隔离开关
处于打开位置的机械连接装置,确保在特定条件下保持理想的隔离距离。
为了保证电路的安全隔离,它通常与接地开关相关联。
接地开关
专门设计的开关,用于将相导体接地。
为了在电路上工作时的安全,它将断电的有源导体接地。
负荷开关
能够在正常电路条件下建立、维持和断开电流的机械连接装置,包括运行中的过载电流。
用于控制电路(打开和关闭),通常用于执行绝缘功能。
在公共和私人中压配电网中,它经常与熔断器配合使用。
接触器
具有单个静止位置的机械连接装置,非手动控制,能够在正常电路条件下建立、维持和断开电流,包括运行中的电压条件。
适用于非常频繁功能操作,主要用于电机控制。
与熔断器配合使用用于短路保护。
断路器
机械连接装置,能够在正常电路条件和特定异常电路条件下(如短路)建立、维持和断开电流。
通用连接装置。除了控制电路外,它还保证电路免受电气故障的影响。替代接触器用于大型中压电机的控制
理想的断路器是能够瞬间断开电流的装置。
然而,没有任何机械设备能够在没有电的帮助下断开电流。这种现象限制了过电压,并释放了电路的电磁能量,但它延迟了电流的完全断开。
理想的开关
从理论上讲,能够瞬间断开电流,就意味着能够直接从导体状态过渡到绝缘体状态。“理想”的阻力,因此,开关必须立即从零转到无穷大(见图3)。
该设备必须能够:
在断路前吸收电路中累积的电磁能量。
承受设备断口两端出现的过电压(Ldi/dt),如果在极短的时间内从绝缘体传递到导体,则过电压值为无穷大。这将不可避免地导致电介质击穿。假设这些问题已经消除,并且在电流到0的自然传递和器件的绝缘导体转换之间实现了完美的同步,仍然还有另一个困难的方面需要考虑,即瞬时恢复电压(TRV)。事实上,就在电流中断后,开关端子两端的恢复电压加入到网络电压中,此时无功电路的恢复电压处于最大值。由于网络的寄生电容,这种情况不会突然中断。当电压恢复到与网络电压一致时,就会建立一个不稳定状态。该电压称为瞬态恢复电压(TRV),取决于网络特性,该电压的增加率(dv/dt)可能相当大(几kV/微秒)。简单地说,这意味着为了避免断路故障,理想的开关必须能够在从导体-绝缘体转换后不到一微秒的时间内承受几kV的电压。
使用电弧断开
电弧的存在有两个原因:
由于测量顺序的不确定性,实际上不可能在自然0电流点精确分离触点:对于rms值为10 kA,0之前1 ms的瞬时电流仍为3000 A。如果设备立即绝缘,则设备端子两端出现的瞬时过电压Ldi/dt将是无限的,并导致仍然很小的内部接触间隙立即击穿。
触点分离必须以足够大的速度进行,以使触点之间的介电强度大于瞬态恢复电压。这需要接近无限的机械能,而在实践中没有任何设备能提供这种能量。
电弧断路过程分为三个阶段:
持续电弧阶段,
灭弧阶段,
弧后阶段
电弧传播阶段
在达到零电流之前,两个触点分离,导致内部接触介质的介质击穿。出现的电弧由离子和电子组成的等离子体柱组成,离子和电子来自接触介质或电极释放的金属蒸汽。只要其温度保持在相当高的水平,该弧柱就保持导电。因此,电弧由焦耳效应耗散的能量“维持”。
由于电弧电阻和表面电压降(阴极和阳极电压),两个触点之间出现的电压称为电弧电压(Ua)。其值取决于电弧的性质,受电流强度和与介质(壁、材料等)的热交换的影响。这种热交换是辐射、对流和传导的,是装置冷却能力的特征。
电弧电压的作用至关重要,因为设备在断开过程中消耗的功率很大程度上取决于电弧电压。
电弧熄灭阶段
在介质迅速再次变得绝缘的情况下,在零电流条件下完成与灭弧对应的电流开断。要做到这一点,必须打破电离分子的通道。消光过程以以下方式完成:接近零电流时,电弧电阻根据曲线增加,该曲线主要取决于接触介质中的去电离时间常数,该电阻值不是无限的,并且由于端子两端出现的瞬态恢复电压,电弧放电后电流再次穿过装置。
如果焦耳效应所消耗的功率超过了设备的特征冷却能力,则介质不再冷却:热传导,然后发生另一次介质击穿:导致热失效。
另一方面,如果电压的增加没有超过某一临界值,则电弧的电阻可以迅速增加,从而使耗散到介质中的功率小于设备的冷却能力,从而避免热失控。
后电弧阶段
为了成功断开,还必须使介电恢复速率比TRV快得多,否则会发生介电击穿。在发生介电故障的瞬间,介质再次变得导电,从而产生瞬态现象。这些断开后的电介质故障称为:
如果发生在零电流后的四分之一周期内,则重燃;如果发生在其后,则重击穿。
标准中的TRV
尽管TRV的增加率对设备的断开容量有根本影响,但无法精确确定所有网络配置的该值。
标准IEC 62271-100定义了与通常遇到的要求相对应的每个额定电压的TRV范围。
断路器的分断能力定义为:在其额定电压和相应的额定TRV下可断开的最高电流。