*** 次数:51505 已用完,请联系开发者*** [什么是空气开关及作用]低压电气和低压电器技术之3——浅谈低压空气开关中的“空气”和灭弧原理

作者:八月      发布时间:2021-04-25      浏览量:0
当我们家里的配电箱坏了,我们请维修人员

当我们家里的配电箱坏了,我们请维修人员来维修时,他会告诉我们:“请您去五金店购买XXA的空气开关”。而当我们来到五金店并说明来意时,店家会拿出一只微型断路器,并且告诉我们,这就是XXA的空气开关。

空气开关这个名词用的如此之广,尽管它的定义不是十分清晰,并且也不符合相关的国家标准,但却为我们广大老百姓们所接受。

我们来看国家标准如何定义。这部标准是:GB14048.2-2008《低压开关设备和控制设备 第2部分:断路器》 。其中有关的定义是:

空气断路器 air circuit-breaker:触头在大气压力的空气中断开和闭合的断路器。

题图中我们看到的是MNS3.0低压抽屉式开关柜中的电动机抽屉,还看到安装在其中的微型断路器MCB。下图是一只ABB的微型断路器:

从图中MCB的线圈右上方,可见到触头,我们看见,包围触头的绝缘介质是空气。这也是空气开关的由来。

这篇短文,打算从三个侧面让大家来了解开关电器中的空气介质特性及熄弧方法。这三个侧面是:空气的放电伏安特性、直流电弧的特性及熄弧方法、交流电弧的特性及熄弧方法。

好,我们就此开始。

第一部分:空气放电的伏安特性

我们来看下图:

图左侧是测试电路。我们看到了直流电源,看到了调整电极电压的可变电阻,还看到了电极。现在我们接通电路,并且开始调节可变电阻R,使得电极间的电压从零开始上升。

我们发现从O到C,这一段的空气击穿特性是非自持的。只要外界条件发生改变,则空气的击穿现象立刻就终止。

OA段的电压很低,但气隙中的空气在宇宙射线或者光照的激发下,有很少的气体被电离。电离后的气体成为正离子和电子,正离子向阴极运动,而电子则向阳极运动。但由于被电离的分子占空气总量的比值过小,所以离子还没运动到电极处,绝大部分就被复合掉了。因此电流很小。

电离分子与空气总量之比称为电离度。

在AB区,电压增高了不少,有部分离子终于到达电极处了,因而电流也略微增大一些。由于离子的产生原因是宇宙射线,而宇宙射线的总量是固定不变的,因此AB区尽管电压变化较大,但电流变化很小。

在BC区,电子(也即负离子)从电场中获得的能量已经够大,因而开始形成电场电离。

设电子的质量为m,其运动速度为v,Wi为电离能,若电子动能大于电离能,也即:

则电子在前进途中,会撞击它所遇见的中性气体分子并使之电离,因而气隙空气中的电离度大增,电流急剧增大。

与此同时,正离子也没闲着。正离子的能量更大,当它到达电极区并狠狠地撞击电极时,把电极金属中的电子给撞出来。这叫做电子的逸出功。逸出的电子加入负离子的队伍,也向正极前进。

终于,在曲线的C点,空气被击穿了。C点的电压也因此被称为击穿电压。

从C到F,空气的电离是自持的,即使没有宇宙射线,电离也能维持。

DE区,空气的放电产生辉光:

上图是稀有气体的辉光放电,下图是电子管中的辉光放电。纯净而又美艳的蓝光,摄人眼帘,漂亮吧?

从E点往右,就是弧光放电了,也就是我们已经熟知的电弧。

这是带电拉闸刀开关产生的电弧:

这是电焊产生的电弧:

还有雷电产生的电弧:

空气被击穿电离后,由于温度极高,大约为6000K,因而产生大量的热。这些热既能用来电焊,但也能对开关电器产生破坏作用。

对于低压电器来说,我们当然希望能把电弧迅速地消除掉。

气体放电和击穿理论内容很多,有流注理论、汤逊放电理论等等,限于篇幅,对于空气的放电和击穿我们只能介绍到这里。

第二部分:直流电弧的特性及熄弧方法

在这部分讨论中,我们先来看看电弧稳定存在的条件,然后再来考虑熄灭电弧的方法。具体讨论如下:

我们来看下图:

先看左上的图1:

图中我们看到是一个很简单的电路。电路中有直流电源E,有电感L,有可变电阻R,还有由断路器开断后的动、静触点构成的两个电极1和2,以及它们中间的电弧。

现在我们来看左下的图2:

图2中的试验条件是: 我们先把电感去除 ,然后让断路器开断形成电弧,再调节可变电阻R,构成两条电弧的伏安特性曲线H1和H2。

解释一下:

我们知道电弧其实是一条炽热的等离子体气体。电弧气体越热,它的等效电阻就越小,电弧电流也就越大。因此,电弧的伏安特性曲线具有负阻特性。

注意:电弧的伏安特性曲线具有负阻特性,这一点非常重要,是我们讨论的基础。

图2中出现了两条电弧伏安特性曲线H1和H2。我们很容易判断出,比较高的H2曲线在相同电弧电压条件下,它的电流更大,电弧温度更高;当然,在相同的电弧电流条件下,H2的电弧电压也越高。

现在我们来看下部中间的图3:

图中我们看到了一条电弧伏安特性曲线A,设它的电弧电流是I1,此时电弧在1点稳定燃烧。我们快速地调小可变电阻R,使得电流由I1增大为I2。结果我们发现,电弧的电压居然跑到3点,然后再回到正常的第4点;如果我们快速地调大可变电阻R,使得电流由I1减