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断路器、负荷开关、隔离开关的开断能力

发布日期:2024-04-19 作者:威尼格尔 点击:

断路器、负荷开关、隔离开关等等统称为开关,但对于开关电流的开断和关合能力各有各的不同。

隔离开关

隔离开关,隔离即把两部分分隔开来达到安全要求,电气隔离实现电路的两部分达到安全的电气间隙,即使两侧有不同的电压,也能互不干扰,各自安全运行,双电源进线的隔离柜实现两段母线各自运行。

隔离开关还要求可见断口,适用于隔离的电器在断开位置时必须具有符合隔离功能要求的隔离距离,并应提供一种或几种方法显示主触头的位置:
操动机构的位置指示;
独立的机械式指示器;
所有主动触头可视。

电器提供的每种指示方式有效性和机械强度应根据规定验证当制造商规定或提供在断开位置锁定电器的方式时,在断开位置的锁定只能在主触头处于断开位置时是可能的,这一结构方式按照规定进行验证。
处于打开位置的机械连接装置,确保在特定条件下保持理想的隔离距离。
为了保证电路的安全隔离,它通常与接地开关相关联。

接地开关
专门设计的开关,用于将相导体接地。
为了在电路上工作时的安全,它将断电的有源导体接地。

负荷开关
能够在正常电路条件下建立、维持和断开电流的机械连接装置,包括运行中的过载电流。
用于控制电路(打开和关闭),通常用于执行绝缘功能。
在公共和私人中压配电网中,它经常与熔断器配合使用。

接触器
具有单个静止位置的机械连接装置,非手动控制,能够在正常电路条件下建立、维持和断开电流,包括运行中的电压条件。
适用于非常频繁功能操作,主要用于电机控制。
与熔断器配合使用用于短路保护。

断路器
机械连接装置,能够在正常电路条件和特定异常电路条件下(如短路)建立、维持和断开电流。
通用连接装置。除了控制电路外,它还保证电路免受电气故障的影响。替代接触器用于大型中压电机的控制


各种开关的电流性能



可以看出只有断路器具备空载、负载、短路电流的完全开断和关合。理想的断路器是能够瞬间断开电流的装置。

理想的开关

从理论上讲,能够瞬间断开电流,就意味着能够直接从导体状态过渡到绝缘体状态。“理想”的阻力,因此,开关必须立即从零转到无穷大。
该设备必须能够:
在断路前吸收电路中累积的电磁能量。
承受设备断口两端出现的过电压(Ldi/dt),如果在极短的时间内从绝缘体传递到导体,则过电压值为无穷大。这将不可避免地导致绝缘击穿。假设这些问题已经消除,并且在电流到0的自然传递和器件的绝缘导体转换之间实现了完美的同步,仍然还有另一个困难的方面需要考虑,即瞬时恢复电压(TRV)。事实上,就在电流中断后,开关端子两端的恢复电压加入到网络电压中,此时无功电路的恢复电压处于最大值。由于网络的电容,这电流不会突然中断。当电压恢复到与网络电压一致时,就会建立一个不稳定状态。该电压称为瞬态恢复电压(TRV),取决于网络特性,该电压的增加率(dv/dt)可能相当大(几kV/微秒)。简单地说,这意味着为了避免断路故障,理想的开关必须能够在从导体到绝缘体转换后不到一微秒的时间内承受几kV的电压,使用电弧断开。

电弧的存在有两个原因:
由于测量顺序的不确定性,实际上不可能在自然0电流点精确分离触点:对于rms值为10kA,0之前1 ms的瞬时电流仍为3000 A。如果设备立即绝缘,则设备端子两端出现的瞬时过电压Ldi/dt将是无限的,并导致仍然很小的内部接触间隙立即击穿。
触点分离必须以足够大的速度进行,以使触点之间的介电强度大于瞬态恢复电压。这需要无限大的机械能,而在实践中没有任何设备能提供这种能量。
电弧断路过程分为三个阶段:
持续电弧阶段,
灭弧阶段,
弧后阶段

电弧传播阶段

在达到零电流之前,两个触点分离,导致内部接触介质的介质击穿。出现的电弧由离子和电子组成的等离子体柱组成,离子和电子来自接触介质或电极释放的金属蒸汽。只要其温度保持在相当高的水平,该弧柱就保持导电。因此,电弧由焦耳效应耗散的能量“维持”。

由于电弧电阻和表面电压降(阴极和阳极电压),两个触点之间出现的电压称为电弧电压(Ua)。其值取决于电弧的性质,受电流强度和与介质(壁、材料等)的热交换的影响。这种热交换是辐射、对流和传导的,是装置冷却能力的特征。

电弧电压的作用至关重要,因为设备在断开过程中消耗的功率很大程度上取决于电弧电压。

电弧熄灭阶段


在介质迅速再次变得绝缘的情况下,在零电流条件下完成与灭弧对应的电流开断。要做到这一点,必须打破电离分子的通道。消光过程以以下方式完成:接近零电流时,电弧电阻根据曲线增加,该曲线主要取决于接触介质中的去电离时间常数,该电阻值不是无限的,并且由于端子两端出现的瞬态恢复电压,电弧放电后电流再次穿过装置。

如果焦耳效应所消耗的功率超过了设备的特征冷却能力,则介质不再冷却:热传导,然后发生另一次介质击穿:导致热失效。另一方面,如果电压的增加没有超过某一临界值,则电弧的电阻可以迅速增加,从而使耗散到介质中的功率小于设备的冷却能力,从而避免热失控。

后电弧阶段为了成功断开,还必须使介电恢复速率比TRV快得多,否则会发生介电击穿。在发生介电故障的瞬间,介质再次变得导电,从而产生瞬态现象。这些断开后的电介质故障称为:如果发生在零电流后的四分之一周期内,则重燃;如果发生在其后,则重击穿。

标准中的TRV

尽管TRV的增加率对设备的断开容量有根本影响,但无法精确确定所有网络配置的该值。

标准IEC 62271-100定义了与通常遇到的要求相对应的每个额定电压的TRV范围。

断路器的分断能力定义为:在其额定电压和相应的额定TRV下可断开的最高电流。


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