DQZHAN技術(shù)訊：低壓電氣和低壓電器技術(shù)之——淺談低壓斷路器的限流技術(shù)
導(dǎo)讀：限流措施是一種簡(jiǎn)單有效的限流保護(hù)電路，論述了該保護(hù)電路應(yīng)用于寬范圍輸入正激變換器和寬范圍輸入反激變換器時(shí)工作狀況的區(qū)別，并給出了一個(gè)適用于寬范圍輸入反激變換器的補(bǔ)償電路。*后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了限流保護(hù)電路及補(bǔ)償電路的工作原理及其有效性。
任何開(kāi)關(guān)電器應(yīng)用特例其實(shí)是在工程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的，而不會(huì)出現(xiàn)在研發(fā)過(guò)程中。解決這些工程應(yīng)用特例，研發(fā)出開(kāi)關(guān)電器的新產(chǎn)品，會(huì)極大地提升產(chǎn)品的工作特性和它的市場(chǎng)價(jià)值。
但在新品未面市前，設(shè)計(jì)工程師們要用現(xiàn)有的產(chǎn)品來(lái)解決問(wèn)題。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)工程師們的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)遠(yuǎn)高于研發(fā)工程師，而且理論分析能力未必會(huì)低于研發(fā)工程師。
限流，是低壓限流型斷路器的一項(xiàng)功能。有點(diǎn)象公路上限高桿的作用：
在低壓斷路器限流技術(shù)里，有許多很有意思的物理現(xiàn)象，以及獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理。
解析低壓斷路器的限流技術(shù)之前，我們不妨先來(lái)了解一下低壓斷路器的發(fā)展歷程。以下文本摘自《低壓電器的滅弧技術(shù)》：
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20世紀(jì)20年代，Slipen提出了電流過(guò)零后出現(xiàn)鞘層和近極作用（即：近陰極效應(yīng)），發(fā)明了柵片滅弧，使低壓電器從簡(jiǎn)單滅弧的**代刀開(kāi)關(guān)，發(fā)展到配電線路用的斷路器和控制系統(tǒng)用的接觸器等專(zhuān)用的品種，前者使得低壓配電系統(tǒng)具有較高的開(kāi)斷能力，后者則滿(mǎn)足控制要求的頻繁操作能力。
20世紀(jì)50年代，發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電器觸頭開(kāi)斷后電弧有個(gè)短暫的停滯過(guò)程（即：零休時(shí)間），這個(gè)過(guò)程對(duì)控制電器的電氣壽命和斷路器的開(kāi)斷性能有很大的影響，包括觸頭材料、吹弧磁場(chǎng)、觸頭打開(kāi)速度、滅弧室尺寸等，這些研究對(duì)低壓開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷性能和電氣壽命的提高起了很大的作用。
這一時(shí)期另一個(gè)對(duì)提高低壓電器性能有重大意義的是磁場(chǎng)吹弧的新機(jī)理，即橫向磁場(chǎng)能在弧柱中感應(yīng)出流場(chǎng)，使冷氣流從電弧前端進(jìn)入而從后端流出，形成對(duì)稱(chēng)渦流的流場(chǎng)，這一冷氣流可帶走電弧的熱量，有利于電弧的熄滅；另一方面在觸頭分?jǐn)嗟某跗冢@一作用可使然弧初期的金屬相電弧轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嚯娀。欣诳s短電弧的停滯時(shí)間。這一發(fā)現(xiàn)使磁吹成為當(dāng)時(shí)*有效的滅弧措施之一。
