什么是空气断路器？
空气断路器（Air Circuit Breaker, 简称 ACB）是一种在低压配电系统中广泛使用的重要保护电器。它的核心功能是在正常工作条件下接通、承载和分断电流，并在电路发生过载、短路、欠电压等异常情况时，能够可靠地分断故障电流，从而保护电气设备和线路免受损坏，防止事故扩大，保障人身和财产安全。
与传统熔断器只能分断一次故障电流不同，空气断路器在分断故障后，经过手动或电动合闸操作，可以恢复送电，具有可重复使用的特点。
主要构成部分
一个典型的空气断路器通常由以下几个主要部分组成：
- 触头系统 (Contact System): 包括主触头（承载正常工作电流）和灭弧触头（用于分断故障电流时保护主触头）。触头在分断时迅速分离，产生电弧。
- 灭弧系统 (Arc Extinguishing System): 这是ACB的关键部分。利用空气作为绝缘和灭弧介质。当触头分断产生电弧时，灭弧系统通过一系列结构（如灭弧栅片、磁吹线圈等），迅速冷却、拉长或分割电弧，使其熄灭。
- 操动机构 (Operating Mechanism): 负责实现断路器的合闸、分闸操作。通常为储能式机构（手动或电动储能），确保分合闸动作快速且有力，与故障电流大小无关。
- 脱扣器 (Trip Unit): 这是断路器的“大脑”，用于检测电路中的异常状态并发出分闸指令。常见的有：
- 热磁脱扣器 (Thermal-Magnetic Trip Unit): 利用电流热效应（过载保护）和电磁效应（短路保护）实现脱扣。保护特性相对固定。
- 电子脱扣器 (Electronic Trip Unit): 功能更强大、保护特性更灵活，可通过设置实现长延时过载、短延时短路、瞬时短路、接地故障等多种保护，并常带有测量、通信等附加功能。
- 框架 (Frame): 提供断路器各部件的安装基础和支撑，同时起到一定的绝缘和防护作用。
分类与类型
空气断路器可以根据不同的标准进行分类：
- 按安装方式:
- 固定式 (Fixed Type): 直接固定在配电柜内部。
- 抽屉式 (Draw-out Type): 安装在专用的抽屉座内，可以方便地抽出或推入，便于维护、检修和更换，无需断开主回路接线。在要求高可靠性和快速维护的场所（如重要配电中心）常用。
- 按额定电流: ACB通常适用于额定电流较大的场合，例如从几百安培到几千甚至上万安培。
- 按脱扣器类型: 热磁式和电子式。
空气断路器为何重要且在哪里使用？
空气断路器之所以在电力系统中占据重要地位，源于其独特的功能和优势，特别是在中低压大电流配电领域。
使用场景与重要性
ACB主要应用于低压（通常指额定电压在1000V及以下）配电系统的主进线或大容量分支线路上，特别是在需要处理大电流和高短路故障电流的场合。
典型的应用场所包括：
- 大型工业设施的配电房（主配电柜或重要二级配电柜）
- 商业综合体、办公楼、数据中心等建筑的总配电或重要区域配电
- 发电厂、变电站的低压侧配电
- 医院、学校等公共设施的关键电力回路
- 机场、港口等交通枢纽的电力系统
它的重要性体现在：
- 高分断能力: 能够可靠地分断高达几十甚至上百千安培的短路故障电流，这是保证系统安全的基础。
- 全面的保护功能: 通过配备不同类型的脱扣器，可以实现过载、短路、欠电压、接地故障等多种复合保护，提供精细化的电力保护方案。
- 选择性协调: 电子式脱扣器具有可调的延时功能，可以与上下级断路器实现良好的选择性配合，确保故障发生时只有最接近故障点的断路器动作分断，减少停电范围。
- 可视化与控制: 许多ACB带有状态指示、计数器、电动操作功能，便于远程监控和自动化控制。
- 可重复使用: 故障排除后可重新合闸送电，避免了熔断器熔断后需要更换的麻烦和成本。
与其它保护设备的比较（为何选择它）
在低压配电系统中，除了ACB，常见的保护设备还有塑壳断路器（MCCB）和熔断器。ACB之所以在特定场景下成为首选，是因为其在某些方面具有优势：
与塑壳断路器（MCCB）比较：
MCCB适用于中等电流和中等分断能力的回路。ACB通常具有更高的额定电流范围和远超MCCB的分断能力。此外，ACB多采用模块化、抽屉式设计，维护性更好；其电子脱扣器功能更丰富，保护特性调整范围更广，更容易实现高级保护和自动化功能。
与熔断器比较：
熔断器结构简单、成本低，分断容量也非常高。但熔断器是一次性器件，熔断后必须更换；保护特性通常固定不可调，实现选择性配合相对困难；无法实现远方控制和自动重合闸；缺乏断路器那种多功能脱扣器的灵活保护。ACB则克服了这些缺点，提供了更灵活、易于管理和自动化的解决方案。
