電弧分析是斷路器設備的重點與難點，本次結果僅供參考

1.電弧動態運動過程如下圖所示

2.電弧動態運動過程的橫截面溫度變化過程參考如下視頻

2.電弧動態運動過程的電壓變化過程參考如下視頻

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MCB的基本原理下視頻所示

      微型斷路器，在電路中起著過載（過流）、短路保護等作用，即在過載或短路時自動斷開電路。當然也可當作“開關”使用，因其滅弧介質為空氣，所以稱“空氣開關”，如圖1。

圖1 空氣開關及內部結構

一、空氣開關的內部結構

空氣開關由操作機構、觸點、保護裝置(各種脫扣器)、滅弧系統等組成。將周邊4個鉚釘拆掉，可將其拆為兩半，如圖2。零件嵌在左蓋，可拆開右蓋。

圖2 空氣開關內部結構

二、內部結構及功能說明
1、內部結構一覽將4個鉚釘破損，可將其拆為兩半，如下圖。零件嵌在左蓋，可拆開右蓋。圖4.內部結構一覽圖
2、電路部分簡介觸點閉合時，電路路徑為（設方向從上到下）：1-2-3-5-6-7-8-9-11。觸點斷開時，觸點間產生電弧電流，起始時電流路徑為：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后，電流路徑為：1-2-4-E-F-10-11，電弧在滅弧室內被分割為10段，很快冷卻、熄滅。電弧熄滅后，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（這個功能不常用）。圖6、機械部件圖4、外殼外殼尺寸是符合工業標準的。為了統一標準、提高加工效益，小于某額定電流的斷路器會使用同一種外殼、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就是表示該系列的殼架等級電流為63A。外殼拆為左右二半后，可見二半多數地方是對稱的。根據功能，可把內部空間大致劃分為“四居室”。圖7.外殼造型

