對于低壓開關(guān)電器主觸頭的并聯(lián),如果我們只在常規(guī)的額定運行電流范圍內(nèi)來討論,我們會發(fā)現(xiàn)討論的重點有兩個:第一個是載流量,這與開關(guān)的溫升相關(guān);第二個是開關(guān)的分?jǐn)嗄芰?,這與開關(guān)的滅弧能力相關(guān)。
注意:這里所討論的是兩只不同開關(guān)電器實體對象的觸頭,而不是同一只開關(guān)電器的兩個同類觸頭。對于同一只開關(guān)同類觸頭之間的并聯(lián)和串聯(lián),我將在本文的稍后部分專門說明。
以下我們就開始分析:
(1)首先討論溫升
題圖是一款框架斷路器ACB。圖中我們看到了主觸頭,還有其它相關(guān)的附件。
顯見,若拿這款開關(guān)來作為我們的討論對象,麻煩得很,而且很多參數(shù)我們并不知道。為此,我把開關(guān)作了一個簡化,類似交流接觸器,如下:
當(dāng)開關(guān)流過額定電流時,最重要的參數(shù)是溫升,它決定了開關(guān)電器主觸頭的接觸性能、氧化狀態(tài)、電壽命和開關(guān)電器的其它綜合性能。為此,我們把上圖配上一些實測數(shù)據(jù),來計算它的溫升狀況。
什么叫做溫升呢?它是指開關(guān)電器的運行溫度與環(huán)境溫度的差值。
對于環(huán)境溫度,在GB14048.1-2012《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1部分:總則》中,有如下說明:
可見,開關(guān)電器的環(huán)境溫度為35攝氏度,這是我們計算涉及到的環(huán)境溫度數(shù)值來源。
那么這個例子如何計算呢?因為我們只需要知道計算的原理,以及計算結(jié)果,并不需要了解具體的計算過程。因此我就簡單地介紹一下吧:
接觸電壓為已知,對于每個觸頭,顯然接觸電壓只有一半。在知道了觸點的尺寸和材質(zhì)的情況下,根據(jù)(接觸電壓-觸點溫度)理論,計算表達(dá)式如下:
這里的Uj就是接觸電壓,當(dāng)然我們要除以2。分母的值可以從Wiede-Mann-Franz定律查表求出。這樣我們就能求得觸頭的溫升。
接著來計算導(dǎo)電桿的發(fā)熱,因為:
這里的電流I用給定值,電阻率為100攝氏度時的值,長度L為已知,截面S亦為已知,這樣我們就能計算出導(dǎo)電桿1和導(dǎo)電桿2的發(fā)熱功率。
我們再用牛頓散熱公式計算散熱功率:
這里的散熱系數(shù)為已知,導(dǎo)電桿的表面積A亦為已知。因為發(fā)熱等于散熱,兩式聯(lián)立后得到導(dǎo)電桿的溫升。
有意思的是:發(fā)熱公式中有導(dǎo)電桿長度L,而散熱公式的表面積A中同樣也有導(dǎo)電桿長度,兩者分別位于等號的左右側(cè),可以略去。
最后,我們就可以得到在某電流I下的最高溫升了。再加上35度的環(huán)境溫度,就可以得到觸頭處的最高溫升。當(dāng)電流為400A時,導(dǎo)電桿截面為7X25mm,散熱系數(shù)為Kt=7,觸頭接觸電壓為0.01V時,計算表明觸頭溫升大約為62K。
但我們從接觸電阻的溫升公式可以看出,它與電流的關(guān)系不大。
其實,電流越小,接觸電阻反而越大。反過來,電流越大,接觸電阻越小。當(dāng)電流達(dá)到觸頭熔化值后,接觸電阻就接近于零了。
對于銅來說,它的軟化電壓是0.12V,熔化電壓是0.43V;對于銀來說,軟化電壓是0.09V,熔化電壓是0.37V。
由于開關(guān)電器是整體使用的,因此IEC標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)都未對觸頭的溫升進行規(guī)定。盡管如此,由于開關(guān)電器要進入市場必須要做型式試驗,因此在型式試驗時會對觸頭溫升給出相當(dāng)詳盡的規(guī)定。
對于開關(guān)電器導(dǎo)電桿的接線端子,IEC和國家標(biāo)準(zhǔn)倒是給出了規(guī)定。我們來看GB14048.1-2012的規(guī)定:
從發(fā)熱表達(dá)式中我們看到,發(fā)熱功率與電流的平方成正比,因此當(dāng)電流減半后,發(fā)熱功率只有原來的1/4。電流小了,整個開關(guān)觸頭系統(tǒng)的溫升是會降低的。
(2)再來討論開關(guān)電器的并聯(lián)
看下圖:
圖中的有如下關(guān)系:I=I1+I2。
如果總電流I小于或者等于開關(guān)電器的額定電流Ie,那么當(dāng)K1和K2并聯(lián)后,因為溫升小于最大值,開關(guān)電器當(dāng)然沒有問題;
如果總電流I小于或者等于開關(guān)電器額定電流的兩倍,即I=2Ie,這時的情況就復(fù)雜了:如果K1和K2的接觸電阻完全一致,這時也許能保證I1=I2=Ie。但兩者的接觸電阻相等是不可能的,因此必定會出現(xiàn)其中之1大于額定電流的情況。
在這種情況下,會有什么問題呢?