因此，在电力系统的主进线、大容量馈线或对保护、操作、维护要求较高的场合，空气断路器往往是更合适、更可靠的选择。
空气断路器如何工作？
空气断路器的工作过程涉及复杂的机械、电磁和电弧物理学原理，其核心在于如何在分断电路时安全、快速地熄灭电弧。
分断故障电流的原理（灭弧机制）
当脱扣器检测到过载、短路等故障信号后，会发出指令驱动操动机构。操动机构迅速打开主触头。由于电路中的电流无法瞬间中断，触头之间会立即拉开电弧。这个电弧是高温、高导电性的等离子体，如果不能快速消除，会持续存在，烧毁触头和设备，甚至引发爆炸。
空气断路器利用空气作为灭弧介质，主要通过以下机制组合来熄灭电弧：
- 拉长电弧 (Arc Lengthening): 触头快速分离，强制拉长电弧的长度。电弧越长，其电阻越大，能量密度降低。
- 冷却电弧 (Arc Cooling): 电弧被拉入由许多金属（通常是铁片）或绝缘材料组成的灭弧栅片（也称灭弧室）。这些栅片将电弧分割成许多小段。同时，栅片吸收电弧的热量，迅速冷却电弧。
- 磁吹作用 (Magnetic Blow-out): 在某些ACB中，会利用电流自身产生的磁场或专门设置的磁吹线圈产生的磁场，将电弧向灭弧栅片方向推动，加速电弧进入灭弧室并被拉长、分割。
- 湍流与对流 (Turbulence and Convection): 电弧周围的空气受热膨胀并流动，这种气流也有助于冷却和吹散电弧。
通过这些机制的协同作用，电弧在极短的时间（通常在几十毫秒内）内被强制熄灭，从而安全地中断故障电流。
脱扣器与保护功能
脱扣器是ACB实现智能保护的关键。不同类型的脱扣器提供不同级别的保护功能：
- 热磁脱扣器:
- 热元件（过载保护）: 利用双金属片原理。当电流长时间超过设定值时，双金属片受热弯曲，触动脱扣机构。提供反时限特性（电流越大，动作时间越短）。
- 电磁元件（短路保护）: 利用电磁吸力原理。当电流瞬间达到短路故障水平时，产生的强大磁场吸动衔铁，立即触动脱扣机构。提供瞬时或短延时特性。
- 电子脱扣器: 通过采集电流互感器（CT）的信号，经电子电路处理，与设定值比较，判断故障类型和大小，并按设定的延时特性发出脱扣信号。功能包括：
- 长延时 (Long Time – L): 模拟热磁的过载保护，但特性更精确可调。
- 短延时 (Short Time – S): 用于延时短路保护，实现与下级的配合。
- 瞬时 (Instantaneous – I): 用于快速切除大短路故障。
- 接地故障 (Ground Fault – G): 检测相线与地线之间的漏电流。
- 附加功能: 相序保护、欠压保护、过压保护、功率测量、通信接口（Modbus、Profibus等）。
脱扣器接收到故障信号后，通过联动机构释放储能，驱动断路器快速分闸。
如何选择、安装与维护空气断路器？
正确选择、安装和维护空气断路器是确保其长期可靠运行和系统安全的关键。
选型的主要考虑因素
在选择空气断路器时，需要综合考虑以下几个重要参数：
- 额定电压 (Rated Voltage): 应大于或等于回路的实际工作电压。低压ACB通常适用于AC 380V/400V/690V等系统。
- 额定电流 (Rated Current, In): 指断路器能够长期不间断承载的最大电流。选择时应大于回路的计算负载电流，并考虑一定的裕度。
- 极限短路分断能力 (Ultimate Short-circuit Breaking Capacity, Icu): 指断路器在特定电压下，能够可靠分断的最大短路电流值。分断后可能需要检修。
- 运行短路分断能力 (Service Short-circuit Breaking Capacity, Ics): 指断路器在特定电压下，能够可靠分断的短路电流值，分断后能继续正常工作。通常 Ics ≤ Icu。选择时应确保断路器的Icu和Ics大于或等于安装点的预期最大短路电流。
- 脱扣器类型与功能: 根据回路的保护需求（过载、短路、接地故障等）和对保护特性的精细化要求（可调性、选择性），选择合适的热磁或电子脱扣器，并确定所需的功能（L, S, I, G等）。
- 安装方式: 固定式或抽屉式，取决于维护、更换的便利性和系统可靠性要求。
- 极数: 根据回路类型选择三极（三相）或四极（三相加中性线）。
- 环境条件: 考虑安装地点的温度、湿度、海拔、污染等级等，选择适合相应环境的断路器。
