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交流空開與直流空開的區別在哪裡?

作者:由 Patrick Zhang 發表于 體育時間:2018-08-13

題主的這個問題有點意思,我來給大家科普一下。

在國家標準GB14048。2《低壓開關裝置和控制裝置 第2部分:斷路器》中規定了空氣斷路器指的是:

交流空開與直流空開的區別在哪裡?

注意這裡的關鍵詞:(主)觸頭在大氣壓強下的空氣中開斷和閉合,因此主觸頭滅弧措施與大氣壓和空氣結下不解之緣。

題主所指的空開,實際上就是微型斷路器,簡稱微斷,符號是MCB。

那麼MCB運用在直流電路中與運用在交流電路中,到底區別在哪裡?

我們先來建立一點相關知識。

一.直流電弧的熄弧原理

我們看下圖:

交流空開與直流空開的區別在哪裡?

圖1:直流電弧特點分析

圖1的右上側就是電路圖。圖中有直流電源E,有線路負載電阻R和負載電感L,還有微斷K的主觸頭。當微斷主觸頭從閉合狀態開啟時,觸頭間隙中出現電弧。

根據基爾霍夫第二定律KVL,我們來列寫電路方程,為:

U_h=E-I_hR-L\frac{dI_h}{dt}

,式1

如果開關K的開斷過程已經結束,電弧電流Ih=0,電感的反向電動勢LdIh/dt不起作用,則Uh=E;如果開關K已經閉合,電流Ih存在但它是穩定的,電感的反向電動勢LdIh/dt不起作用,則有Ih=E/R。據此,我們繪製了一條斜線EK,見圖1。

圖1中紅色的曲線就是直流電弧的伏安特性曲線。該曲線與斜線EK交與1點和2點。

為何直流電弧的伏安特性曲線是單調下降的曲線?這是因為電弧電流越大,電弧燃燒就越熾烈,電弧電阻就越小,電弧電壓當然也就越低。因此,直流電弧具有負電阻特性。

理解這一點十分重要。

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關於正電阻、負電阻和零電阻

我們看下圖:

交流空開與直流空開的區別在哪裡?

圖中,曲線1是一條水平線。因為它的U2=U1,因此曲線1上任意點處的等效電阻Rq=0。我們把具有這種特性的物件(元器件)叫做具有零電阻特性。

圖中,曲線2是一條向右上方傾斜的直線,它的U2-U1>0,因此曲線2上任意點處的等效電阻Rq>0。我們把具有這種特性的物件(元器件)叫做具有正電阻特性。

圖中,曲線3是一條向右下方傾斜的直線,它的U2-U1<0,因此曲線3上任意點處的等效電阻Rq<0。我們把具有這種特性的物件(元器件)叫做具有負電阻特性。

電弧的伏安特性曲線就具有負阻特性。

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現在,我們把電感的反向電動勢LdIh/dt考慮進來,會有如下結論:

第一,在1點的左側,dIh/dt<0,電流越來越小,電弧電阻越來越大,電弧電壓越來越高,電弧趨於熄滅。

第二,在1點的右側,dIh/dt>0,電流越來越大,電弧電阻越來越小,電弧電壓越來越低,電弧趨於熾烈。

因此,電弧在點1不能穩定存在,電弧的工作點會滑向2點。

第三,在2點的右側,dIh/dt<0,電弧被壓制,電弧的工作點又會返回到2點。

由此可見,2點是直流電弧存在的穩定點。如果我們要讓直流電弧熄滅,就必須消除2點。

二.熄滅直流電弧的方法

從圖1中我們看到,方法有2個。

方法1:我們把電弧的伏安特性曲線整體提升,由原來的H1線提升為H2線。

方法2:我們加大電阻R,使得橫軸(電流軸)上的K點移至K'點。

對於方法1,所採取的方法是,加大觸頭間的距離,也即拉大弧長,實現H1提升為H2。

在實際工程中,採取的方法是把斷路器的多個電極串聯。

我們來看ABB斷路器的樣本圖:

交流空開與直流空開的區別在哪裡?

圖2:將斷路器的觸頭串聯,以加大弧長,實現直流電弧的熄弧

這就是

對題主問題的第一個回答:不管是直流微斷也好,是交流微斷也好,當用在直流電路時,要將觸頭串聯,以實現有效熄弧。

對於方法2,採取開斷時串入電阻的方法。

我們看下圖:

交流空開與直流空開的區別在哪裡?

圖3:開斷時串入輔助弧隙,以實現熄弧

在圖3中,因為總電弧電流Ih是不變的,併入一個輔助弧隙後,必然使得主弧隙電流減小,由此實現主弧隙電弧降溫;同時,由於電弧具有熱慣性,電弧電阻在一定時間內不允許突變,如此一來,兩個電弧互相牽制,大家升溫不行降溫不可,有點一山容不得二虎的意思,最後兩個電弧均快速熄滅。

這種方法對於直流電弧和交流電弧通用,但直流電弧採用得更多。

三.交流電弧的熄弧原理

首先看交流電弧的伏安特性曲線:

交流空開與直流空開的區別在哪裡?

