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斷路器、負(fù)荷開關(guān)、隔離開關(guān)的開斷能力

發(fā)布日期:2024-04-19 作者:威尼格爾 點(diǎn)擊:

斷路器、負(fù)荷開關(guān)、隔離開關(guān)等等統(tǒng)稱為開關(guān),但對(duì)于開關(guān)電流的開斷和關(guān)合能力各有各的不同。

隔離開關(guān)

隔離開關(guān),隔離即把兩部分分隔開來達(dá)到安全要求,電氣隔離實(shí)現(xiàn)電路的兩部分達(dá)到安全的電氣間隙,即使兩側(cè)有不同的電壓,也能互不干擾,各自安全運(yùn)行,雙電源進(jìn)線的隔離柜實(shí)現(xiàn)兩段母線各自運(yùn)行。

隔離開關(guān)還要求可見斷口,適用于隔離的電器在斷開位置時(shí)必須具有符合隔離功能要求的隔離距離,并應(yīng)提供一種或幾種方法顯示主觸頭的位置:
操動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置指示;
獨(dú)立的機(jī)械式指示器;
所有主動(dòng)觸頭可視。

電器提供的每種指示方式有效性和機(jī)械強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)規(guī)定驗(yàn)證當(dāng)制造商規(guī)定或提供在斷開位置鎖定電器的方式時(shí),在斷開位置的鎖定只能在主觸頭處于斷開位置時(shí)是可能的,這一結(jié)構(gòu)方式按照規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)證。
處于打開位置的機(jī)械連接裝置,確保在特定條件下保持理想的隔離距離。
為了保證電路的安全隔離,它通常與接地開關(guān)相關(guān)聯(lián)。

接地開關(guān)
專門設(shè)計(jì)的開關(guān),用于將相導(dǎo)體接地。
為了在電路上工作時(shí)的安全,它將斷電的有源導(dǎo)體接地。

負(fù)荷開關(guān)
能夠在正常電路條件下建立、維持和斷開電流的機(jī)械連接裝置,包括運(yùn)行中的過載電流。
用于控制電路(打開和關(guān)閉),通常用于執(zhí)行絕緣功能。
在公共和私人中壓配電網(wǎng)中,它經(jīng)常與熔斷器配合使用。

接觸器
具有單個(gè)靜止位置的機(jī)械連接裝置,非手動(dòng)控制,能夠在正常電路條件下建立、維持和斷開電流,包括運(yùn)行中的電壓條件。
適用于非常頻繁功能操作,主要用于電機(jī)控制。
與熔斷器配合使用用于短路保護(hù)。

斷路器
機(jī)械連接裝置,能夠在正常電路條件和特定異常電路條件下(如短路)建立、維持和斷開電流。
通用連接裝置。除了控制電路外,它還保證電路免受電氣故障的影響。替代接觸器用于大型中壓電機(jī)的控制


各種開關(guān)的電流性能



可以看出只有斷路器具備空載、負(fù)載、短路電流的完全開斷和關(guān)合。理想的斷路器是能夠瞬間斷開電流的裝置。

理想的開關(guān)

從理論上講,能夠瞬間斷開電流,就意味著能夠直接從導(dǎo)體狀態(tài)過渡到絕緣體狀態(tài)?!袄硐搿钡淖枇Γ虼?,開關(guān)必須立即從零轉(zhuǎn)到無窮大。
該設(shè)備必須能夠:
在斷路前吸收電路中累積的電磁能量。
承受設(shè)備斷口兩端出現(xiàn)的過電壓(Ldi/dt),如果在極短的時(shí)間內(nèi)從絕緣體傳遞到導(dǎo)體,則過電壓值為無窮大。這將不可避免地導(dǎo)致絕緣擊穿。假設(shè)這些問題已經(jīng)消除,并且在電流到0的自然傳遞和器件的絕緣導(dǎo)體轉(zhuǎn)換之間實(shí)現(xiàn)了完美的同步,仍然還有另一個(gè)困難的方面需要考慮,即瞬時(shí)恢復(fù)電壓(TRV)。事實(shí)上,就在電流中斷后,開關(guān)端子兩端的恢復(fù)電壓加入到網(wǎng)絡(luò)電壓中,此時(shí)無功電路的恢復(fù)電壓處于最大值。由于網(wǎng)絡(luò)的電容,這電流不會(huì)突然中斷。當(dāng)電壓恢復(fù)到與網(wǎng)絡(luò)電壓一致時(shí),就會(huì)建立一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)。該電壓稱為瞬態(tài)恢復(fù)電壓(TRV),取決于網(wǎng)絡(luò)特性,該電壓的增加率(dv/dt)可能相當(dāng)大(幾kV/微秒)。簡(jiǎn)單地說,這意味著為了避免斷路故障,理想的開關(guān)必須能夠在從導(dǎo)體到絕緣體轉(zhuǎn)換后不到一微秒的時(shí)間內(nèi)承受幾kV的電壓,使用電弧斷開。