隨著低阻抗大容量變壓器的故障短路電流可達(dá)100kA以上，要求故障分?jǐn)嚯娖鞑坏凶銐虼蟮姆謹(jǐn)嗄芰Γ€應(yīng)帶有顯著的限流效應(yīng)，這就促進(jìn)了限流技術(shù)在低壓電器中的應(yīng)用。
限流型低壓斷路器的限流原理是依靠短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)斥力或通過(guò)沖擊電磁鐵產(chǎn)生的電磁力使觸頭系統(tǒng)在操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作前就使提前斥開(kāi)而呈現(xiàn)電弧，利用電弧電壓來(lái)限制電流。
ABB公司在意大利的低壓電器分公司根據(jù)這一原理早在20世紀(jì)80年代初期就提出觸頭單邊斥開(kāi)，觸頭雙邊斥開(kāi)，電動(dòng)機(jī)槽結(jié)構(gòu)和雙斷點(diǎn)開(kāi)斷等多種限流斷路器的結(jié)構(gòu)方案，盡管近年來(lái)限流技術(shù)有很大的發(fā)展，但這些基本方案仍沿用至今。
20世紀(jì)80年代初期，英國(guó)、德國(guó)和日本相繼發(fā)現(xiàn)了限流開(kāi)斷過(guò)程中電弧背后擊穿與轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，并研究出這種現(xiàn)象是由于背后區(qū)域熱擊穿所引起的。
上世紀(jì)80年代末，施耐德電氣公司提出“固體絕緣屏幕”的限流技術(shù)，它用一絕緣材料制作的屏幕插入動(dòng)、靜觸頭之間，把電弧隔斷，該公司并把這種技術(shù)應(yīng)用于額定電流為25A的Optical25小型斷路器。
對(duì)低壓斷路器來(lái)說(shuō)，直到20世紀(jì)末才開(kāi)始注意氣吹對(duì)提高低壓斷路器開(kāi)斷性能的作用。當(dāng)開(kāi)斷時(shí)，電弧高溫使產(chǎn)氣材料氣化，通過(guò)冷卻電弧和控制電極的金屬蒸氣噴流來(lái)達(dá)到提高電弧電壓和開(kāi)斷性能的目的：把產(chǎn)氣材料放在由靜觸頭導(dǎo)電回路形成的槽中，進(jìn)一步加強(qiáng)氣吹作用，被稱(chēng)為槽形沖擊加速器技術(shù)(ISTAC)，并開(kāi)發(fā)出PSS系列塑殼斷路器。
低壓電器的氣吹作用，可由兩種方法來(lái)達(dá)到，一種是依靠滅弧室器壁放置的產(chǎn)氣材料產(chǎn)氣，另一種是利用半封閉獨(dú)立的滅弧單元，讓電弧高溫在滅弧單元內(nèi)引起壓力上升，通過(guò)出氣口而形成氣吹。
施耐德電氣公司的NS系列塑殼斷路器就充分利用了上述兩種氣吹作用，并使產(chǎn)品達(dá)到同期塑殼斷路器中*高的開(kāi)斷能力，與之同時(shí)半封閉的滅弧室結(jié)構(gòu)和氣吹作用的應(yīng)用也推廣到框架斷路器上，使框架斷路器的開(kāi)斷性能也有大幅度的提高
施耐德電氣公司推出的NS系列塑殼斷路器之所以能達(dá)到高的開(kāi)斷性能，除了依靠獨(dú)立滅弧單元和氣吹的作用外，另一原因是采用了旋轉(zhuǎn)雙斷點(diǎn)的開(kāi)斷結(jié)杓，這種觸頭系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，到了新世紀(jì)進(jìn)一步得到了推廣。
國(guó)際上有名電器公司紛紛推出新一代采用雙斷點(diǎn)觸頭系統(tǒng)和利用氣吹作用的塑殼斷路器，如美國(guó)CE公司的RecordPlus系列，ABB公司的TMAX系列等，結(jié)構(gòu)上也更多樣化，除旋轉(zhuǎn)雙斷點(diǎn)外，又出現(xiàn)了平行雙斷點(diǎn)和橋式雙斷點(diǎn)等新結(jié)構(gòu)，日本寺崎公司更是把雙斷點(diǎn)的結(jié)構(gòu)用于框架斷路器，推出了TemPower2斷路器，改變了框架斷路器傳統(tǒng)的單斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