圖4:交流電弧的伏安特性曲線

圖4中,我們1圖是電路圖。2圖是電路中的電流和電壓波形,我們看到,電壓和電流波形不存在相位差,所以電路中的負載就是電阻。我們由1圖也看到這一點。

我們設想,斷路器M正好在電流和電壓過零的時刻開啟,我們來仔細研究具體過程。見3圖。

斷路器M開啟瞬間,雖然觸頭間的氣體是常溫,但由於電場強度很大,空氣中存在宇宙射線,還有若干正負離子,於是空氣在強電場的作用下被擊穿並出現電弧。

空氣在被擊穿前,它的特性是正電阻特性,我們看到3圖中從0點到A點的波形曲線是單調上升的。

在A點空氣被擊穿,我們把A點的電壓叫做燃弧電壓Urh。

由於擊穿前的空氣溫度低,空氣的等效電阻比較大,儘管電流不大,但A點的電壓值比較高。

空氣被擊穿後,電流越來越大,儘管觸頭的開距越來越大,但電弧也越來越強,溫度也越來越高,電弧電阻也越來越低,電弧電壓也越來越低。我們看到從A點到B點的伏安特性曲線呈現出典型的電弧負阻特性。

在B點,交流電流達到了它的最大值,其後電流就開始減小了。電弧的溫度下降,電弧電阻也越來越大,電壓值也越來越大。在C點,電壓達到了最大值,同時電弧熄滅。

我們把C點的電壓叫做熄弧尖峰Uxh。

因為燃弧尖峰的空氣溫度低於熄弧尖峰的空氣溫度,所以燃弧尖峰的電壓Urh高於熄弧尖峰的電壓Uxh,見4圖中紅色區域。

從C點到0點,觸頭之間的氣體溫度逐漸減低,電弧也不存在,因此伏安特性曲線呈現出正阻特性。

電流和電壓過零後,與正半周完全對稱。

下圖是我在實驗室用手機拍攝的燃弧尖峰和熄弧尖峰:

交流空開與直流空開的區別在哪裡?

我們把熄弧尖峰經過過零點,再到另一個半波的燃弧尖峰,叫做零休時刻。

零休時刻是交流電弧的特徵。

在零休時刻,觸頭之間的氣體正在恢復。過零後,如果氣體的恢復強度Ujf大於電壓恢復的強度Uhf,交流電弧就會熄滅,否則交流電弧就會重燃。因此,交流電弧熄滅的條件是:

U_{jf}>U_{hf}

我們再看另外一個有趣的效應。看下圖:

交流空開與直流空開的區別在哪裡?

圖5:開關電器的近陰極效應

在上圖,我們看到陽極發射出陽離子,陰極發射電子(陰離子)。由於陽離子的質量大跑得慢,而電子的質量小跑得快,所以在陽極表面會出現大量的陽離子堆積。

當交流電壓過零後,陽極變成新陰極。新陰極需要發射電子,但它的前方有大量的陽離子堆積,它必須等待陽離子消失後才能發射電子。如此一來,交流電弧的重燃也被遲滯。

由於低壓電器都是短弧,因此近陰極效應對低壓電器的滅弧來說意義重大。

四.熄滅交流電弧的方法

熄滅交流電弧的方法有很多種,但相對直流電弧要簡單,畢竟交流電弧在零休時刻會熄滅,只要不讓交流電弧重燃即可。然而,要做到這一點也並非易事,裡面還是有很多技術的。

對於低壓電器而言,一般採用滅弧室來滅弧。我們看下圖:

交流空開與直流空開的區別在哪裡?

圖6:ABB的透明微斷,中間偏右是滅弧室

當動靜觸頭開啟,電弧出現時,斷路器利用電動力把電弧推到滅弧室中。滅弧室有許多分隔,每個分隔都有近陰極效應,以此阻止電弧重燃。

另外,滅弧室的隔板採用金屬的,它會吸熱,由此降低電弧的溫度,達到滅弧的目的。

有的斷路器滅弧室材料受熱後會放出類似氮氣和六氟化硫的氣體,這些氣體能提高空氣的擊穿電壓,達到阻止電弧重燃的目的。

其它方法限於篇幅,我不做逐一介紹。

五.回答題主的問題

有了以上鋪墊,我就可以回答題主的問題了。

交流微斷可以利用交流電弧的零休時刻來滅弧,也可以利用近陰極效應來滅弧,這些都是直流微斷完全不具備的。

直流微斷則採用串極的方法,以及輔助弧隙的方法來滅弧。甚至,在開斷時特地引入交流電壓,用以實現強制性的零休熄弧。

不管是直流電弧還是交流電弧,都要配套滅弧室,利用物理降溫和提高擊穿電壓來滅弧。

至於微斷的其它基本結構,則交、直流產品規格都差不多,區別不是很大。

標簽: 電弧  電阻  滅弧  電壓  觸頭