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上世纪80年代末,施耐德电气公司提出“固体绝缘屏幕”的限流技术,它用一绝缘材料制作的屏幕插入动、静触头之间,把电弧隔断,该公司并把这种技术应用于额定电流为25A的Optical25小型断路器。
对低压断路器来说,直到20世纪末才开始注意气吹对提高低压断路器开断性能的作用。当开断时,电弧高温使产气材料气化,通过冷却电弧和控制电极的金属蒸气喷流来达到提高电弧电压和开断性能的目的:把产气材料放在由静触头导电回路形成的槽中,进一步加强气吹作用,被称为槽形冲击加速器技术(ISTAC),并开发出PSS系列塑壳断路器。
低压电器的气吹作用,可由两种方法来达到,一种是依靠灭弧室器壁放置的产气材料产气,另一种是利用半封闭独立的灭弧单元,让电弧高温在灭弧单元内引起压力上升,通过出气口而形成气吹。
施耐德电气公司的NS系列塑壳断路器就充分利用了上述两种气吹作用,并使产品达到同期塑壳断路器中最高的开断能力,与之同时半封闭的灭弧室结构和气吹作用的应用也推广到框架断路器上,使框架断路器的开断性能也有大幅度的提高
施耐德电气公司推出的NS系列塑壳断路器之所以能达到高的开断性能,除了依靠独立灭弧单元和气吹的作用外,另一原因是采用了旋转双断点的开断结杓,这种触头系统的结构,到了新世纪进一步得到了推广。
国际上著名电器公司纷纷推出新一代采用双断点触头系统和利用气吹作用的塑壳断路器,如美国CE公司的RecordPlus系列,ABB公司的TMAX系列等,结构上也更多样化,除旋转双断点外,又出现了平行双断点和桥式双断点等新结构,日本寺崎公司更是把双断点的结构用于框架断路器,推出了TemPower2断路器,改变了框架断路器传统的单断点结构。
传统的限流开关,电弧能量全部由断路器开断过程来承担,因而限制了断路器尺寸的进一步缩小,一种新的思路是用一个限流器和断路器串联,在开断时,电弧能量大部分由限流器来承担,这就可以大大地减轻断路器的负担。
这种限流器可以由多种原理来实现,近年来受人注目的是采用一种称为正温度系数的材料PTC来实现,它是一种导电塑料,由聚合物(如聚乙烯)加上填充的导电炭粒组成,当短路电路通过这种限流器,使原有导电炭粒组成的桥路因热膨胀拉断,让限流器的电阻骤然增加而达到限流效果。
另一方面真空开断技术、固态断路器也在不断地发展,西门子公司3WSI低压真空断路器的开断能力已达50kA,尽管其开断能力尚不能与空气灭弧的传统断路器相比较,但无电弧或无喷弧使安全性远高于传统的结构。
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解释几个相关概念:
(1)交流电弧的零休和重燃条件
我们先来看看交流电弧的过零熄弧及重燃条件。这对于理解限流原理很重要。
我们知道,当电弧电流过零时,切确地说,是在过零前某时刻,由于电弧电压已经低于起弧电压,电弧熄灭。但是,电弧留下了炽热的气体,这些气体中仍然保持一定的正负离子。随着温度的迅速降低,正负离子越来越少。弧隙中的这团炽热气体,它的特性可以用重燃电压来表示,即Ub。
电弧过零熄灭后,间隙中的气体也在恢复,我们用介质恢复能力Uhf来表示。如果过零后的线路电压Uhf大于Ub,则电弧一定重燃;反之,若Uhf小于Ub,则电弧一定熄灭。
我们来看下图:
图中的Ub1和Ub2为两条电压恢复曲线,我们看到Ub1大于Ub2。同时我们发现,Uhf在A点与Ub2相交,于是电弧在A点重燃;对于Ub1,它与Uhf完全不相交,因此若低压断路器或者低压限流断路器的主触头弧隙中的介质(空气)满足Ub1曲线的重燃电压关系,则交流电弧一定熄灭。
延伸阅读:
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