如果电路中的电压大于空气开关的额定电压那么它会断吗?为什么,说的不是电流。?

发布时间:
2024-09-23 03:19
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有点意思的问题。

先说答案:空气开关的额定电压和题主所谓的空气开关“电阻”没有关系,而且空气开关执行线路保护是过电流(过载电流和短路电流)驱动的,与电压无关。

以下我们来展开讨论吧。


1.从空气开关的内部结构谈起

我专门买了几只不同品牌的空气开关和塑壳开关,把它们拆开供研究。以下是其中一只空气开关:

图1:空气开关的内部结构

空气开关在正常使用时,我们首先扳动图1的操作手柄,使得动触头闭合在静触头上,操动机构的锁扣机构把动触头固定扣死在闭合位置,实现了空气开关的合闸。

注意1:只要锁扣机构的“扣”被解开,也即执行脱扣,则空气开关就会分闸开断。

当发生过载时,热脱扣器双金属片受热弯曲,当弯曲的程度达到一定限制值后,双金属片拉动锁扣机构解锁,动触头返回后实现空气开关的分闸操作;当发生短路时,磁脱扣器线圈带动铁芯变位,把锁扣机构解锁,空气开关执行了开断操作。动触头与静触头之间的电弧,被推送至灭弧罩中熄弧;当我们手动把扳手推至分闸位置时,空气开关当然也能实现分闸。

从图1中我们看到了各种导电结构,以及触头和线圈,但没有看到任何电阻。如果题主以为空气开关是依靠欧姆定律,电压上升作用实现脱扣,这种想法显然是不对的。

我们再看空气开关动触头与静触头的放大照片:

图2:空气开关动触头与静触头之间的开距——它与额定电压密切相关

图2中的开距是空气开关动触头与静触头在打开状态下的最短距离,开距很关键,它与题主的问题密切相关。

我用手边的游标卡尺测量了图2所示空气开关的开距,是3.8毫米。

图3:空气开关的开距在3.8毫米左右

注意2:当空气开关处于分闸状态时,它的任务是隔离——隔绝火线,确保下游侧线路安全。

一般地,静触头接火线,动触头接负载,处于分闸状态的空气开关动触头与静触头之间的电压就是电源电压220Vac。

当空气开关处于打开的分闸状态时,动触头和静触头之间的间隙介质是空气。如果空气被所加载的电压击穿,则空气开关的电气隔离作用就会失效。

在国家标准GB/T 14048.1-2023《低压开关设备和控制设备 第1部分:总则》中,把开关电器内部导电结构之间以及导电结构与外部接地金属壳体之间的距离叫做电气间隙。空气开关也包括所有类型的断路器,它们动、静触头之间的开距就属于电气间隙的范畴。

我们知道,空气开关既可以用于36Vac的供电线路,也可以用于110Vac、220Vac和380Vac供电系统,我们把这里的电压即36Vac~380Vac叫做运行电压Uuse,其实它们对应于一系列的额定电压Un。

注意3:空气开关的系列额定电压的最大值叫做额定绝缘电压,符号是Ui。

在国家标准GB/T 14048.1-2023《低压开关设备和控制设备 第1部分:总则》的表19中,规定了额定绝缘电压Ui与交流实验电压的关系,如下:

图4:额定绝缘电压Ui与交流试验电压的关系

这里的交流冲击电压可以理解为空气开关能够承受的额定冲击耐受电压Uimp。

注意4:额定冲击耐受电压Uimp的目的就是确保空气开关在受到高压冲击时不会发生动、静触头间的空气间隙被电压击穿。

对于空气开关,它广泛应用在220V/380V系统中,故额定绝缘电压Ui的值必须按300V<Ui≤600V来考虑,我们由图4看到介电实验的交流电压有效值是1890V,对应的海拔高度不得超过2000米。为何?因为海拔越高气压就越低宇宙射线就越强,空气的击穿电压就越低。

我们再看GB/T 14048.1-2023《低压开关设备和控制设备 第1部分:总则》的规定:

图5:开关电器在空气中的最小电气间隙

我们看到额定冲击电压在2.5kV以下均为1.6mm,这里当然包括了1890V。由此可见,空气开关的开距以及电气间隙不得小于1.6mm。我们由图2看到,空气开关的开距是3.8mm,当然满足电气间隙的要求。

关于空气的击穿电压与电气间隙的联系,前天我刚好回答了一个类似问题,链接如下:

为什么说空气被击穿?

此链接文档可供参考。

那么空气开关到底结构的“电阻”包括哪几个部分:包括静触头导电结构以及它的接线端子之线路电阻,包括动触头导电结构以及它的接线端子之线路电阻,还包括动触头与静触头之间的接触电阻。

线路电阻的阻值很小,一般在10毫欧到100毫欧(1欧姆的1/10000叫做毫欧)之间,而接触电阻的阻值则在数十到数百微欧(1欧姆的1/1000000叫做微欧)。可见,即便是两者之和,其正常值也是很小的。

关于接触电阻,可参阅以下这篇帖子:

常见各种结构的接触电阻大概在什么数量级?

