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断路器开断的4个关键过程:开断靠电弧
来源: | 作者:aisikai | 发布时间: 41天前 | 64 次浏览 | 分享到:


为什么电弧并非越少越好?

很多人的直觉是不是“电弧太麻烦了,没有电弧就太好了”。在交流系统里事实恰恰相反:触头分离如果硬切断电流,回路中的电感的能量会瞬间堆到杂散电容上,造成危险的过电压并可能发生再击穿现象。受控的电弧像一个可关合的开关,让负载能量可以有序的回送到电源中去,并在电流过零的有利时刻熄灭。随后承受并消解暂态恢复电压(TRV),系统才算真正安全复位。

开关开断可以描述为以下4个过程:

  • 触头分离----电弧建立。

  • 电弧维持到“最小电弧时间”(minimum arcing time)

  • 电流过零----去离化----电弧熄灭

  • 出现并承受 TRV----暂态衰减到 RV

图1:开断的4个过程


1

触头分离与电弧建立


触头刚分开时仍存在微小接触桥,局部电流密度极高,触头材料发生熔化—汽化—电离,在灭弧介质(空气、油、SF₆ 或真空中的金属蒸汽)中形成等离子体通道(电弧)。这一过程其实并不代表失控,而是把能量转入可管理的导电通道,避免立刻把能量推高到过电压。这个阶段的任务,是为后续熄弧创造足够的开距与冷却条件

2

电弧维持与能量回送


在这一阶段,电流继续经电过弧流动,负载(多为感性)中的磁能经电弧逐步回送电源。断路器通过气吹或者油流带走电离介质、磁吹则会拉长分裂电弧、真空环境下金属蒸汽的快速扩散等手段,让电弧降温、变细、去离化。经验与试验表明,必须经历一个最小电弧时间并形成足够开距,装置才具备在即将到来的过零点完成真正中断的条件。


图2:三相开关的最小电弧时间

3

电流过零与去离化熄弧


来到交流电过零附近,如果冷却与开距已达标,电弧会迅速的去离化,触头间介质强度快速恢复,电弧在过零处熄灭,电流实现真正中断。这里有个注意点:不是触头一分开就“断了”,而是在过零且去离化成功的瞬间才算完成开断。能不能一次过零就断成功,和前一阶段的最小电弧时间、触头运动速度、流场与材料的设计密切相关。

图3:RRRV与TRV

4

承受 TRV 并建立恢复电压


电弧熄灭后,开口触头间立即出现暂态恢复电压(TRV),这个电压是由源侧负载侧分量叠加出来的,通常是多频振荡的形状。断路器必须在标准限值内承受 TRV 的上升率(RRRV)峰值放大系数,不然就有可能在还没有完全恢复的时候,又发生电弧重燃。随着暂态耗散,电压回到工频恢复电压(RV),至此开断流程闭环,设备可立即再投入


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结 语


断路器的安全开断,依赖于电弧被管理的很好、TRV被承受住,能量便能被平稳送走,系统也就可以真正的安全复位了。