跟老帕学低压电器知识:断路器的基本原理
来源:平博     发布时间:2017-12-19 11:33

  张白帆(Patrick Zhang):ABB公司的资深电气工程师,在知乎网具有跨越15万粉丝的电气范畴大神。北京地铁、首都机场T3航站楼、长江三峡永世船闸、上海磁悬浮列车、大亚湾核电站等数百项目中均留下他的脚印!已出书

  本系列文章摘自张白帆教员的书稿《你所不晓得的电气学问——电气世界漫游》(尚未出书)

  当插线板发生短路,短路电流流过毛病插线板,流过电缆导线,当然也流过开关电器,并惹起电气火警。告急时辰,我们当然期望某路开关电器(断路器)施行庇护跳闸。颠末一段短暂的时间后,某路总开关断路器施行跳闸庇护。

  但断路器施行完庇护后,我们能把它合上继续为我们供电吗?这里面有什么学问?

  断路器中流过一般的运转电流时,跟着时间的推移,断路器中的庇护测控安装探测到的发烧量不大,未越过发烧量门限限制值,断路器当然不会施行跳闸操作;当断路器中流过非一般的较大电流时,断路器中的庇护测控安装探测到的发烧量较大,越过了发烧量门限值,断路器施行跳闸操作。

  我们把断路器中流过的非一般大电流叫做过电流。过电流包罗过载电流和短路电流。

  也就是说,过电流越大,断路器动作的时间就越短,它施行线路庇护就越快。这种特征有一个专出名词,叫做断路器的反时限庇护特征。

  我们来看Y=K/X和Y=K/X2这两个幂函数,这里令K=1,获得如下图像:

  我们顿时就能想到:若是让纵坐标Y为断路器的动作时间t,而横坐标X为断路器额定电流的倍率nIe(n是倍率,Ie是断路器的额定电流),我们就可以或许让断路器按电流越大动作时间越快的庇护体例来施行线路庇护操作。

  现实上,断路器的庇护操作就是按这个准绳来进行的。对应的曲线叫做断路器的反时限庇护特征曲线。

  这就是断路器的线路庇护特征曲线。我们看到过载庇护特征t=f(I)与Y=f(1/X) 如斯雷同,其实它们就是统一类函数关系。

  冷态曲线指的是断路器方才送电,断路器内部的温度与情况温度是分歧的,此时的曲线在曲线簇的右侧;热态曲线指的是断路器送电后曾经进入了不变形态,此时的曲线在曲线簇的两头或者左侧。

  热态曲线和冷态曲线在横坐标中的范畴,其实就是断路器短路庇护的范畴。例如B特征是4到7倍额定电流,C特征是7到15倍额定电流。

  当线路发生过载时,也许是由于电压浪涌使得电流临时性变大,等电压浪涌过去,电流就会恢复一般;也许是由于负载瞬时变重,使得电流加大,但负载恢复后,电流也会恢复。如斯一来,断路器的庇护就需要有必然时间的延迟。

  我们看过载庇护曲线。例如B特征冷态曲线Ie位置,此时的纵坐标值为6秒,暗示断路器将在5秒后施行过载庇护跳闸。这里的6秒就是庇护时延(留意:时延指的是庇护操作机构的动作时间延迟)特征。

  我们看B特征冷态曲线Ie的位置,它的动作时间为0.02s,而5Ie的位置动作时间是0.01s。

  我们看到,在4Ie和5Ie之间曲线还有一点反时限特征,但在5Ie之后就完全没有反时限特征了。

  我们把5Ie之后的特征曲线叫做按时限庇护特征曲线,所有短路庇护的时间都是0.01s;把4Ie到5Ie的这一段叫做短路短延时庇护特征曲线。

  短路短延时庇护特征的目标与过载庇护特征雷同,期望短路是一个短暂的姑且现象,若是短路在0.01秒时间内消逝,则断路器就不做开断操作。

  3.断路器的短路庇护分为两段,其一具有反时限的短路短延时庇护特征,其二具有按时限庇护特征。

  图1就是热磁式断路器的布局图。图中右侧的文字申明告诉我们,断路器有三大部件,别离是触头及灭弧系统、操作机构和脱扣器及节制单位。

  从图2中,我们看到了A相、B相和C相主触头,而且曾经闭合了。留意到三组触头都是单触头系统。

  所谓主回路,指的是节制电能传送的回路,它的特点是电流很大,按断路器的规格和型号分歧,主回路的电流在10A到6300A之间。见图中黄色的部门;

  所谓辅助回路,指的是施行节制和信号传送的回路,它的特点是电流较小,一般在5A以下。见图2的左侧。因而,辅助回路不配灭弧安装,而主回路必需配灭弧安装。辅助回路接触点的一般叫做触点,与通俗继电器不异。

