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跟老帕学低压电器知识:断路器的基本原理

2019-12-29

  张白帆(Patrick Zhang):ABB公司的资深电气工程师,在知乎网拥有超过15万粉丝的电气领域大神。北京地铁、首都机场T3航站楼、长江三峡永久船闸、上海磁悬浮列车、大亚湾核电站等数百项目中均留下他的足迹!已出版

  当插线板发生短路,短路电流流过故障插线板,流过电缆导线,当然也流过开关电器,并引起电气火灾。紧急时刻,我们当然期望某路开关电器(断路器)执行保护跳闸。经过一段短暂的时间后,某路总开关断路器执行跳闸保护。

  断路器中流过正常的运行电流时,随着时间的推移,断路器中的保护测控装置探测到的发热量不大,未越过发热量门限限制值,断路器当然不会执行跳闸操作;当断路器中流过非正常的较大电流时,断路器中的保护测控装置探测到的发热量较大,越过了发热量门限值,断路器执行跳闸操作。

  也就是说,过电流越大,断路器动作的时间就越短,它执行线路保护就越快。这种特性有一个专有名词,叫做断路器的反时限保护特性。

  我们马上就能想到:如果让纵坐标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),我们就能够让断路器按电流越大动作时间越快的保护方式来执行线路保护操作。

  这就是断路器的线路保护特性曲线。我们看到过载保护特性t=f(I)与Y=f(1/X) 如此类似,其实它们就是同一类函数关系。

  冷态曲线指的是断路器刚刚送电,断路器内部的温度与环境温度是一致的,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已经进入了稳定状态,此时的曲线在曲线簇的中间或者左侧。

  热态曲线和冷态曲线在横坐标中的范围,其实就是断路器短路保护的范围。例如B特性是4到7倍额定电流,C特性是7到15倍额定电流。

  当线路发生过载时,也许是因为电压浪涌使得电流暂时性变大,等电压浪涌过去,电流就会恢复正常;也许是因为负载瞬时变重,使得电流加大,但负载恢复后,电流也会恢复。如此一来,断路器的保护就需要有一定时间的延迟。

  我们看过载保护曲线。例如B特性冷态曲线Ie位置,此时的纵坐标值为6秒,表示断路器将在5秒后执行过载保护跳闸。这里的6秒就是保护时延(注意:时延指的是保护操作机构的动作时间延迟)特性。

  我们看B特性冷态曲线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性,但在5Ie之后就完全没有反时限特性了。

  我们把5Ie之后的特性曲线叫做定时限保护特性曲线,所有短路保护的时间都是0.01s;把4Ie到5Ie的这一段叫做短路短延时保护特性曲线。

  短路短延时保护特性的目的与过载保护特性类似,期望短路是一个短暂的临时现象,如果短路在0.01秒时间内消失,则断路器就不做开断操作。

  图1就是热磁式断路器的结构图。图中右侧的文字说明告诉我们,断路器有三大部件,分别是触头及灭弧系统、操作机构和脱扣器及控制单元。

  所谓主回路,指的是控制电能传递的回路,它的特点是电流很大,按断路器的规格和型号不同,主回路的电流在10A到6300A之间。见图中黄色的部分;

  所谓辅助回路,指的是执行控制和信号传递的回路,它的特点是电流较小,一般在5A以下。见图2的左侧。因此,辅助回路不配灭弧装置,而主回路必须配灭弧装置。辅助回路接触点的一般叫做触点,与普通继电器相同。

  图3的左侧是动静触头系统,我们能看到其中的电流线。注意由于触头的结构所致,触头接触处其实是一个点,因此电流线会向中间倾斜。

  图3的中间是静触头右侧电流线X产生的磁力线分布。我们用右手螺旋定则,很容易判断出它的左侧磁力线是离开纸面出来,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的电动力分析图。我们由左手定则判断出它受到的电动力是F,并且F的方向与电流线s垂直指向左上角。我们把F分解为水平分力Fx和向上的分力Fy。由于水平分力受到触头左侧的对称分布电流线产生的右向水平分力抵消,所以触头不存在谁方向的作用力。然而,向上的诸电动力却被叠加,对动触头形成向上的斥力Fh。Fh斥力又叫做霍姆斥力。同理,静触头受到向下的霍姆斥力。

  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,使得原先处于打开状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运动并驱使触头闭合。让触头保持闭合状态的是一个叫做“扣”的机构,见右上方的连杆机构。连杆机构迫使触头保持接触状态,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运动,然后解开连杆机构的“锁扣”,使得触头打开并解锁。

  这四大基本脱扣器在不同的断路器中有不同的配置,有的断路器可能取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原因。

  所谓双金属片,它的一面是一种金属例如铜,另一面是另外一种金属例如铁。金属有一个特点,就是哪种金属导电性能好,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,并推动脱扣杆向上运动,执行脱扣跳闸操作。

