空气开关的准确名称叫做微型断路器，简称微断，符号是 MCB。

空气开关既然是断路器，它当然具备断路器的最基本功能——线路保护功能，这里有线路的过载保护功能和短路保护功能。

空气开关属于开关电器的一种。开关电器有五大理论，分别是开关电器的发热理论、开关电器的电动力理论、开关电器的电接触理论、开关电器的电弧理论和开关电器的电磁理论。对于空气开关来说，除了开关电器的电磁理论未涉及，其它理论都牵涉到。

显见，我们不可能在这个帖子中把空气开关所涉及的四大理论讲深讲透，我们就来一番概要性探讨吧。另外，我们假定题主所指的空气开关就是普通用于交流配电的空气开关，而非用于直流回路和电动机控制的空气开关。

以下我们仅对交流配电空气开关展开讨论。

1.空气开关的结构

以下我们对空气开关的过载保护热脱扣器结构原理、短路保护磁脱扣器结构原理，以及触头系统的电接触原理和灭弧原理做介绍。

（1）空气开关的内部结构

我们看下图：

图 1 中的双金属片就是执行线路过载保护的部件，而快速动作的电磁线圈则是执行短路保护的部件。

当我们拨动图 1 的手柄到合闸位置后，操动机构带动动触头与静触头闭合，操动机构的锁扣装置自动把动触头扣在闭合状态，空气开关就此闭合，线路通电。当我们波动图 1 的手柄到分闸位置后，操动机构把锁扣打开，动触头返回到原始位置。动触头与静触头之间产生的电弧被驱动到灭弧栅中实现灭弧。

当线路发生了过载后，双金属片会发生弯曲。当过载电流持续一段时间 t 后，双金属片的弯曲程度已经达到限值，它会驱动操动机构使得锁扣打开，空气开关执行过载保护。同理，当线路发生短路后，若电流达到动作限值，则快速动作电磁线圈动作，驱动锁扣打开，空气开关执行短路保护。

在断路器技术中，我们把过载保护部件和短路保护部件叫做断路器的脱扣器。由于过载保护属于双金属片热动作驱动的，故叫做热脱扣器；短路保护是快速电磁线圈驱动的，故叫做磁脱扣器。两者合称热磁式脱扣器，这种断路器被称为热磁式断路器。

当电流流过空气开关导电结构（包括触头的导电杆、触头以及接线端子等等）时，导电结构会产生一定的热量和温度。我们把导电结构的表面温度与环境温度之差叫做温升。导电结构温升以及它的额定载流量等参数与开关电器的发热理论直接相关。此外，当短路电流流过导电结构和触头时，会产生剧烈的温度升高，这里的理论也属于开关电器的发热理论。

空气开关通电一段时间后，它的表面温度已经稳定，它的温升符合标准值。

开关电器的温升有很多内容，包括升温曲线和降温曲线，还有热时间常数 T 等等，见下图：

导电结构的温度不会超过最高允许值，我们把此时导电结构允许流过的最高运行电流叫做空气开关的壳体电流，把不超过过载保护限定动作值的电流叫做额定电流。空气开关的壳体电流和额定电流，均与开关电器的发热理论密切相关。

注意 1：空气开关用于配电主回路，故其电接触叫做触头，触头必须配套灭弧罩。控制回路电器例如继电器的电接触叫做触点，触点的电流一般在 5A 以下，且无需配灭弧罩。

当短路电流流过空气开关导电结构时，会产生非常大的短路电动力。此外，动、静触头之间也会产生很大的触头斥力（霍姆力）把触头斥开，斥开后电流减小动触头又返回，然后再斥开，再返回，……，在此过程中伴随着电弧烧蚀，时间长度约为 10 毫秒。等到空气开关正式开断时，触头烧蚀产生的金属蒸汽参与到电弧中，使得电弧得以加强。这里涉及到开关电器的电动力理论、开关电器的电接触理论和开关电器的电弧理论。

我们用右手定则判断图 3 静触头右侧的电流线磁场方向，再用左手定则判断动触头右侧电流线的受力方向，考虑到触头左侧和右侧的水平方向分力相互抵消，而垂直向上的斥力叠加加强，这就是触头斥力产生的原理。

空气开关的触头配套了灭弧罩。空气开关的灭弧以及灭弧罩的形式都与开关电器的电弧理论相关。

我们用右手定则判断图 4 左侧触头和右侧触头间的磁力线方向，是进入纸面的，再用左手定则判断电弧电流的受力方向，我们看到电弧被推向灭弧罩内，实现灭弧，这与开关电器电弧理论的灭弧原理相关。

