[空气开关和作用是什么]低压电气和低压电气设备技术的3-低压空气开关的空气和灭弧原理

作者:梦兮      发布时间:2021-04-25      浏览量:0
我们家的配电箱坏了,请修理人员修理时,他

我们家的配电箱坏了,请修理人员修理时,他说:请去五金店买XXA的空气开关。来到五金店说明来意的时候,店里拿出微型断路器,告诉我XXA的空气开关。

空气开关这个名词被广泛使用,其定义虽然不清楚,也不符合相关国家标准,但被我们很多人接受。

让我们看看国家标准是如何定义的。该标准为GB14048.2-2008《低压开关设备和控制设备第二部分:断路器》。其中的定义是:

空气断路器air、circuit-breaker:触头在大气压力的空气中断和关闭的断路器。

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,其中安装的微型断路器MCB。下图是ABB的微型断路器:

从图中MCB线圈的右上角可以看到触头,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,打算从三个方面了解开关电器的空气介质特性和灭弧方法。这三个侧面是空气放电伏安特性、直流电弧特性和灭弧方法、交流电弧特性和灭弧方法。

很好。我们从这里开始。

第一部分:空气放电的伏安特性

左侧为测试电路。我们看到直流电源,看到调整电极电压的可变电阻,看到电极。现在我们开通电路,开始调节可变电阻R,从零开始电极间的电压上升。

我们从o到c,发现这一段的空气破坏特性是非自主的。只要外部条件发生变化,空气的破坏现象就会立即结束。

OA段的电压低,但空气间隙中的空气在宇宙射线和光的刺激下,很少有气体被电离。电离后的气体变成正离子和电子,正离子向阴极运动,电子向阳极运动。但是,由于被电离子占空气总量的比例过小,离子还没有移动到电极,大部分都复合了。因此,电流很小。

电离分子与空气总量的比例称为电离度。在AB区,电压增加了很多,一些离子体终于到达电极,因此电流也略有增加。由于离子的产生原因是宇宙射线,宇宙射线的总量不变,AB区尽管电压变化大,但电流变化小。

在BC区,电子(即负离子)从电场获得的能量足够大,因此开始形成电场的电离。

电子质量为m,其运动速度为v,Wi为电离能量,电子动能大于电离能量,即

电子在前进途中,与遇到的中性气体分子相撞,电离大幅度增加,电流急剧增加。

与此同时,正离子也不闲。正离子的能量更大,到达电极区,严重撞击电极时,撞击电极金属中的电子。这叫电子的逸出功。逸出的电子加入了负离子的队伍,也向正极前进。

终于在曲线的c点,空气被破坏了。c点的电压也称为破坏电压。

从C到F,空气的电离是自主的,即使没有宇宙射线,电离也能维持。

DE区、空气放电产生辉煌:

上图为稀有气体辉煌放电,下图为电子管中辉煌放电。纯洁美丽的蓝光,拍人的眼睛,好看吗?

从e点向右,弧光放电,也就是我们熟悉的弧线。

这是带电拉门开关产生的电弧:

这是电焊产生的电弧:

雷电产生的电弧:

空气被电击后,温度极高,约6000K,产生大量热量。这些热量可以用于电焊,但也可以破坏开关电器。

对于低压电器来说,我们当然希望快速消除电弧。

气体放电和破坏理论内容多,有流注理论、汤逊放电理论等,限于篇幅,只能介绍空气的放电和破坏。

第二部分:直流电弧的特性和灭弧方法

在这部分讨论中,首先看电弧稳定的条件,然后考虑灭弧的方法。具体讨论如下:

左上图1:

图中可以看到简单的电路。电路有直流电源e、电感l、可变电阻r、断路器切断后的动静触点构成的两个电极1和2、其中间的电弧。

现在,让我们来看看左下图2:

图2中的试验条件。我们先去除电感,然后切断断断路器形成电弧,调节可变电阻R,构成两个电弧伏安特性曲线H1和H2。

电弧实际上是热等离子体气体。电弧气体越热,等效电阻越小,电弧电流也越大。因此,电弧伏安特性曲线具有负阻特性。

电弧伏安特性曲线具有负阻力特性是非常重要的,是我们讨论的基础。

图2中出现了两条弧伏安特性曲线H1和H2。我们很容易判断,相对较高的H2曲线在相同的弧形电压条件下,其电流更大,弧形温度更高。当然,在相同的弧形电流条件下,H2的弧形电压越高。

现在看下部中间的图3:

图中看到弧伏特性曲线a,设置弧电流为I1,弧在1点稳定燃烧。我们迅速减小可变电阻R,使电流从I1扩大到I2。结果,电弧的电压竟然跑到3点,回到正常的第4点,如果快速扩大可变电阻r,电流从I1减小到I3,电弧的电压先到5点,再到正常的第6点。

奇葩!为什么会这样呢?