傳統(tǒng)的限流開(kāi)關(guān)，電弧能量全部由斷路器開(kāi)斷過(guò)程來(lái)承擔(dān)，因而限制了斷路器尺寸的進(jìn)一步縮小，一種新的思路是用一個(gè)限流器和斷路器串聯(lián)，在開(kāi)斷時(shí)，電弧能量大部分由限流器來(lái)承擔(dān)，這就可以大大地減輕斷路器的負(fù)擔(dān)。
這種限流器可以由多種原理來(lái)實(shí)現(xiàn)，近年來(lái)受人注目的是采用一種稱(chēng)為正溫度系數(shù)的材料PTC來(lái)實(shí)現(xiàn)，它是一種導(dǎo)電塑料，由聚合物（如聚乙烯）加上填充的導(dǎo)電炭粒組成，當(dāng)短路電路通過(guò)這種限流器，使原有導(dǎo)電炭粒組成的橋路因熱膨脹拉斷，讓限流器的電阻驟然增加而達(dá)到限流效果。
另一方面真空開(kāi)斷技術(shù)、固態(tài)斷路器也在不斷地發(fā)展，西門(mén)子公司3WSI低壓真空斷路器的開(kāi)斷能力已達(dá)50kA，盡管其開(kāi)斷能力尚不能與空氣滅弧的傳統(tǒng)斷路器相比較，但無(wú)電弧或無(wú)噴弧使**性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
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解釋幾個(gè)相關(guān)概念：
（1）交流電弧的零休和重燃條件
我們先來(lái)看看交流電弧的過(guò)零熄弧及重燃條件。這對(duì)于理解限流原理很重要。
我們知道，當(dāng)電弧電流過(guò)零時(shí)，切確地說(shuō)，是在過(guò)零前某時(shí)刻，由于電弧電壓已經(jīng)低于起弧電壓，電弧熄滅。但是，電弧留下了熾熱的氣體，這些氣體中仍然保持一定的正負(fù)離子。隨著溫度的迅速降低，正負(fù)離子越來(lái)越少。弧隙中的這團(tuán)熾熱氣體，它的特性可以用重燃電壓來(lái)表示，即Ub。
電弧過(guò)零熄滅后，間隙中的氣體也在恢復(fù)，我們用介質(zhì)恢復(fù)能力Uhf來(lái)表示。如果過(guò)零后的線路電壓Uhf大于Ub，則電弧一定重燃；反之，若Uhf小于Ub，則電弧一定熄滅。
我們來(lái)看下圖：
圖中的Ub1和Ub2為兩條電壓恢復(fù)曲線，我們看到Ub1大于Ub2。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，Uhf在A點(diǎn)與Ub2相交，于是電弧在A點(diǎn)重燃；對(duì)于Ub1，它與Uhf完全不相交，因此若低壓斷路器或者低壓限流斷路器的主觸頭弧隙中的介質(zhì)（空氣）滿(mǎn)足Ub1曲線的重燃電壓關(guān)系，則交流電弧一定熄滅。
在各類(lèi)教科書(shū)和《低壓電器手冊(cè)》中，把介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度用符號(hào)Ujf代表，把電壓恢復(fù)強(qiáng)度用符號(hào)Uhf代表，因此交流電弧不重燃的條件是：
介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度Ujf大于電壓恢復(fù)強(qiáng)度Uhf。
也即：
聯(lián)系到以上描述，就是：交流電弧熄滅的條件是：電壓恢復(fù)曲線小于介質(zhì)恢復(fù)曲線。即：Ub<Uhf。
（2）近陰極效應(yīng)
我們?cè)賮?lái)看下圖：
電流過(guò)零前，左側(cè)的電極為陽(yáng)極，右側(cè)為陰極。由于電弧的電離氣體的原因，在陽(yáng)極附近有大量的正離子存在。
