1.1　低压开关电器

开关电器（Switching Device）是指用于接通或分断一个或几个电路中电流的电器。一个开关电器可以完成一个或者两个操作。它是最普通、使用最早的电器之一，常用的有刀开关、隔离开关、负荷开关、组合开关、断路器等。

1.1.1　刀开关

刀开关（Knife Switch）是带有刀形动触点，在闭合位置与底座上的静触点相契合的开关。它是最普通、使用最早的电器之一，俗称闸刀开关。

（1）刀开关的功能

低压刀开关的作用是不频繁地手动接通和分断容量较小的交、直流低压电路，或者起隔离作用。刀开关如图1-1所示，其图形及文字符号如图1-2所示。

（2）刀开关的分类

刀开关结构简单，由手柄、刀片、触点、底板等组成。

刀开关的主要类型有大电流刀开关、负荷开关和熔断器式刀开关。常用的产品有HD11～HD14和HS11～HS13系列刀开关。按照极数分类，刀开关通常分为单极、双极和三极3种。

（3）刀开关的选用原则

① 刀开关结构形式的选择　刀开关结构形式应根据刀开关的作用和装置的安装形式来选择，如果刀开关用于分断负载电流，应选择带灭弧装置的刀开关。根据装置的安装形式可选择是否是正面、背面或侧面操作形式，是直接操作还是杠杆传动，是板前接线还是板后接线的结构形式。

② 刀开关额定电流的选择　刀开关的额定电流一般应等于或大于所分断电路中各个负载额定电流的总和。对于电动机负载，考虑其启动电流，应选用刀开关的额定电流不小于电动机额定电流的3倍。

③ 刀开关额定电压的选择　刀开关的额定电压一般应等于或大于电路中的额定电压。

④ 刀开关型号的选择　HD11、HS11用于磁力站中，不切断带有负载的电路，仅起隔离电流作用。

HD12、HS12用于正面侧方操作前面维修的开关柜中，其中有灭弧装置的刀开关可以切断带有额定电流以下的负载电路。

HD13、HS13用于正面后方操作前面维修的开关柜中，其中有灭弧装置的刀开关可以切断带有额定电流以下的负载电路。

HD14用于配电柜中，其中有灭弧装置的刀开关可以带负载操作。

另外，在选用刀开关时，还应考虑所需极数、使用场合、电源种类等。

（4）注意事项

① 在接线时，刀开关上面的接线端子应接电源线，下方的接线端子应接负荷线。

② 在安装刀开关时，处于合闸状态时手柄应向上，不得倒装或平装；如果倒装，拉闸后手柄可能因自重下落引起误合闸，造成人身和设备安全事故。

③ 分断负载时，要尽快拉闸，以减小电弧的影响。

④ 使用三相刀开关时，应保证合闸时三相触点同时合闸，若有一相没有合闸或接触不良，会造成电动机因缺相而烧毁。

⑤ 更换保险丝，应该在开关断电的情况下进行，不能用铁丝或者铜丝代替保险丝。

【例1-1】　刀开关和隔离开关是否可以互相替换使用？

【解】　通常不可以。隔离开关是指在断开位置上，能符合规定的隔离功能要求的一种机械开关电器，其作用是当电源切断后，保持有效的隔离距离，可以保证维修人员的安全，隔离开关通常不带载荷通断电路。刀开关一般不用作隔离器，因为它不具备隔离功能，但刀开关可以带小载荷通断电路。

当然，隔离开关也是一种特殊的刀开关，当满足隔离功能时，刀开关也可以用来隔离电源。

1.1.2　低压断路器

断路器（Circuit-Breaker）是指能接通、承载以及分断正常电路条件下的电流，也能在规定的非正常电路条件（例如短路条件）下接通、承载一定时间和分断电流的一种机械开关电器，过去叫作自动空气开关，为了和IEC（国际电工委员会）标准一致，改名为断路器。低压断路器如图1-3所示。

（1）低压断路器的功能

低压断路器是将控制电器和保护电器的功能合为一体的电器，其图形及文字符号如图1-4所示。在正常条件下，它常作为不频繁接通和断开的电路以及控制电动机的启动和停止。它常用作总电源开关或部分电路的电源开关。

断路器的动作值可调，同时具备过载和保护两种功能，当电路发生过载、短路或欠压等故障时能自动切断电路，有效地保护串接在它后面的电气设备。其安装方便，分断能力强，特别在分断故障电流后一般不需要更换零部件，这是大多数熔断器不具备的优点。因此，低压断路器使用越来越广泛。低压断路器能同时起到热继电器和熔断器的作用。

