低壓電氣和低壓電器技術(shù)之1——從什么是開關(guān)談起

開關(guān)，如果僅僅從字面意義來理解，就是能夠執(zhí)行開與關(guān)操作的電器裝置。

在國家標(biāo)準(zhǔn)GB 14048.3-2008《低壓開關(guān)電器和控制電器 第3部分：隔離器、隔離開關(guān)，……》中有如下說明：

有了這個定義，我們來仔細研究一下開關(guān)，到底它需要怎樣的工作參數(shù)來執(zhí)行它接通、承載和分斷電流的任務(wù)。

我們來看下圖：

這就是閘刀開關(guān)。我們看到它有左右兩個電極，以及中間長長的閘刀。這些電極和閘刀都是用導(dǎo)電材料制作的，一般是銅。

在初中讀物理時，我們就知道導(dǎo)電的金屬材料具有一個特性，就是電阻。而且我們還學(xué)過歐姆定律。也即導(dǎo)體的電阻R在數(shù)值上等于導(dǎo)體兩端的電壓U與流過導(dǎo)體的電流的比值。

更多的時候，我們把開關(guān)稱呼為開關(guān)電器，簡稱為開關(guān)。

下圖是ABB的微型斷路器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。微型斷路器也叫做空氣開關(guān)：

圖中左上部我們能看到類似線圈一樣的東西，而它的右上方就是觸頭系統(tǒng)。也即用于完成開斷和閉合操作的開關(guān)作用的主體部件。

好，現(xiàn)在我們把知識點略微擴大和加深。

第一個概念：轉(zhuǎn)換深度

要想實現(xiàn)開關(guān)的功能，我們很容易想到，當(dāng)開關(guān)打開時，它的觸頭之間的電阻為無窮大。例如上圖中左側(cè)電極與中間極之間的電阻；當(dāng)開關(guān)閉合時，它的觸頭之間的電阻為零。例如上圖中中間極與右側(cè)電極之間的電阻。

轉(zhuǎn)換深度的h定義是：開關(guān)打開時的電阻與開關(guān)閉合時的電阻之比。

這說明，有觸點的開關(guān)電器其開斷后的絕緣性能優(yōu)于無觸點的開關(guān)電器。

第二個概念：額定電流

開關(guān)電器一旦閉合后，就會有電流流過，而電流在開關(guān)電器的導(dǎo)體電阻上會產(chǎn)生發(fā)熱。

我們把開關(guān)電器的運行溫度減去環(huán)境溫度后的差值叫做溫升。環(huán)境溫度的標(biāo)準(zhǔn)值，在GB14048.1-2010《低壓開關(guān)電器和控制電器 第1部分：總則》中定義為35度。

溫升這個概念很重要，在后續(xù)文章中會反復(fù)大量地出現(xiàn)。

所謂額定電流，指的就是在允許的最大溫升下流過的最大電流。額定電流的符號是Ie。

當(dāng)某開關(guān)電器的額定電流被確定后，我們當(dāng)然可以用此開關(guān)電器來承載較低的電流。因此，開關(guān)電器的額定電流有一系列值，并且存在最大值，這個最大值被稱為殼體電流或者框架電流，它代表著某種型號開關(guān)所能夠承受的最大運行電流值。

第三個概念：額定電壓

我們先來建立一個很重要的概念，就是開距。來看下圖：

注意看圖a。當(dāng)觸頭打開時，觸頭之間的距離被稱為開距。開距決定了觸頭在打開狀態(tài)下能夠隔離的電壓等級。

這就是額定電壓了，它決定了開關(guān)電器主觸頭的介電能力。額定電壓的符號是Ue。

顯見，當(dāng)我們確定了某開關(guān)電器的額定電壓后，則此開關(guān)電器當(dāng)然可以用在比此額定電壓低的工作場所中。因此，額定電壓有一系列值，其中的最大值被稱為額定絕緣電壓Ui。

第四個概念：短時耐受電流和短路接通能力

當(dāng)線路中發(fā)生短路了，巨大的短路電流流過開關(guān)電器，會對開關(guān)電器產(chǎn)生劇烈的發(fā)熱效應(yīng)和電動力效應(yīng)。發(fā)熱效應(yīng)會導(dǎo)致開關(guān)電器導(dǎo)電部分產(chǎn)生變形，甚至熔融，而電動力效應(yīng)則會導(dǎo)致開關(guān)電器結(jié)構(gòu)破壞，甚至崩解。