电弧是热气体,其温度不允许突变,也就是说电弧对电流变化有一定的限流特性。因此,电弧电压快速变化后,电弧电流变化相对滞后,存在过渡过程。

这个结论也很重要。再次强调电弧的温度不允许突变,电弧具有一定的限流能力。

现在我们来看看最重要的图4。为了方便地看图,我单独列出了图4。

图4的试验条件是电感已接通,可变电阻r调整到某个值,断路器关闭,动作触点关闭。现在切断断断路器,在动静触头之间产生电弧。我们设置了电弧在触头之间稳定燃烧。电弧的伏安特性曲线是红色的实线,我们看到它具有负阻力特性。

我们解决了电路整体用基尔霍夫电压法则KVL,在电流为零/p>

电流为零的情况下,断路器的动静触头之间的电压等于电源电动势e的同时,我们命令

所以画了图4中的斜线EK。电压轴的间隔为e,电流轴的间隔为k,高度为E-RIh。

EK这条线实质上是负荷线,与电弧伏安特性的交点是系统在电弧条件下的工作点。

现在仔细看图4:

电弧伏安特性曲线的左侧1点左侧,右侧2点右侧,斜线EK的高度低于电弧伏安特性曲线,即E-RIh-Uh<0,因此LdIh/dt<0,在这两个地区,电弧电流Ih随着时间的变化而减少。

在1点和2点之间,斜线EK的高度高于弧伏特性曲线,即E-RIh-Uh>0,因此LdIh/dt>0,因此在这个中间区域,弧电流Ih随着时间的变化而增大。

是什么意思?左侧1点为弧形不稳定点,右侧2点为弧形稳定工作点。也就是说,2点是电弧的真正燃烧稳定的工作点。

如果想熄灭电弧,就必须不存在两点。

这个结论是在直流电路中熄灭触头电弧的关键,也是设计各种直流电弧的起点。

从图4看,解决问题的方法是

第一,加大线路电阻,使斜线在电流轴上的断路从k点移动到k点。这样,两点自然不存在。

第二,将电弧伏安特性曲线提高到图4的虚线位置,新的工作曲线在斜线EK上,2点也不存在。

实际直流电弧的熄灭方法:

图1采用p>图1采用电阻弧熄灭方法,对应方法1图2采用电感线圈反向电动势电路增加二极管和电阻串联的方法,该方法也为方法1图3采用电阻吸收方式,图4与图2相似,常用于晶体管开关电路的图5是配电和继保线路中常见的方法,采用相同的触点串联,使短弧变成长弧,降低电弧的温度。

说到直流灭弧,一定要谈到灭弧栅。

该方法采用与图5相似的将短弧变成长弧的方法,降低温度熄弧。

第三部分:交流电弧的特性和灭弧方法

下图为电阻负荷的电压和电流波形图,下图为电感负荷的电压和电流波形图。注意到感性负载时电压超前电流90度。

与直流电弧不同,交流电弧在电流变为零的时候,电弧会自动熄灭,但电流变为零的时候,如果有条件的话,会重新开始电弧。

这种在电流过零前后电弧熄灭的情况下,称为交流电弧的零休现象。请参阅下图。

电流为零后,电弧熄灭。但触头之间的空气间隙仍然灼热,其中还残留着一部分电离气体。这些残留的阳离子和阴离子需要时间恢复成正常的空气分子。

电阻负荷的零休息现象:零休息后,由于残留电离气体形成剩馀电流,电压恢复程度快,电弧重燃。

如果介质(即空气)的恢复强度大于电压的恢复强度,则电弧不会再燃烧。

让我们看看电感负荷的零休息现象。反向波形的电弧电流进入零休息后,正向电压达到最大值,因此电感负荷的电弧重燃会提前。由此可见,电感负载的交流电弧更难熄灭。

因此,我们总结了

交流电弧不再燃烧的条件,介质恢复强度Ujf大于电压恢复强度Uhf。也就是说,

看下图。

上图交流电弧为零后不再燃烧,下图再燃烧。

相信朋友们看到这里,一定能感受到这里的知识量。这里有对气体性质的研究,包括六氟硫气体、空气和真空;还有电压恢复与电路结构的关系,以及各种气体的破坏理论。

对于以空气为绝缘介质的低压电器来说,已经找到了某种材料,作为电弧隔板,电弧的热量会释放出氢气和氮气等六氟化硫特性相似的气体,强化介质的恢复强度,使交流电弧不再燃烧。

这种材料是我们中国人放在牛奶里的三聚氰胺,让我们笑!

目前国内外部分空气断路器内部已经安装了这种材料,取得了良好的效果。

在交流电流下工作的开关电器,其灭弧方法多,包括栅栏灭弧、磁灭弧、纵缝灭弧等。限于篇幅,不再介绍。

低压电气设备中的交流电弧还有一个非常重要的特点,即近阴极效应。

之前,静触头为阳极,动触头为阴极。阳极向阴极发射阳离子,阴极向阳极发射电子。阳离子比电子重得多,跑得慢,阳极附近有很多阳离子。

电流过零后,静触头变成新阴极,附近的阳离子还存在,对新阴极发射电子产生了阻止作用。结果在短时间内阻止了电弧。这个时间的长度约为150微秒。

近阴极效应时间短,对中压长弧没有任何作用,但对低压电弧有很好的限制弧和限制流动作用。

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关于断路器(空气开关)中如何灭弧,断路器的结构和参数与灭弧特性有关,需要后续内容说明。

感谢大家!