件使触点动作掉闸切断电路。脱扣器又分电磁脱扣器、热脱扣器、复式脱扣器、欠电压脱扣器和分励脱扣器。

图1-53 低压断路器的工作原理图

1—主触点 2—自由脱扣机构 3—过电流脱扣器 4—分励脱扣器 5—热脱扣器 6—欠电压脱扣器 7—按钮

图1-54 低压断路器的图形符号和文字符号

低压断路器投入运行时，操作手柄已经使主触点1闭合，自由脱扣机构2将主触点锁定在闭合位置，各类脱扣器进入运行状态。自由脱扣机构2是一套连杆机构，如果电路中发生故障，自由脱扣机构在相关脱扣的操作下动作，使脱扣器脱钩，主触点断开，分断主电路。

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与主电路并联。在短路和严重过载的情况下，过电流脱扣器3动作，衔铁被电磁铁吸动，通过传动机构推动自由脱扣机构释放主触点。主电路过载时，热脱扣器5的热元件发热使双金属片向上弯曲，通过传动机构推动自由脱扣机构释放主触点，实现长期的过载保护。当主电路电压消失或降到一定值以下时，欠电压脱扣器6的电磁吸力不足，在反力作用下，衔铁释放，推动自由脱扣机构动作。分励脱扣器4用于远距离操作控制，需要进行分闸操作时，按动常开按钮7使分励脱扣器的电磁线圈通电，衔铁被电磁铁吸动，传动机构推动自由脱扣机构，使低压断路器掉闸。

2.典型产品及主要技术参数

（1）典型产品

常用装置式断路器有DZ系列产品，可手动或自动（对大容量断路器而言）合闸，有较高的分断能力和动稳定性，有较完善的选择性保护功能，广泛用于配电线路。产品型号如图1-55所示。

框架式低压断路器有DW15、ME、AH等系列产品，适用于交流50Hz，额定电压380V的配电网络中，用作分配电能和保护线路及电源设备的过载、欠电压和短路。

国内生产的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，也可用作三相笼型异步电动机的控制。国内智能化框架断路器和智能化塑壳断路器产品有DW45、DW40、DW914（AH）、DW18（AE-S）、DW48、DW19（3WE）、DW17（ME）等。

图1-55 DZ20系列型号

（2）主要技术参数

低压断路器的主要技术数据有额定工作电压、壳架等级额定电流、脱扣器类型及额定电流、短路分断能力等。表1-17为DZ20系列断路器的主要技术参数。

1）额定电压：断路器在电路中长期工作时的允许电压值。

2）脱扣器的额定电流：脱扣器允许长期通过的电流。

3）壳架等级额定电流：指每一件框架或塑壳中能安装的最大脱扣器额定电流。

4）短路分断能力。断路器的分断能力指标有两种：额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力。额定运行短路分断能力作为一种分断指标，即分断几次短路故障后，还能保证其正常工作。对塑壳式断路器而言，应有足够的额定极限短路分断能力，能够分断短路电流使开关跳闸。

5）过载延时保护。过载延时保护是指负载电流超过设备的限定范围有烧毁设备的危险，保护装置能在一定时间内切断电源。过载有个热量积累的过程，保护动作不需要过于迅速。对于短时过电流，保护不应该动作。

表1-17 DZ20系列断路器的主要技术参数

①表中括号之外的数据是Y、J、G型号的脱扣器额定电流；括号内的数据为C型号的脱扣器额定电流。

3.选用原则

1）根据线路对保护的要求确定断路器的类型和保护形式，确定选用框架式、装置式或限流式等。额定电流为600A以下时，可选用塑料外壳式断路器，额定电流较大时，应选用万能框架式断路器。

2）低压断路器的额定电压应大于或等于线路或设备的额定电压。

3）断路器欠电压脱扣器的额定电压应等于被保护线路的额定电压。

4）分励脱扣器的额定电压应等于控制电源电压。

5）断路器的额定电流和过电流脱扣器的额定电流应大于或等于被保护线路的计算电流。

6）断路器的极限分断能力应大于线路的最大短路电流的有效值。

7）瞬时整定电流：保护笼型异步电动机的断路器，其瞬时整定电流为8～15倍电动机额定电流，取决于被保护电动机的型号、容量和起动。对保护绕线转子电动机的断路器，瞬时整定电流为3～6倍电动机额定电流，与被保护电动机的型号、容量和起动条件有关。

8）6倍长延时电流整定值的可返回时间大于等于电动机实际起动时间。按起动时负载的轻重，可选用可返回时间为1s、3s、5s、8s、15s中的某一档。

9）照明、生活用导线保护断路器，即在生活建筑中保护配电系统的断路器，长延时整定值小于等于线路计算负载电流。瞬时动作整定值等于6～20倍线路计算负载电流。

10）配电线路中的上、下级断路器的保护特性应协调配合，下级的保护特性应位于上级保护特性的下方且不相交。

4.罗克韦尔断路器

罗克韦尔自动化公司生产的断路器有电动机保护断路器Bulletin 140M、140MX和塑壳断路器Bulletin 140U、140UE、140EX及Bulletin 188微型断路器等产品系列。其中，Bulletin188微型断路器是一款脱扣等级可调且带有断相保护的电子式电动机过载保护断路器。这里以140EX系列塑壳断路器为例来分析罗克韦尔断路器。

140EX系列塑壳断路器是一款先进的、易于使用的紧凑型断路器，这款MCCB产品的性能和价值更为出众，非常适合用于配电盘、电动机控制中心或工业控制柜中使用。

塑料壳式断路器140EX系列产品的框架规格有HE框架、JE框架及KE框架，主要分析其特点和主要技术数据。图1-56所示为140EX系列JE框架式断路器。

该系列产品易于断开与隔离，能够进行馈线或分支电路保护、过载保护及短路保护；具有100A、250A和400A框架尺寸；热/磁式、主触点3极，1个常开或1个常闭辅助触点；额定电流等级较多，额定工作电压为415V，额定绝缘电压为690V，额定冲击耐受电压为8kV，额定频率为50Hz/60Hz，在AC 415V和50Hz的情况下，极限短路分断能力最高可至50kA（440V）。

附件内部有辅助触点、分励脱扣器、欠电压脱扣器，外部有旋转操作机构、端子盖、导轨适配器及接线端子等。

图1-56 Bulletin 140EX系列JE框架式断路器