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低压电气和低压电器技术之1——从什么是开关谈起

开关,如果仅仅从字面意义来理解,就是能够执行开与关操作的电器装置。

在国家标准GB 14048.3-2008《低压开关电器和控制电器 第3部分:隔离器、隔离开关,……?#20998;?#26377;如下说明:

有?#33487;?#20010;定义,我们来仔细研究一下开关,到底它需要怎样的工作?#38382;?#26469;执行它接通、承载和分断电流的任务。

我们来看下图:

这就是闸刀开关。我们看到它有左右两个电极,以及中间长长的闸刀。这些电极和闸刀都是用导电材料制作的,一般是铜。

在初中读物理时,我们就知道导电的金属材料具有一个特性,就是电阻。而且我们还学过欧姆定律。也即导体的电阻R在数值上等于导体两端的电压U与流过导体的电流的比值。

更多的时候,我们把开关称呼为开关电器,简称为开关。

下图是ABB的微型断路器的内部结构图。微型断路器也叫做空气开关:

图中左上部我们能看到类似线圈一样的东西,而它的右上方就是触头?#20302;场?#20063;?#20174;?#20110;完成开断和闭合操作的开关作用的主体部件。

好,现在我们把知识点略微扩大和加深。

第一个概念:转换深度

要想实现开关的功能,我们很容易想到,当开关打开时,它的触头之间的电阻为无穷大。例如上图中左侧电极与中间极之间的电阻;当开关闭合时,它的触头之间的电阻为零。例如上图中中间极与右侧电极之间的电阻。

转换深度的h定义是:开关打开时的电阻与开关闭合时的电阻之比。

这说明,有触点的开关电器其开断后的绝缘性能优于无触点的开关电器。

第二个概念:额定电流

开关电器一旦闭合后,就会有电流流过,而电流在开关电器的导体电阻上会产生发热。

我们把开关电器的运行温度减去环境温度后的差?#21040;?#20570;?#24459;?#29615;境温度的标准值,在GB14048.1-2010《低压开关电器和控制电器 第1部分:总则?#20998;?#23450;义为35度。

?#24459;?#36825;个概念很重要,在后续文章中会反复大量地出现。

所谓额定电流,指的就是在允许的最大?#24459;?#19979;流过的最大电流。额定电流的符号是Ie。

当某开关电器的额定电流被确定后,我们?#27604;?#21487;以?#20040;?#24320;关电器来承载较低的电流。因此,开关电器的额定电流有一系列值,并且存在最大值,这个最大值被称为壳体电流或者框架电流,它代表着?#25345;中?#21495;开关所能够承受的最大运行电流值。

第三个概念:额定电压

我们先来建立一个很重要的概念,就是开距。来看下图:

注意看图a。当触头打开时,触头之间的距离被称为开距。开距决定了触头在打开状态下能够隔离的电压等级。

这就是额定电压了,它决定了开关电器主触头的介电能力。额定电压的符号是Ue。

显见,当我们确定了某开关电器的额定电压后,则此开关电器?#27604;?#21487;以用在比此额定电压低的工作场所中。因此,额定电压有一系列值,其中的最大值被称为额定绝缘电压Ui。

第四个概念:短时耐受电流和短路接通能力

当线路中发生短路了,巨大的短路电流流过开关电器,会对开关电器产生剧烈的发热效应和电动力效应。发热效应会导致开关电器导电部分产生变形,甚至熔融,而电动力效应则会导致开关电器结构破坏,甚至崩解。

短时耐受电流就是衡量开关电器抵御短路电流热冲击能力的技术指标。短时耐受电流的符号是Icw。

短路接通能力是开关电器能够接通的最大电流值并且不会出现结构性破坏。短路接通能力的符号是Icm。

短路接通能力与短时耐受电流之比n被称为峰值系数,它同时也是短路电流最大值与稳态值之比。峰值系数的具体值可参阅GB14048.1-2010《低压开关设备和控制设备 第1部分:总则》,如下:

表中的试验电流就是型式试验时模拟的短路电流,表的最右侧就是峰值系数n。

现在我们来看看ABB的Emax框架断路器的技术?#38382;?#22914;下:

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先提个醒:断路器属于开关电器的一种,但它能主动地切断短路电流。因此,在这一点上与一般的开关不同。但如果把断路器改变为隔离开关时,它的特性就与一般的开关无异了。

此外,断路器的额定电流、额定电压等?#38382;?#19982;开关相同。

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表中,我们看见了额定不间断电流Iu,这个值就是额定电流Ie,并且我们可以发现,它是由一系列值构成的,但其中有最大值,这个最大值就是框架电流;

我们还看到了额定工作电压Ue,也即额定电压。它的值等于690V。显然,这种断路器显然可以使用在230V和400V的工作条件下;

我们还看到了断路器的额定短时耐受电流Icw。这个值定义?#33487;?#31181;开关承受短路热冲击的能力;

由于断路器是可以开断短路电流的,只有把断路器的脱扣器拆除,使得它不具有短路电流的开断能力,这时才能测量短路接通能力Icm。?#36824;?#36825;时的断路器已经成为可以抽出的隔离开关了。

我们从表中隔离开关这一栏中看到短路接通能力Icm的值,同时?#37096;?#21040;了短时耐受电流Icw的值。现在我们来计算两者之比,如下:

看最左边一栏,有Icm/Icw=88.2/42=2.1,而这时的Icu也即极限短路分断能力等于42kA。Icu的值就相当于短路电流的稳态值。查阅文中给出的峰值系数表,我们看到对应于42kA的峰值系数就是2.1。

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写到这里,我们该总结一下了:

开关是一种可以接通和分断运行电流的机械装置,又被称为开关电器。

开关不能主动地切断短路电流,只能被动地承受短路电流的冲击。因此,各类开关,特别是隔离开关,严禁在带载情况下开断线路,以免出现电弧伤及人身安全。

开关至少具有四个?#38382;?#21363;:额定电流、额定电压、额定短时耐受电流和额定短路接通能力。

它们之间存在大小关系:Ie<Icw<Icm,并且Icm/Icw=n,n是峰值系数。

最后,我们来看下图:

这是2000A双电源互投隔离开关(ATSE)中的顶级产品,在移动基站、各大银行计算机?#34892;?#21644;数据?#34892;摹?#26426;场空中管制?#34892;?#31561;重大工程中,都有它的身影。

看起来很不起眼,是不是?笑!确实如此。?#36824;?#23427;的性能可是很了?#22351;?#21734;。

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在这个帖子的最后,和大家说说明确开关基本?#38382;?#30340;重要性。

我们常常看见配电线路中出?#25191;?#23481;量电器用于小电流控制,或者在高分断容量的地?#25509;?#20302;分段容量的开关来代替。我们总认为线路过载和短路是很难发生的。事实上一旦发生事故,这些都是要命的事。

因此,把开关电器的基本?#38382;?#24324;明白,绝对是必要的。


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