什么是熔断机制?不同类型的断路器

在本教程中，我们将学习一个非常重要和非常有用的电子设备:的断路器．我们将试着了解什么是断路器，在电力系统中断路器的用途/重要性/功能是什么，有哪些不同类型的断路器以及它们的应用。

简介

断路器是一种非常独特的装置，因为它们是连接到电气系统的机械装置。自从第一次使用电力系统以来，总是需要一种能启动和中断电流流动的机构或装置。

在电力系统中，无论是在正常运行的情况下，还是在异常情况下，经常需要接通或关闭各种电气设备和电路，如发电厂、传输线、配电系统等。最初，这一任务是由一个开关和一个熔断器串联在电路中完成的。

这种设置的主要缺点是，如果保险丝熔断，更换一个和恢复电源通常是耗时的。另一个主要的缺点是熔断器不能中断大的故障电流。

这些限制限制了开关和熔断器组合在小电压和小容量电路中的使用。但在高压大电流系统中，需要一种比开关和保险丝更可靠的方法。

这是在熔断机制的帮助下实现的。

什么是熔断机制?

断路器是一种机械开关装置，它可以在正常和异常的电路条件下手动或自动制造、携带或断开电路。在正常情况下，断路器可以产生、携带或断开电流，在异常情况下，断路器可以在特定时间内产生或携带电流并断开电流。

断路器的特点如下:

• 在正常工作条件下，它可以手动或使用遥控器制造或断开电路。
• 在异常或故障情况下，可自动断路。
• 它可以在故障情况下手动或使用遥控器使电路恢复。

断路器的这些特性使它成为电力系统中非常有用的开关和保护装置。

断路器的工作原理

断路器的主要职责是在正常或不正常的操作条件下，一次或多次重复地开关电路。断路器的工作原理非常简单。

典型的断路器由一个固定触点和一个称为电极的移动触点组成。这些触点在正常电路工作条件下是闭合的。

如果系统发生故障，联系人将自动打开，或者，这些联系人也可以在需要的时候手动打开(例如，在维护期间)。

在有故障的系统条件下，一个简单的机制将拉移动的触点离开，作为跳闸线圈获得能量的结果，基本上打开电路。

在触点打开过程中发生的一个重要现象是圆弧现象。如果在系统的任何部分检测到故障，断路器的触点会被分离，在这个过程中，它们之间会产生弧。直到电弧放电，电路中的电流继续流动。

电弧不仅会延迟电路中断，还会产生大量的热量，可能会损坏断路器本身或整个系统。因此，断路器的主要挑战之一是尽快熄灭电弧。

断路器中的电弧现象

例如，在短路等故障情况下，在保护机制启动并打开触点之前，会有大量电流流过断路器的触点。

触点开始打开的瞬间，由于短路电流大，触点面积突然减小，电流密度增大。这会导致温度上升，产生的热量足以使介质(空气或油)电离。电离介质充当导体，在触点之间产生电弧。

这种电弧在触点之间提供了一个低电阻路径(即使它们是打开的)，只要电弧存在，大的故障电流就会继续流动，这就违背了断路器的目的。

弧的原因

在了解灭弧方法之前，让我们先试着分析一下负责维持断路器触点之间电弧的因素。

原因可以归结为以下两点:

• 触点之间的电位差
• 触点之间的电离粒子

触点之间的电位差足以使电弧存在，因为触点之间的间隔较小。此外，电离介质，即电离的空气或油有维持电弧的倾向。

不同的消弧方法

基本上，有两种方法可以熄灭断路器触点之间的电弧。它们是:

• 高电阻的方法
• 低电阻的方法

高电阻的方法

在高阻法中，电弧的电阻增加，使电流变得不重要，以维持电弧。有几种方法可以实现高阻力法。

增加电弧电阻的方法有:

• 增加弧长
• 冷却电弧
• 减小弧的横截面面积
• 分裂的弧

这种方法通常用于直流断路器和低容量断路器交流电路因为它在电弧熄灭过程中产生了大量的热量。

低电阻的方法

在低电阻法中，顾名思义，电弧的电阻保持在低水平，直到电流变为零，电弧自然熄灭。因此，这种方法也被称为电流归零法。

低电阻法常用于大功率交流断路器，因为这种方法即使在触点电压升高时也能防止电弧重击。

另一个要考虑的重要因素是介质的电离和电离粒子维持电弧的倾向。如果触点之间的介质被去离子化，尽可能快，重击的可能性就会大大降低。

介质去离子可通过以下方式实现:

