工頻斷路器用于高頻的分析

1交流斷路器使用于直流電路的題目隨著社會主義建設(shè)的發(fā)展，應(yīng)用直流電的區(qū)域和部分越來越多，如發(fā)配電系統(tǒng)、城市和礦山的牽引車、電氣化鐵道、化工、冶金及國防產(chǎn)業(yè)等。按交流50Hz設(shè)計的塑料外殼式斷路器（以及萬能式斷路器）能否使用于直流電路作線路保護之用呢?經(jīng)歷多年的實踐說明，可以使用，但其電流的整定值及接線等需要作一些更改或修正。1．1保護特性．11．1過載長延時保護特性（1）熱動式（雙金屬元件脫扣器）由雙金屬元件直接加熱（直熱式）或由發(fā)熱元件發(fā)熱，熱量傳給旁邊的雙金屬元件（旁熱式），由于直流電流均勻值與交流的有效值的發(fā)熱效果是相同的，因此交流與直流基本上無變化。但當額定電流大于1500A時，因集膚效應(yīng)等因素，交流電流有效值產(chǎn)生的熱量要大于直流，但影響不是太大，所以熱動式的雙金屬元件脫扣器用于直流是不需要作任何更改的。但是熱動式中的有一些規(guī)格，例如額定電流600A及以上采用CT式（電流互感器式），利用互感器的副邊電流供給雙金屬元件或發(fā)熱元件作發(fā)熱源，則不可能用于直流電路。(2）全電磁式（液壓式，即俗稱的油杯式脫扣器）交流（50Hz）的斷路器（其脫扣器為全電磁式）在直流電路中使用時，動作特性要變化。變化的范圍為110％—140％原動作電流（這是考慮直流電源盡大部分經(jīng)交流整流和濾波后所得），所以在直流電路中用全電磁式交流斷路器時，其脫扣器要重新設(shè)計。1．1．2瞬時脫扣器凡是采用電磁鐵作電磁脫扣器（瞬時動作脫扣器）者，其瞬動電流整定值將有所變化，變化率取決于直流的波形。對于經(jīng)交流整流，又予以濾波其瞬時動作整定電流約為交流的1.30倍，如交流的瞬動是10In（In為額定電流）則斷路器用于直流電路，應(yīng)將其出廠試驗時調(diào)整到13In，其整定誤差值（例如的直流電路，±20％）可以不變。1．1．3電子式脫扣器無論是過載長延時或是短路瞬時，原按交流50Hz設(shè)汁的電子式脫扣器都無法使用在直流電路。1．2短路電流的通斷

