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第1节自动开关

一、自动开关的定义和分类

自动开关又称自动空气断路器，是一种结构较为复杂，动作性能较为完善的配电保护电器。它能自动切断短路、严重过载、电压过低等故障电路，有效地保护接在它后面的电气设备；同时亦可用它来手动非频繁地接通和分断正常电路。

与其它开关电器相比较，自动开关具有以下特点：

1．能开断较大的短路电流，分断能力较高；

2．具有对电路过载、短路的双重保护功能；

3．允许操作频率低；

4．动作值可调，动作后一般不需要更换零部件。

自动开关种类繁多，可按以下方式分类：

1．按用途分：有保护配电线路用自动开关、保护电动机用自动开关、保护照明电路用自动开关和漏电保护用自动开关等。

2．按结构形式分：有框架式(亦称万能式)自动开关和塑料外壳式(亦称装置式)自动开关。

框架式自动开关为敞开式结构，一般自动快速开关，特别是大容量自动开关多为此种结构。它主要用作配电网络的保护开关。

塑料外壳式自动开关的结构紧凑、体积小、重量轻，且具有安全保护的塑料外壳，使用安全可靠，适于单独安装，它除了可用作配电网络的保护开关外，还可用作电动机、照明电路以及电热器电路等的控制开关。

3．按极数分：有单极自动开关、两极自动开关、三极自动开关和四极自动开关。

4．按限流性能分：有一般不限流型自动开关和快速限流型自动开关。

5．按操作方式分：有直接手柄操作式自动开关、杠杆操作式自动开关、电磁铁操作式自动开关和电动机操作式自动开关。

二、自动开关的基本结构

根据各类自动开关的共同功能，它们在结构上必然具备以下几个基本部分：

1．触头系统

触头系统是自动开关的重要部件，主要承担电路的接通、分断任务。

对触头系统的一般要求是：能可靠接通和分断一定次数的极限短路电流及额定电流以下的任何电流；具有一定的电寿命，不需要经常更换触头；有足够的热稳定性和电动稳定性，不会因长期使用后触头接触不良导致温升过高，或不能经受极限短路电流的冲击而自动弹开。

因此，自动开关比接触器的触头结构和触头材料要求都要高得多。

2．灭弧系统

主要有纵窄缝灭弧装置和去离子栅灭弧装置两种。

各类灭弧装置的灭弧方法可概括为长弧熄弧法(将电弧冷却、拉长)和短弧熄弧法(将电弧分割成串联短弧，利用直流电弧的极旁压降或交流电弧的近阴极效应来熄弧)等。

对灭弧系统而言，一般应具备下列功能：短时间内应可靠熄弧，并保持良好的绝缘性能；喷出的电弧火花距离小，以免造成相间飞弧；有足够的热容量，使之在电弧高温作用下不致产生变形、碎裂或灭弧室及栅片严重烧伤；有足够的机械强度，保证在受高温、合闸或冲击振动及运输情况下不会碎裂、缺损。

3．传动机构

用于操纵触头的闭合和断开。传动机构有手操纵直接传动式、手操纵弹簧传动式、电磁铁传动、电动机传动、压缩空气传动等几种。

4．自由脱扣机构

它是与触头系统和保护装置相联系的，通过自由脱扣机构的作用可使触头自动断开。“自由脱扣”是指人为操纵手柄处于闭合位置，当手还未离开手柄就发生短路、过载和欠电压等故障时，保护装置作用于自由脱扣机构，自动开关也能自动断开，起保护作用。

5．脱扣器

用于检测故障并作用于操作机构，使其脱扣，带动自动开关的触头断开。

自动开关通常采用电磁脱扣器和热脱扣器两种。

电磁脱扣器分为过电流脱扣器和欠电压脱扣器，它们实际上是一个小型电磁机构：装电压线圈的欠电压脱扣器，装电流线圈的过电流脱扣器。

现以过电流脱扣器为例说明其动作原理。当被保护电路发生过载或短路故障，电流增加并达到整定值时，衔铁吸合，使脱扣杆钩子与主杠杆脱扣，自动开关断开，切除过载或短路故障，保护电气设备不受损坏。电磁脱扣器的动作电流值可根据需要调整反力弹簧来整定，它具有动作电流大，调节范围宽，动作时间短(一般为10～40ms)的特点，可用作短路保护。

热脱扣器是由热组件和双金属片等组成。电流通过热组件产生电阻损耗而发热，其温度升高，加热双金属片。双金属片是一个将热能转换为机械能的组件，如图8－2所示。它由两种不同膨胀系数的金属片焊接而成，其中，膨胀系数较大的金属片贴近热元件。双金属片一端固定，另一端处于自由状态。当热组件由于间接加热或直接通电流加热时，即将热能传递给双金属片，双金属片受热后温度升高。由于两种金属片膨胀系数不同，结合面的伸长要相同，迫使双金属片向着膨胀系数较小的一侧弯曲。双金属片弯曲时产生作用力，作用于脱扣杆的钩子上，使之脱扣，自动开关断开，即可保护电气设备不因过载而损坏。由于双金属片是因受热而弯曲，所以双金属片弯曲时作用于脱扣机构的动作时间与过载电流大小有关：电流大，动作时间短，电流小，动作时间长，即动作时间与电流大小近似成反比。