當(dāng)電流過(guò)零后，原先的陽(yáng)極變?yōu)樾碌年帢O，而原先的陰極變?yōu)樾碌年?yáng)極。我們?cè)谏蠄D中看到，新陰極附近的電子迅速地向新陽(yáng)極方向運(yùn)動(dòng)，而正離子由于體積大質(zhì)量也大，在很短的一段時(shí)間內(nèi)仍然留在原地，于是新陰極前面出現(xiàn)了一個(gè)由正電荷組成的墻，這堵墻的電壓高達(dá)300V左右，使得電極在瞬間獲得了300V左右的介質(zhì)強(qiáng)度，它有效地阻止了電子發(fā)射。
這種作用被稱(chēng)為近陰極效應(yīng)。
近陰極效應(yīng)產(chǎn)生的作用使得交流電弧在過(guò)零后有一個(gè)休止期，被稱(chēng)為交流電弧的零休現(xiàn)象。零休時(shí)間對(duì)電弧產(chǎn)生了抑制作用和限流作用。
由于近陰極效應(yīng)的存在時(shí)間十分短暫，大約只有150微秒左右，因此近陰極效應(yīng)僅對(duì)低壓電器的滅弧有效，對(duì)高壓電器無(wú)效。
近陰極效應(yīng)的零休限流作用在低壓斷路器滅弧原理中普遍存在。
（3）限流和限流比
首先，我們都知道塑殼斷路器和微型斷路器的體積很小，為了要限流，則首要的問(wèn)題是體積必須精巧。當(dāng)然，在原理上也要符合基本要求。
這里的限流，指的是當(dāng)開(kāi)關(guān)電器流過(guò)短路電流時(shí)，開(kāi)關(guān)電器能在短路電流還未達(dá)到峰值時(shí)就給予開(kāi)斷。
開(kāi)斷電流值與短路電流峰值之比被稱(chēng)為限流比。
注意開(kāi)關(guān)電器的限流作用有兩個(gè)特點(diǎn)：
1）限流很類(lèi)似于熔斷器的保護(hù)作用；
2）由于電流從過(guò)零后到峰值點(diǎn)的時(shí)間為5毫秒，因此限流動(dòng)作的時(shí)間很短暫。
也因此，限流型斷路器在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中被定義為A類(lèi)斷路器。A類(lèi)斷路器只有過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)L參數(shù)和短路瞬時(shí)保護(hù)I參數(shù)。
（4）低壓斷路器限流作用的原理
我們來(lái)看下圖：
先看左圖：
我們看到流過(guò)靜觸點(diǎn)和動(dòng)觸點(diǎn)的導(dǎo)電桿的電流方向正好相反。我們先用右手螺旋定則判斷磁場(chǎng)方向，再用左手判斷電動(dòng)力方向，我們可以得出結(jié)論：動(dòng)靜觸頭導(dǎo)電桿的受力是斥力。對(duì)于動(dòng)觸頭來(lái)說(shuō)，受力方向向右，即FU。這里的“U”就是U形導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的意思。
同時(shí)，在觸頭上也有作用力，即電流線的收縮霍姆力Fh。這兩個(gè)力的合力構(gòu)成動(dòng)觸頭快速打開(kāi)的作用力。
再看右圖：
這里有沖擊電磁線圈。當(dāng)發(fā)生過(guò)電流時(shí)，沖擊電磁線圈產(chǎn)生的快速打擊作用力直接頂開(kāi)動(dòng)觸頭。
一般地，限流型塑殼斷路器采用左圖所示的電動(dòng)力開(kāi)斷法來(lái)限流，而限流型微型斷路器則用右圖所示的快速?zèng)_擊力來(lái)限流。
圖中藍(lán)色的導(dǎo)線是軟連接，用于緩沖和消除沖擊力對(duì)脫扣器的影響。
我們來(lái)看下圖：
這是ABB的透明微型斷路器。圖中由很粗導(dǎo)線繞制的部分就是用于限流作用的沖擊電流線圈。
請(qǐng)注意：沖擊電流線圈的鐵芯的上端用于打擊動(dòng)觸頭，下端則用于拉動(dòng)脫扣器脫扣。
限流技術(shù)不但涉及到電弧，也涉及到機(jī)構(gòu)方案。是一個(gè)很綜合的問(wèn)題。
如果想把限流問(wèn)題給搞清楚，的確需要仔細(xì)研究才行。
（5）限流斷路器的結(jié)構(gòu)模式