- 辅助触点与附件: 根据需要选择是否配备辅助触点（用于信号显示或控制）、报警触点、电动操作机构、欠压脱扣器、分励脱扣器等。
安装要点
安装空气断路器必须严格按照制造商提供的说明书进行，并遵守相关的电气安全规程。关键点包括：
- 安全第一: 确保安装区域完全断电并采取可靠的安全隔离措施。
- 安装位置: 安装在干燥、通风、无腐蚀性气体、无剧烈震动的地方，远离高温热源。确保足够的散热空间和操作、维护空间。
- 牢固固定: 无论是固定式还是抽屉式底座，都必须使用合适的螺栓和工具牢固地安装在开关柜的预设位置。
- 正确接线:
- 严格按照断路器端子标志和电路图连接主回路导线和控制回路导线。
- 主回路连接采用合适的电缆或铜排，确保截面积满足电流要求。
- 所有连接螺钉必须拧紧到制造商规定的力矩，避免因接触不良导致过热甚至火灾。
- 接地线必须可靠连接。
- 抽屉式操作: 如果是抽屉式，熟悉推入、锁定、电气连接、抽出、试验位置、隔离位置的操作步骤和联锁机构。
- 功能检查: 接线完成后，在不带电情况下，手动和电动操作断路器，检查分合闸动作是否顺畅，辅助触点信号是否正确。检查脱扣器是否能正确复位。
日常维护与检测
定期的维护和检测是确保ACB长期稳定运行和早期发现潜在故障的有效手段。维护计划应参照制造商的推荐和现场运行环境制定。
常见的维护项目包括：
- 清洁: 定期清除断路器外部和内部（在断电并专业人员指导下）的灰尘、污垢和水分，特别是触头系统和灭弧室区域。
- 机构检查: 检查操动机构的机械部件是否磨损、变形，润滑是否良好。手动操作机构几次，感受其顺畅性。
- 触头检查: 检查主触头和灭弧触头的磨损和烧蚀情况。轻微的烧蚀是正常的，但如果烧蚀严重或不均匀，需要根据制造商手册进行处理或更换触头。检查触头的接触压力。
- 紧固件检查: 检查主回路和控制回路的所有接线螺钉是否松动，特别是大电流连接端子。
- 绝缘电阻测试: 使用兆欧表测试主回路相与相之间、相与地之间的绝缘电阻，判断绝缘状态是否良好。
- 脱扣器功能测试:
- 热磁脱扣器: 可使用特定的测试仪进行注入电流测试，验证其过载和短路保护特性。
- 电子脱扣器: 通常配有测试接口。可以使用专用的二次注入测试仪，模拟故障电流信号，验证脱扣器的L, S, I, G等保护功能及延时特性是否符合设定值。
- 分断能力测试: 在大修时，可能需要进行模拟故障条件下的分断试验，但这通常需要专业设备和场所。
- 附件检查: 检查电动操作机构、合分闸线圈、辅助触点、欠压/分励脱扣器等附件是否正常工作。
维护记录应详细记载，以便跟踪设备状况和安排下一次维护。
空气断路器的成本是多少？（影响因素）
空气断路器的价格差异较大，从几千元到几万元甚至更高不等。其成本并非一个固定数值，而是受到多种因素的显著影响。
决定价格的主要因素
影响空气断路器价格的主要因素包括：
- 额定电流和分断能力: 这是决定ACB成本的最核心因素。额定电流越大，需要更 robust 的触头、母线和框架；分断能力越高，对灭弧系统的设计和材料要求越高。因此，大电流、高分断能力的ACB价格远高于小电流、低分断能力的型号。
- 脱扣器类型和功能: 电子脱扣器（特别是功能丰富的智能型）比简单的热磁脱扣器成本高得多。具备多种保护功能（如接地故障、通信接口、测量功能）的电子脱扣器会进一步增加价格。
- 安装方式: 抽屉式断路器及其配套的抽屉座比同规格的固定式断路器价格高，因为抽屉式结构更复杂，包含额外的机械和电气连接机构。
- 品牌和制造商: 国际知名品牌（如ABB、Schneider Electric、Siemens等）的产品，由于其技术先进性、质量可靠性、认证齐全和品牌溢价，价格通常高于国内普通品牌。
- 附件和选件: 是否配备电动操作机构、额外的辅助触点、报警触点、欠压脱扣器、分励脱扣器、门框适配器等附件，都会增加最终价格。
- 认证和标准: 符合特定国际或行业标准（如IEC、UL等）或有特殊认证（如船级社认证）的产品，成本可能更高。
- 市场供需和销售渠道: 市场竞争激烈程度、采购量大小、是通过代理商还是直接采购等也会影响价格。
因此，在询价或采购ACB时，需要明确所有技术参数和功能需求，才能获得准确的报价。通常，一款额定电流在1000A-2000A，分断能力在50kA左右，配有基本电子脱扣器的固定式ACB可能在数千到一万多元人民币；而更大电流、更高分断能力、抽屉式带全功能智能电子脱扣器及多种附件的ACB，价格可能轻松超过两三万元，甚至更高。