看到这里,我估计题主已经晕圈了,笑!不过没关系,知道意思就可以了。

2.空气开关的线路保护特性

我们设配电线路和用电设备的等效电阻是R,当电流I流过它们时产生的热量是Q,通电时间长度是t。根据焦耳定律,有: 。当线路通电一段时间后,线路的温度趋于稳定,此时的发热热量Q和电阻R亦趋于稳定。我们令Q/R=K,则有: 。我们从中解出时间t:

,式1

式1非常重要,它告诉我们空气开关执行过载保护的反时限特性曲线。我们从中学数学知识就知道,式1的曲线特点是一条随着电流增加而单调下降的曲线,如下:

图6:C脱扣特性的空气开关之特性曲线

图6中,坐标系的纵坐标是时间,横坐标是电流,且两者的值均满足指数刻度。

图6的曲线部分分为热态曲线和冷态曲线,分别位于曲线区域的两侧,我们把它们的特性叫做反时限过载保护特性,反时限过载保护特性就是热脱扣器双金属片的线路保护特性。

图6下部的垂直线和水平线(位于横坐标)就是定时限短路保护特性。在这里,垂直线代表着短路保护动作电流门限值,而水平线则代表着空气开关磁脱扣器线圈的短路保护特性,我们注意到水平线对应的时间是0.01秒,而动作电流则从5倍额定电流开始延续到更大的短路电流值。空气开关短路保护的表达式为:

,式2

式1和式2合并称为空气开关的安秒特性,准确名称就是空气开关执行线路保护的时间-电流特性。

空气开关还具有其它保护特性,例如保护照明负载的B特性曲线,保护一般负载的C特性曲线(就是图6),保护具有冲击性特性的D特性曲线,保护电动机的K特性曲线,如下:

图7:空气开关的时间-电流保护特性

我们从图7中看到四种不同的空气开关保护特性。这四种保护特性就是我们日常使用的空气开关特性,当然包括我们居家配电的空气开关在内。

看到这里,我们发现与电压毫无关系,笑!

图8:空气开关的线路过载保护与电压无关

3.在断路器的保护特性中,电压保护以何种形式出现?

我们看下图:

图9:三种不同的低压断路器

低压断路器有三种,即框架断路器ACB、塑壳断路器MCCB,以及微型断路器MCB,见图9。空气开关就是微型断路器。

我们把具有双金属片的过载脱扣保护和短路保护电磁线圈的保护类型叫做热磁式保护特性断路器,简称热磁式断路器,其中包括空气开关和塑壳开关。

我们看下图:

图10:热磁式断路器的保护原理图

图10中当我们把右上角的操动扳手操动后,图9中的断路器主触头闭合并被锁扣机构扣住,此时断路器合闸。当图9中的脱扣杆向上推后,操动机构的锁扣被解锁,断路器执行分闸主触头断开。

在图9中我们看到了热脱扣器,也看到了磁脱扣器,它们动作后都会解扣并让断路器分闸。

我们在图10的左侧看到了欠压脱扣器线圈。当电压跌落或者失压后,欠压脱扣器会推动脱扣杆并使得断路器跳闸保护。

图10的右侧是分励脱扣器,它用于远距离控制按钮然断路器分闸。

注意5:断路器的热脱扣器、磁脱扣器、欠压脱扣器和分励脱扣器是热磁式基本脱扣器,但空气开关一般不具有欠压脱扣器和分励脱扣器。

4.总结

经过以上讨论,我们看到空气开关的脱扣特性与电压没有什么关系,但空气开关的额定电压却与开距以及应用环境(指海拔高度)密切相关。

我估计题主是初中生。在初中生的物理电学知识中,欧姆定律占比极大。通过以上分析,我们发现空气开关的工作原理与欧姆定律没有什么关系。

空气开关属于开关电器的范畴。开关电器有五大理论,分别是开关电器的发热理论,开关电器的电动力理论,开关电器的电动力理论,开关电器的电弧理论和开关电器的电磁系统理论。

在上述讨论过程中,我们用到了发热理论,这里有焦耳定律。在讨论磁脱扣器线圈时,其理论就是麦克斯韦电动力理论以及磁路理论,但我没有深入解析。

以上这些理论在《电器理论基础》和《高低压开关电器技术手册》中都有,但我不建议题主去阅读——太深了,不适合于题主。

请题主注意:

注意6:空气开关的额定电压与电气间隙以及爬电距离直接相关,而空气开关的额定电流则与它的运行温升最高允许值直接相关。

知道这一点就足够了。

最后说下题主的主题答案。题主的问题是:“如果电路中的电压大于空气开关的额定电压那么它会断吗?”,要回答这个问题,必须弄清楚,供配电系统供电末端的电压也即供电标称电压(220V/380V)是稳定的,标准和规范中规定,其偏差范围是额定电压的-10%到+5%之间,故一般的电器包括家用电器规定的供电电压范围也以此确定,具体可参阅GB/T 156-2017《标准电压》国家标准以及GB50054《低压配电规范》等标准。

部分带有电子脱扣器的塑壳断路器和框架断路器的电压脱扣器具有过电压和欠电压保护脱扣功能,见下图:

图11:ABB的框架断路器电子式脱扣器的过电压保护OV功能

这是框架断路器的操作面板显示器和功能:

图12:框架断路器电子脱扣器PR123/P的面板及功能

看到图11和图12的显示器,再对比空气开关,空气开关当然不具有过电压保护功能,所以空气开关对于电压越限,不管是欠压还是过压,均无法实现保护。


就回答到这里吧。

END