限流斷路器的結(jié)構(gòu)方案有五種，其中也包括施耐德公司的雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)。這五種限流開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)模式圖如下：
上部左圖就是普通斷路器，也即非限流的斷路器。
上部中圖，我們看到了U形結(jié)構(gòu)。由前所述，我們知道它能實(shí)現(xiàn)限流功能。
上部右圖，我們看到靜觸點(diǎn)也有旋轉(zhuǎn)中心，也可斥開(kāi)。此開(kāi)關(guān)具有動(dòng)、靜觸點(diǎn)的雙斥開(kāi)結(jié)構(gòu)。
中圖，加了勵(lì)磁繞組，增強(qiáng)了觸頭臂上的斥開(kāi)電動(dòng)力。
下圖，即施耐德公司的雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)。兩個(gè)觸頭串聯(lián)同時(shí)斥開(kāi)，增強(qiáng)了滅弧能力，也增大了電弧電壓。因此，*后這個(gè)方案也是*優(yōu)的結(jié)構(gòu)。
注意：我在雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)中有一句話(huà)，是：“增大了電弧電壓”，知道是什么意思嗎？它和限流開(kāi)關(guān)有何種關(guān)系？
我們來(lái)看下圖：
分析如下：
(1)從短路電流開(kāi)始出現(xiàn)的時(shí)刻t=0，到t0時(shí)刻，限流斷路器即將開(kāi)始動(dòng)作。在此過(guò)程中，動(dòng)觸頭上承受的電動(dòng)斥力隨著短路電流的增加而增加，一直到電動(dòng)斥力等于觸頭壓力時(shí)為止。由于觸頭并未分開(kāi)，因此電弧電壓Uh=0
(2)從t0到t1階段，觸頭在t0打開(kāi)，觸頭之間開(kāi)始出現(xiàn)電弧。由于這時(shí)電弧電流并不大，因此電弧停留在原地，被稱(chēng)為電弧停滯時(shí)間。電弧停滯時(shí)間與觸頭材料、吹弧磁場(chǎng)、開(kāi)距和打開(kāi)速度等都有關(guān)。由于電弧電流變化不大，因此電弧電壓也變化不大
(3)從t1到t2時(shí)刻，電弧在自身的勵(lì)磁作用下，進(jìn)入滅弧柵片，電弧電壓快速增長(zhǎng)
(4)當(dāng)電弧進(jìn)入滅弧柵片后，電弧電壓達(dá)到其*大峰值Uh，注意Uh>U。電弧電流強(qiáng)制減小，至t3時(shí)刻電流降到零，電弧熄滅
我們來(lái)看下圖：
圖的左側(cè)是母線系統(tǒng)，我們看到是單相電源;中間是限流型斷路器，并且有兩個(gè)斷點(diǎn)。注意在觸點(diǎn)的下方有U形結(jié)構(gòu)，由此可知它可以利用電動(dòng)力來(lái)產(chǎn)生限流脫扣。同時(shí)，我們還看到了沖擊繞組和沖擊電磁鐵，它的作用前面已經(jīng)敘述過(guò)了，這里忽略。
圖的右側(cè)是負(fù)載。負(fù)載中我們看到了電阻R和電感L，想象它就是類(lèi)似空調(diào)之類(lèi)的負(fù)載吧。
為了討論方便，我們把負(fù)載外露導(dǎo)電部分所接的PE線給去除了。目的是顯然的，PE線以及剩余電流保護(hù)與我們的討論主題無(wú)關(guān)。
正常情況下，動(dòng)觸頭在寶塔彈簧的作用下處于閉合狀態(tài)。當(dāng)短路電流通過(guò)沖擊電磁鐵線圈時(shí)，動(dòng)鐵芯頂桿推動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的頂端推動(dòng)帶有動(dòng)觸頭的直動(dòng)桿使觸頭打開(kāi)，電弧在觸頭上點(diǎn)燃后，再自勵(lì)磁場(chǎng)的作用下沿著弧角進(jìn)入滅弧室而熄滅。
注意：沖擊電磁鐵的下端帶有脫扣機(jī)構(gòu)，當(dāng)動(dòng)鐵芯動(dòng)作后，脫扣機(jī)構(gòu)產(chǎn)生脫扣，使動(dòng)觸頭打開(kāi)并保持在打開(kāi)位置。
