1.1.2 低压开关与断路器
开关是最普通、使用最早的电器，其作用是分合电路、开断电流。常用的有刀开关、隔离开关、负荷开关、转换开关（组合开关）和断路器等。
开关有负载运行操作、无载运行操作和选择性运行操作之分，并有正面操作、侧面操作和背面操作几种，还有不带灭弧装置和带灭弧装置之分。开关常采用弹簧片以保证接触良好。
1.刀开关
刀开关一般用于不需经常切断与接通的交、直流低压（不大于500V）电路，在额定电压下其工作电流不能超过额定值。在机床上，刀开关主要用作电源开关，一般不用来接通或切断电动机的工作电流。刀开关分单极、双极和三极，常用的三极刀开关长期允许通过电流有100A、200A、400A、600A和1000A五种。目前生产的产品型号有HD（单投）和HS（双投）等系列。HD系列刀开关如图1-6所示，HS系列刀开关如图1-7所示。刀开关的图形和文字符号如图1-8所示。
图1-6 HD系列刀开关
根据工作原理、使用条件和结构形式的不同，刀开关还有刀形转换开关、开启式负荷开关、封闭式负荷开关、熔断器式刀开关和组合开关等类型。QA系列、QF系列、QSA（HH15）系列刀开关用在低压配电装置中，而HY122这类带有明显断口的数模隔离开关广泛用于楼层配电、计量箱、终端组电器中。
图1-7 HS系列刀开关
图1-8 刀开关的图形和文字符号
HR6系列熔断器式刀开关具有刀开关和熔断器的双重功能，采用这种组合开关电器可以简化配电装置结构，经济实用，因此其广泛地用在低压配电屏上，实物示例如图1-9所示。
HK1、2系列开启式负荷开关可用作电源开关和小容量电动机非频繁起动的操作开关，实物示例如图1-10所示。
HH3、4系列封闭式负荷开关的操作机构具有速断弹簧与机械联锁，可用于非频繁起动28kW以下的三相异步电动机，实物示例如图1-11所示。
图1-9 HR6系列熔断器式刀开关实物
图1-10 HK1、2系列开启式负荷开关实物
图1-11 HH3、4系列封闭式负荷开关实物
刀开关选择时应考虑以下两个方面：
（1）刀开关结构形式的选择 应根据刀开关的作用和装置的安装形式来选择是否带灭弧装置，若分断负载电流，应选择带灭弧装置的刀开关；根据装置的安装形式来选择是正面、背面还是侧面操作形式，是直接操作还是杠杆传动，是板前接线还是板后接线。
（2）刀开关额定电流的选择 刀开关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，应考虑其起动电流，所以应选用额定电流大一级的刀开关。若再考虑电路出现的短路电流，应选用额定电流更大一级的刀开关。
2.低压断路器
低压断路器可用来接通和分断负载电路，也可用来控制不频繁起动的电动机。它的功能相当于刀开关、过电流继电器、失电压继电器、热继电器及漏电保护器等电器的部分或全部功能的总和，是低压配电网中一种重要的保护电器。
低压断路器具有保护功能多（过载、短路、欠电压保护等）、动作值可调、分断能力高、操作方便、安全等优点，所以目前被广泛应用。
（1）低压断路器的结构和工作原理 各种低压断路器在结构上都由主触头、灭弧装置、脱扣器、自由脱扣机构和操作机构等部分组成。
1）主触头及灭弧装置。主触头是低压断路器的执行元件，用来接通和分断主电路。为提高其分断能力，主触头上装有灭弧装置。
2）脱扣器。脱扣器是低压断路器的感受元件，当电路出现故障时，脱扣器感测到故障信号后，经自由脱扣机构使低压断路器主触头分断，从而起到保护作用。低压断路器中有如下几种脱扣器：
①分励脱扣器。用于远距离使低压断路器断开的脱扣器，其实质是一个电磁铁，由控制电源供电，可以按照操作人员指令或继电保护信号使电磁铁线圈通电，衔铁动作，使低压断路器切断电路。一旦低压断路器断开电路，分励脱扣器的电磁线圈也就断电了，所以分励脱扣器是短时工作的。