  双金属片上缠绕着电热丝,电热丝的电流是从主回路分流过来的,主回路电流越大,电热丝的发热量也就越大,双金属片的变形度也越大越快。

  由于改型断路器的电流不大(额定电流为250A),因此它采用了将工作电流直接流过双金属片的办法来执行过载电流的测量,而且磁脱扣器的弹片也与热脱扣器电流线装在一起,利用电磁力使得弹簧片动作,继而通过脱扣器动作顶杆调节螺丝使得操作机构执行脱扣操作。

  图7中,左下角就是欠压脱扣器。注意看欠压脱扣器的线圈电压:我们看到从B相引一条线,经过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。而线圈的另外一侧则接到A相。所以欠压脱扣器线V的。

  欠压脱扣器线圈平时必须带电。当系统失压或者按下欠压脱扣按钮后,线圈失压,撞针在弹簧的拉力作用下弹出,使得脱扣杆向上运动,从而引起脱扣,断路器跳闸保护。

  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,使得脱扣杆向上运动,从容让断路器跳闸。

  ACB的额定电流范围从1250A到6300A,额定电流范围最大;MCCB的额定电流范围从10A到1600A,额定电流范围居中;MCB的额定电流范围从6A到63A,额定电流范围最小,但它却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,依靠的就是空气,这也是微型断路器MCB的俗称是空气开关的原因。

  既然断路器内部动静触头之间的绝缘依靠的是空气,我们就有必要来探讨一番空气的击穿特性,以及若干电弧的基本知识。

  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形成负离子,丢失了因此空气分子全部变成等离子体,也即电子与正离子气体的混合体。

  图3中是框架断路器ACB,它正处于打开状态。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,其中电极1和电极2分别是阳极和阴极,它们与电池的正极和负极相连。当电压等于零时,电路当然不通,电极之间没有电流流过。

  我们调节可变电阻R,逐步增加电极之间的电压,我们发现电极之间有电流流过。这是因为宇宙射线的原因。宇宙射线把空气分子给击穿,击穿后的负离子(电子)运动到阳极,而正离子则运动到阴极。由于地面的宇宙射线密度基本上是常数,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增加了不少,但电流却是常数。

  我们继续调节可变电阻,电压继续增加。当电压越过B点后,空气受到电场力的作用开始出现部分电离,我们看到电流略微增加。当电压到达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,我们发现此时电压开始下降,电流持续增大,空气电离后出现强光,我们相继进入了电弧击穿区D区、E区和F区。

  从C点往右,气体击穿后能够自己维持,我们把这一段区间叫做自持放电区;从C点往左,气体击穿后不能自己维持,这一段区间叫做非自持放电区。

  非自持区段很有意思,它的击穿电压会受到空气压强的影响,压强越低越容易击穿;同时,它还受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。表征空气击穿特性关系是巴申曲线,如下:

  图中的空气击穿电压出现最小值(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。我们知道,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。也因此,国家标准中把海拔2000m作为一个标杆。超过2000m,则电器必须考虑到空气击穿电压降低这个因素。

  注意: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。正好和空气中的情况反过来了。利用这个特点,人们设计了真空断路器,并在高压开关中得到广泛运用。

  我们回头再看图3,我们发现,若开距是在海平面上定义的,那么当海拔超过2000米后,就要考虑增加开距。然而断路器产品定型后,开距是不能增加的,因此只剩下一条路,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。

  由于断路器刚刚才打开,交流电压尚未发生极性转换,故此时可以认为电源是直流电压。我们设左边是阳极右边是阴极。见图5:

  我们看到,图5的上图中空气被击穿并产生出电弧。电弧中的电子向左边的阳极运动,而正离子则向右边的阴极运动。由于电子质量轻而正离子质量大,有部分正离子保留在阳极附近。

  我们看到,在新阴极附近保存有许多正离子,它们阻止了新阴极的电子发射,从而具有抑制电弧重燃的功能。这种效应叫做近阴极效应。

  近阴极效应的持续时间非常短暂,只有几个微秒而已。但对于低压开关电器来说,却十分重要,它对电弧起到限流作用。也因此,几乎所有具有触头的低压开关电器,都具有一定的限流能力,其原因就是近阴极效应。

  图6中,当断路器的动静触头中出现电弧后,毕竟电弧是带电气体,我们利用电磁推力,把电弧给吹进灭弧罩间隔中。当电弧进入灭弧罩后,这多个间隔内立刻就形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,最后电弧熄灭。

  图7的左1图,阳极在下部的动触头上,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起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,阴极在下部的动触头上。当断路器开断后,我们看到阴极电弧不能跳跃,它必须等到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。由于动触头在下,当触头开断后,如果动触头是阳极,电弧自然很容易熄灭;如果动触头是阴极,虽然灭弧难了一些,但由于动触头是负载侧,它的电弧电场强度会弱很多,所以电弧也很容易熄灭。

  再看最右一张图,它的进线在下方,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,但如果动触头是阴极,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,大家先消化一番吧。后续我们会探讨断路器的各项技术参数和指标。望大家继续关注!

  本文是赠书活动的第一篇文章,先从断路器讲起,大家有什么想说的话,请尽情留言!参与活动的朋友们请注意:及时添加小编微信,一切活动情况尽可掌握!