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许多朋友想了解开关电器触头开断的过程。
触头分断包括四个过程:
第一个过程:刚开始分离
当触头开始分离时,动触头朝着与静触头分离的方向运动。由于超程的原因,电路并未断开,但超程和接触压力在逐渐减小,接触点也在减小,直至剩下最后一个接触点。此接触点内电流密度很大,温升剧烈升高,以至于触头熔融。
专有名词解释:
1.动触头和静触头
开关电器闭合和分断时始终处于静态的触头称为静触头,见上图中右侧的触头;
开关电器闭合和分断时执行合分操作的触头称为动触头,见上图中左侧的触头。
2.开距
开距指的是触头处于打开状态时,动静触头之间的距离。
开距与触头组合的介电能力有关,与熄弧过程也有关。
3.超程
上图中,当动静触头闭合后,把静触头抽走,动触头能够继续运动的距离叫做超程。
超程很重要。当触头合金因为多次合分被电磨损磨平,也即电寿命终了时,超程决定了开关电器仍然能执行闭合操作。也因此,电寿命与超程结下了不解之缘。
另外,超程与接触压力有关。
第二个过程:形成液态金属桥并拉断
动静触头已经脱离,但熔融的金属形成液态金属桥。由于金属桥的电阻大于固体金属,而热量又高度集中在桥内,使得金属桥的温度达到沸点,随后金属桥发生爆炸性断裂,触头间隙就此形成。
这一段文字好理解。不过这里有一个小问题:为何液态金属桥的电阻大于固体金属?
答案是:一般的金属材料都具有正电阻温度系数,温度越高,电阻越大。
第三个过程:触头断裂形成电弧
触头刚断裂瞬间,间隙中充满金属蒸汽和空气。由于电流被瞬间切断,因此产生过电压,将空气介质和金属蒸汽击穿,并形成电弧。
为何电流被瞬间切断后会产生过电压?
答案是:因为线路中存在感性元件,电感产生了反向电动势E,且有:
E=-LdI/dt
开断过程越快,反向电动势就越高,由此形成过电压。
第四个过程:电弧熄灭完成开断操作
随着触头间隙继续扩大,各种熄灭电弧的因素在起作用,随着电弧电流和温度降低,电弧最终转化为非自持放电并且熄灭。触头间隙恢复为绝缘体,触头分断过程就此结束。
这一段文字中的概念比较多。主要有:
直流电弧的熄灭条件、交流电弧的熄灭条件、交流电弧的零休现象、低压电器的交流电弧近阴极效应、气体的自持放电及非自持放电等等。
我逐一解释。
第一:关于直流电弧的熄灭条件
图1是电路图。当电弧出现后,如果电弧稳定燃烧,它的电流Ih不变,于是电感上的电压LdIh/dt=0。图4中可看见两处满足条件,即点1和点2,但仅点2是电弧稳定燃烧点。
为了不让电弧稳定燃烧,有两个办法,其一是增大线路电阻,也即把图4中的EK线变成EK'线,使得电弧电流脱离点2,实现灭弧;其二是用栅格等方法把电弧切断,使得电弧曲线上升,也即让图中的电弧曲线H1上升为H2,以此脱离点2,实现灭弧。
第二:关于交流电弧的熄灭条件
交流电弧存在过零的也即零休现象。零休时,电弧熄灭。
当电压反相后,弧隙电压Uvf迅速升高,同时弧隙中的气体温度在降低,介质的恢复作用Ujf也在增强。
如果Uvf>Ujf,则交流电弧一定重燃;反之,如果Uvf 第三:低压交流电弧的近阴极效应 这个现象在以前解释过,此处不再重复。近阴极效应是低压电器所特有的,它能帮助低压电器灭弧。 近阴极效应只能用于低压电器。 第四:气体的非自持放电和自持放电 看下图: 图中蓝色区域OC为非自持放电,而CF为自持放电区。其中DE为电弧放电区。 当触头间隙中的气体因为弧温降低,使得气体的击穿状态进入到非自持区域时,只要生弧条件不满足,则电弧熄灭。 延伸阅读: 低压电气和低压电器技术之3——浅谈低压空气开关中的“空气”和灭弧原理
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