我想请教.断路器工作原理.谢谢

阿力猫 2024-05-20 22:05:14

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断路器工作原理引言在现代人的生活中，断路器绝对是一种举足轻重的电路装置，而且是家用电路中最重要的安全机制之一。一旦房屋配线中的电流流量过大，这种简单的电路装置就会切断电源，直至故障被排除。如果没有断路器（或其替代品——保险丝），家庭用电就会非常不方便，原因在于，仅仅是线路问题和设备故障就可能会造成火灾和其他事故。在本文中，我们会介绍断路器和保险丝如何监控电流，以及它们在电流水平过高时如何切断电源。我们不难发现，对于可能造成人员伤亡的事故来说，使用断路器不失为一种最简单的解决方案。电学基础知识欲了解断路器，不妨先了解一下家用电路的工作原理。电气属性主要由三个参量来界定：电压电流电阻电压是推动电荷移动的“压力”。电流是电荷之“流”——即电荷流过导体的速率，可在任一定点测量。导体对电流具有一定程度的阻碍作用，称为电阻，阻值的大小由导体的材料和尺寸所决定。电压、电流和电阻这三者是相互关联的——改变其中一个另两个也会发生改变。电流等于电压除以电阻（一般记作 i=v/r）。我们可以直观地想到：如果增大驱动电荷的电压或是降低电阻，电流就会增大。如果降低电压或增大电阻，电流就会减小。所有这些又是如何来到您家中的呢？配电网把电流从发电厂输送到您的家中。在家用电路内，电荷会在大电路中流动，大电路又由很多小电路组成。电路的一端是火线，与发电厂相连。另一端称为零线，与地面相连。由于火线与高电位相连，而零线则连往零电位（地面），电路两端就产生了电压——只要电路闭合，电荷就会流动。这样的电流称为交变电流，因为它能迅速地改变方向。断路器设计基本型最简单的电路保护装置是保险丝。保险丝只是一根很细的导线，加上一个保护套之后接入电路。电路闭合后，所有电流必须流经保险丝——保险丝处的电流与同一电路上其他各点的电流相同。设计这种保险丝，是为了让它在温度达到某一水平时能够熔断。烧毁保险丝可以造成开路，从而防止过量电流破坏房屋配线。保险丝的问题是，它只能发挥一次作用。每当保险丝被烧断后，就必须换一个新的。断路器能起到与保险丝相同的作用，却可以反复使用。只要电流达到危险水平，它就能立刻造成开路。电路中的火线与开关两端相连。当开关置于接通状态时，电流从底部终端流出，依次流经电磁体、移动接触器、静态接触器，最终从顶部终端流出。电流能磁化电磁体（请查阅电磁体工作原理一文，了解具体原因）。电磁体产生的磁力随电流的增强而增强，如果电流降低，磁力也会减弱。当电流跃升到危险水平时，电磁体会产生足够大的磁力，以拉动一根与开关联动装置相连的金属杆。这会使移动接触器倾斜并离开静态接触器，继而切断电路。电流也就中断了。点击断路器，观看打开开关的情形。双金属条设计依据的是相同的原理，区别在于这里无需给电磁体能量，而是让金属条在高电流下自行弯曲，继而启动联动装置。还有些断路器靠填充易爆物来移置开关。当电流超过某一水平时，就会点燃易爆材料，继而驱动活塞打开开关。增强型更先进的断路器摒弃了简单的电气设备，转而使用电子器件（半导体设备）来监测电流水平。这些元件的精度要高得多，而且能更为迅速地切断电路，但价格也要贵得多。因此，多数家庭仍使用传统电气断路器。接地故障断路器（gfci）是一种新型断路器。这种断路器，不仅能预防房屋配线损毁，而其能保护人免遭**。gfci 会不断监测电路中零线和火线上的电流。一切正常时，两条线上的电流应当完全相同。一旦火线直接接地（例如有人不慎触碰火线），火线上的电流会突然猛增，而零线则不会。gfci 在检测到这种情况后会立即切断电路，以防止触电伤亡事故。由于 gfci 无需等到电流上升到危险水平就能采取行动，因而其反应速度要比传统断路器快得多。房屋内的所有线路都应汇聚到中央断路器仪表板（或保险盒仪表板），仪表板通常位于地下室，或在一个壁橱内。典型的中央仪表板大约有十二个断路开关，它们连接着家庭电路中不同的支路。应当有一条支路能将客厅所有的电源插座汇集起来，还应有一条支路专门负责一楼的照明工作。大型的家用电器一般都使用专用电路，例如中央空调系统或电冰箱。配电网以恒定的电压输电（在美国是 120 或 240 伏），但每个家庭的电阻却是不同的（因而电流也不尽相同）。尽管灯泡及其他电器种类各异，但它们都带有某个数值的电阻，也称为负载。正因为有了电阻的存在，电器才能工作。例如，灯泡里面的灯丝对电流有很强的阻碍作用。电荷为了克服电阻，就会发热并使灯丝的温度升高，导致灯泡发光。在家用电路中，火线和零线绝不能直接相连。电路中的电荷总是要流经电器，而电器起到了电阻的作用。这样，电器对电流的阻碍作用就限定了电路中电荷的流量（电压和电阻恒定时，电流也是恒定的）。设计家用电器时，应考虑如何将电流维持在比较低的水平，以确保用电安全。如果某一时刻电路中的电流过大，就会导致家用电器和房屋配线的温度升高，如达到危险水平，就有可能导致火灾。这样可以确保电力系在绝大多数时间里，都能平稳地运行。但有些时候，出于某种原因，火线可能会与零线（或其他接地导体）直接相连。例如，一部电风扇的电动机可能会因温度过高而熔化，并将火线与零线熔在一起。再者，也许有人会往墙里钉钉子，不巧的是，他钉中了一根电线。当火线直接接地时，电路中形成了一个最小阻抗，因而在电压的推动下，会有大量的电流流过导线。如果这一过程持续下去，导线就会因温度过高而起火。断路器的职责是在电流高于安全水平时切断电路。在下面的章节中，您会了解断路器是如何做到这一点的。该答案来自断路器工作原理技术论文 20210311

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