由此可見(jiàn)：限流斷路器在發(fā)生短路時(shí)執(zhí)行了三套開(kāi)斷操作：
**套是U形觸頭導(dǎo)電回路產(chǎn)生的開(kāi)斷電動(dòng)力;
**套是沖擊電磁鐵鐵芯上端產(chǎn)生的對(duì)觸頭的開(kāi)斷沖擊力;
第三套是沖擊電磁鐵鐵芯下端產(chǎn)生的脫扣作用力。這一點(diǎn)請(qǐng)充分注意。
對(duì)比普通的斷路器，我們發(fā)現(xiàn)限流斷路器與普通斷路器的脫扣原理很不一樣。
我們?cè)賮?lái)看看ABB的透明微斷，來(lái)加強(qiáng)理解。值得注意的是：ABB的透明微斷是單觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)：
看出了主觸點(diǎn)在哪兒?jiǎn)?沖擊電磁鐵上方可不是主觸點(diǎn)哦!提示：動(dòng)觸點(diǎn)應(yīng)當(dāng)配有軟連接，這是它的標(biāo)志
在給出分析表達(dá)式之前，我們先復(fù)習(xí)兩個(gè)概念。
**個(gè)概念：KVL
KVL就是基爾霍夫電壓定律。KVL告訴我們，在閉合的網(wǎng)絡(luò)中，各處的電壓代數(shù)和為零。利用KVL，我們可以把電源電壓寫(xiě)在等號(hào)的左邊，而等號(hào)右邊為環(huán)路中各電壓之和。也即：
U電源=U1+U2+U3+......+Un
**個(gè)概念：電感電壓
當(dāng)流過(guò)電感的電流發(fā)生變化時(shí)，其變化率為di/dt，則電感兩端的電壓為：
在這里，di是電流改變量，dt是對(duì)應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度。
這個(gè)式子說(shuō)明：當(dāng)流過(guò)電感的電流發(fā)生改變時(shí)，電感兩端將出現(xiàn)反向電動(dòng)勢(shì)，或者反向電壓;若電流未發(fā)生變化，則電感電壓為零。當(dāng)然，這里假定電感的電阻為零。
現(xiàn)在，我們就可以寫(xiě)出表達(dá)式了:
在這里，等號(hào)左邊的就是交流電源，等號(hào)右邊的**項(xiàng)是電感上的電壓，**項(xiàng)是電阻上的電壓，第三項(xiàng)是觸頭之間的電弧電壓。我們把上式改寫(xiě)一下，從中解出di/dt，如下：
現(xiàn)在我們來(lái)仔細(xì)分析這個(gè)表達(dá)式與限流斷路器的關(guān)系。
在深入討論之前，我們需要確定一件事：
我們知道，工頻頻率是50Hz，所以交流電流半個(gè)周波時(shí)間是10毫秒。如果限流斷路器的開(kāi)斷時(shí)間大于10毫秒，則交流電流必然過(guò)零，于是我們就要考慮過(guò)零前后在主觸頭上的電弧變化;反之，我們就只考慮過(guò)零前電流減小的熄弧過(guò)程就可以了。
另外，若限流斷路器的分?jǐn)鄷r(shí)間小于10毫秒，電弧事實(shí)上已經(jīng)變成直流電弧，我們也可以參照直流電弧的理論來(lái)討論。
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好，我們來(lái)看看ABB的塑殼斷路器參數(shù)：
我們看到斷路器的分閘時(shí)間在10毫秒以下，特別是“L”限流開(kāi)關(guān)，分閘時(shí)間只有3毫秒。這樣一來(lái)，我們的討論也就方便了很多。
現(xiàn)在我們來(lái)仔細(xì)分析上述表達(dá)式與限流斷路器的關(guān)系：
在分析電弧的伏安特性時(shí)，di/dt的值是關(guān)鍵因素。我們可以這樣想：如果改變電路的各項(xiàng)參數(shù)都不變，電弧電流當(dāng)然也不變，那么di/dt=0;如果電流上升，則di/dt>0，電弧的電離程度加強(qiáng)，弧柱直徑加大，電弧電阻Rh的減少率大于電流的增加率，因此電弧電壓Uh反而會(huì)下降;如果電流下降，電弧電壓會(huì)上升。