（2）低压断路器的结构和工作原理

低压断路器的种类虽然很多，但结构基本相同，主要由触点系统和灭弧装置、各种脱扣器与操作机构、自由脱扣机构部分组成。各种脱扣器包括过流、欠压（失压）脱扣器，热脱扣器等。灭弧装置因断路器的种类不同而不同，常采用狭缝式和去离子灭弧装置，塑料外壳式的灭弧装置采用硬钢纸板嵌上栅片制成。

当电路发生短路或过流故障时，过流脱扣器的电磁铁吸合衔铁，使自由脱扣机构的钩子脱开，自动开关触点在弹簧力的作用下分离，及时有效地切除高达数十倍额定电流的故障电流，如图1-5所示。当电路过载时，热脱扣器的热元件发热，使双金属片上弯曲，推动自由脱扣机构动作，如图1-6所示。分励脱扣器则作为远距离控制用，在正常工作时，其线圈是断电的，在需要距离控制时，按下启动按钮，使线圈通电，衔铁带动自由脱扣机构动作，使主触点断开。开关的主触点靠操作机构手动或电动合闸，在正常工作状态下能接通和分断工作电流，若电网电压过低或为零时，电磁铁释放衔铁，自由脱扣机构动作，使断路器触点分离，从而在过流与零压、欠压时保证了电路及电路中设备的安全。

【例1-2】　某质量检验局在监控本地区的低压塑壳式断路器的质量时发现：单极家用断路器的重量在60g以下的产品全部为不合格品。请从低压塑壳式断路器的结构和原理入手分析产生以上现象的原因。

【解】　家用断路器由触点系统和灭弧装置以及各种脱扣器与操作机构组成，而灭弧装置和脱扣器的重量较大，而且为核心部件，所以偷工减料是造成产品不合格的直接原因。该质监局检查发现，所有低于60g的断路器的灭弧栅片数量都较少，因而灭弧效果不达标，脱扣机构的铜质线圈线包很小或者没有，因而几乎起不到保护作用。通过称量判定重量过小的断路器为不合格品有一定的合理性，但这不能作为断路器产品检验的标准。

（3）低压断路器的典型产品

低压断路器主要分类方法是以结构形式分类，有开启式和装置式两种。开启式又称为框架式或万能式，装置式又称为塑料外壳式（简称塑壳式）。还有其他的分类方法，例如，按照用途分类，有配电用、电动机保护用、家用和类似场所用、漏电保护用和特殊用途；按照极数分类，有单极、两极、三极和四极；按照灭弧介质分类，有真空式和空气式。

① 装置式断路器　装置式断路器有绝缘塑料外壳，内装触点系统、灭弧室、脱扣器等，可手动或电动（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。

目前，常用的装置式断路器有DZl5、DZ20、DZX19、DZ47、C45N（目前已升级为C65N）等系列产品。T系列为引进日本的产品，等同于国内的DZ949，适用于船舶。H系列为引进美国西屋公司的产品。3VE系列为引进西门子公司的产品，等同于国内的DZ108，适用于保护电动机。C45N（C65N）系列为引进法国梅兰日兰公司的产品，等同于国内的DZ47断路器，这种断路器具有体积小、分断能力高、限流性能好、操作轻便、型号规格齐全，可以方便地在单极结构基础上组合成二极、三极、四极断路器等优点，广泛使用在60A及以下的民用照明支干线及支路中（多用于住宅用户的进线开关及商场照明支路开关）或电动机动力配电系统和线路过载与短路保护。DZ47-63系列断路器型号的含义如图1-7所示，DZ47-63和DZ15系列低压断路器的主要技术参数见表1-1和表1-2。

② 万能式断路器　万能式断路器曾称框架式断路器，这种断路器一般有一个钢制框架（小容量的也有用塑料底板加金属支架构成的），主要部件都在框架内，而且一般都是裸露在外，万能式断路器一般容量较大，额定电流一般为630～6300A，具有较高的短路分断能力和较高的动稳定性。适用于在交流为50Hz或60Hz、额定电压为380V或660V的配电网络中作为配电干线的主保护。

万能式断路器主要由触点系统、操作机构、过电流脱扣器、分励脱扣器及欠压脱扣器、附件及框架等部分组成，全部组件进行绝缘后装于框架结构底座中。

目前，我国常用的有DW15、DW45、ME、AE、AH等系列的万能式断路器。DW15系列断路器是我国自行研制生产的，全系列具有1000A、1500A、2500A、4000A等几个型号。ME系列（ME系列开关电流等级范围为630～5000A，共13个等级）技术生产的产品，等同于国内的DW17系列。AE系列为引进日本三菱公司技术生产的产品，等同于国内的DW18系列，主要用作配电保护。AH系列为引进日本技术生产的产品，等同于国内的DW914系列，用于一般工业电力线路中。