• 增加触点之间的间隙
• 增加了压力
• 冷却电弧
• 气体爆炸的效果

断路器的分类

有几种方法来分类不同的断路器。断路器的一些常用分类标准如下:

• 预定电压应用程序
• 安装位置
• 设计特点
• 电流中断的方法和介质(消弧)

尽管断路器有多种分类方法，但基于电流中断介质和方式的分类在行业中也是最普遍和最重要的。现在，我们将简要介绍所有这些分类，在后面的章节中，我们将更深入地讨论主要分类(即基于消弧方法)。

基于电压等级

断路器的第一个逻辑分类是基于断路器使用的预期工作电压。断路器根据电压等级有两种类型。它们是:

• 低压断路器，适用于1000V以下的电压。
• 用于电压大于1000V的高压断路器。

同样，高压断路器又进一步分为123kV及以上和72.5kV及以下。

根据安装类型

断路器也根据安装位置分类，即室外安装或室内安装。这些断路器通常是高压断路器。室内断路器设计用于建筑物内部或特殊的耐候性外壳，通常是金属外壳的开关设备外壳。

实际上，室内外断路器的主要区别在于包装结构和外壳，而内部结构如载流部件、断路机构和操作基本相同。

基于外部设计类型

断路器的分类也基于物理结构设计，通常有两种方法。它们是:

• 死槽式断路器
• 活槽式断路器

在死槽式断路器中，开关装置被置于接地电位的容器中，并被中断器和绝缘介质包围。另一方面，在活槽式断路器中，包含中断器和绝缘介质的容器比地面具有更高的电位。

死坦克断路器在美国更常见，而活坦克断路器在欧洲和亚洲经常使用。

根据中断介质的类型

断路器最重要的分类是基于中断介质和消弧方法。事实上，开流介质和消弧方法已经成为断路器设计的主要因素，也决定了断路器的总体设计参数。

最初，石油和空气作为中断介质，即使在第一次实施近一个世纪后仍然继续使用。

有两种较新的技术，一种涉及真空，另一种基于六氟化硫(SF₆)气体作为中断介质。这两种断路器主导了今天的断路器行业，但石油和空气断路器也仍在使用。

不同类型的断路器

由于断路器的一般和最常见的分类方法是基于消弧所用的介质，我们将看到基于相同的不同类型的断路器。

通常消弧所用的介质是空气、油、六氟化硫气体或真空。因此，基于这些介质的不同类型的断路器有:

• 空气磁性断路器
• 空气爆破断路器
• 油断路器
• Sulfurhexafluoride(科幻小说₆)断路器
• 真空断路器

每一种类型都有其优点和缺点，我们将详细了解所有这些不同类型的断路器。

空气磁性断路器

第一个断路器是空气磁断路器。它也被称为弧槽断路器。通常，它由触点之间的许多板组成，由金属或绝缘材料组成。

当电弧被击中时，它会接触到一系列的金属板。因此，主电弧被分成若干横跨平板的小电弧，电压降通常为30至40伏。在这种类型的断路器，板通常是金属的。

另一种类型的弧槽断路器是基于磁性低出辅助。这种类型通常使用绝缘电弧板，由陶瓷制成。

在这种类型中，首先使电弧在绝缘板之间移动以拉长电弧。然后通过扩散冷却电弧。当断路器开始打开，电弧被触发时，触点之间的间隔增加。线圈不是主导电电路的一部分，它与电流接触。

这个线圈产生的磁场将对电弧施加一个力，因此，电弧倾向于移动到更深的滑道。

空气爆破断路器

第二种“空气”型断路器是空气爆破式断路器。在这种类型中，高压空气爆炸被用作灭弧介质。在故障的情况下，由吹气阀控制的吹气会打开触点，也会冷却电弧。

电弧和电弧产物被扫入大气中，这迅速增加了介质的介电强度。因此，防止了电弧的重划。电弧被熄灭，电流被完全中断。

根据送风方向与电弧的关系，有三种类型的送风断路器。它们是:

• 轴向爆炸类型
• 交叉爆炸类型
• 径向爆炸类型

在轴向鼓风断路器中，气流与电弧的流向相同。高压气流会把移动的触点推开，打开电路，也会把电弧推到旁边。

横吹式断路器的送风是垂直于电弧路径的，径向送风是向径向的。

优势

• 消除了火灾的危险。
• 电弧产物完全被空气吹除。
• 电介质强度增加明显更快。因此，接触间隙可以更小，导致更小的设备。
• 电弧时间非常小，电弧能量也很小。适合频繁操作。
• 鼓风与开断电流无关。

