點(diǎn)擊下方音頻，讓耳朵“感受”力學(xué)

正文共有 1867 字

閱讀時間約 6 min

如果覺得眼睛太累

可以點(diǎn)擊音頻感受

在日常生活和工業(yè)場景中，我們時常會接觸到“跳閘”這一現(xiàn)象，比如家中突然斷電后，電箱內(nèi)的開關(guān)自動彈開了，這時候只需重新合上即可恢復(fù)供電。這個“自動彈開的開關(guān)”，就是我們常說的斷路器。而在各類斷路器中，空氣斷路器（Air Circuit Breaker，簡稱ACB）是一種應(yīng)用廣泛、安全性能強(qiáng)的電氣保護(hù)裝置。它能夠在電路發(fā)生故障時迅速切斷電源，從而保護(hù)人身安全和設(shè)備安全。那么，空氣斷路器究竟是如何做到這一點(diǎn)的呢？

（圖片來源：[1]）

什么是空氣斷路器？

空氣斷路器，顧名思義，是一種以空氣為滅弧介質(zhì)的電氣開關(guān)設(shè)備。它主要用于對低壓配電系統(tǒng)中的電路進(jìn)行控制和保護(hù)，額定電流范圍從幾十安培到上千安培不等。與它相對應(yīng)的還有使用油、氣體（如SF6氣體）或真空作為滅弧介質(zhì)的斷路器，而空氣斷路器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、安全可靠，特別適用于建筑樓宇、工礦企業(yè)等需要高頻率開斷的場所。

（圖片來源：[1]）

從外觀來看，空氣斷路器就像一個大型的開關(guān)模塊，內(nèi)部由多個復(fù)雜的機(jī)械和電磁部件構(gòu)成。它不僅可以人工手動操作，還能通過電氣信號實(shí)現(xiàn)自動斷電，是現(xiàn)代電氣保護(hù)系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)。

空氣斷路器的基本結(jié)構(gòu)

為了理解空氣斷路器如何保護(hù)電路，我們首先來看看它的核心組成部分：

空氣斷路器的基本結(jié)構(gòu)（圖片來源：[1]）

觸頭系統(tǒng)：

這是電流進(jìn)出斷路器的通路，分為固定觸頭和可動觸頭。正常通電時，二者接觸良好；當(dāng)需要斷開電路時，可動觸頭脫離固定觸頭。

滅弧裝置：

當(dāng)觸頭分離時，會產(chǎn)生電弧，溫度極高，可能對設(shè)備造成損傷。滅弧裝置的任務(wù)就是迅速冷卻、分散或拉長電弧，使其盡快熄滅。

操作機(jī)構(gòu)：

控制觸頭分合的機(jī)構(gòu)，可以是手動的，也可以由電磁鐵、電機(jī)等驅(qū)動實(shí)現(xiàn)自動操作。

脫扣器（保護(hù)單元）：

這是空氣斷路器實(shí)現(xiàn)“自動跳閘”的關(guān)鍵，包括熱脫扣器（應(yīng)對過載）、電磁脫扣器（應(yīng)對短路）和電子脫扣器（更加精準(zhǔn)、智能的控制）。

輔助接點(diǎn)與信號裝置：

用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、報(bào)警或連鎖控制，使空氣斷路器可以與整個電力系統(tǒng)聯(lián)動。

保護(hù)電路的“三道防線”

空氣斷路器能夠有效保護(hù)電路，核心在于它能根據(jù)不同的電氣故障類型，做出及時、合理的反應(yīng)。我們可以將其防護(hù)機(jī)制歸納為三道防線：

01

第一重防線：應(yīng)對過載

當(dāng)電路中的電流超過正常工作電流，但沒有達(dá)到短路級別時，屬于過載狀態(tài)。這種情況雖然不至于立刻造成災(zāi)難，但長時間持續(xù)，會使電纜發(fā)熱、老化，甚至引發(fā)火災(zāi)。