③ 智能化断路器　智能化断路器是把微电子技术、传感技术、通信技术、电力电子技术等新技术引入断路器的新产品，智能化断路器的特征是采用了以微处理器或单片机为核心的智能控制器（智能脱扣器），它一方面具有断路器的功能，另一方面可以实现与中央控制计算机双向构成智能在线监视、自行调节、测量、试验、自诊断、可通信等功能，能够对各种保护功能的动作参数进行显示、设定和修改，保护电路动作时的故障参数能够存储在非易失存储器中以便查询。

目前，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以及电源设备的控制与保护，亦可用作三相笼型异步电动机的控制。国内DW45、DW40、DW914（AH）、DW18（AE-S）、DW48、DW19（3WE）、DW17（ME）等智能化框架式断路器和智能化塑料壳断路器都配有ST系列智能控制器及配套附件，ST系列智能控制器采用积木式配套方案，可直接安装于断路器本体中，无需重复二次接线，并有多种方案任意组合。

（4）断路器的技术参数

断路器的主要技术参数有极数、电流种类、额定电压、额定电流、额定通断能力、线圈额定电压、允许操作频率、机械寿命、电气寿命、使用类别等。

① 额定工作电压。在规定的条件下，断路器长时间运行承受的工作电压，应大于或等于负载的额定电压。通常最大工作电压即为额定电压，一般指线电压。直流断路器常用的额定电压值为110V、220V、440V和660V等。交流断路器常用的额定电压值为127V、220V、380V、500V和660V等。

② 额定工作电流。在规定的条件下，断路器可长时间通过的电流值，又称为脱扣器额定电流。

③ 短路通断能力。在规定条件下，断路器可接通和分断的短路电流数值。

④ 电气寿命和机械寿命。电气寿命是指在规定的正常工作条件下，断路器不需要修理或更换的有载操作次数。机械寿命是指断路器不需要修理或更换的机构所承受的无载操作次数。目前断路器的机械寿命已达1000万次以上，电气寿命约是机械寿命的5%～20%。

（5）低压断路器的选用原则

① 应根据线路对保护的要求确定断路器的类型和保护形式，如万能式或塑壳式断路器，通常电流在600A以下时多选用塑壳式断路器，当然，现在也有塑壳式断路器的额定电流大于600A。

② 断路器的额定电压U_idGenCharOverride-4应等于或大于被保护线路的额定电压。

③ 断路器欠压脱扣器额定电压应等于被保护线路的额定电压。

④ 断路器的额定电流及过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。

⑤ 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。

⑥ 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，并且不相交。

⑦ 断路器的长延时脱扣电流应小于导线允许的持续电流。

⑧ 选用断路器时，要考虑断路器的用途，如要考虑断路器是作保护电动机用、配电用还是照明生活用。这点将在后面的例子中提到。

⑨ 在直流控制电路中，直流断路器的额定电压应大于直流线路电压。若有反接制动和逆变条件，则直流断路器的额定电压应大于2倍的直流线路电压。

（6）注意事项

① 在接线时，低压断路器上面的接线端子应接电源线，下方的接线端子应接负荷线。

② 照明电路的瞬时脱扣电流类型常选用C型。

【例1-3】　有一个照明电路，总负荷为1.5kW，选用一个合适的断路器作为其总电源开关。

【解】　由于照明电路额定电压为220V，因此选择断路器的额定电压为230V。照明电路的额定电流为：，可选择断路器的额定电流为10A。DZ47-63系列的断路器比较适合用于照明电路中瞬时动作整定值为6～20倍的额定电流，查表1-1可知，C型合适，因此，最终选择的低压断路器的型号为DZ47-63/2、C10（C型10A额定电流）。

【例1-4】　CA6140A车床上配有3台三相异步电动机，主电动机功率为7.5kW，快速电动机功率为275W，冷却电动机功率为150W，控制电路的功率约为500W，请选用合适的电源开关。

【解】　由于电动机额定电压为380V，所以选择断路器的额定电压为380V。电路的额定电流为：，可选择断路器的额定电流为40A。DZ15-40系列的断路器比较适合用作电源开关，因此，最终选择的低压断路器的型号为DZ15-40/40。

1.1.3　剩余电流保护电器

剩余电流保护电器（Residual Current Device，简称RCD）是在正常运行条件下，能接通承载和分断电流，以及在规定条件下，当剩余电流达到规定值时，能使触点断开的机械开关电器或者组合电器。也称剩余电流动作保护电器（Residual Current Operated Protective Device）。

