【知识分享】开关浅析

隔离开关

接地开关

负荷开关

接触器

断路器

理想的断路器是能够瞬间断开电流的装置。

然而，没有任何机械设备能够在没有电的帮助下断开电流。这种现象限制了过电压，并释放了电路的电磁能量，但它延迟了电流的完全断开。

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（见图3）。

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电介质击穿。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。由于网络的寄生电容，这种情况不会突然中断。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-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10 kA，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。这需要接近无限的机械能，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：

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。

本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请点击举报。