  图3的左侧是动静触头系统,我们能看到此中的电流线。留意因为触头的布局所致,触头接触处其实是一个点,因而电流线会向两头倾斜。

  图3的两头是静触头右侧电流线X发生的磁力线分布。我们用右手螺旋定章,很容易判断出它的左侧磁力线是分开纸面出来,右侧是进入纸面。于是动触头电流线s整个处于进入纸面的磁力线的右图是动触头电流线s的电动力阐发图。我们由左手定章判断出它遭到的电动力是F,而且F的标的目的与电流线s垂直指向左上角。我们把F分化为程度分力Fx和向上的分力Fy。因为程度分力遭到触头左侧的对称分布电流线发生的右向程度分力抵消,所以触头不具有谁标的目的的感化力。然而,向上的诸电动力却被迭加,对动触头构成向上的斥力Fh。Fh斥力又叫做霍姆斥力。同理,静触头遭到向下的霍姆斥力。

  由此可知,断路器必需对动静触头施加足够的触头压力,以实现不变靠得住的电接触。

  我们再看图3:图3通过操作手柄,或者电动合闸机构与合闸电磁铁,使得原先处于打开形态的动静触头组合闭合,闭合后用一组弹簧施加压力在触头上,确保触头有足够的接触压力。

  图4中,我们看到连杆机构向左活动并差遣触头闭合。让触头连结闭合形态的是一个叫做“扣”的机构,见右上方的连杆机构。连杆机构迫使触头连结接触形态,并对触头施加触头压力。

  要解开这个“扣”,就要让下方的脱扣杆向上方作右旋活动,然后解开连杆机构的“锁扣”,使得触头打开并解锁。

  能让脱扣杆向上方活动的有四个脱扣器,别离是热脱扣器、磁脱扣器、欠压脱扣器和分励脱扣器。

  这四大根基脱扣器在分歧的断路器中有分歧的设置装备摆设,有的断路器可能打消欠压脱扣器或者分励脱扣器,但一般都具有热脱扣器和磁脱扣器,这也是上述断路器被称为热磁式断路器的缘由。

  所谓双金属片,它的一面是一种金属例如铜,另一面是别的一种金属例如铁。金属有一个特点,就是哪种金属导电机能好,哪种金属的热膨胀系数就高。于是,对于一面是铜而另一面是铁的双金属片,它就会向铁的一面弯曲,并鞭策脱扣杆向上活动,施行脱扣跳闸操作。

  双金属片上环绕纠缠着电热丝,电热丝的电流是从主回路分流过来的,主回路电流越大,电热丝的发烧量也就越大,双金属片的变形度也越大越快。

  因为改型断路器的电流不大(额定电流为250A),因而它采用了将工作电流间接流过双金属片的法子来施行过载电流的丈量,并且磁脱扣器的弹片也与热脱扣器电流线装在一路,操纵电磁力使得弹簧片动作,继而通过脱扣器动作顶杆调理螺丝使得操作机构施行脱扣操作。

  图7中,左下角就是欠压脱扣器。留意看欠压脱扣器的线圈电压:我们看到从B相引一条线,颠末常闭的欠压脱扣按钮和断路器常闭辅助触头,接到欠压脱扣器线圈。而线圈的别的一侧则接到A相。所以欠压脱扣器线V的。

  欠压脱扣器线圈日常平凡必需带电。当系统失压或者按下欠压脱扣按钮后,线圈失压,撞针在弹簧的拉力感化下弹出,使得脱扣杆向上活动,从而惹起脱扣,断路器跳闸庇护。

  当分励脱扣按钮按下后,分励脱扣器线圈得电,脱扣撞针弹出,使得脱扣杆向上活动,从容让断路器跳闸。

  ACB的额定电流范畴从1250A到6300A,额定电流范畴最大;MCCB的额定电流范畴从10A到1600A,额定电流范畴居中;MCB的额定电流范畴从6A到63A,额定电流范畴最小,但它倒是家装用断路器的主力军。

  不管是哪一类,断路器内部动静触头之间的绝缘,依托的就是空气,这也是微型断路器MCB的俗称是空气开关的缘由。

  既然断路器内部动静触头之间的绝缘依托的是空气,我们就有需要来切磋一番空气的击穿特征,以及若干电弧的根基学问。

  这就是电弧,我们看到电弧就是一团高温气体。在电弧内部,温度高达3000度以上,电子会从原子中逸出构成负离子,丢失了因而空气分子全数变成等离子体,也即电子与正离子气体的夹杂体。

  图3中是框架断路器ACB,它正处于打开形态。我们把此时的动触头与静触头之间的最短距离叫做开距。

  图4左图中我们看到了一个电路,此中电极1和电极2别离是阳极和阴极,它们与电池的正极和负极相连。当电压等于零时,电路当然欠亨,电极之间没有电流流过。

  我们调理可变电阻R,逐渐添加电极之间的电压,我们发觉电极之间有电流流过。这是由于宇宙射线的缘由。宇宙射线把空气分子给击穿,击穿后的负离子(电子)活动到阳极,而正离子则活动到阴极。因为地面的宇宙射线密度根基上是常数,所以电极之间的电流不大。见图4右图的A点到B点波形。我们看到触头之间的电压添加了不少,但电流倒是常数。