注意 2：当短路电流流过空气开关时，它的导电结构对短路电流的抵御能力叫做热稳定性和动稳定性，分别对应短时耐受电流 Icw 和短路接通能力 Icm 这两个参数。

我们看到，空气开关的原理涉及到的内容很多，我们就走马观花到这里吧。

（2）空气开关的热脱扣器工作原理

我们看下图：

我们从图 5 中看到，热脱扣器的本质原理就是导电材料的热胀冷缩。

断路器的热脱扣器与电动机保护用的热继电器其原理是一致的，都是双金属片驱动。下图是我的课件摘录：

对比图 6 和图 1，我们看到空气开关的过载保护原理与热继电器的过载保护原理何其相似。

（3）空气开关的磁脱扣器工作原理

对于磁脱扣器，我们看下图：

结合图 1，我们看图 7 中的磁脱扣器示意图。磁脱扣器的本质就是电流继电器，它的线圈线径很粗，线圈中流过线路电流，并对操动机构脱扣器衔铁产生电磁吸力 F。若 F 超过反力 Ff，则衔铁被线圈吸持，断路器操动机构动作，驱动断路器动触头执行开断操作。

从电与磁的关系看，我们看到了电流产生磁场和磁通，电流越大磁通越强，电磁吸力自然也就越强。当线路电流超过预先设定的空气开关短路保护动作电流值，磁脱扣器快速动作线圈动作使得空气开关跳闸。

电磁吸力 F 的大小与麦克斯韦电磁吸力公式有关：

，式 1

式 1 中，

是铁芯与衔铁气隙处的磁通，S 是磁极面积，μ0 是空气的磁导率，B 是磁感应强度。

磁通Φ与线圈圈数 N 以及电流 I 的关系可依据磁路的基尔霍夫第二定律列写出来：

，式 2

式 2 中，I 是电流，N 是线圈圈数，Φδ是铁芯与衔铁间的气隙磁通，λδ是气隙磁导，Φ是磁路磁通，Rm 是磁路的磁阻。我们由式 2 看到了电流 I 与气隙磁通

的关系。

由于流过空气开关的是交流电，气隙磁通

当然也是交流的。我们把

代入到式 1 中，可得：

，式 3

我们看到电动力是脉动的，其最大值

，它决定了空气开关的跳闸。

由此可见，空气开关磁脱扣器动作的本质原理就是电流 - 磁通和电磁力的麦克斯韦电磁吸力公式。

（4）空气开关的脱扣器的工作模式图

我们看下图：

图 8 是热磁式断路器的内部结构模式图，此图摘自我的书《低压电器技术精讲》之图 3-23。

图 8 中，我们看到了热脱扣器和磁脱扣器，此外还有欠压脱扣器和分励脱扣器。对于空气开关，它只具有热脱扣器和磁脱扣器，部分塑壳断路器才具有四种脱扣器。由此可见，热磁脱扣器是断路器的最基本脱扣器。

2.空气开关的工作原理——线路保护原理

我们设线路电阻和负载电阻和合并电阻是 R，线路电流是 I，通电时间是 t，则线路和负载的发热热量 Q 的表达式为：

。我们把这个式子的两边除以 R，得到：

。

上式的左边是系统参量，它其实是一个定值，我们令其为 K，于是上式就反映了断路器的过载保护特性：过载保护不但与电流的平方有关，还与过载持续时间有关。过载保护的时间表达式为：

，式 4

式 4 的曲线形式是单调递减的，也即电流越大，断路器动作时间 t 就越短。我们把这种特性叫做反时限过载保护特性，用 L 来表示。

当短路电流流过线路和断路器时，线路会受到短路电流的发热冲击和电动力冲击。因此，当发生短路时，断路器必须立即以最快的速度切断线路。由于断路器的开断需要一定的时间，也即断路器的最短开断时间，此时间的长度是固定的。断路器的短路保护动作时间的表达式为：

，式 5

我们把这种保护特性叫做定时限短路保护特性，用 I 来表示。

空气开关的热脱扣器与磁脱扣器动作特性分为 B 特性、C 特性、D 特性和 K 特性。我们看见下图，此图是 B 特性空气开关的 LI 保护脱扣特性曲线（安秒特性曲线）：

图 9 中曲线部分就是反时限过载保护特性，下部垂直部分是短路保护的可调门限，横坐标轴就是短路保护曲线，我们看到动作时间是 0.01s 也即 10ms，此时间就是空气开关的最短保护动作时间、

我们看下图：

图 10 中 B 特性的空气开关一般用于照明回路，C 特性的空气开关用于一般回路，D 特性用于具有强冲击电流的回路，而 K 特性则用于电动机回路。

图 10 中，蓝色的曲线是冷态，黄色的曲线是热态。

3.结论

通过前面的描述，我们看到与空气开关原理相关联的知识量还挺多的，限于篇幅，我们就不细谈了吧。