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| 淺談低壓空氣開關中的“空氣” |
| 發布時間:2016-09-30 11:14:43| 瀏覽次數： |
“中國制造2025”背景下的低壓電器產業發展與提升，以創新技術加速企業生產力更新換代，以智能制造牽引低壓電器產業生產設備及工藝升級。 低壓電器產品量大面廣，是用電環節中最靠近終端用戶側的電氣裝置，其應用的可靠性對終端用戶的意義極大。 低壓電器的智能化發展將不斷推進我國輸配電產業的向前發展。 當我們家里的配電箱壞了，我們請維修人員來維修時，他會告訴我們：“請您去五金店購買XXA的空氣開關”。而當我們來到五金店并說明來意時，店家會拿出一只微型斷路器，并且告訴我們，這就是XXA的空氣開關。 空氣開關這個名詞用的如此之廣，盡管它的定義不是十分清晰，并且也不符合相關的國家標準，但卻為我們廣大老百姓們所接受。 我們來看國家標準如何定義。這部標準是：GB14048.2-2008《低壓開關設備和控制設備第2部分：斷路器》。其中有關的定義是：空氣斷路器aircircuit-breaker：觸頭在大氣壓力的空氣中斷開和閉合的斷路器。 題圖中我們看到的是MNS3.0低壓抽屜式開關柜中的電動機抽屜，還看到安裝在其中的微型斷路器MCB。下圖是一只ABB的微型斷路器：
第一部分：空氣放電的伏安特性 來看下圖：
圖左側是測試電路。我們看到了直流電源，看到了調整電極電壓的可變電阻，還看到了電極。現在我們接通電路，并且開始調節可變電阻R，使得電極間的電壓從零開始上升。 我們發現從O到C，這一段的空氣擊穿特性是非自持的。只要外界條件發生改變，則空氣的擊穿現象立刻就終止。 OA段的電壓很低，但氣隙中的空氣在宇宙射線或者光照的激發下，有很少的氣體被電離。電離后的氣體成為正離子和電子，正離子向陰極運動，而電子則向陽極運動。但由于被電離的分子占空氣總量的比值過小，所以離子還沒運動到電極處，絕大部分就被復合掉了。因此電流很小。 電離分子與空氣總量之比稱為電離度。 在AB區，電壓增高了不少，有部分離子終于到達電極處了，因而電流也略微增大一些。由于離子的產生原因是宇宙射線，而宇宙射線的總量是固定不變的，因此AB區盡管電壓變化較大，但電流變化很小。 在BC區，電子（也即負離子）從電場中獲得的能量已經夠大，因而開始形成電場電離。 設電子的質量為m，其運動速度為v，Wi為電離能，若電子動能大于電離能，也即：
則電子在前進途中，會撞擊它所遇見的中性氣體分子并使之電離，因而氣隙空氣中的電離度大增，電流急劇增大。 與此同時，正離子也沒閑著。正離子的能量更大，當它到達電極區并狠狠地撞擊電極時，把電極金屬中的電子給撞出來。這叫做電子的逸出功。逸出的電子加入負離子的隊伍，也向正極前進。 終于，在曲線的C點，空氣被擊穿了。C點的電壓也因此被稱為擊穿電壓。
從C到F，空氣的電離是自持的，即使沒有宇宙射線，電離也能維持。
DE區，空氣的放電產生輝光：
上圖是稀有氣體的輝光放電，下圖是電子管中的輝光放電。純凈而又美艷的藍光，攝人眼簾。 從E點往右，就是弧光放電了，也就是我們已經熟知的電弧。 這是帶電拉閘刀開關產生的電弧：
這是電焊產生的電弧：
還有雷電產生的電弧：
空氣被擊穿電離后，由于溫度極高，大約為6000K，因而產生大量的熱。這些熱既能用來電焊，但也能對開關電器產生破壞作用。 對于低壓電器來說，我們當然希望能把電弧迅速地消除掉。 氣體放電和擊穿理論內容很多，有流注理論、湯遜放電理論等等，限于篇幅，對于空氣的放電和擊穿我們只能介紹到這里。 第二部分：直流電弧的特性及熄弧方法 在這部分討論中，我們先來看看電弧穩定存在的條件，然后再來考慮熄滅電弧的方法。具體討論如下： 來看下圖：
現在我們來看左下的圖2：圖2中的試驗條件是：我們先把電感去除，然后讓斷路器開斷形成電弧，再調節可變電阻R，構成兩條電弧的伏安特性曲線H1和H2。 我們知道電弧其實是一條熾熱的等離子體氣體。電弧氣體越熱，它的等效電阻就越小，電弧電流也就越大。因此，電弧的伏安特性曲線具有負阻特性。 注意：電弧的伏安特性曲線具有負阻特性，這一點非常重要，是我們討論的基礎。 圖2中出現了兩條電弧伏安特性曲線H1和H2。我們很容易判斷出，比較高的H2曲線在相同電弧電壓條件下，它的電流更大，電弧溫度更高；當然，在相同的電弧電流條件下，H2的電弧電壓也越高。 現在我們來看下部中間的圖3：圖中我們看到了一條電弧伏安特性曲線A，設它的電弧電流是I1，此時電弧在1點穩定燃燒。我們快速地調小可變電阻R，使得電流由I1增大為I2。結果我們發現，電弧的電壓居然跑到3點，然后再回到正常的第4點；如果我們快速地調大可變電阻R，使得電流由I1減小為I3，我們發現電弧電壓先到5點，然后才到正常的第6點。 電弧是一團熾熱的氣體，它的溫度不允許突變，也就是說，電弧對電流變化有一定的限流特性。因此當電弧電壓迅速變化后，電弧電流的變化相對遲滯，存在過渡過程。 圖4的試驗條件是：電感已經接入，可變電阻R調整到某值，斷路器已經閉合，其動靜觸點處于閉合狀態。現在開斷斷路器，于是在動靜觸頭間出現電弧。我們設，電弧在觸頭間穩定地燃燒。電弧的伏安特性曲線是紅色的實線，我們看到它具有負阻特性。
