从电路原理到安全防护：开关按钮如何避免短路和电火花？

设计、材料、制造工艺以及遵循的安全标准。这涉及到从电路断开原理到物理结构防护的多个层面。以下是关键的机制和防护措施：

短路通常发生在开关内部触点之间、触点与金属外壳或安装支架之间意外形成低电阻通路。避免措施包括：

足够的电气间隙和爬电距离：

• 电气间隙： 两个导电部件之间通过空气的最短空间距离。设计时必须确保在开关的最高工作电压下，这个距离足以防止空气被击穿（产生电弧火花）。
• 爬电距离： 两个导电部件之间沿绝缘材料表面的最短距离。设计时必须确保在开关的最高工作电压下，这个距离足以防止沿绝缘体表面发生漏电、闪络（表面击穿），尤其是在潮湿、污染的环境下。
• 国际标准（如IEC 60947, UL 508等）对不同电压等级和应用环境有明确的最小间隙和爬电距离要求。

高质量的绝缘材料：

• 使用具有高介电强度、高电阻率、良好耐热性、耐电弧性和阻燃性的绝缘材料（如陶瓷、热固性塑料如酚醛树脂、DMC/BMC、增强尼龙等）来制造开关的底座、外壳、隔板等。
• 这些材料能有效隔离带电部件之间以及带电部件与接地金属件/外壳之间的电气连接。

合理的结构设计：

• 物理隔离屏障： 在关键触点之间或触点与外壳之间设置绝缘隔板或肋条，增加爬电距离和电气间隙。
• 密封结构： 对于需要防尘、防潮的应用（如户外、工业环境），开关采用密封设计（如O型圈、灌封胶），防止导电粉尘、湿气、腐蚀性气体侵入内部造成短路。
• 防护等级： 外壳提供符合应用要求的IP防护等级（如IP65, IP67），防止固体异物和液体侵入。
• 可靠的固定和定位： 确保内部活动部件（如触点支架、弹簧）在操作过程中不会移位、变形或断裂，避免意外接触到不该接触的部件。

高质量的触点和连接：

• 确保开关内部的接线端子、导体连接牢固可靠，避免因振动、发热导致松动、脱落而搭接到其他金属部件上。

当开关断开负载（尤其是感性负载如电机、继电器线圈）时，触点分离瞬间，由于电感试图维持电流不变，会在触点间隙产生较高的感应电动势（反电势）。如果这个电压超过触点间隙的介质强度（击穿电压），就会击穿空气形成电弧（电火花）。电弧产生高温，会烧蚀触点，降低开关寿命，甚至引发火灾或爆炸风险。抑制措施包括：

快速分断机构：

• 设计高效的弹簧机构或速动机构，使触点在分离瞬间获得极高的分离速度，迅速拉开触点间距。这有两个好处：
  • 快速增大间隙，使介质强度迅速恢复，超过触点间电压，从而快速熄灭电弧。
  • 缩短电弧燃烧时间，减少能量释放和对触点的烧蚀。快动开关（Snap-Action Switch）是此原理的典型应用。

灭弧装置：

• 磁吹灭弧： 利用电弧电流自身产生的磁场（或外加磁场），通过特殊设计的导磁铁片或线圈，将电弧拉长、吹入由耐高温绝缘材料（如陶瓷）制成的狭缝或迷宫状的灭弧室中。电弧被拉长、分割、冷却，使其电压降增加而电流减小，最终熄灭。常见于大电流开关、接触器。
• 灭弧栅： 由一组平行且绝缘的金属栅片组成。电弧被磁场或热气流吹入栅片之间，被分割成多个串联的短弧。每个短弧在栅片间产生压降（阴极+阳极压降），总压降增大，当总压降大于电源电压时，电弧熄灭。非常有效且常见。
• 气吹灭弧： 利用压缩空气或开关动作产生的气流吹拂电弧，使其拉长、冷却、熄灭。常用于高压断路器。
• 真空灭弧： 将触点密封在真空环境中。真空中几乎没有可被电离的气体分子，介质强度极高，能迅速熄灭电弧且无重燃风险。用于高性能、长寿命应用。
• 气体灭弧（SF6）： 利用具有优异灭弧和绝缘性能的六氟化硫气体包围触点。SF6气体吸收电弧能量能力强，绝缘强度高。用于高压开关设备。

触点材料选择：

• 选用具有高熔点、高沸点、高导热性、高导电性、低接触电阻、抗熔焊、抗电弧烧蚀的材料。常用材料包括：
  • 银合金： 如银氧化镉、银镍、银氧化锡、银氧化锌等。这些合金在保持良好导电性的同时，提高了抗熔焊、耐电弧烧蚀和抗材料转移能力。
  • 铜合金： 用于大电流场合，但需配合良好灭弧措施。
  • 钨/钨合金： 极高熔点和硬度，极耐烧蚀，但导电性较差，常与铜复合使用（铜钨复合材料）。

并联RC吸收电路（针对感性负载）：

• 在开关触点两端并联一个由电阻和电容串联组成的吸收电路（Snubber Circuit）。
• 原理： 当触点断开时，感性负载产生的反电势会通过电阻给电容充电，将电感储存的能量转化为电容中的电场能，再通过电阻以热能形式缓慢消耗掉。这大大降低了触点断开瞬间的电压上升率，有效抑制了电弧的产生。
• 这是抑制感性负载断开火花最常用且有效的外部措施之一。

并联压敏电阻（针对容性负载或过电压）：

• 在开关触点两端并联压敏电阻（Varistor），主要针对容性负载（如开关电源输入滤波电容）接通时的浪涌电流或线路中的过电压（如雷击感应）。
• 原理： 当电压超过压敏电阻的阈值时，其电阻急剧下降，吸收浪涌能量，保护触点免受大电流冲击和熔焊。

双断点结构：

• 每个极的电路由串联的两对触点同时断开。这相当于将电弧电压一分为二，每对触点上的电压降低，更容易熄灭电弧。同时增加了总的电气间隙和爬电距离。

开关按钮避免短路和电火花是一个系统工程，依赖于：

通过这些综合措施，现代开关按钮能够在各种应用条件下安全可靠地工作，最大限度地避免短路事故和由电火花引发的风险。