電弧的存在有兩個(gè)原因:
由于測(cè)量順序的不確定性,實(shí)際上不可能在自然0電流點(diǎn)精確分離觸點(diǎn):對(duì)于rms值為10kA,0之前1 ms的瞬時(shí)電流仍為3000 A。如果設(shè)備立即絕緣,則設(shè)備端子兩端出現(xiàn)的瞬時(shí)過電壓Ldi/dt將是無限的,并導(dǎo)致仍然很小的內(nèi)部接觸間隙立即擊穿。
觸點(diǎn)分離必須以足夠大的速度進(jìn)行,以使觸點(diǎn)之間的介電強(qiáng)度大于瞬態(tài)恢復(fù)電壓。這需要無限大的機(jī)械能,而在實(shí)踐中沒有任何設(shè)備能提供這種能量。
電弧斷路過程分為三個(gè)階段:
持續(xù)電弧階段,
滅弧階段,
弧后階段

電弧傳播階段

在達(dá)到零電流之前,兩個(gè)觸點(diǎn)分離,導(dǎo)致內(nèi)部接觸介質(zhì)的介質(zhì)擊穿。出現(xiàn)的電弧由離子和電子組成的等離子體柱組成,離子和電子來自接觸介質(zhì)或電極釋放的金屬蒸汽。只要其溫度保持在相當(dāng)高的水平,該弧柱就保持導(dǎo)電。因此,電弧由焦耳效應(yīng)耗散的能量“維持”。

由于電弧電阻和表面電壓降(陰極和陽極電壓),兩個(gè)觸點(diǎn)之間出現(xiàn)的電壓稱為電弧電壓(Ua)。其值取決于電弧的性質(zhì),受電流強(qiáng)度和與介質(zhì)(壁、材料等)的熱交換的影響。這種熱交換是輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)的,是裝置冷卻能力的特征。

電弧電壓的作用至關(guān)重要,因?yàn)樵O(shè)備在斷開過程中消耗的功率很大程度上取決于電弧電壓。

電弧熄滅階段


在介質(zhì)迅速再次變得絕緣的情況下,在零電流條件下完成與滅弧對(duì)應(yīng)的電流開斷。要做到這一點(diǎn),必須打破電離分子的通道。消光過程以以下方式完成:接近零電流時(shí),電弧電阻根據(jù)曲線增加,該曲線主要取決于接觸介質(zhì)中的去電離時(shí)間常數(shù),該電阻值不是無限的,并且由于端子兩端出現(xiàn)的瞬態(tài)恢復(fù)電壓,電弧放電后電流再次穿過裝置。

如果焦耳效應(yīng)所消耗的功率超過了設(shè)備的特征冷卻能力,則介質(zhì)不再冷卻:熱傳導(dǎo),然后發(fā)生另一次介質(zhì)擊穿:導(dǎo)致熱失效。另一方面,如果電壓的增加沒有超過某一臨界值,則電弧的電阻可以迅速增加,從而使耗散到介質(zhì)中的功率小于設(shè)備的冷卻能力,從而避免熱失控。

后電弧階段為了成功斷開,還必須使介電恢復(fù)速率比TRV快得多,否則會(huì)發(fā)生介電擊穿。在發(fā)生介電故障的瞬間,介質(zhì)再次變得導(dǎo)電,從而產(chǎn)生瞬態(tài)現(xiàn)象。這些斷開后的電介質(zhì)故障稱為:如果發(fā)生在零電流后的四分之一周期內(nèi),則重燃;如果發(fā)生在其后,則重?fù)舸?/span>

標(biāo)準(zhǔn)中的TRV

盡管TRV的增加率對(duì)設(shè)備的斷開容量有根本影響,但無法精確確定所有網(wǎng)絡(luò)配置的該值。

標(biāo)準(zhǔn)IEC 62271-100定義了與通常遇到的要求相對(duì)應(yīng)的每個(gè)額定電壓的TRV范圍。

斷路器的分?jǐn)嗄芰Χx為:在其額定電壓和相應(yīng)的額定TRV下可斷開的最高電流。


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