三、機械結構及工作原理詳解
1、狀態定義和圖解順序狀態定義：機械及電氣上，都可用“接通”和“分斷”描述整個斷路器的兩種工作狀態，及兩種（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。由于機械部件較多，又互相牽制，本文采用“從少到多、逐步添加”的方法，了解部件結構及作用，及其傳力及動作。
2、軸銷和彈簧軸銷是可轉動部件的轉軸，共有5個，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，成為三軸中的一軸，詳見下節說明。圖8.彈簧與軸銷彈簧作用：通過加載時的形變提供保持力，自動動作時提供回復力。斷路器一共用到了5個彈簧，上圖指出4個，另有一個在電磁鐵芯內部。簡單介紹如下：1) “主力彈簧”最粗，彈力也最大，是加載后保持力和復位時回復力的主要來源。2) “手柄彈簧”繞在軸銷1的底軸上，加載后為“手柄”提供逆時針方向動作回復力。3) “鎖片彈簧”其實是一根彈性鋼絲，彈力最小，鎖定狀態時為“鎖片”提供定位保持力。4) “觸點桿彈簧”：圖上被遮擋，見下節說明。
3、觸點桿組件觸點桿組件較復雜，包括“三軸主梁“、“觸點桿”、“槽形托片”、“彈簧”和“軸銷4”，如圖9所示。主梁呈轉角造型，上面有三個軸：轉角處為“軸3”，兩頭為“軸4”和“連桿軸”。“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“觸點桿”、“槽形托片”、“彈簧”串接起來裝配到主梁上，從而形成一個組件。圖9、觸點桿組件組件支持以下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，連桿軸、軸4兩上點跟著產生弧形位移。2) 不管軸4是否位移，觸點桿組件可繞軸4旋轉。3) 觸點桿受彈簧力緊貼槽形托片，受外力克服彈簧力時，二者產生相對轉動。可以拆、裝組件慢慢體會，但安裝稍難：將部件套好串入軸銷后再卡彈簧，一端先卡入觸點桿，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，再套入連桿。如圖10左圖，受主力彈簧回復力作用，觸點桿停靠且依偎在“斷態港灣”。手柄受彈簧回復力作用，也處于斷態位。再看右圖，當克服阻力推上手柄，盡管軸銷4帶動觸點桿組件上移，但組件左側卡扣未被卡死，組件可轉動，觸點仍在原位。松手后手柄掉下，說明此狀態無法自鎖。圖中用軸銷卡住了手柄才不掉下來。下一步要解決兩個問題：觸點不閉合、系統不能自鎖。圖10. 手柄+組件
5、自鎖功能分析加入“雙扣梁”后，因“雙扣梁”的下端不固定，推上手柄時“上扣”還是無法卡住。采用一螺絲桿頂住雙扣梁的下端，合上手柄，系統就能鎖定，且觸點也能閉合！先分析觸點為何能夠閉合：這里利用了杠桿原理，“上扣”為支點，軸銷4處為動力點，而觸點處為阻力點。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，與靜觸點閉合。到這里，可看出主梁為何采用“上孔下柱”的設計，原來要留出這個中空，讓“上扣”施展身手。圖11、手柄鎖定力自鎖原理分析：有2個力矩作用在手柄上，第1個是手柄彈簧回復力矩M1，第2個是連桿推動手柄的力矩M2。如上右圖，手柄推上時經歷了“復位、居中、臨界、頂部”4個位置時，這2個力矩的大小和方向是在變化的。先看方向，“復位、居中”狀態時，M1和M2是同向的，作用效果是讓手柄復位；到“臨界”時，2條力線A和B成直線，但M2＝0，受M1作用，手柄還是復位。直到“頂部”狀態時，M2終于反向，系統能夠鎖定在“通態”了。那么問題來了：圖10左圖中，推上手柄也能使M2反向，何以不鎖定？與圖11左圖仔細對比，二者的差別在于觸點閉合時，軸銷4向上位移更大，即加載彈簧1的回復力更大，這個力通過主梁、連桿傳回手柄上，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遞：1“下扣”頂住——2“上扣”鎖住——4觸點桿抬高——3觸點閉合。4觸點桿抬高——彈簧回復力增大——5主梁連桿對手柄產生更大推力——6M2大于M1——手柄鎖定——系統鎖定在通態。
6、觸點閉合力觸點會流過大電流，閉合時需要有效接觸，因此需要給動觸點提供持續的壓力，這個力來自“觸點桿組件”中彈簧的回復力。圖13、觸點閉合壓力如上圖，我們通過一枚螺母卡住“上扣”，然后合上手柄，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，手柄加載到位后，觸點桿片與槽形托片就克服彈簧力，張開了一個角度，此時彈簧回復力就成為觸點間的閉合力了。而且，靜觸點對動觸點也存在反作用力，通過整個機構回傳到連桿上，成為手柄鎖定力矩M2的一部分。設想取消組件中“槽形托片+彈簧+觸點桿”的設計，僅使用一個觸點桿，則從手柄到觸點都是剛性部件，部沒有足夠的形變，也就無法為閉合觸點加載彈性力了。
7、鎖定片與脫扣方式最后加上“鎖片”和彈簧鋼絲，完成整個機械系統。圖14、鎖定片與脫扣方式“雙扣梁”下端被“下扣”扣住很少，只要“鎖片”稍一轉動，就會脫扣，起到了“4兩撥千斤”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，內部動靜磁塊吸合，動磁塊推動“頂桿”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、下兩部分被固定在底盒的槽內，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，相當于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”，但軛鐵是一個整體，下側微量調節依靠的是金屬形變，可觀察到形變處開了一個大窗，減少了剛性。 圖17、調節機構
四、滅弧系統1、 結構滅弧系統包括觸點區域、引導區域及滅弧柵區域。圖18、滅弧系統結構1) 觸點區域包括動觸桿及觸頭、靜觸桿及觸頭。觸點通斷大電流，是易損部件。2) 引導區域是從觸點處到滅弧柵之間的空間，由上下兩組導磁鐵片及絕緣隔離片組成，形成一個電弧轉移通道。3) 滅弧柵組件：由9片相互絕緣、片間距約為1.8mm的帶有凹口的鋼片用絕緣框組裝而成，框背后開有通氣孔。 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，動靜觸點間會產生溫度極高、發出強光的電弧。電弧有兩個害處，一是引起高溫燒壞觸點等零件；二是它本身也是電流，電弧不熄相當于電流不斷，而斷路器需要非常快速地終止所有電流，通常要求機構跳閘后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，然后分割成若干小段，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，受力時易發生移動。同時它也是一段電流，既可以產生磁場，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，當電弧產生時，強大的電弧電流產生磁場，將鐵片磁化（有研究表明可多產生約39%的磁場）。這個磁場力反過來又對電弧產生安培力，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。不用擔心會吹過頭，過頭了還會吹回來的。電弧在滅弧室被截成多段小電弧，然后冷卻、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，當交流電過零反向后，陰極變陽極，正離子區域可以形成約150V－250V左右的反向電場，這個電場能抵消起弧的外電場，從而阻斷電弧電流。滅弧室設計成9隔，電弧引入后被截成10段，每段都有一個陰極，串聯起來就有1500V以上的反壓，當外電場低于此值，電弧就會熄滅。