空气开关利用了什么原理?

2023-03-02 0 435

水蒸气掌控器的精确中文名称叫作小型变压器,全称微断,记号是 MCB。

空气开关利用了什么原理?

ABB 的透明化水蒸气掌控器

水蒸气掌控器难道是变压器,它总之具有变压器的最基本机能——公交线路为保护机能,这儿有公交线路的网络连接为保护机能和漏电为保护机能。

水蒸气掌控器属于掌控器家用电器的一类。掌控器家用电器有五大方法论,依次是掌控器家用电器的高热方法论、掌控器家用电器的电动力方法论、掌控器家用电器的电碰触方法论、掌控器家用电器的静电方法论和掌控器家用电器的磁方法论。对水蒸气掌控器而言,除掌控器家用电器的磁方法论未牵涉,其他方法论都牵涉。

由此可见,他们不可能将在那个回帖中把水蒸气掌控器所牵涉的五大方法论讲深讲透,他们就来几番概述性深入探讨吧。除此之外,他们假设题主所称的水蒸气掌控器是一般用作沟通交流配网的水蒸气掌控器,而非用作三相电路和传动装置掌控的空气掌控器。

下列他们仅对沟通交流配网水蒸气掌控器进行讨论。

1.水蒸气掌控器的在结构上

下列他们对水蒸气掌控器的网络连接为保护热脱扣器在结构上基本原理、漏电为保护磁脱扣器在结构上基本原理,和阀掌控系统的电碰触基本原理和吕雄基本原理做如是说。

(1)水蒸气掌控器的内部结构

他们看右图:

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图 1:被我拆下的某国际品牌水蒸气掌控器

图 1 中的双金属片是执行公交线路网络连接为保护的部件,而快速动作的磁线圈则是执行漏电为保护的部件。

当他们拨动图 1 的手柄到合闸位置后,操动机构带动动阀与静触头闭合,操动机构的锁扣装置自动把动阀扣在闭合状态,水蒸气掌控器就此闭合,公交线路通电。当他们波动图 1 的手柄到分闸位置后,操动机构把锁扣打开,动阀返回到原始位置。动阀与静阀之间产生的静电被驱动到吕雄栅中实现吕雄。

当公交线路发生了网络连接后,双金属片会发生弯曲。当网络连接电流持续一段时间 t 后,双金属片的弯曲程度已经达到限值,它会驱动操动机构使得锁扣打开,水蒸气掌控器执行网络连接为保护。同理,当公交线路发生漏电后,若电流达到动作限值,则快速动作磁线圈动作,驱动锁扣打开,水蒸气掌控器执行漏电为保护。

在变压器技术中,他们把网络连接为保护部件和漏电为保护部件叫作变压器的脱扣器。由于网络连接为保护归属于双金属片热动作驱动的,故叫作热脱扣器;漏电为保护是快速磁线圈驱动的,故叫作磁脱扣器。两者合称热磁式脱扣器,这种变压器被称为热磁式变压器。

当电流流过水蒸气掌控器导电在结构上(包括阀的导电杆、阀和接线端子等等)时,导电在结构上会产生一定的热量和温度。我们把导电在结构上的表面温度与环境温度之差叫作温升。导电在结构上温升和它的额定载流量等参数与掌控器家用电器的高热方法论直接相关。此外,当漏电电流流过导电在结构上和阀时,会产生剧烈的温度升高,这儿的方法论也归属于掌控器家用电器的发热方法论。

水蒸气掌控器通电一段时间后,它的表面温度已经稳定,它的温升符合标准值。

掌控器家用电器的温升有很多内容,包括升温曲线和降温曲线,还有热时间常数 T 等等,见右图:

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图 2:掌控器家用电器的温升曲线

导电在结构上的温度不会超过最高允许值,他们把此时导电在结构上允许流过的最高运行电流叫作水蒸气掌控器的壳体电流,把不超过网络连接为保护限定动作值的电流叫作额定电流。水蒸气掌控器的壳体电流和额定电流,均与掌控器家用电器的高热方法论密切相关。

注意 1:水蒸气掌控器用作配网主电路,故其电碰触叫作阀,阀必须配套吕雄罩。掌控电路家用电器例如继家用电器的电碰触叫作触点,触点的电流一般在 5A 下列,且无需配吕雄罩。

当漏电电流流过水蒸气掌控器导电在结构上时,会产生非常大的短路电动力。此外,动、静阀之间也会产生很大的阀斥力(霍姆力)把阀斥开,斥开后电流减小动阀又返回,然后再斥开,再返回,……,在此过程中伴随着静电烧蚀,时间长度约为 10 毫秒。等到水蒸气掌控器正式开断时,阀烧蚀产生的金属蒸汽参与到静电中,使得静电得以加强。这儿牵涉掌控器家用电器的电动力方法论、掌控器家用电器的电碰触方法论和掌控器家用电器的静电方法论。

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图 3:阀间形成斥力的原因

他们用右手定则判断图 3 静阀右侧的电流线磁场方向,再用左手定则判断动阀右侧电流线的受力方向,考虑到阀左侧和右侧的水平方向分力相互抵消,而垂直向上的斥力叠加加强,这是阀斥力产生的基本原理。

水蒸气掌控器的阀配套了吕雄罩。水蒸气掌控器的吕雄和吕雄罩的形式都与掌控器家用电器的静电方法论相关。

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图 4:吕雄基本原理

他们用右手定则判断图 4 左侧阀和右侧阀间的磁力线方向,是进入纸面的,再用左手定则判断静电电流的受力方向,他们看到静电被推向吕雄罩内,实现灭弧,这与掌控器家用电器静电方法论的吕雄基本原理相关。