短時耐受電流就是衡量開關(guān)電器抵御短路電流熱沖擊能力的技術(shù)指標(biāo)。短時耐受電流的符號是Icw。

短路接通能力是開關(guān)電器能夠接通的最大電流值并且不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞。短路接通能力的符號是Icm。

短路接通能力與短時耐受電流之比n被稱為峰值系數(shù)，它同時也是短路電流最大值與穩(wěn)態(tài)值之比。峰值系數(shù)的具體值可參閱GB14048.1-2010《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則》，如下：

表中的試驗電流就是型式試驗時模擬的短路電流，表的最右側(cè)就是峰值系數(shù)n。

現(xiàn)在我們來看看ABB的Emax框架斷路器的技術(shù)參數(shù)，如下：

================================

先提個醒：斷路器屬于開關(guān)電器的一種，但它能主動地切斷短路電流。因此，在這一點上與一般的開關(guān)不同。但如果把斷路器改變?yōu)楦綦x開關(guān)時，它的特性就與一般的開關(guān)無異了。

此外，斷路器的額定電流、額定電壓等參數(shù)，與開關(guān)相同。

=================================

表中，我們看見了額定不間斷電流Iu，這個值就是額定電流Ie，并且我們可以發(fā)現(xiàn)，它是由一系列值構(gòu)成的，但其中有最大值，這個最大值就是框架電流；

我們還看到了額定工作電壓Ue，也即額定電壓。它的值等于690V。顯然，這種斷路器顯然可以使用在230V和400V的工作條件下；

我們還看到了斷路器的額定短時耐受電流Icw。這個值定義了這種開關(guān)承受短路熱沖擊的能力；

由于斷路器是可以開斷短路電流的，只有把斷路器的脫扣器拆除，使得它不具有短路電流的開斷能力，這時才能測量短路接通能力Icm。不過，這時的斷路器已經(jīng)成為可以抽出的隔離開關(guān)了。

我們從表中隔離開關(guān)這一欄中看到短路接通能力Icm的值，同時也看到了短時耐受電流Icw的值�，F(xiàn)在我們來計算兩者之比，如下：

看最左邊一欄，有Icm/Icw=88.2/42=2.1，而這時的Icu也即極限短路分斷能力等于42kA。Icu的值就相當(dāng)于短路電流的穩(wěn)態(tài)值。查閱文中給出的峰值系數(shù)表，我們看到對應(yīng)于42kA的峰值系數(shù)就是2.1。

==============================

寫到這里，我們該總結(jié)一下了：

開關(guān)是一種可以接通和分斷運行電流的機械裝置，又被稱為開關(guān)電器。

開關(guān)不能主動地切斷短路電流，只能被動地承受短路電流的沖擊。因此，各類開關(guān)，特別是隔離開關(guān)，嚴(yán)禁在帶載情況下開斷線路，以免出現(xiàn)電弧傷及人身安全。

開關(guān)至少具有四個參數(shù)，即：額定電流、額定電壓、額定短時耐受電流和額定短路接通能力。

它們之間存在大小關(guān)系：Ie<Icw<Icm，并且Icm/Icw=n，n是峰值系數(shù)。

最后，我們來看下圖：

這是2000A雙電源互投隔離開關(guān)（ATSE）中的頂級產(chǎn)品，在移動基站、各大銀行計算機中心和數(shù)據(jù)中心、機場空中管制中心等重大工程中，都有它的身影。

看起來很不起眼，是不是？笑！確實如此。不過，它的性能可是很了不得哦。

==================

在這個帖子的最后，和大家說說明確開關(guān)基本參數(shù)的重要性。

我們常�？匆娕潆娋�路中出現(xiàn)大容量電器用于小電流控制，或者在高分斷容量的地方用低分段容量的開關(guān)來代替。我們總認為線路過載和短路是很難發(fā)生的。事實上一旦發(fā)生事故，這些都是要命的事。

因此，把開關(guān)電器的基本參數(shù)弄明白，絕對是必要的。