摘要：筆者拆解、研究了一款小型斷路器後，驚歎其設計奧妙、技術精巧，特將拆解研究過程及研究所得錄成此文，分機械、電路兩(liang) 個(ge) 方麵，剖析、圖解其結構功能、工作原理，並對設計思想、理論依據作了一定的分析。文中零件名稱是筆者根據自己理解命名的，不專(zhuan) 業(ye) 、不恰當之處，敬請留言指正。

一、斷路器（空氣開關）簡介

1、名稱及功能

斷路器，英語circuit-breaker，簡稱CB，在電路中起過載（過流）、短路保護作用，即在過載或短路時自動分斷電路。當然也可當作“開關(guan) ”使用，因滅弧介質為(wei) 空氣，所以稱“空氣開關(guan) ”，本文仍稱“斷路器”。

 

▲圖1.小型斷路器參數

上圖中，執行標準 IEC 60898-1，是指 “電氣附件——家用和類似裝置的過電流保護斷路器，第 1 部分：交流操作斷路器” 的標準。IEC是指國際電工委員會(hui) 。

IEC 60898-1 適用於(yu) 在 50 Hz、60 Hz 或 50/60 Hz 下運行、額定電壓不超過 440 V（相間）、額定電流不超過 125 A 和額定短路容量不超過 25000 A。

2、研究實例

本文以正泰公司的DZ47LED－63剩餘(yu) 電流動作斷路器（俗稱漏電保護器）為(wei) 例，進行拆解研究。該產(chan) 品外形如下圖所示，左半由2片小型斷路器組合，負責雙路過載和短路保護，右半為(wei) 漏電保護模塊。本文僅(jin) 圖解左側(ce) 的1片斷路器的結構，相比其他獨立型小型斷路器，該斷路器帶有機械連鎖功能。

 

▲圖2.拆解實例，正泰DZ47LED－63 C60剩餘(yu) 電流動作斷路器

正泰公司網站對DZ47LE-63係列的產(chan) 品介紹為(wei) ：DZ47LE係列剩餘(yu) 電流動作斷路器適用於(yu) 交流50Hz，額定電壓單極兩(liang) 線、兩(liang) 極230V，三極、三極四線、四極400V，額定電流至60A的線路中，當人身觸電或電網泄漏電流超過規定值時，剩餘(yu) 電流動作斷路器能在極短的時間內(nei) 迅速切斷故障電源，保護人身及用電設備的安全，亦可作為(wei) 線路的過載、短路保護之用，及在正常情況下不頻繁地通斷電器裝置和照明線路，尤其適用於(yu) 工業(ye) 和商業(ye) 的照明配電係統。符合標準：GB/T16917.1、IEC61009-1，獲得CCC、EAC等認證。

3、幾個(ge) 重要參數解讀

1) 額定電流In：定義(yi) 為(wei) 斷路器連續承載的最大電流（在環境空氣溫度為(wei) 30時）。斷路器有1、2、3、4、5、6、10、15、16、20、25、32、40、50、60、63Ａ共16種額定電流值可選擇。這些數字符合“優(you) 選數字”理論，而非隨意確定。

2) 分斷能力：額定短路分斷能力（Icu或Icn）是斷路器能夠分斷而不被損害的最高（預期的）電流值。實際使用中，當無法判斷故障嚴(yan) 重程度時，發生幾次“跳閘”的，應考慮及時更換斷路器。

4、脫扣特性曲線圖解讀

斷路器“分斷電路”是依靠“脫扣”動作來實現的。廠商一般都提供“脫扣特性曲線圖”，用來描述產(chan) 品的“電流持續時間與(yu) 脫扣”的關(guan) 係，這個(ge) 圖是電工選擇斷路器的重要參考信息。瞬時脫扣器有C型和D型兩(liang) 種類型，表示電磁脫扣動作電流是額定工作電流的幾倍， C型為(wei) 5-10倍，一般用於(yu) 普通配電， D型為(wei) 10-14倍，用於(yu) 起動電流較大的電器（如電機）。

 

