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斷路器工作原理

 欲了解斷路器,不妨先了解一下家用電路的工作原理。

電氣屬性主要由三個參量來界定:電壓 電流 電阻

電壓是推動電荷移動的“壓力”。電流是電荷之“流”——即電荷流過導(dǎo)體的速率,可在任一定點(diǎn)測量。導(dǎo)體對電流具有一定程度的阻礙作用,稱為電阻,阻值的大小由導(dǎo)體的材料和尺寸所決定。

電壓、電流和電阻這三者是相互關(guān)聯(lián)的——改變其中一個另兩個也會發(fā)生改變。電流等于電壓除以電阻(一般記作I=v/r)。我們可以直觀地想到:如果增大驅(qū)動電荷的電壓或是降低電阻,電流就會增大。如果降低電壓或增大電阻,電流就會減小。

所有這些又是如何來到您家中的呢?

配電網(wǎng)把電流從發(fā)電廠輸送到您的家中。在家用電路內(nèi),電荷會在大電路中流動,大電路又由很多小電路組成。電路的一端是火線,與發(fā)電廠相連。另一端稱為零線,與地面相連。由于火線與高電位相連,而零線則連往零電位(地面),電路兩端就產(chǎn)生了電壓——只要電路閉合,電荷就會流動。這樣的電流稱為交變電流,因?yàn)樗苎杆俚馗淖兎较?。斷路器設(shè)計(jì)

基本型

最簡單的電路保護(hù)裝置是保險(xiǎn)絲。保險(xiǎn)絲只是一根很細(xì)的導(dǎo)線,加上一個保護(hù)套之后接入電路。電路閉合后,所有電流必須流經(jīng)保險(xiǎn)絲——保險(xiǎn)絲處的電流與同一電路上其他各點(diǎn)的電流相同。設(shè)計(jì)這種保險(xiǎn)絲,是為了讓它在溫度達(dá)到某一水平時能夠熔斷。燒毀保險(xiǎn)絲可以造成開路,從而防止過量電流破壞房屋配線。

保險(xiǎn)絲的問題是,它只能發(fā)揮一次作用。每當(dāng)保險(xiǎn)絲被燒斷后,就必須換一個新的。斷路器能起到與保險(xiǎn)絲相同的作用,卻可以反復(fù)使用。 只要電流達(dá)到危險(xiǎn)水平,它就能立刻造成開路 。

電路中的火線與開關(guān)兩端相連。當(dāng)開關(guān)置于接通狀態(tài)時,電流從底部終端流出,依次流經(jīng)電磁體、移動接觸器、靜態(tài)接觸器,最終從頂部終端流出。

電流能磁化電磁體(請查閱電磁體工作原理一文,了解具體原因)。電磁體產(chǎn)生的磁力隨電流的增強(qiáng)而增強(qiáng),如果電流降低,磁力也會減弱。當(dāng)電流躍升到危險(xiǎn)水平時,電磁體會產(chǎn)生足夠大的磁力,以拉動一根與開關(guān)聯(lián)動裝置相連的金屬桿。這會使移動接觸器傾斜并離開靜態(tài)接觸器,繼而切斷電路。電流也就中斷了。

點(diǎn)擊斷路器,觀看打開開關(guān)的情形。

雙金屬條設(shè)計(jì)依據(jù)的是相同的原理,區(qū)別在于這里無需給電磁體能量,而是讓金屬條在高電流下自行彎曲,繼而啟動聯(lián)動裝置。還有些斷路器靠填充易爆物來移置開關(guān)。當(dāng)電流超過某一水平時,就會點(diǎn)燃易爆材料,繼而驅(qū)動活塞打開開關(guān)。

增強(qiáng)型

更先進(jìn)的斷路器摒棄了簡單的電氣設(shè)備,轉(zhuǎn)而使用電子器件(半導(dǎo)體設(shè)備)來監(jiān)測電流水平。這些元件的精度要高得多,而且能更為迅速地切斷電路,但價格也要貴得多。因此,多數(shù)家庭仍使用傳統(tǒng)電氣斷路器。

接地故障斷路器(GFCI)是一種新型斷路器。這種斷路器,不僅能預(yù)防房屋配線損毀,而其能保護(hù)人免遭電擊。GFCI 會不斷監(jiān)測電路中零線和火線上的電流。一切正常時,兩條線上的電流應(yīng)當(dāng)完全相同。一旦火線直接接地(例如有人不慎觸碰火線),火線上的電流會突然猛增,而零線則不會。GFCI 在檢測到這種情況后會立即切斷電路,以防止觸電傷亡事故。由于 GFCI 無需等到電流上升到危險(xiǎn)水平就能采取行動,因而其反應(yīng)速度要比傳統(tǒng)斷路器快得多。

房屋內(nèi)的所有線路都應(yīng)匯聚到中央斷路器儀表板(或保險(xiǎn)盒儀表板),儀表板通常位于地下室,或在一個壁櫥內(nèi)。典型的中央儀表板大約有十二個斷路開關(guān),它們連接著家庭電路中不同的支路。應(yīng)當(dāng)有一條支路能將客廳所有的電源插座匯集起來,還應(yīng)有一條支路專門負(fù)責(zé)一樓的照明工作。大型的家用電器一般都使用專用電路,例如中央空調(diào)系統(tǒng)或電冰箱。

配電網(wǎng)以恒定的電壓輸電(在美國是120或240伏),但每個家庭的電阻卻是不同的(因而電流也不盡相同)。盡管燈泡及其他電器種類各異,但它們都帶有某個數(shù)值的電阻,也稱為負(fù)載。正因?yàn)橛辛穗娮璧拇嬖冢娖鞑拍芄ぷ?。例如,燈泡里面的燈絲對電流有很強(qiáng)的阻礙作用。電荷為了克服電阻,就會發(fā)熱并使燈絲的溫度升高,導(dǎo)致燈泡發(fā)光。

在家用電路中,火線和零線絕不能直接相連。電路中的電荷總是要流經(jīng)電器,而電器起到了電阻的作用。這樣,電器對電流的阻礙作用就限定了電路中電荷的流量(電壓和電阻恒定時,電流也是恒定的)。設(shè)計(jì)家用電器時,應(yīng)考慮如何將電流維持在比較低的水平,以確保用電安全。如果某一時刻電路中的電流過大,就會導(dǎo)致家用電器和房屋配線的溫度升高,如達(dá)到危險(xiǎn)水平,就有可能導(dǎo)致火災(zāi)。

這樣可以確保電力系在絕大多數(shù)時間里,都能平穩(wěn)地運(yùn)行。但有些時候,出于某種原因,火線可能會與零線(或其他接地導(dǎo)體)直接相連。例如,一部電風(fēng)扇的電動機(jī)可能會因溫度過高而熔化,并將火線與零線熔在一起。再者,也許有人會往墻里釘釘子,不巧的是,他釘中了一根電線。當(dāng)火線直接接地時,電路中形成了一個最小阻抗,因而在電壓的推動下,會有大量的電流流過導(dǎo)線。如果這一過程持續(xù)下去,導(dǎo)線就會因溫度過高而起火。

斷路器的職責(zé)是在電流高于安全水平時切斷電路。在下面的章節(jié)中,您會了解斷路器是如何做到這一點(diǎn)的。

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