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断路器的种类和工作原理解读:如何选择合适的电路保护装置?

简介

断路器本身不会受到损坏,因此,一旦电流恢复正常即可复位。在发生跳闸时,电子装置会使LED灯亮起,向用户说明跳闸是由接地漏电而非过流情况引起的,从而快速诊断出跳闸原因,防止严重的设备损坏并降低火灾风险。不断发展的新兴应用依赖断路器,特别是液压电磁断路器,来保护敏感电子设备并确保电力安全地流向其应用。反过来,PDU需要断路器来保护敏感电子设备免受短路和过流情况的影响。在这些密闭空间内,主要担心火灾和过热风险。

断路器随处可见。如果某项技术、产品或设备依靠电力运行,则很可能至少带有一个断路器,以确保用户和内部组件的安全。

断路器是在检测到预先设定的过载电流时自动断开电路以停止电流流动的装置。断路器本身不会受到损坏,因此,一旦电流恢复正常即可复位。

过载电流的起因有很多,但均对人员和设备构成潜在危险,例如船舶、车辆、军事设施、电信和数据通信设备、工业自动化、家用电器、暖通空调和可再生能源等电气装置都有可能发生过载电流。

断路器类型

断路器应用范围如此广泛,因此,可以根据需要量身定制各种设计和功能。工程师在选择断路器时,必须考虑其所在行业要求的机构认证、所需的电流和电压额定值、能预料到的断路器电气输入类型、所需的中断容量以及所需的任何时延或高浪涌保护。

这些需求共同决定要使用的断路器总体技术和具体功能。断路器主要有三种类型:液压电磁断路器、热断路器、设备漏电和接地故障断路器。

液压电磁断路器

液压电磁断路器由一个电流感应线圈与一系列触头串联组成。线圈上缠绕着一根非磁性延时管。延时管内装有一个移动铁芯,用弹簧悬放在一侧。

线圈组构成一个电磁体。当触头闭合时,电流流过线圈并产生磁场。根据右手定则,磁场对延时管内的铁芯产生作用力,把它拉到线圈中心。电流增大,磁场增强,把铁芯拉入线圈的作用力增大。

随着铁芯更多地进入线圈,磁性金属的体积增大,磁场增强,电磁作用力增大。

在过电流情况下,铁芯被更大的作用力拉入线圈和磁极。铁芯完全进入线圈后,衔铁就会被磁力吸引到磁极。衔铁移动,打开脱扣机构,断开触头,从而断开电路。

这种断路器技术的“液压”部分是指带磁芯的非磁性延时管中的流体。流体的粘度决定了断路器对跳闸点上电流反应的延迟时间的长短。通常在电流可能有波动时使用,但不会损坏设备,或者更常见于需要高浪涌的设备,如电动机。不论是任何类型的延迟,短路都会产生瞬时过流状态,立即产生磁场和瞬时跳闸。

液压电磁断路器的优点是对环境温度变化很不敏感。电流感应线圈不具有温度敏感性;液压油的粘度会随着温度变化,因此,随着温度的升高或降低,延迟曲线会略有变化。此外,这些断路器不需要加热来达到所需的延迟曲线。它们还可以在过载情况得到纠正后立即复位。

这类断路器通常用于数据中心和电信应用,可再生能源装置和电动汽车等高压装置,以及极端温度环境。

热断路器

热断路器使用与电路串联的双金属片。随着电流增大,金属片的温度升高,但是一种金属受温度变化产生的形变大于另一种金属。这种不均匀的变形导致整个金属片弯曲,断开电路并使断路器跳闸。

这种断路器设计简单,可在跳闸后轻松复位,还可用作电路的主开关。

但是,它的主要缺点是易受环境温度的影响。当周围环境温度高时,断路器在电流低于其设定点时会发生误跳闸。同样,如果环境温度过低,则断路器可能无法在电流临界值时发生跳闸。

这些简单的断路器通常作为断路器总成的一部分,断路器总成还包括用于对短路情况作出反应的电磁式断路器和用于手动接通或断开电路的执行机构。

设备漏电和接地故障断路器

设备漏电和接地故障断路器综合了接地故障电路中断(GFCI)断路器的功能和液压电磁断路器的可调过电流保护功能。

GFCI将返回电源的电流(中性)与离开电源的电流(相)进行比较。由于相绕组和中性绕组的极性相反,电流相等,在正常工作条件下,会产生可完全抵消的正负电动势(EMF)。如有任何电流漏到地面,断路器电子装置可检测到非零合成电动势(EMF),进而产生跳闸,停止电流流动。

这种电流感应方案非常灵敏,这种断路器可在接地故障未正常触发标准断路器跳闸时,将设备置于安全的开路模式。在发生跳闸时,电子装置会使LED灯亮起,向用户说明跳闸是由接地漏电而非过流情况引起的,从而快速诊断出跳闸原因,防止严重的设备损坏并降低火灾风险。

这类断路器常用于船舶应用中的交流支路接地故障保护,也可用于便携式发电机和交流主电路。

先进的断路器应用

在保护电路和设备方面,每种断路器技术都有具体针对的应用领域。如今,随着设备越来越依赖智能电子设备并连接到物联网,断路器需求越来越大。不断发展的新兴应用依赖断路器,特别是液压电磁断路器,来保护敏感电子设备并确保电力安全地流向其应用。数据中心、太阳能装置、恶劣环境和新兴技术只是智能断路器发挥作用的几个领域。