▲圖3、脫扣特性曲線圖

圖中，橫軸I/In為(wei) 電流倍率，縱軸是電流持續時間。左圖為(wei) C型，右圖為(wei) D型。

下圖以左圖為(wei) 例，分析曲線及各區域的含義(yi) 。圖中左右2條綠色曲線，將圖劃分為(wei) 左、中、右三個(ge) 區，分別為(wei) “不脫扣區域”、“可能區域”和“脫扣區域”。中間的“可能區域”表示可能脫扣、也可能不脫扣，要視某具體(ti) 產(chan) 品而定。因此這類斷路器脫扣電流無法很精確，如果需要精確值，應選擇電子控製型斷路器。

曲線中間標4、5的兩(liang) 點，將網線分成上下二段。上麵表示熱脫扣區間，利用“雙金屬片”熱脹冷縮的驅動力；下麵是電磁脫扣區間，利用大電流產(chan) 生的電磁力驅動。

圖中的點1、2、3，在“熱脫扣”曲線上，點4、5、6、7既屬於(yu) “熱脫扣”也屬於(yu) “電磁脫扣”，是2種脫扣的臨(lin) 界處，點8位於(yu) “電磁脫扣”區域，點9屬於(yu) “不脫扣”範圍。下麵結合這些點及線進行實例解讀。

A．先縱軸後橫軸：如2倍電流的豎線，與(yu) 綠線交點為(wei) 2和3，對應橫軸時間為(wei) 10秒和110秒（對數座標）。由此獲得信息為(wei) ：“當通過2倍額定電流時，持續10秒以內(nei) 不脫扣，超過110秒就脫扣” 。那持續50秒呢？是否脫扣，要看具體(ti) 產(chan) 品，曲線圖給的是個(ge) 範圍。
B．根據橫軸看縱軸：橫軸10秒線，與(yu) 曲線交點2和1處分別對應2倍和4.2倍電流，解讀為(wei) ：“持續10秒，2倍電流以下不脫扣，超過4.2倍電流會(hui) 脫扣”。同樣，中間區域要視產(chan) 品而定。
C．定點查詢：如20倍電流持續5毫秒是否脫扣？查圖對應到點9，在不脫扣區域。如20倍電流持續20毫秒是否脫扣？查圖（點8）為(wei) 電磁脫扣。
D．豎線含義(yi) ：從(cong) 點5到點7的這一條豎線，對應10倍電流，解讀為(wei) ：10倍電流持續時間在此2點之間時都符合脫扣條件，且“熱脫扣”和“電磁脫扣”都有可能。

廠商之所以這樣設計脫扣特性，是因為(wei) 各類負載啟動和正常工作時電流不同的緣故，多數負載啟動電流較大，是穩態電流的數倍甚至數十倍，持續時長也有從(cong) 毫秒級到秒級。斷路器通過內(nei) 部雙金屬片的熱延時來實現這種“熱脫扣”特性的，從(cong) 而做到了“放過啟動峰流、截住穩態過流”的控製特性。

二、內部結構及功能說明

1、內(nei) 部結構一覽
將4個(ge) 鉚釘破損，可將其拆為(wei) 兩(liang) 半，如下圖。零件嵌在左蓋，可拆開右蓋。

 

▲圖4.內(nei) 部結構一覽圖

2、電路部分簡介
觸點閉合時，電路路徑為(wei) （設方向從(cong) 上到下）：1-2-3-5-6-7-8-9-11。觸點斷開時，觸點間產(chan) 生電弧電流，起始時電流路徑為(wei) ：1-2-3 –電弧-5-6-7-8-9-11。電弧因磁、熱等作用引入滅弧室E後，電流路徑為(wei) ：1-2-4-E-F-10-11，電弧在滅弧室內(nei) 被分割為(wei) 10段，很快冷卻、熄滅。電弧熄滅後，電流徹底中斷。

 

▲圖5、電路部件圖

3、機械部分簡介
機械部分的功能：支持手工“合通“、”分斷”兩(liang) 種操作，遇過流、短路時自動執行“熱脫扣”和“電磁脫扣”進行保護。另具備“熱脫扣電流微調”操作（這個(ge) 功能不常用）。

 

▲圖6、機械部件圖

4、外殼
外殼尺寸是符合工業(ye) 標準的。為(wei) 了統一標準、提高加工效益，小於(yu) 某額定電流的斷路器會(hui) 使用同一種外殼、觸頭及接線端子。這種外殼可通過的最大額定電流就是“殼架等級電流”。本例中，型號DZ47LED 63中的63就是表示該係列的殼架等級電流為(wei) 63A。
外殼拆為(wei) 左右二半後，可見二半多數地方是對稱的。根據功能，可把內(nei) 部空間大致劃分為(wei) “四居室”。