開關(guān)電器的工作制分為長期工作制,短期工作制和反復(fù)短時周期工作制等等。我們來看標(biāo)準(zhǔn):
額定電流是按8h工作制來確定的,它的溫升不會也不能超過最大極限值。
注意看短時工作制。由于短時工作制下開關(guān)電器能徹底地降溫,因此若開關(guān)電器工作在短時工作制下,是可以加大容量的。在這種情況下,允許短暫地讓其中某一個開關(guān)電器的運行電流超過額定電流。
對于兩個支路(或者多個支路)的電流與總電流的關(guān)系,在GB7251.1-2005《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1部分:總則》中被定義為分散系數(shù)。如下:
此表在GB7251.1-2013中以圖的形式更新,但主要內(nèi)容并未改變。
什么意思呢?就是當(dāng)主開關(guān)下方有N條支路,每條支路中有一只某種開關(guān)電器,則各支路開關(guān)電器的電流總和,不得超過額定分散系數(shù)與總和的乘積。
設(shè)兩條支路中的開關(guān)電器均流過額定電流Ie。由于支路有兩條,故額定分散系數(shù)為0.9,于是總電流不得超過0.9X2XIe=1.8Ie。
結(jié)論是:按GB7251.1-2005標(biāo)準(zhǔn),兩條并聯(lián)支路中的同類開關(guān)電器,其運行電流不得超過0.9倍額定電流。
(3)開關(guān)電器并聯(lián)后在開斷電路時出現(xiàn)的問題
上圖中,設(shè)在時刻零之前兩臺開關(guān)電器K1和K2均閉合,并且I=1.8Ie。在時刻零,K1開關(guān)打開,于是K2上流過的電流I2=I=1.8Ie??上攵@時K2的溫升將嚴(yán)重越限,K2將在很短的時間內(nèi)損毀。即使K2未損毀,也會在下次的開斷過程中損毀。
K2損毀后,如果操作者并未發(fā)現(xiàn),將K1和K2再次閉合。因為K2的觸頭已經(jīng)不能承載電流,因此1.8Ie的電流將流過K1,使得K1接著損毀。
也許大家會問:開關(guān)電器不是允許過載嗎?如果過載電流在它允許的范圍之內(nèi),豈不是就沒有問題了嗎?
答案是:任何斷路器,它的過載保護范圍是0.4Ie到1Ie。
下圖是ABB的Tmax塑殼斷路器的過載保護范圍:
注意看圖中的L參數(shù),其電流范圍是0.40~1XIn。
超過1倍額定電流時,開關(guān)將延遲一段時間后跳閘保護。
開關(guān)電器的觸頭開斷過程,其本質(zhì)是滅弧能力。關(guān)于開關(guān)電器觸頭的滅弧能力,請看“低壓電氣和低壓電器技術(shù)之3——淺談低壓空氣開關(guān)中的空氣和滅弧原理”。
(4)采用開關(guān)電器并聯(lián)以提高線路載流量的結(jié)論
采用開關(guān)電器并聯(lián)以提高線路載流量的方法,當(dāng)總電流在兩倍額定電流以下時,接通線路問題不是很大,而開斷線路卻會引來許多問題。因此不建議采用這種方法。
如果確實要采用開關(guān)電器并聯(lián)以提高線路載流量的方法,則開關(guān)電器必須為主動元件,也即各類斷路器。一定不能采用被動元件,包括閘刀開關(guān)、接觸器等等。
(5)同一個開關(guān)電器的同類觸頭并聯(lián)和串聯(lián)的問題
利用同一個開關(guān)電器的同類觸頭并聯(lián),可用于提高載流量。原因是,各并聯(lián)觸頭閉合時間的同步性基本一致,各并聯(lián)觸頭開斷時間的同步性也基本一致。因此不會帶來類似不同開關(guān)電器觸頭并聯(lián)出現(xiàn)的問題。
同一個開關(guān)電器的同類觸頭串聯(lián),常用于提高滅弧能力,將短弧變?yōu)殚L弧,以此實現(xiàn)電弧的降溫。
同一個開關(guān)電器的同類觸頭串聯(lián),在直流回路中用的特別多。
我們看下圖:
這是Tmax塑殼斷路器用于直流回路時其觸點的接線方案,從中我們可以看到同一臺斷路器主觸頭串聯(lián)的方法和具體線路。
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