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低压电气和低压电器技术之3——浅谈低压空气开

发布日期:2021-02-24 09:14   浏览量:

低压电器产品量大面广,是用电环节中最靠近终端用户侧的电气装置,其应用的可靠性对终端用户的意义极大。

  低压电器的智能化发展将不断推进我国输配电产业的向前发展。

  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aircircuit-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:

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。

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:

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减小为I3,我们发现电弧电压先到5点,然后才到正常的第6点。

  奇怪!为什么会这样?

  道理是这样的:电弧是一团炽热的气体,它的温度不允许突变,也就是说,电弧对电流变化有一定的限流特性。因此当电弧电压迅速变化后,电弧电流的变化相对迟滞,存在过渡过程。

  这个结论也很重要。再次强调一下:由于电弧的温度不允许突变,因此电弧具有一定的限流能力。

  现在我们来看最重要的图4。为了看图方便,我把图4单独列出

 图4的试验条件是:电感已经接入,可变电阻R调整到某值,断路器已经闭合,其动静触点处于闭合状态。现在开断断路器,于是在动静触头间出现电弧。我们设,电弧在触头间稳定地燃烧。电弧的伏安特性曲线是红色的实线,我们看到它具有负阻特性。

  我们对整个电路用基尔霍夫电压定律KVL求解,得到下式:

 

  当电流为零时,断路器动静触头之间的电压等于电源电动势E;同时,我们令:

 

  于是,我们就绘出了图4中的斜线EK。它在电压轴上的截距是E,在电流轴上的截距是K,它的高度是E-RIh。

  EK这条线实质上就是负载线,它与电弧伏安特性的交点就是系统在生弧条件下的工作点。

  现在我们来仔细看图4:

  在电弧伏安特性曲线左侧的1点往左,以及右侧的2点往右,斜线EK的高度低于电弧伏安特性曲线,也即E-RIh-Uh<0,故LdIh/dt<0,所以在这两个区域中,电弧电流Ih将随着时间的变化而减小。

  在1点和2点的中间,斜线EK的高度高于电弧伏安特性曲线,也即E-RIh-Uh>0,故LdIh/dt>0,所以在这个中间区域中,电弧电流Ih将随着时间的变化而增大。

  什么意思呢?左侧的1点为电弧的不稳定点,右侧的2点为电弧的稳定工作点。也即:2点为电弧真正的燃烧稳定工作点。

  如果我们希望电弧熄灭,我们就必须让2点不存在。

  这个结论就是在直流电路中熄灭触头电弧的关键点,也是我们设计各种熄灭直流电弧措施的出发点。

图1采取电阻灭弧的方法,对应于方法1;图2采取在电感线圈的反向电动势回路中增加泄放二极管和电阻串联的方式,此法亦为方法1;图3采用阻容吸收的方式,图4与图2类似,常用于晶体管开关电路;图5是配电和继保线路中常见方式,采取同类触点串联,使得短弧变为长弧,以对电弧降温熄弧。

当电流过零后,电弧熄灭。但是触头间的气隙仍然是灼热的,其中残存着部分电离气体。这些残存的阳离子和阴离子需要时间来恢复成正常的空气分子。

  我们看电阻性负载的零休现象:零休后,由于残留电离气体形成了剩余电流,再加上电压恢复的程度比较快,使得电弧重燃。

  显见,如果我们能设法让介质(也即空气)恢复强度大于电压恢复强度,则电弧就不会重燃。

  我们再看电感性负载的零休现象:当反向波形的电弧电流进入零休并过零时,正向电压已经到达最大值,因此电感性负载的电弧重燃会提前。由此可知,电感性负载的交流电弧更加难以熄灭。

  由此我们总结出一个非常重要的结论:

  交流电弧不重燃的条件是:介质恢复强度Ujf大于电压恢复强度Uhf。也即:

 

  从图4看,解决问题的方法是:

  第一:加大线路电阻,使得斜线在电流轴上的截距由K点移动到K'点。这样一来,2点自然就不存在了。

  第二:提高电弧的伏安特性曲线到图4中的虚线位置,使得新工作曲线在斜线EK之上,2点也就不存在了。

  我们来看看实际的熄灭直流电弧的方法:

上图中交流电弧过零后不会重燃,下图则会重燃。

  相信知友们看到这里,一定能够体会和感觉到这里面的知识量十分丰富。这里有对气体性质的研究,包括六氟化硫气体、空气和真空;还有电压恢复与电路结构的关系,以及各种气体的击穿理论。

  对于以空气作为绝缘介质的低压电器来说,已经找到了某种材料,用它作为电弧隔板时,电弧的热量会使得这种材料释放出类似六氟化硫的气体,加强介质恢复强度,使得交流电弧不再重燃。

  目前,国内外有些空气断路器内已经安装有这种材料,取得良好的效果。

  工作在交流电流下的开关电器,其灭弧方法很多,有栅片灭弧、磁吹灭弧、纵缝灭弧等等。限于篇幅,不再介绍。

  低压电器中的交流电弧,还有一个很重要的”特色“,就是近阴极效应。

  设电流过零前,静触头是阳极,动触头是阴极。阳极发射阳离子到阴极,而阴极这发射电子到阳极。阳离子比电子重得多因而跑得慢,所以在阳极附近有大量的阳离子存在。

  电流过零后,静触头变为新阴极,其附近的阳离子还存在,于是对新阴极发射电子产生了阻挡作用。其结果在很短的一段时间内,阻止了起弧。这段时间长度大约为150微秒。

  近阴极效应由于时间短,对于中压的长弧不起任何作用,但对于低压电弧来说,能起到很好的限制起弧和限流

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