 

▲圖7.外殼造型

三、機械結構及工作原理詳解

1、狀態定義(yi) 和圖解順序

狀態定義(yi) ：機械及電氣上，都可用“接通”和“分斷”描述整個(ge) 斷路器的兩(liang) 種工作狀態，及兩(liang) 種（人工或自動）操作的動作名稱。相應的，用“通態”和“斷態”來描述各機械部件的位置狀態。

由於(yu) 機械部件較多，又互相牽製，本文采用“從(cong) 少到多、逐步添加部件”的方法，了解各部件結構及作用。注意整個(ge) 過程均在“左蓋”上進行操作。

2、軸銷和彈簧

首先將左蓋上的部件全部拆除，然後添加上最底層的幾個(ge) 部件 ：3根軸銷、2根彈簧。如下圖右所示。為(wei) 了便於(yu) 對照觀察，下圖左列出保留較多部件時的樣子，供對照分析。

軸銷是可轉動部件的轉軸，共有5個(ge) ，其中1、2、4、5號是獨立銷柱，3號軸銷是成型在主梁上的“上孔下柱”。4號軸銷不是固定在外殼上，而是固定在“三軸主梁”上，成為(wei) 三軸中的一軸，詳見下節說明。

 

▲圖8.彈簧與(yu) 軸銷

彈簧作用：通過加載時的形變提供保持力，自動動作時提供回複力。斷路器一共用到了5個(ge) 彈簧，上圖指出4個(ge) ，另有一個(ge) 在電磁鐵芯內(nei) 部。簡單介紹如下：
1) “主力彈簧”最粗，彈力也最大，是加載後保持力和複位時回複力的主要來源。
2) “手柄彈簧”繞在軸銷1的底軸上，加載後為(wei) “手柄”提供逆時針方向動作回複力。
3) “鎖片彈簧”其實是一根彈性鋼絲(si) ，彈力最小，鎖定狀態時為(wei) “鎖片”提供定位保持力。
4) “觸點杆彈簧”：圖上被遮擋，見下節說明。


3、觸點杆組件
觸點杆組件較複雜，包括“三軸主梁“、“觸點杆”、“槽形托片”、“彈簧”和“軸銷4”，如圖9所示。主梁呈轉角造型，上麵有三個(ge) 軸：轉角處為(wei) “軸3”，兩(liang) 頭為(wei) “軸4”和“連杆軸”。“軸3”是主梁本身的轉動軸，采用“上孔下柱”造型，固定在底盤上。 “軸銷4“把“觸點杆”、“槽形托片”、“彈簧”串接起來裝配到主梁上，從(cong) 而形成一個(ge) 組件。

 

▲圖9、觸點杆組件

組件支持以下3種動作（且支持下列3種的任意組合，是否很巧妙？）：
1) 主梁圍繞軸3轉動，連杆軸、軸4兩(liang) 上點跟著產(chan) 生弧形位移。
2) 不管軸4是否位移，觸點杆組件可繞軸4旋轉。
3) 觸點杆受彈簧力緊貼槽形托片，受外力克服彈簧力時，二者產(chan) 生相對轉動。
可以拆、裝組件慢慢體(ti) 會(hui) ，但安裝稍難：將部件套好串入軸銷後再卡彈簧，一端先卡入觸點杆，再用小一字開刀將彈簧另一端頂到主梁那邊的槽形托片的卡扣上。


4、安裝手柄和組件
現在裝入組件、手柄，分別掛上主力彈簧和手柄彈簧，再套入連杆。
如圖10左圖，受主力彈簧回複力作用，觸點杆停靠且依偎在“斷態港灣”。手柄受彈簧回複力作用，也處於(yu) 斷態位。

 

▲圖10. 手柄+組件

再看右圖，當克服阻力推上手柄，盡管軸銷4帶動觸點杆組件上移，但組件左側(ce) 卡扣未被卡死，組件可轉動，觸點仍在原位。鬆手後手柄掉下，說明此狀態無法自鎖。右圖照片是用一根軸銷卡住了手柄，手柄才不掉下來。下一步的分析將逐漸加入其他部件，以實現觸點閉合、係統自鎖。