過載時，斷路器的跳閘過程（圖片來源：[2]）

此時，空氣斷路器的熱脫扣器發(fā)揮作用。它內(nèi)部的雙金屬片隨著溫度升高而逐漸變形，最終推動釋放機(jī)構(gòu)，使斷路器跳閘。因?yàn)檫^載引起的升溫是緩慢變化的，這種保護(hù)機(jī)制也具有一定的延遲性，從而避免因短暫的電流波動誤動作。

02

第二重防線：應(yīng)對短路

短路是指電流繞過負(fù)載、直接在相線與相線或相線與地之間流動，通常會造成瞬間的大電流，具有極大的破壞性。

短路時，產(chǎn)生強(qiáng)磁場，使搭鉤與鎖扣脫開，實(shí)現(xiàn)切斷電源（圖片來源：[2]）

空氣斷路器中的電磁脫扣器專門負(fù)責(zé)處理這種極端情況。它是一個線圈，當(dāng)電流過大時，產(chǎn)生強(qiáng)磁場，瞬間吸合銜鐵拉動斷開裝置，從而快速切斷電路。反應(yīng)速度極快，以毫秒級完成操作，有效防止電纜燃燒、設(shè)備損壞等嚴(yán)重事故。

03

第三重防線：智能化保護(hù)

隨著技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)代空氣斷路器越來越多地集成了電子脫扣器，通過傳感器與芯片實(shí)時檢測電流、電壓、頻率等參數(shù)。一旦發(fā)現(xiàn)異常波動或不符合設(shè)定閾值的情況，電子系統(tǒng)會發(fā)出控制信號，快速執(zhí)行斷開命令。這不僅提高了保護(hù)的精度，還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、故障診斷、數(shù)據(jù)記錄等智能功能，進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)的安全性與可維護(hù)性。

空氣如何“滅弧”？

當(dāng)斷路器切斷高電流電路時，觸頭剛一分離便會形成一道電弧。電弧的溫度可高達(dá)幾千甚至上萬攝氏度，若不及時熄滅，可能引發(fā)火災(zāi)或熔毀設(shè)備。那么，空氣斷路器是如何利用“空氣”來熄滅這道強(qiáng)電弧的呢？

產(chǎn)生電弧的過程（圖片來源：[2]）

滅弧的關(guān)鍵在于拉長、冷卻和分裂電弧。空氣斷路器內(nèi)部設(shè)有滅弧柵片，這是一組金屬片，通過特定排列形成狹窄的間隙。當(dāng)電弧在其中通過時，被迅速拉長和分段，同時金屬片吸收熱量，有效降低電弧的溫度，使其迅速熄滅。

空氣斷路器滅弧的過程（圖片來源：[2]）

此外，一些高性能空氣斷路器還設(shè)計(jì)了吹弧裝置，在斷開瞬間，利用電磁力或機(jī)械結(jié)構(gòu)快速將電弧吹入滅弧柵，使滅弧過程更為高效。

下次，當(dāng)我們再遇到“跳閘”情況時，不妨想一想，這其實(shí)是空氣斷路器替我們“擋了一刀”，它的每一次斷開，都是在用行動詮釋安全的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/YhLzK4M0DWcddKRa_bnZ-Q

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/2QvPM0b5hMqWhU5ryN5w2A

[3]https://www.chintglobal.com/global/en/about-us/news-center/blog/air-circuit-breakers-acb.html

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/gHVEpJPD6cOp-cwamwa_dw

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/q-QKS_GStUrE-ihIbb0_Kw

圖片源自于網(wǎng)絡(luò)和AI創(chuàng)作，僅供科普參考

力學(xué)科普

力學(xué)科普公眾號是中國力學(xué)學(xué)會旗下的科普公眾賬號，發(fā)布相關(guān)的科普新聞及競賽消息，推薦科技方面最新動態(tài)和科普相關(guān)信息，致力于讓公眾走進(jìn)科學(xué)，了解力學(xué)，激發(fā)學(xué)習(xí)科學(xué)技術(shù)的興趣。

如果你喜歡本文，歡迎轉(zhuǎn)發(fā)分享，轉(zhuǎn)載請注明出處。

合作及投稿事宜請聯(lián)系：ljlrpina@cstam.org.cn