图8－2　双金属片工作原理

三、自动开关的工作原理

自动开关的主触头靠操作机构(手动或电动)合闸，自由脱扣机构是一套连杆机构，当主触头闭合以后，将主触头锁在合闸位置，其工作原理如图8－3所示。

图8－3　自动开关工作原理图

1－过电流脱扣器；2－失压脱扣器；3－自由脱扣机构的锁钩；4－主触头；5－开断弹簧。

在正常工作情况下，自由脱扣机构的锁钩3扣住触头杆，使主触头4保持在合闸位置。

1为过电流脱扣器，它的电磁线圈与被保护电路串联，在正常电流下，脱扣器的弹簧力使衔铁释放；当过载或短路时，强大的电磁吸力使衔铁吸合，带动衔铁另一端的顶杆向上运动，顶开自由脱扣机构中的锁钩3，在开断弹簧5的作用下，主触头4迅速开断，将故障电路分断。

2为失压脱扣器，它的电磁线圈与被保护电路并联。在正常电压下，衔铁吸合，锁钩3不脱扣；当失压时，电磁吸力很小，在失压脱扣器弹簧力的作用下，衔铁释放，其顶杆顶开锁钩3，主触头4在开断弹簧5的作用下迅速开断，切断电路。

在电力机车上，为便于维修和检查故障，自动开关用于手动非频繁地切换正常电路，同时，也可对辅助电路和控制电路进行过载、短路保护。SS4G型和SS8型电力机车使用的自动开关分别见表8－1、表8－2。现将SS4G型和SS8型电力机车使用的TH－5SB型自动开关和TO系列自动开关介绍如下。

表8－1　SS4G型电力机车使用的自动开关一览表

序号	电路代号	型号	脱扣器额定电流（A）	保护对象	数量	电路
1	229QA	TH－5SB	AC220 V，10	电炉	1	辅助电路
2	230QA	TH－5SB	AC220 V，20	空调	1	辅助电路
3	231QA	TH－5SB	AC220 V，20	备用	1	辅助电路
4	232QA	TH－5SB	AC380 V，10	窗加热	1	辅助电路
5	233QA	TH－5SB	AC380 V，20	取暖	1	辅助电路
6	623QA	TH－5SB	AC380 V，30	备用	1	辅助电路
7	600QA	TH－5SB	AC380 V，50	交流电源	1	辅助电路
8	601QA	TH－5SB	DCll0 V，50	蓄电池	1	控制电路
9	602QA	TH－5SB	DCll0 V，10	受电弓	1	控制电路
10	603QA	TH－5SB	DCll0 V，10	主断路器	1	控制电路
11	604QA	TH－5SB	DCll0 V，10	控制器	1	控制电路
12	605QA	TH－5SB	DCll0 V，20	辅机控制	1	控制电路
13	606QA	TH－5SB	DCll0 V，20	前照灯	1	控制电路
14	607QA	TH－5SB	DCll0 V，10	副前照灯	1	控制电路
15	608QA	TH－5SB	DCll0 V，10	车内照明	1	控制电路
16	609QA	TH－5SB	DCll0 V，10	电子控制	1	控制电路
17	610QA	TH－5SB	DCll0 V，10	电扇	1	控制电路
18	611QA	TH－5SB	DCll0 V，10	自动信号	1	控制电路
19	612QA	TH－5SB	DCll0 V，10	自动停车	1	控制电路
20	613QA	TH－5SB	DCll0 V，10	无线电台	1	控制电路
21	614QA	TH－5SB	DCll0 V，10	逆变电源	1	控制电路
22	615QA	TH－5SB	DCll0 V，10	电空制动	1	控制电路
23	616QA	TH－5SB	DCll0 V，6	接地保护	1	控制电路
24	617QA	TH－5SB	DCll0 V，50	重联	1	控制电路
25	102QA	TH－5SB	125 V，10	高压互感器	1	主电路
表8－2　SS8型电力机车使用的自动开关一览表
序号	电路代号	型号	脱扣器额定电流（A）	保护对象	数量	电路
1	1、2QA	TO－100BA	50 A	压缩机电动机	2	辅助电路
2	3、4QA	TO－100BA	75 A	牵引通风机电动机	2	辅助电路
3	5、6QA	TO－100BA	50 A	制动风机电动机	2	辅助电路
4	7、9、11QA	TO－100BA	10 A	硅风机电动机	3	辅助电路
5	8QA	TO－100BA	30 A	变压器风机电动机	l	辅助电路
6	10QA	TO－100BA	30 A	变压器油泵	1	辅助电路
7	12QA	TH－5SB	10 A		1	辅助电路
8	13QA	TH－5SB	20 A		1	辅助电路
9	15QA	TO－225BA	175 A	劈相机	1	辅助电路
10	16QA	TH－5SB	10 A		1	辅助电路
11	17QA	TH－5SB	20 A		1	辅助电路
12	20QA	TH－5SB	DCll0 V，10	控制器	1	控制电路
13	21QA	TH－5SB	DCll0 V，10	受电弓	1	控制电路
14	22QA	TH－5SB	DCll0 V，20	主断路器	1	控制电路
15	23QA	TH－5SB	DCll0 V，20	辅机控制	1	控制电路
16	24QA	TH－5SB	DCll0 V，6	速度监控	1	控龋电路
17	25QA	TH－5SB	DCllO V，10	车内照明	1	控制电路
18	26QA	TH－5SB	DCll0 V，20	前照灯	1	控制电路
19	27QA	TH－5SB	DCll0 V，20	电扇	1	控制电路
20	28QA	TH－5SB	DCll0 V，20	副前照灯	1	控制电路
21	29QA	TH－5SB	DCll0 V，10	逆变电源	1	控制电路
22	30QA	TH－5SB	DCll0 V，10	自动信号	1	控制电路
23	31QA	TH－5SB	DCll0 V，10	自动停车	1	控制电路
24	32QA	TH－5SB	DCll0 V，10	无线电台	1	控制电路
25	33QA	TH－5SB	DCll0 V，10	接地保护	1	控制电路
26	35QA	TH－5SB	DCll0 V，20	电子控制	1	控制电路
27	36QA	TH－5SB	DCll0 V，20	车列电空	1	控制电路
28	37QA	TH－5SB	DCll0 V，10	电空制动	1	控制电路
29	50QA	TH－5SB	DCll0 V，50	蓄电池	1	控制电路
30	51QA	TH－5SB	DCll0 V，50	交流电源	1	控制电路
31	QA	TH－5SB	125 V，10 A		1	主电路