5、自鎖功能分析

加入“雙扣梁”後，因“雙扣梁”的下端不固定，推上手柄時“上扣”還是無法卡住。下圖中臨(lin) 時采用一螺絲(si) 杆頂住雙扣梁的下端，合上手柄，係統就能鎖定，且觸點也能閉合！

先分析觸點為(wei) 何能夠閉合：這裏利用了杠杆原理，“上扣”為(wei) 支點，軸銷4處為(wei) 動力點，而觸點處為(wei) 阻力點。動作過程中，支點位置保持不動，動力點向上位移，動觸點則向上位移更多，與(yu) 靜觸點閉合。到這裏，可看出主梁為(wei) 何采用“上孔下柱”的設計，原來要留出這個(ge) 中空，讓“上扣”施展身手。

 

▲圖11、手柄鎖定力

自鎖原理分析：有2個(ge) 力矩作用在手柄上，第1個(ge) 是手柄彈簧回複力矩M1，第2個(ge) 是連杆推動手柄的力矩M2。如上右圖，手柄推上時經曆了“複位、居中、臨(lin) 界、頂部”4個(ge) 位置時，這2個(ge) 力矩的大小和方向是在變化的。先看方向，“複位、居中”狀態時，M1和M2是同向的，作用效果是讓手柄複位；到“臨(lin) 界”時，2條力線A和B成直線，但M2＝0，受M1作用，手柄還是複位。直到“頂部”狀態時，M2終於(yu) 反向，係統能夠鎖定在“通態”了。
那麽(me) 問題來了：圖10左圖中，推上手柄也能使M2反向，何以不鎖定？與(yu) 圖11左圖仔細對比，二者的差別在於(yu) 觸點閉合時，軸銷4向上位移更大，即加載彈簧1的回複力更大，這個(ge) 力通過主梁、連杆傳(chuan) 回手柄上，實現了M2>M1，即M2和M1的合成力矩是順時針方向的。可想圖10左是不滿足M2>M1的。這些力矩要精心計算，否則導致“鎖定無力“或”不易脫扣”。

 

▲圖12、鎖定示意圖

再通過圖12來說明一下動作和力量的傳(chuan) 遞：1“下扣”頂住——2“上扣”鎖住——4觸點杆抬高——3觸點閉合。4觸點杆抬高——彈簧回複力增大——5主梁連杆對手柄產(chan) 生更大推力——6M2大於(yu) M1——手柄鎖定——係統鎖定在通態。


6、觸點閉合力
觸點會(hui) 流過大電流，閉合時需要有效接觸，因此需要給動觸點提供持續的壓力，這個(ge) 力來自“觸點杆組件”中彈簧的回複力。

 

▲圖13、觸點閉合壓力

如上圖，通過一枚螺母卡住“上扣”，然後合上手柄，可觀察到“觸點閉合壓力”現象。因螺母將槽形鐵片左端卡得更低，其右端可以抬得更高，手柄加載到位後，觸點杆片與(yu) 槽形托片就克服彈簧力，張開了一個(ge) 角度，此時彈簧回複力就成為(wei) 觸點間的閉合力了。而且，靜觸點對動觸點也存在反作用力，通過整個(ge) 機構回傳(chuan) 到連杆上，成為(wei) 手柄鎖定力矩M2的一部分。
設想取消組件中“槽形托片+彈簧+觸點杆”的設計，僅(jin) 使用一個(ge) 觸點杆，則從(cong) 手柄到觸點都是剛性部件，部沒有足夠的形變，也就無法為(wei) 閉合觸點加載彈性力了。


7、鎖定片與(yu) 脫扣方式
最後加上“鎖片”和彈簧鋼絲(si) ，完成整個(ge) 機械係統。

 

▲圖14、鎖定片與(yu) 脫扣方式

“雙扣梁”下端被“下扣”扣住很少，隻要“鎖片”稍一轉動，就會(hui) 脫扣，起到了“4兩(liang) 撥千斤”的作用。熱脫扣靠的是雙金屬片，當電流過流時，雙金屬片發熱彎曲，左端頂到鎖片，完成脫扣。電磁脫扣靠的是電磁鐵，當線圈流經超大（短路）電流時，內(nei) 部動靜磁塊吸合，動磁塊推動“頂杆”頂到“鎖片”右端，完成脫扣。圖15和圖16分別是雙金屬片和電磁鐵組件的細節。

 

▲圖15、雙金屬片

 