  我们继续调理可变电阻,电压继续添加。当电压越过B点后,空气遭到电场力的感化起头呈现部门电离,我们看到电流略微添加。当电压达到Uc点时,空气被击穿。此时的电压Uc就是击穿电压。

  我们继续调高电压,我们发觉此时电压起头下降,电流持续增大,空气电离后呈现强光,我们接踵进入了电弧击穿区D区、E区和F区。

  从C点往右,气体击穿后可以或许本人维持,我们把这一段区间叫做自持放电区;从C点往左,气体击穿后不克不及本人维持,这一段区间叫做非自持放电区。

  非自持区段很成心思,它的击穿电压会遭到空气压强的影响,压强越低越容易击穿;同时,它还遭到电极间隙的距离影响,距离越小越容易击穿。所以,击穿电压Uc是气体压强p与电极间隙d之乘积的函数。表征空气击穿特征关系是巴申曲线,如下:

  图中的空气击穿电压呈现最小值(约等于0.4kV),此值对应的pd值为0.47cm.133Pa,也就是电极间隙为4.7mm,空气压强为133Pa。我们晓得,1个大气压是101.325kPa,故此时的空气压强相当于大气压的0.13%,相当于真空了。

  所以,当我们在海平面上把电极之间的距离调整到1cm,随之往高处走,海拔越高击穿电压就越低。也因而,国度尺度中把海拔2000m作为一个标杆。跨越2000m,则电器必需考虑到空气击穿电压降低这个要素。

  留意:巴申曲线最小值点的左侧是真空区段,我们看到它的特点是气压越低,击穿电压越高。正好和空气中的环境反过来了。操纵这个特点,人们设想了真空断路器,并在高压开关中获得普遍使用。

  我们回头再看图3,我们发觉,若开距是在海平面上定义的,那么当海拔跨越2000米后,就要考虑添加开距。然而断路器产物定型后,开距是不克不及添加的,因而只剩下一条路,就是降低断路器的额定电流值和额定电压值,或者说降低容量。

  设断路器原先处于闭合形态并流过额定电流,当断路器打开霎时,它的动静触头之间会呈现电弧。

  因为断路器方才才打开,交换电压尚未发生极性转换,故此时能够认为电源是直流电压。我们设右边是阳极左边是阴极。见图5:

  我们看到,图5的上图中空气被击穿并发生出电弧。电弧中的电子向右边的阳极活动,而正离子则向左边的阴极活动。因为电子质量轻而正离子质量大,有部门正离子保留在阳极附近。

  当交换电压改换极性后,电弧熄灭,而且原先的阳极变成阴极而原先的阴极变成阳极,见图5的下图。

  我们看到,在新阴极附近保留有很多正离子,它们阻遏了新阴极的电子发射,从而具有抑止电弧重燃的功能。这种效应叫做近阴极效应。

  近阴极效应的持续时间很是短暂,只要几个微秒罢了。但对于低压开关电器来说,却十分主要,它对电弧起到限流感化。也因而,几乎所有具有触头的低压开关电器,都具有必然的限流能力,其缘由就是近阴极效应。

  当然,断路器仅仅依托近阴极效应,是没有法子熄灭电弧的。它还要配备灭弧罩,才能无效地灭弧。

  图6中,当断路器的动静触头中呈现电弧后,终究电弧是带电气体,我们操纵电磁推力,把电弧给吹进灭弧罩间隔中。当电弧进入灭弧罩后,这多个间隔内立即就构成了等量的近阴极效应,再加上电弧气体在金属片上的降温,最初电弧熄灭。

  我们曾经晓得,电极分为阳极和阴极。我们来看看电弧在两极上的活动,见图7:

  图7的左1图,阳极鄙人部的动触头上,阴极在上部的静触头上。当断路器开断后,我们看到阴极的电弧弧根很快地就越过触头与灭弧罩间的间隙,几乎与阳极电弧弧根一路同时进入灭弧罩并被灭弧。

  再看图7的左2图,阳极在上图的静触头上,阴极鄙人部的动触头上。当断路器开断后,我们看到阴极电弧不克不及腾跃,它必需比及动触头到了最下方接触到灭弧罩后才能进入灭弧罩。

  再看左3图,此时断路器上部进线,下部出线。因为动触头鄙人,当触头开断后,若是动触头是阳极,电弧天然很容易熄灭;若是动触头是阴极,虽然灭弧难了一些,但因为动触头是负载侧,它的电弧电场强度会弱良多,所以电弧也很容易熄灭。

  再看最右一张图,它的进线鄙人方,属于倒送电。当断路器开断时,若动触头是阳极,它很容易熄灭,但若是动触头是阴极,再加上动触头接在电源侧,电场强度较强,所以电弧更难熄灭。

  本篇内容就到这里。内容较多,大师先消化一番吧。后续我们会切磋断路器的各项手艺参数和目标。望大师继续关心!

  本文是赠书勾当的第一篇文章,先从断路器讲起,大师有什么想说的话,请尽情留言!参与勾当的伴侣们请留意:及时添加小编微信,一切勾当环境尽可控制!

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