在我們的系統(tǒng)中，一旦時(shí)間越過(guò)了t3，電流達(dá)到峰值點(diǎn)，此時(shí)di/dt=0，再之后，電弧電流開(kāi)始下降，而電弧電壓就會(huì)上升，并且會(huì)一直大于電源電壓，*后，電弧電流持續(xù)減小，直到為零。
由于有限流作用的存在，實(shí)際分?jǐn)嚯娏鞯姆狄菼p小很多，燃弧時(shí)間縮短，因此允通能量和電弧能量都減小。
在這里，允通能量的減小能夠降低斷路器自身和電網(wǎng)中其它設(shè)備的短路電動(dòng)力和熱效應(yīng)，而后者則減小了斷路器開(kāi)斷電弧的能量。
下面專(zhuān)門(mén)談限流斷路器的應(yīng)用，其中既有在電動(dòng)機(jī)方面的應(yīng)用分析，也有饋電方面的應(yīng)用。
我們來(lái)看題圖。注意看黃色的那條線：
當(dāng)電機(jī)送電伊始，電機(jī)的轉(zhuǎn)子還未旋轉(zhuǎn)，這時(shí)電機(jī)的電流*大，此電流被稱(chēng)為起動(dòng)沖擊電流Ip，它的值大約為電機(jī)額定電流的12到14倍。
電機(jī)起動(dòng)后，電流迅速回落，這時(shí)的電流稱(chēng)為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流Ia，它的值在4到8.4倍之間，一般取為6倍額定電流。
當(dāng)電機(jī)起動(dòng)完成后，電機(jī)電流回歸到正常值，也即額定電流Ie。
面對(duì)如此之大的沖擊電流，我們可以使用限流斷路器嗎?答案是否定的。
我們從限流斷路器的結(jié)構(gòu)就能看出，當(dāng)出現(xiàn)接近限流斷路器動(dòng)作值的電流時(shí)，限流斷路器觸頭導(dǎo)電桿的U形結(jié)構(gòu)會(huì)使得觸頭出現(xiàn)振動(dòng)和彈跳，并拉出電弧燒蝕觸頭。這會(huì)嚴(yán)重影響限流斷路器的電壽命。
因此，限流斷路器不建議使用在具有沖擊性電流的場(chǎng)合，尤其不能讓正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的沖擊性電流接近于限流斷路器脫扣值。
對(duì)于電動(dòng)機(jī)回路，我們應(yīng)當(dāng)使用專(zhuān)用于電動(dòng)機(jī)的單磁斷路器，也即只有瞬時(shí)短路保護(hù)I參數(shù)的斷路器。
圖中有**配電系統(tǒng)，有二級(jí)配電系統(tǒng)。其中QF1是低壓總進(jìn)線，QF2是饋電，QF1和QF2之間有選擇性配合關(guān)系;QF3是二級(jí)配電系統(tǒng)的總進(jìn)線，QF3與QF2之間，以及QF3和QF4之間都存在選擇性配合關(guān)系。
此圖中只有QF4可以使用限流型斷路器。原因很簡(jiǎn)單，它是*后**開(kāi)關(guān)，并且負(fù)載的沖擊電流也比較小。
如此說(shuō)來(lái)，限流斷路器的應(yīng)用面不是很大呀?確實(shí)如此。但有時(shí)它會(huì)被應(yīng)用在一些特殊場(chǎng)合中。我們看下面的兩個(gè)例子：
**個(gè)例子：控制電爐
在這個(gè)例子中，我們看到負(fù)載是電爐，同時(shí)控制電爐的是調(diào)功器，顯然，這里的沖擊電流不大，反倒是短路保護(hù)要加強(qiáng)。
雖然晶閘管SCR被熔斷器開(kāi)關(guān)QS中的熔斷器保護(hù)著，但作為線路保護(hù)的斷路器QF2到QFn+1都要采用限流斷路器，以便在發(fā)生短路時(shí)能快速地開(kāi)斷。
**個(gè)例子：特別大的短路容量。我們來(lái)看下圖：
這是蘇州某臺(tái)灣工業(yè)園的實(shí)例。我們看到變壓器的容量是3200kVA，這還不算，系統(tǒng)還要求變壓器并列運(yùn)行!