（1）剩余电流保护电器的功能

剩余电流保护电器的功能是：当电网发生人身（相与地之间）触电事故时，能迅速切断电源，可以使触电者脱离危险，或者使漏电设备停止运行，从而避免触电引起人身伤亡、设备损坏或火灾的发生，它是一种保护电器。剩余电流保护电器仅仅是防止发生触电事故的一种有效的措施，不能过分夸大其作用，最根本的措施是防患于未然。

（2）剩余电流保护电器的分类

① 按照保护功能和结构特征分类，剩余电流保护电器可分为剩余电流继电器、剩余电流开关、剩余电流断路器和漏电保护插座。

② 按照工作原理分类，可分为电压动作型和电流动作型剩余电流保护电器，前者很少使用，而后者则广泛应用。

③ 按照额定漏电动作电流值分类，可分为高灵敏剩余电流保护电器（额定漏电动作电流小于30mA）、中灵敏剩余电流保护电器（额定漏电动作电流介于30～1000mA之间）和低灵敏剩余电流保护电器（额定漏电动作电流大于1000mA）。家庭可选用高灵敏剩余电流保护电器。

④ 按照主开关的极数分类，可以分为单极二线剩余电流保护电器、二极剩余电流保护电器、二极三线剩余电流保护电器、三极剩余电流保护电器、三极四线剩余电流保护电器和四极剩余电流保护电器。

⑤ 按照动作时间分类，可分为瞬时型剩余电流保护电器、延时型剩余电流保护电器和反时限剩余电流保护电器。其中，瞬时型的动作时间不超过0.2s。

（3）剩余电流断路器的工作原理

在介绍剩余电流断路器的工作原理前，首先介绍剩余电流的概念。剩余电流（Residual Current）是指流过剩余电流保护器主回路的电流瞬时值的矢量和（以有效值表示）。

① 三极剩余电流断路器的工作原理　图1-8所示的剩余电流断路器是在普通塑料外壳式断路器中增加一个零序电流互感器和一个剩余电流脱扣器（又称为漏电脱扣器）组成的电器。

根据基尔霍夫定律，三相电的矢量和为零，即

所以在正常情况下，零序电流互感器的二次侧没有感应电动势产生，剩余电流断路器不动作，系统保持正常供电。当被保护电路中出现漏电事故时，三相交流电的电流矢量和不为零，零序电流互感器的二次侧有感应电流产生，当剩余电流脱扣器上的电流达到额定剩余动作电流时，剩余电流脱扣器动作，使剩余电流断路器切断电源，从而达到防止触电事故的发生。每隔一段时间（如一个月），应该按下剩余电流保护电器的试验按钮一次，人为模拟漏电，以测试剩余电流保护电器是否具备剩余电流保护功能。四极剩余电流保护电器的工作原理与三极剩余电流保护电器类似，只不过四极剩余电流保护电器多了中性线这一极。

② 二极剩余电流断路器的工作原理　二极剩余电流断路器如图1-9所示，负载为单相电动机，I_idGenCharOverride-4和I_idGenCharOverride-4大小相等，方向相反，即

当有漏电I_idGenCharOverride-4时，，互感器中产生磁通，互感器的副边线圈产生感应电动势，使断路器的脱扣线圈动作，从而使电源切断，起到保护作用。

③ 电子式剩余电流保护电器的工作原理　当发生漏电事故时，电流继电器将漏电信号传送给电子放大器，电子放大器将信号放大，从而断路器的脱扣机构使主开关断开，切断故障电路。

（4）剩余电流断路器的性能指标

① 剩余动作电流。指使剩余电流保护电器在规定的条件下动作的剩余电流值。

② 分断时间。从达到剩余动作电流瞬间起到所有极电弧熄灭为止所经过的时间间隔。

以上两个指标是剩余电流断路器的动作性能指标，此外还有额定电流、额定电压等指标。

（5）剩余电流断路器的选用

剩余电流断路器的选用需要考虑的因素较多，下面仅讲解其中几个因素。

① 根据保护对象选用。若保护的对象是人，即直接接触保护，就应该选用剩余动作电流不高于30mA、灵敏度高的漏电断路器；若防护电气设备，则其剩余动作电流可以高于30mA。

② 根据使用环境选用。如家庭和办公室选用剩余动作电流不高于30mA的剩余电流断路器。具体请参考有关文献。

③ 额定电流、额定电压、极数的确定与前面介绍的低压断路器的选用一样。

通常家用剩余电流断路器的剩余动作电流小于30mA，分断时间小于0.1s。