眾所周知，50Hz的交流電流，每秒鐘有100次的電流過零點。在此瞬間無電流，即使斷路器的動、靜觸頭間有電壓（如是純電感負載，i＝0時U最大，純電容負載也是如此，純電阻負載，i＝0，U＝0），電弧也比較輕易熄滅。但直流電流無過零點這一特性，電弧切斷有相當大的困難。使用交流50Hz的斷路器于直流電路作保護電器時，必須采取多斷點的接線方式。多斷點的接線方式有兩種，一是串聯(lián)，二是并聯(lián)，如圖1、圖2所示。圖1中的多種型號斷路器運用的直流電壓應(yīng)是250V。對于直流系統(tǒng)，只要電壓值一致，則原用于交流的欠電壓脫扣器和分勵脫扣器，不需作任何的改變，可用于直流電路。按50H2z設(shè)計的斷路器使用于高頻電路在產(chǎn)業(yè)范圍內(nèi)，有些產(chǎn)業(yè)部分對動驅(qū)電動機設(shè)計了較高的頻率，例如紡織產(chǎn)業(yè)中使用的高速電動機，其頻率達100—120Hz，木材加工產(chǎn)業(yè)中使用的同頻電動機頻率達300Hz，航空產(chǎn)業(yè)中的一些設(shè)備，其頻率規(guī)定為400Hz等（電動機的n，n＝60f/p，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比）。假如使用按50Hz設(shè)計的斷路器于高頻電路，則斷路器的特性需作何種變化呢?2．1導體的發(fā)熱、負載能力的降低題目交流導體有集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。集膚效應(yīng)等使得導體的截面只有一部分用來流通電流，因此導體的交流電阻將隨頻率的增大而呈線性的增高。對于直徑為10mm的銅線來說，可利用的截面是：在1kHz時，約為50Hz的60％；在10kHz時，約為50Hz的20％。另外，這種高頻還將對導體相鄰的鐵磁性材料產(chǎn)生磁感應(yīng)，引起“磁滯損迅速增的加，對相鄰的金屬材料還會產(chǎn)生“渦流損耗”，“渦流損耗”也隨頻率的升高而增大。所以，隨著頻率的增高，由集膚效應(yīng)而使導體電阻的變大，且使與斷路器連接電路的相鄰部件如轉(zhuǎn)軸、操縱機構(gòu)、緊因件等金屬材料件的磁滯和渦流損耗增，加如使用同樣的負載電流，溫升勢必超過其產(chǎn)品的規(guī)定值，引起產(chǎn)品熱老化，導致斷路器使用壽命耗”?！按艤p耗”是隨頻率的增高而斷路器的的降低。由于以上原因，斷路器的負載能力（額定電流），將按式（1）變化：式中fx——高于50Hz的電In（fx）——頻率為人時的負載能力（In（50Hz）——頻率為50艙時的負載能力（額定電流）網(wǎng)頻率額定電流）按式（1）計算得出表1的答應(yīng)工作電流值與頻率的關(guān)系，如表1示。由表1可知，大約從100Hz起，為保持答應(yīng)的發(fā)熱極限，其答應(yīng)的工作電流（額定電流）必須相應(yīng)地降低。2．2母線排的負載能力在頻率超過50Hz時，母線排的答應(yīng)工作電流（額定電流）可按式（2）得出：式（2）反映了導體截面的利用率1kHz時，In（1000Hz）＝22％In（50Hz）；10kHz時，In（1000Hz）＝7％In（50Hz）。2．3高頻時斷路器的短路分斷能力交流電器開斷短路電流時，使電弧熄滅在于電流的過零點，只有在過零點后采用滅弧手段，阻止電弧重燃，才能有效地分斷電弧。頻率較高時，電流迅速地一個又一個地過零，縮短了每個半波的電弧周期，斷口間隙（打開的動、靜觸頭之間）中的電離度，小于50Hz時的電離度，由于周期短，高頻時的往游離度也小于50Hz時的往游離度，因此高頻時，電弧的熄滅，較50Hz有利有弊，根據(jù)實，測從50—100Hz的這個范圍，短路分斷能力基本上變化不大，即使是200—400Hz，分斷能力的降低，也不過在10％左石。2．4高頻時斷路器的脫扣器動作特性的變化（1）過載長延時反時限特性（熱動脫扣、即雙金屬元件脫扣器），它是直接通過工作電流的發(fā)熱（或通過發(fā)熱電阻元件發(fā)熱，將熱傳遞給邊上的雙金屬元件）或通過電流互感器的副邊電流來加熱，使雙金屬元件受熱彎曲，經(jīng)一定的空行程延時，終極推動脫扣件使斷路器跳閘的。在頻率在500Hz之內(nèi)，主要熱量來自導體的正常發(fā)熱，由高頻引起的感應(yīng)熱量，實際上是很小的，可以忽略不計，脫扣時間僅比50Hz時略快一點。當頻率大于500Hz時，感應(yīng)發(fā)熱就不容忽視了，頻率越高，脫扣時間就越短。因此，當使用于大于即是50Hz電源時，用戶應(yīng)向制造廠特殊訂貨，由制造廠采用適用的材料并在裝配時調(diào)整雙金屬元件的間隔，以適應(yīng)高頻電路的需要。（2）瞬時動作脫扣器用非延時電磁鐵式過電流脫扣器作短路保護用的瞬時動作脫扣器是一種電流型脫扣器，它的動作與其通過電磁鐵的電流大小成正比（嚴格地說，產(chǎn)生電磁吸力是與通過它的磁勢，即電流值和繞它的線圈匝數(shù)的乘積成正比的）。了除電流值外，還和電流存在（保持）的時間有密切關(guān)系。頻率為50Hz時，電磁式脫扣器約在一個半波峰脫扣器的動鐵芯（銜鐵）被吸往其終端位置，而使斷路器跳閘。頻率較高時，半波時間變短，銜鐵要在達到的有效值時才能動作，顯然，假如不進步值電流時就能動作，即在半波時間內(nèi)產(chǎn)生的吸協(xié)力就足以使電流值，高頻時是無法在半波時間僅50Hz的50％（對100Hz而言），25％（對200Hz而言），甚至12．5％（對400Hz而言）時就動作。國外有些大的制造廠家對頻率從最小的162／3Hz（美國有使用此頻率的）到500Hz的電源作了大量試驗，試驗表明，頻率越高，所需進步的電流值就越大，其線性上升比例大體上為1：√2。即假如頻率為16×2／3Hz的電流為500Hz時，到了500Hz，其電流值要進步到500×√2＝707A。（3）欠電壓脫器和分勵脫扣器國家標準規(guī)定：欠電壓脫扣器：70％—35％Ue，開釋（斷路器斷開）85％—110％Ue，閉合（斷路器接通）分勵脫扣器：70％—110％Us，吸合（斷路器斷開）以上的Ue為電源電壓，Us為控制電壓。由于以上兩種脫扣器均是電壓線圈，其電磁吸力取決于Φ值，Φ＝BS。按公式U／≈4．44fBSW來設(shè)計磁通Φ的大小。BS=／U4．44fW式中—B—磁感應(yīng)強度S——電磁鐵芯的截面積設(shè)電磁鐵的吸力為FF∝B2·S現(xiàn)在提出以50Hz設(shè)計的欠電壓或分勵脫扣器使用于高頻電路，就表明電磁鐵的機構(gòu)（鐵心式樣、截面積、磁路長度等）均是不變化的。

吸力F既與B、S成正比，而B值又與施加的電壓值和頻率f及線圈匝數(shù)W等有關(guān)，經(jīng)轉(zhuǎn)化，對交流電磁鐵（電壓線圈）來說，其吸力F為：式中l(wèi)c——鐵δ——電磁鐵的鐵芯與銜鐵之間的空氣氣隙μ0——空氣中的——g單位長度的漏磁通芯的磁化長度導磁率從式（3）可見，了，就必須