注意 2:当漏电电流流过水蒸气掌控器时,它的导电在结构上对漏电电流的抵御能力叫作热稳定性和动稳定性,依次对应短时耐受电流 Icw 和漏电接通能力 Icm 这两个参数。

我们看到,水蒸气掌控器的基本原理牵涉的内容很多,他们就走马观花到这儿吧。

(2)水蒸气掌控器的热脱扣器工作基本原理

他们看右图:

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图 5:双金属片的动作基本原理

他们从图 5 中看到,热脱扣器的本质基本原理是导电材料的热胀冷缩。

断路器的热脱扣器与传动装置为保护用的热继家用电器其基本原理是一致的,都是双金属片驱动。右图是我的课件摘录:

图 6:热继家用电器的双金属片网络连接为保护基本原理

对比图 6 和图 1,他们看到水蒸气掌控器的网络连接为保护基本原理与热继家用电器的网络连接保护基本原理何其相似。

(3)水蒸气掌控器的磁脱扣器工作基本原理

对磁脱扣器,他们看右图:

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图 7:磁脱扣器动作示意图

结合图 1,他们看图 7 中的磁脱扣器示意图。磁脱扣器的本质是电流继家用电器,它的线圈线径很粗,线圈中流过公交线路电流,并对操动机构脱扣器衔铁产生磁吸力 F。若 F 超过反力 Ff,则衔铁被线圈吸持,变压器操动机构动作,驱动变压器动阀执行开断操作。

从电与磁的关系看,他们看到了电流产生磁场和磁通,电流越大磁通越强,磁吸力自然也就越强。当公交线路电流超过预先设定的水蒸气掌控器漏电为保护动作电流值,磁脱扣器快速动作线圈动作使得水蒸气掌控器跳闸。

磁吸力 F 的大小与麦克斯韦磁吸力公式有关:

,式 1

式 1 中,

是铁芯与衔铁气隙处的磁通,S 是磁极面积,μ0 是水蒸气的磁导率,B 是磁感应强度。

磁通Φ与线圈圈数 N 和电流 I 的关系可依据磁路的基尔霍夫第二定律列写出来:

,式 2

式 2 中,I 是电流,N 是线圈圈数,Φδ是铁芯与衔铁间的气隙磁通,λδ是气隙磁导,Φ是磁路磁通,Rm 是磁路的磁阻。他们由式 2 看到了电流 I 与气隙磁通

的关系。

由于流过水蒸气掌控器的是沟通交流电,气隙磁通

总之也是沟通交流的。他们把

代入到式 1 中,可得:

,式 3

他们看到电动力是脉动的,其最大值

,它决定了水蒸气掌控器的跳闸。

由此可见,水蒸气掌控器磁脱扣器动作的本质基本原理是电流 – 磁通和磁力的麦克斯韦磁吸力公式。

(4)水蒸气掌控器的脱扣器的工作模式图

他们看右图:

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图 8:热磁式变压器的内部在结构上模式图

图 8 是热磁式变压器的内部在结构上模式图,此图摘自我的书《低压家用电器技术精讲》之图 3-23。

图 8 中,他们看到了热脱扣器和磁脱扣器,此外还有欠压脱扣器和分励脱扣器。对水蒸气掌控器,它只具有热脱扣器和磁脱扣器,部分塑壳变压器才具有四种脱扣器。由此可见,热磁脱扣器是变压器的最基本脱扣器。

2.水蒸气掌控器的工作基本原理——公交线路为保护基本原理

他们设公交线路电阻和负载电阻和合并电阻是 R,公交线路电流是 I,通电时间是 t,则公交线路和负载的高热热量 Q 的表达式为:

。他们把那个式子的两边除以 R,得到:

上式的左边是掌控系统参量,它其实是一个定值,他们令其为 K,于是上式就反映了断路器的网络连接为保护特性:网络连接为保护不但与电流的平方有关,还与网络连接持续时间有关。网络连接为保护的时间表达式为:

,式 4

式 4 的曲线形式是单调递减的,也即电流越大,变压器动作时间 t 就越短。他们把这种特性叫作反时限网络连接为保护特性,用 L 来表示。

当漏电电流流过公交线路和变压器时,公交线路会受到漏电电流的高热冲击和电动力冲击。因此,当发生漏电时,变压器必须立即以最快的速度切断公交线路。由于变压器的开断需要一定的时间,也即断路器的最短开断时间,此时间的长度是固定的。变压器的漏电为保护动作时间的表达式为:

,式 5

他们把这种为保护特性叫作定时限漏电为保护特性,用 I 来表示。

水蒸气掌控器的热脱扣器与磁脱扣器动作特性分为 B 特性、C 特性、D 特性和 K 特性。他们看见右图,此图是 B 特性水蒸气掌控器的 LI 为保护脱扣特性曲线(安秒特性曲线):

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图 9:B 特性的水蒸气掌控器动作特性曲线

图 9 中曲线部分是反时限网络连接为保护特性,下部垂直部分是漏电为保护的可调门限,横坐标轴是漏电为保护曲线,他们看到动作时间是 0.01s 也即 10ms,此时间是水蒸气掌控器的最短为保护动作时间、

他们看右图:

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图 10:水蒸气掌控器的为保护类型及其安秒特性曲线

图 10 中 B 特性的水蒸气掌控器一般用作照明电路,C 特性的水蒸气掌控器用作一般电路,D 特性用作具有强冲击电流的电路,而 K 特性则用作传动装置电路。

图 10 中,蓝色的曲线是冷态,黄色的曲线是热态。

3.结论

通过前面的描述,他们看到与水蒸气掌控器基本原理相关联的知识量还挺多的,限于篇幅,他们就不细谈了吧。

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