▲圖16、電磁鐵組件

8、熱觸發微調機構
這個(ge) 組件把“軛鐵”、“雙金屬片”、“連接軟銅片”、“接線端”及“連接導線”（圖中已剪去）焊接在一起，如圖所示，上、下兩(liang) 部分被固定在底盒的槽內(nei) ，無法活動，但中間部分未被卡死，是可以稍微活動的。當調節螺釘時，雙金屬片可跟隨上下位移，相當於(yu) 調節了熱觸發的間距，也即調節的過流脫扣電流。中下部分連接靠“軟銅片”，但軛鐵是一個(ge) 整體(ti) ，下側(ce) 微量調節依靠的是金屬形變，可觀察到形變處開了一個(ge) 大窗，減少了剛性。

 

▲圖17、調節機構

四、滅弧係統

1、 結構
滅弧係統包括觸點區域、引導區域及滅弧柵區域。

 

▲圖18、滅弧係統結構

1) 觸點區域包括動觸杆及觸頭、靜觸杆及觸頭。觸點通斷大電流，是易損部件。
2) 引導區域是從(cong) 觸點處到滅弧柵之間的空間，由上下兩(liang) 組導磁鐵片及絕緣隔離片組成，形成一個(ge) 電弧轉移通道。
3) 滅弧柵組件：由9片相互絕緣、片間距約為(wei) 1.8mm的帶有凹口的鋼片用絕緣框組裝而成，框背後開有通氣孔。

 

▲圖19 滅弧室結構及原理示意圖

2、 電弧的害處
斷路器分斷大電流時，動靜觸點間會(hui) 產(chan) 生溫度極高、發出強光的電弧。電弧有兩(liang) 個(ge) 害處，一是引起高溫燒壞觸點等零件；二是它本身也是電流，電弧不熄相當於(yu) 電流不斷，而斷路器需要非常快速地終止所有電流，通常要求機構跳閘後30－150毫秒之間熄滅電弧。


3、 柵片滅弧原理
小型斷路器通常采用“金屬柵片滅弧法”，其基本原理是利用金屬柵片產(chan) 生的感應磁場形成電磁動力（磁吹弧力），將電弧吸入滅弧室，然後分割成若幹小段，利用交流電的“過零”及電弧的“近陰極效應”達到快速熄滅電弧的目的。另外滅弧柵還有降溫、散熱、通風等功能。

移動電弧的電磁力分析：電弧本質上是一團被電離的氣體(ti) ，受力時易發生移動。同時它也是一段電流，既可以產(chan) 生磁場，也可受到電磁力作用。斷路器觸點右邊設置了上下2塊鐵片，滅弧柵組件中有9片鐵片，當電弧產(chan) 生時，強大的電弧電流產(chan) 生磁場，將鐵片磁化（有研究表明可多產(chan) 生約39%的磁場）。這個(ge) 磁場力反過來又對電弧產(chan) 生安培力，將電弧往鐵片方向拉（另一邊看來是吹），電弧迅速移入滅弧柵組件。不用擔心會(hui) 吹過頭，過頭了還會(hui) 吹回來的。

電弧在滅弧室被截成多段小電弧，然後冷卻、熄滅。根據電弧的“近陰極效應”，電弧放電時，近陰極一端吸引、積累了大量正離子，當交流電過零反向後，陰極變陽極，正離子區域可以形成約150V－250V左右的反向電場，這個(ge) 電場能抵消起弧的外電場，從(cong) 而阻斷電弧電流。滅弧室設計成9隔，電弧引入後被截成10段，每段都有一個(ge) 陰極，串聯起來就有1500V以上的反壓，當外電場低於(yu) 此值，電弧就會(hui) 熄滅。


斷路器中還有許多值得分析的設計，比如連接固定件與(yu) 活動件的多股軟銅線，由多達3000多股細銅絲(si) 纏繞而成，每股細如頭發。連接采用了超聲波焊接技術，整齊而牢靠。還有本款斷路器中，連接電磁線圈與(yu) 雙金屬片的導線，分成2根，分別焊接到雙金屬片的左端和右端，采用了分流設計。此外，斷路器內(nei) 部熱量處理、氣流通道、軛鐵中間段開雙縫、電磁鐵動塊對觸點杆的脫扣拉力等設計，以及其他更深更妙的設計，筆者還看不太懂，留待高人現身指點。