DQZHAN技術訊：低壓電氣和低壓電器技術之1——從什么是開關談起

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

在國家標準GB14048.3-2008《低壓開關電器和控制電器第3部分：隔離器、隔離開關，……》中有如下說明：

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

我們來看下圖：

這就是閘刀開關。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電材料制作的，一般是銅。

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

更多的時候，我們把開關稱呼為開關電器，簡稱為開關。

下圖是ABB的微型斷路器的內部結構圖。微型斷路器也叫做空氣開關：

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作用的主體部件。

好，現(xiàn)在我們把知識點略微擴大和加深。

**個概念：轉換深度

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

轉換深度的h定義是：開關打開時的電阻與開關閉合時的電阻之比。

這說明，有觸點的開關電器其開斷后的絕緣性能優(yōu)于無觸點的開關電器。

**個概念：額定電流

開關電器一旦閉合后，就會有電流流過，而電流在開關電器的導體電阻上會產**熱。

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

溫升這個概念很重要，在后續(xù)文章中會反復大量地出現(xiàn)。

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

當某開關電器的額定電流被確定后，我們當然可以用此開關電器來承載較低的電流。因此，開關電器的額定電流有一系列值，并且存在*大值，這個*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所能夠承受的*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，它決定了開關電器主觸頭的介電能力。額定電壓的符號是Ue。

顯見，當我們確定了某開關電器的額定電壓后，則此開關電器當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*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

當線路中發(fā)生短路了，巨大的短路電流流過開關電器，會對開關電器產生劇烈的發(fā)熱效應和電動力效應。發(fā)熱效應會導致開關電器導電部分產生變形，甚至熔融，而電動力效應則會導致開關電器結構破壞，甚至崩解。

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

短路接通能力是開關電器能夠接通的*大電流值并且不會出現(xiàn)結構性破壞。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，它同時也是短路電流*大值與穩(wěn)態(tài)值之比。峰值系數的具體值可參閱GB14048.1-2010《低壓開關設備和控制設備第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*右側就是峰值系數n。

現(xiàn)在我們來看看ABB的Emax框架斷路器的技術參數，如下：

先提個醒：斷路器屬于開關電器的一種，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不同。但如果把斷路器改變?yōu)楦綦x開關時，它的特性就與一般的開關無異了。

此外，斷路器的額定電流、額定電壓等參數，與開關相同。

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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)，它是由一系列值構成的，但其中有*大值，這個*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，這時的斷路器已經成為可以抽出的隔離開關了。

我們從表中隔離開關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。現(xiàn)在我們來計算兩者之比，如下：

看*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的值就相當于短路電流的穩(wěn)態(tài)值。查閱文中給出的峰值系數表，我們看到對應于42kA的峰值系數就是2.1。

寫到這里，我們該總結一下了：

開關是一種可以接通和分斷運行電流的機械裝置，又被稱為開關電器。

開關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，特別是隔離開關，嚴禁在帶載情況下開斷線路，以免出現(xiàn)電弧傷及人身**。

開關至少具有四個參數，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系：Ie<Icw<Icm，并且Icm/Icw=n，n是峰值系數。

*后，我們來看下圖：

這是2000A雙電源互投隔離開關（ATSE）中的**產品，在移動基站、各大銀行計算機中心和數據中心、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。

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在這個帖子的*后，和大家說說明確開關基本參數的重要性。

我們常常看見配電線路中出現(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，把開關電器的基本參數弄明白，**是必要的。