缺点

• 空气的灭弧性能较差。
• 对限制电压变化敏感。
• 风机压缩机需要维护。

油断路器

在油断路器中，绝缘油被用作灭弧介质。当触点在油中打开时，当电弧击中时，周围的油被蒸发成氢气。

氢气气泡将环绕电弧区域。氢气，由于其高热导率，冷却电弧，也去电离介质。此外，气体在周围的油中引起乱流，所有的电弧产物都被推离电弧。

有两种类型的油断路器。它们是:

• 散装油断路器
• 低油分断路器

顾名思义，散装油断路器使用大量的油。此外，散装油断路器又分为两种类型。

• 普通断油断路器
• 电弧控制油断路器

在平断油断路器中，触点是在油箱中分离的，电弧控制系统是增加触点的分离。当触点之间的临界间隙达到时，电弧消光发生。

控制弧油断路器克服了普通断油断路器对电弧控制不足的缺点。电弧控制有两种实现方式，分别为:

• 自爆油断路器
• 强制喷油断路器

在自爆式断路器中，触头使用一个绝缘的刚性压力室，电弧过程中释放的气体被限制在这个腔室或罐内。小腔内产生的高压将迫使油作为气体通过电弧，然后将其熄灭。

自爆油断路器有三种压力罐的型式和设计。它们是:

• 普通的爆炸罐
• 交叉喷射爆炸罐
• 自补偿爆炸罐

至于强制喷油断路器，与自爆油断路器相比，使用活塞气缸来产生必要的油压，而自爆油断路器的压力是由电弧本身产生的。

在上面提到的所有散装油断路器中，油有两种作用。一种是作为灭弧介质，另一种是将带电电路与地球绝缘。只有一小部分(10%或更少)实际用于消弧，大部分油用于绝缘目的。

在低油断路器中，油被用来消弧，而像瓷器和纸这样的固体材料被用来绝缘。

优势

• 油具有优良的冷却性能，电弧能将油转化为气体。
• 作为带电电线和大地之间的绝缘体。

缺点

• 石油是易燃的，有火灾危险。
• 电弧产物不能逃逸并留在油中。

Sulfurhexafluoride(科幻小说₆)断路器

在六氟化硫断路器中，六氟化硫的化学式为SF₆，用作灭弧介质。

六氟化硫气体本质上是电负的，即它吸引自由电子。当电路触点打开时，一种高压的六氟化硫气体随着电弧的撞击流过腔室。

电弧过程中产生的自由电子很快被SF吸收₆气体:产生不移动的负离子的气体当电弧失去其导电电子时，周围介质的绝缘强度迅速增加，电弧完全熄灭。

下图显示了SF的简化结构₆断路器。固定触点和移动触点都置于弧室中，弧室中含有六氟化硫气体。当触点打开时，高压顺丰₆从储气罐中喷出的气体将流经腔室的入口。

优势

• 优越的灭弧性能。
• 可以中断较大的电流作为电介质强度的SF₆气体几乎是空气的三倍。
• 无噪声运行，无废气进入大气。
• 无水分操作，因为充气室保持内部干燥。
• 非常低的维护和需要最少的设备。
• 由于断路器是密闭的，适合煤矿等危险和恶劣的环境。

缺点

• 六氟化硫气体非常昂贵。
• 科幻小说₆每次手术后都要重新保养。
• 这种高压六氟化硫气体将吸收所有传导的自由电子，从而导致电弧的消失。

真空断路器

在真空断路器或VCB中，灭弧介质是真空的。它具有比其他介质优越的灭弧性能，因为它具有最高的绝缘强度。

当真空断路器的触点被打开时，由于触点的金属蒸汽电离而形成电弧。但随着蒸汽迅速凝结，电弧很快就会熄灭。

典型的真空断路器如下图所示。它由动触点和固定触点以及安装在真空室中的电弧屏蔽组成。外层绝缘体通常由玻璃或陶瓷制成。

优势

• 没有火灾隐患。
• 结构紧凑，可靠性高，使用寿命长。
• 在操作过程中或之后不会产生气体。
• 不需要或很少需要维护。
• VCB可以中断任何故障电流。
• 能抵抗雷击。
• 释放低电弧能量。