我們對整個電路用基爾霍夫電壓定律KVL求解，得到下式：
當電流為零時，斷路器動靜觸頭之間的電壓等于電源電動勢E；同時，我們令： 于是，我們就繪出了圖4中的斜線EK。它在電壓軸上的截距是E，在電流軸上的截距是K，它的高度是E-RIh。 EK這條線實質上就是負載線，它與電弧伏安特性的交點就是系統在生弧條件下的工作點。 現在我們來仔細看圖4：在電弧伏安特性曲線左側的1點往左，以及右側的2點往右，斜線EK的高度低于電弧伏安特性曲線，也即E-RIh-Uh<0，故LdIh/dt<0，所以在這兩個區域中，電弧電流Ih將隨著時間的變化而減小。 在1點和2點的中間，斜線EK的高度高于電弧伏安特性曲線，也即E-RIh-Uh>0，故LdIh/dt>0，所以在這個中間區域中，電弧電流Ih將隨著時間的變化而增大。 什么意思呢？左側的1點為電弧的不穩定點，右側的2點為電弧的穩定工作點。也即：2點為電弧真正的燃燒穩定工作點。 如果我們希望電弧熄滅，我們就必須讓2點不存在。這個結論就是在直流電路中熄滅觸頭電弧的關鍵點，也是我們設計各種熄滅直流電弧措施的出發點。 從圖4看，解決問題的方法是：第一：加大線路電阻，使得斜線在電流軸上的截距由K點移動到K'點。這樣一來，2點自然就不存在了。第二：提高電弧的伏安特性曲線到圖4中的虛線位置，使得新工作曲線在斜線EK之上，2點也就不存在了。 我們來看看實際的熄滅直流電弧的方法：
圖1采取電阻滅弧的方法，對應于方法1；圖2采取在電感線圈的反向電動勢回路中增加泄放二極管和電阻串聯的方式，此法亦為方法1；圖3采用阻容吸收的方式，圖4與圖2類似，常用于晶體管開關電路；圖5是配電和繼保線路中常見方式，采取同類觸點串聯，使得短弧變為長弧，以對電弧降溫熄弧。 說到直流熄弧，一定要談到滅弧柵。如下：
此法采用與圖5類似的把短弧變為長弧的方法，以降溫熄弧。 第三部分：交流電弧的特性及熄弧方法 我們來看下圖：
上圖是電阻性負載的電壓和電流波形圖，下圖是電感性負載的電壓和電流波形圖。注意到感性負載時電壓超前電流90度。 區別于直流電弧，交流電弧在電流過零的時刻，電弧會自動熄滅，而在電流過零后，如果條件具備，則又重新起弧。 這種在電流過零前后電弧熄滅的情況，被稱為交流電弧的零休現象。見下圖：
當電流過零后，電弧熄滅。但是觸頭間的氣隙仍然是灼熱的，其中殘存著部分電離氣體。這些殘存的陽離子和陰離子需要時間來恢復成正常的空氣分子。 我們看電阻性負載的零休現象：零休后，由于殘留電離氣體形成了剩余電流，再加上電壓恢復的程度比較快，使得電弧重燃。顯見，如果我們能設法讓介質（也即空氣）恢復強度大于電壓恢復強度，則電弧就不會重燃。 我們再看電感性負載的零休現象：當反向波形的電弧電流進入零休并過零時，正向電壓已經到達最大值，因此電感性負載的電弧重燃會提前。由此可知，電感性負載的交流電弧更加難以熄滅。 由此我們總結出一個非常重要的結論：交流電弧不重燃的條件是：介質恢復強度Ujf大于電壓恢復強度Uhf。也即：
看下圖：
上圖中交流電弧過零后不會重燃，下圖則會重燃。 對于以空氣作為絕緣介質的低壓電器來說，已經找到了某種材料，用它作為電弧隔板時，電弧的熱量會使得這種材料釋放出類似六氟化硫的氣體，加強介質恢復強度，使得交流電弧不再重燃。 目前，國內外有些空氣斷路器內已經安裝有這種材料，取得良好的效果。 低壓電器中的交流電弧，還有一個很重要的”特色“，就是近陰極效應。 設電流過零前，靜觸頭是陽極，動觸頭是陰極。陽極發射陽離子到陰極，而陰極這發射電子到陽極。陽離子比電子重得多因而跑得慢，所以在陽極附近有大量的陽離子存在。 電流過零后，靜觸頭變為新陰極，其附近的陽離子還存在，于是對新陰極發射電子產生了阻擋作用。其結果在很短的一段時間內，阻止了起弧。這段時間長度大約為150微秒。 近陰極效應由于時間短，對于中壓的長弧不起任何作用，但對于低壓電弧來說，能起到很好的限制起弧和限流作用。
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