数据中心的电源分配插座

电信和数据中心需要将大量设备安装到一个狭小的空间内,其中包括向服务器输送电力的电源分配插座(PDU)。反过来,PDU需要断路器来保护敏感电子设备免受短路和过流情况的影响。在这些密闭空间内,主要担心火灾和过热风险。

建造数据中心的工程师希望寻找正常工作电流为1至30安的紧凑、低矮型单刀或双刀断路器。由于这些数据中心的用电量很大,PDU的断路器需要能够在发生短路时中断高达10,000安培的电流。

数据中心还必须符合北美UL 489标准和欧洲IEC EN60947-2标准等行业要求,例如UL 489规定的端子保护隔板,以及元件间最小间距。

在某些数据中心,工程师可借助断路器节省空间,该断路器可用作电流互感器,还可以99%的精度监测电流,并远程报告PDU上连接的每个设备的用电量。此类互感器还可以最大化电源分配效率并方便负载调整。

太阳能装置

太阳能装置收集一系列光伏电池产生的电能,并将电能汇集到一个中心点。汇流箱收集各个电板上的电流,具有很高的直流电压和电流。这些汇流箱和紧急切断开关中的电路需要断路器来保护其免受过电流情况的影响,过电流可能引发火灾风险,损坏价格昂贵的设备并在无人值守的设施中快速蔓延。

在这些阵列中,工程师希望采用液压电磁断路器,由于太阳能装置暴露在自然环境中,因此要求断路器在高温和低温环境下都能正常工作。有些断路器的设计工作温度为-40°C至85°C。

紧凑型断路器有助于减小电子机箱的尺寸。断路器还必须能够处理1-125安的电流以及600VDC或以上的电压。

在这么高的工作电流和电压条件下,若不能适当地控制电流中断时产生的电弧,则会产生很大的热量。某些设计采用增强磁通量的端子结构。由此产生的强磁场激励电弧进入断路器的电弧室。带有集成加压管壁的电弧分离板可快速将热量从电弧传递出去,防止过热并促使全电弧熄灭。

在这些环境中使用的断路器必须符合UL489、UL489B和TUV EN60947-2等行业标准。

恶劣环境

必须在海洋环境、户外或非公路环境下工作的设备需要能够应付恶劣条件的电子设备。许多军事应用也需要能够承受恶劣环境的设备,确保设备在任何情况下均可正常工作。无论在任何恶劣环境下,喷洒水、盐水、灰尘或湿气,电子设备均需要完好密封,以防异物进入。

为这些应用选择断路器的工程师通常会采用面板和拴扣上均有密封的装置。这些装置需充分密封,以达到IP68的防护等级。“6”表示该部件完全密封,可防止固体颗粒进入,“8”表示它可以浸没到1.5米的深度持续30分钟不会损坏。若是军事应用,还需要同时达到MIL-PRF-39019F标准。

使用商用现货(COTS)零件制造的军用断路器还应根据MIL-PRF-55629和MIL STD 202标准进行抗振动和抗冲击测试。若符合这些标准,则能确保在额定电流下,可以承受10至55Hz振动和10 g,55至500 Hz振动以及100g,6ms冲击力时,偏移0.060英寸。

恶劣环境还包括-40°C至85°C的大范围温度变化以及-55°C到+ 25°C的温度骤增或者+ 85°C到+ 25°C的温度骤减等热冲击。液压电磁断路器对温度波动不敏感,在该领域应用广泛。

由于在许多应用中都需要在恶劣环境下工作,于是断路器制造商制造了具有多达三极的坚固密封装置,设计可用于处理0.2至30安的电流和各种电压。

新兴产业

电子世界正在以前所未有的速度发展。曾经充满未来感的产品,比如油电混合动力汽车现在已经很常见了,纯电动汽车和智能建筑组件也是无处不在。虽然这些装置各有不同,但确实有一些共性。

印象彩票开户电动汽车和智能建筑领域的工程师都在寻找结构紧凑、重量轻、维护成本低的产品。传输当前使用数据和其他反馈的功能在这些应用中也很有用。

一些断路器通过提供带有端子总线连接器和可选辅助触头的DIN导轨安装装置来满足这些需求。这些辅助触头可以为指示灯供电,远程指示断路器的状态。

这些装置配有更长使用寿命的滑动触头,还符合UL 489和UL 1077标准以及相关的cUL、TUV、CSA和CCC标准认证。此类断路器配置有单极至四极,工作电流为0.1-63安培,工作电压为80或125V直流电压或480V或以下交流电压。

对于更高电流条件下的应用,例如为电动汽车充电,工程师希望采用最大工作电压为600 VAC以及工作电流为0.1至100安的断路器。

选择合适的断路器›

印象彩票开户市面上的断路器类型和应用类型一样多。一些断路器对温度不敏感,另一些则需要依据温度变化来感测过流条件。一些断路器可安全处理大电流,另一些则需要检测低电流应用中的微小变化。一些断路器设计坚固耐用,适用于极端环境,而另一些断路器则设计简单,尽可能紧凑。

在为给定应用指定断路器时,工程师必须考虑除额定电流和电压以外的许多因素,包括反应时间、复位时间和设计延迟能力;能够承受冲击并防止颗粒和水进入的能力;温度性能;以及形状系数。因此,尽管断路器可能在工程师的设计中只是辅助作用,但选择合适的断路器并不是一项简单的工作。

断路器公司拥有大量的工程师和应用专家,可以帮助指导工程师针对具体的应用选择最适合的断路器。

原文来自:21IC电子网

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