*要命的是：系統(tǒng)必須為第三臺(tái)變壓器并列做好準(zhǔn)備!
我們用我介紹過(guò)的計(jì)算短路電流的簡(jiǎn)便方法來(lái)計(jì)算一下，如下：
單臺(tái)變壓器的額定電流：4619A
單臺(tái)變壓器產(chǎn)生的短路電流：77kA
變壓器并列后產(chǎn)生的短路電流：2X77=154kA
值得注意的是：*大短路電流作用在母線、母聯(lián)開(kāi)關(guān)QF2和所有饋電斷路器上，而不是進(jìn)線斷路器QF1和QF3。
這個(gè)短路容量已經(jīng)超過(guò)了所有國(guó)產(chǎn)斷路器分?jǐn)嗳萘康?大值。用戶(hù)只好找ABB和施耐德公司，當(dāng)然，在ABB他們找到我了。
會(huì)談時(shí)才知道，其實(shí)他們已經(jīng)為饋電回路優(yōu)選了限流斷路器。這顯然是合適的，畢竟限流斷路器的分?jǐn)嗄芰h(yuǎn)高于普通斷路器。
但是母聯(lián)開(kāi)關(guān)該怎么辦?
母聯(lián)開(kāi)關(guān)的額定電流為5000A，分?jǐn)嗄芰?54kA，這個(gè)值也已經(jīng)到達(dá)不得不選用限流框架斷路器的程度。
但是母聯(lián)開(kāi)關(guān)與兩個(gè)進(jìn)線之間有備自投關(guān)系，即使在并列運(yùn)行時(shí)，也有投退的關(guān)系。也就是說(shuō)，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，母聯(lián)開(kāi)關(guān)和進(jìn)線開(kāi)關(guān)之間因?yàn)檫x擇性其開(kāi)斷操作必須有一定的時(shí)延。顯然，限流型斷路器是做不到的。
解決的辦法是什么呢?母聯(lián)開(kāi)關(guān)采用了普通高分?jǐn)嗄芰Φ臄嗦菲鳎瑫r(shí)還專(zhuān)門(mén)配備了限流線。
限流線是ABB的一項(xiàng)發(fā)明，在配電系統(tǒng)中使用的不太多。限流線具有快速的正電阻溫度系數(shù)，當(dāng)運(yùn)行溫度正常時(shí)，它的電阻很小;而當(dāng)短路時(shí)，由于短路電流的熱效應(yīng)，使得限流線的溫度劇烈增加，它的電阻也劇烈增加，以此實(shí)現(xiàn)真正的限流。
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這個(gè)帖子寫(xiě)到這里該結(jié)束了。
從本帖中，我們看到了限流斷路器的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用條件，看到了在應(yīng)用中需要注意到的地方。
*后和學(xué)生知友們說(shuō)句話(huà)：
任何開(kāi)關(guān)電器應(yīng)用特例其實(shí)是在工程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的，而不會(huì)出現(xiàn)在研發(fā)過(guò)程中。解決這些工程應(yīng)用特例，研發(fā)出開(kāi)關(guān)電器的新產(chǎn)品，會(huì)極大地提升產(chǎn)品的工作特性和它的市場(chǎng)價(jià)值。
但在新品未面市前，設(shè)計(jì)工程師們要用現(xiàn)有的產(chǎn)品來(lái)解決問(wèn)題。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)工程師們的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)遠(yuǎn)高于研發(fā)工程師，而且理論分析能力未必會(huì)低于研發(fā)工程師。
當(dāng)然，在有關(guān)開(kāi)關(guān)電器深層次結(jié)構(gòu)、參數(shù)的數(shù)值分析上，研發(fā)工程師是高于設(shè)計(jì)工程師的。
如果我是剛畢業(yè)的學(xué)生，而且可以讓我隨意挑選從事于研發(fā)還是從事于工程設(shè)計(jì)，我一定會(huì)選擇后者。