②欠电压、失电压脱扣器。这是一个具有电压线圈的电磁机构，其线圈并联在主电路中。当主电路电压消失或降至一定值以下时，电磁吸力不足以继续吸持衔铁，在反力作用下，衔铁释放，衔铁顶板推动自由脱扣机构，将低压断路器主触头断开，实现欠电压与失电压保护。
③过电流脱扣器。其实质是一个具有电流线圈的电磁机构，电流线圈串联在主电路中，流过负载电流，当正常电流通过时，产生的电磁吸力不足以克服反力，衔铁不被吸合；当电路出现瞬时过电流或短路电流时，电磁吸力大于反力，使衔铁吸合，并带动自由脱扣机构使低压断路器主触头断开，实现过电流保护。
④热脱扣器。该脱扣器由热元件、双金属片组成，将热元件串联在主电路中，其工作原理与双金属片式热继电器相同。当主电路过载到一定值时，由于温度升高，双金属片受热弯曲并带动自由脱扣机构，使低压断路器主触头断开，实现长期过载保护。
3）自由脱扣机构和操作机构。自由脱扣机构是用来联系操作机构和主触头的机构，当操作机构处于闭合位置时，也可操作分励脱扣器进行脱扣，将主触头断开。
操作机构是实现低压断路器闭合、断开的机构。通常电力拖动控制系统中的低压断路器采用手动操作机构，低压配电系统中的低压断路器有电动机操作机构和电磁铁操作机构两种。电动机操作机构适用于塑料外壳式断路器中壳架等级额定电流400A及以上的断路器和万能式断路器，电磁铁操作机构适用于塑料外壳式断路器中壳架等级额定电流225A及以下的断路器。
图1-12所示为DZ5-20型低压断路器的外形和结构。
低压断路器的工作原理与符号如图1-13所示，图中是一个三极低压断路器，三个主触头串联于三相电路中。经操作机构将其闭合，此时传动杆3由锁扣4勾住，保持主触头2的闭合状态，同时分闸弹簧1被拉伸。当主电路出现过电流且达到过电流脱扣器的动作电流时，过电流脱扣器6的衔铁吸合，顶杆上移将锁扣4顶开，在分闸弹簧1的作用下主触头2断开。当主电路出现欠电压、失电压或过载时，则欠电压、失电压脱扣器8和热脱扣器7分别将锁扣4顶开，使主触头2断开。分励脱扣器9可由主电路或其他控制电路供电，由操作人员发出指令或继电保护信号使分励线圈通电，其衔铁吸合，将锁扣4顶开，在分闸弹簧1的作用下主触头2断开，同时也使分励线圈断电。
（2）低压断路器的主要技术数据和保护特性
1）低压断路器的主要技术数据。
①额定电压。指低压断路器在电路中长期工作时的允许电压值。
②额定电流。指各脱扣器允许长期通过的电流，即脱扣器额定电流。
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。
图1-12 DZ5-20型低压断路器的外形和结构
1—按钮 2—电磁脱扣器 3—自由脱扣机构 4—动触头 5—静触头 6—接线柱 7—热元件
④通断能力。指在规定操作条件下，低压断路器能接通和分断短路电流的能力。
⑤保护特性。指低压断路器的动作时间与动作电流的关系曲线。
2）保护特性。
低压断路器的保护特性主要是指低压断路器长期过载和过电流保护特性，即低压断路器动作时间与动作电流的关系曲线，如图1-14所示，图中ab段为过载保护特性，具有反时限性质。df段为瞬时动作曲线，当故障电流大于d点对应电流时，过电流脱扣器便瞬时动作。ce段为定时限延时动作曲线，当故障电流大于c点对应电流时，过电流脱扣器经短时延时后动作，延时长短由c点与d点对应时间的差决定。根据需要，低压断路器的保护特性可以是两段式的，如abdf曲线，既有过载延时保护，又有短路瞬动保护，而abce曲线则为过载长延时保护和短路延时保护。另外，低压断路器还可以有三段式的保护特性，如abcghf曲线，既有过载长延时保护、短路短延时保护，又有特大短路的瞬动保护。为达到良好的保护作用，低压断路器的保护特性应与被保护对象的发热特性有合理的配合，即低压断路器的保护特性曲线2应位于被保护对象的发热特性曲线1的下方，并以此来合理选择低压断路器的保护特性。