四、TH－5SB型自动开关

SS4G型电力机车采用TH－5SB型自动开关作为辅助电路单相负载的过载和短路保护，SS8型电力机车采用TH－5SB型自动开关作为控制电源各输出负载电路的过载和短路保护。

TH－5SB型塑壳式单极自动开关由手柄、操作机构、脱扣装置、灭弧装置及触头系统等组成。全部结构除接线处外均装于塑料外壳内，外壳上仅露出作为“分”、“合”闸的操作手柄。接触系统采用银镉触头，装有带灭弧铁栅片的灭弧室。操作机构采用四连杆机构，正常分闸和脱扣器跳闸时，其反作用力不作用在同一零件上，故能提高开关寿命。自动开关采用热双金属片式脱扣器，作为过载和短路保护执行机构。

TH－5SB型单极自动开关主要技术参数

额定电压 …………………………………………………………………DC110V／AC380V

脱扣器类别 …………………………………………………………………热双金属片式

脱扣器额定电流………………………………………………10，15，20，30，40，50A

短路通断电流 ……………………………………………………………DC125V，1 000A

AC240V，3 000A

五、TO系列自动开关

SS8型电力机车采用TO－100BA型和TO－225BA型三相自动开关作为各辅助电路单相、堵转、短路等故障保护。

TO系列自动开关由操作机构、脱扣装置、灭弧装置及触头系统等组成。三个动触头通过支架固装于同一个绝缘方轴上，三个动触头同时开断。每相都有一独立灭弧室，灭弧罩采用铁栅片式。采用热动电磁式脱扣器作为过载和短路保护的执行机构。

例如，TO－100BA型自动开关在SS8型电力机车辅助电路作辅助机组过电流保护时，自动开关的三相触头依次串接在电机的三相绕组中，当电机中出现相间短路或绕组匝间短路时，故障引起电机电流上升，延时数秒以后，自动开关中的热敏元件动作，使热动－电磁式脱扣器脱扣，其触头切断电机电源，达到保护电机、防止故障恶化的目的。

TO系列三相自动开关主要技术参数见表8－3。

表8－3　TO系列三相自动开关主要技术参数

型号	TO－100BA	TO－225BA
额定电压(V)	AC600 V以下，DC250V以下	AC600V以下，DC250V以下
额定壳架电流(A)	100	225
额定频率(Hz)	50/60	50/60
脱扣器额定电流(A)	15，20，30，40，50，60，75，100	125，150，175，200，225
脱扣器型式	热动－电磁式	热动－电磁式
短路分断能力	AC380 V，50 Hz；18 kA COSφ＝0.3	AC380 V，50 Hz；25 kA COSφ＝0.25

第1节 自动开关

第1节自动开关