图1-13 低压断路器的工作原理与符号
1—分闸弹簧 2—主触头 3—传动杆 4—锁扣 5—轴 6—过电流脱扣器 7—热脱扣器 8—欠电压、失电压脱扣器 9—分励脱扣器
（3）低压断路器典型产品 低压断路器的主要分类方法是以结构形式分类，即装置式和开启式两种。装置式又称为塑料外壳式，开启式又称为框架式或万能式。
1）装置式断路器。装置式断路器有绝缘塑料外壳，内装触头系统、灭弧室及脱扣器等，可手动或电动（对大容量断路器而言）合闸。它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DZ15、DZ20、DZX19和C65N等系列产品。其中C65N系列断路器具有体积小、分断能力强、限电流性能好、操作轻便、型号规格齐全，以及可以方便地在单极结构基础上组合成二极、三极和四极断路器的优点，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的开关）。
图1-14 低压断路器的保护特性
1—被保护对象的发热特性 2—低压断路器的保护特性
DZ20系列装置式断路器型号含义如下：
2）框架式断路器。框架式断路器一般容量较大，具有较高的短路分断能力和较好的动稳定性，适合在交流50Hz、额定电压380V的配电网络中作为配电干线的主保护。
框架式断路器主要由触头系统、操作机构、过电流脱扣器、分励脱扣器、欠电压脱扣器、附件及框架等部分组成，全部组件进行绝缘处理后装于框架结构底座中。
目前常用的框架式断路器有DW15、ME、AE、AH等系列产品。DW15系列断路器是我国自行研制生产的，全系列具有1000A、1500A、2500A和4000A等几个电流等级，其中DW15-400型框架式断路器实物如图1-15所示。
ME、AE、AH等系列断路器是利用引进技术生产的。它们的规格型号较为齐全（ME系列的电流等级从630A到5000A共13个），额定分断能力较DW15系列更强，常用于低压配电干线的主保护。
图1-15 DW15-400型框架式断路器
3）智能化断路器。目前，国内生产的智能化断路器也有框架式和塑料外壳式两种。框架式智能化断路器主要用作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于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装置，亦可用于三相笼型异步电动机的控制。智能化断路器的特征是采用以微处理器或单片机为核心的智能控制器（智能脱扣器），它不仅具备普通断路器的各种保护功能，还可实时显示电路中的各种电气参数（电流、电压、功率和功率因数等），以及能对电路进行在线监视、自行调节、测量、试验、自诊断和通信等操作，还能够对各种保护功能的动作参数进行显示、设定和修改，并在保护电路动作时将故障参数存储在非易失存储器中以便查询。
（4）低压断路器的选用原则
1）根据电路对保护的要求确定低压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）。
2）低压断路器的额定电压应等于或大于被保护电路的额定电压。
3）低压断路器欠电压脱扣器额定电压应等于被保护电路的额定电压。
4）低压断路器的额定电流及过电流脱扣器的额定电流应大于或等于被保护电路的计算电流。
5）低压断路器的极限分断能力应大于电路的最大短路电流的有效值。
6）配电电路中的上、下级低压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的保护特性的下方且二者不相交。
7）低压断路器的长延时脱扣电流应小于导线允许的持续电流。