摘要：對(duì)于萬能式斷路器來說，電路的斷通和正負(fù)轉(zhuǎn)換是通過電器中的執(zhí)行零件、主要靠觸頭及滅弧裝置實(shí)現(xiàn)。稀有氣體放電和電弧出現(xiàn)和消失和可以在觸頭連接和分?jǐn)嚯娐返倪^程中發(fā)現(xiàn)，這樣暫緩電路的分?jǐn)喾绞健龤в|頭，乃至整個(gè)用電器使用壽命都會(huì)受電弧影響，甚至嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成安全事故和生命危險(xiǎn)。此篇文章主要講述相關(guān)電弧的發(fā)起原因及萬能式斷路器滅弧結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)分析了萬能式斷路器控制器供電電源問題，對(duì)于今后提高斷路器分?jǐn)嘀笜?biāo)，延長觸頭電壽命具有一定幫助。

關(guān)鍵詞：萬能式斷路器 滅弧結(jié)構(gòu) 供電電源

中圖分類號(hào)：TM561文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2012）08（c）-0012-02

1 萬能式斷路器概述

對(duì)于斷路器來說，其主要就是就是正常電路條件下的電流進(jìn)行相關(guān)的接通、承載以及分?jǐn)嗖僮?，還能接通、承載以及分?jǐn)??？蚣苁綌嗦菲魇侨f能式斷路器另一種叫法，主要是指有構(gòu)件組裝成一整體，其具有絕緣襯墊的框架結(jié)構(gòu)底座，并且是一種多種結(jié)構(gòu)變化方式、用途的斷路器。

對(duì)于萬能斷路器來說，其為立體布置形式，在一塊絕緣板上安裝有觸頭系統(tǒng)、瞬時(shí)過電流脫扣器左右側(cè)板等，根據(jù)上部的滅弧系統(tǒng)為依據(jù)，正前方和右側(cè)面的操作部分，可以擁有“分”、“合”命令及人工切斷裝備。剝離脫扣器在左前方安裝，而背部安裝有與脫扣半軸相串的欠電壓脫扣器。下方安裝的則是熱繼電器或半導(dǎo)體脫扣器和欠電壓延時(shí)裝置部件。這以立體布置形式，以及底架、側(cè)板、橫梁組成框架的DW15系列萬能式斷路器為例進(jìn)行說明，其底架上安裝有每相觸頭系統(tǒng)，滅弧室裝在上面。斷路器右前方安裝有操作機(jī)構(gòu)，與觸頭系統(tǒng)相連是依靠主軸。電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)根據(jù)方軸與機(jī)構(gòu)銜接一體安裝在斷路器下方，從而成為斷路器的充電或直接開合所備，充電后的開關(guān)由釋能電磁鐵接應(yīng)。防回跳機(jī)構(gòu)在左方板上方安裝，除此之外，功能是防止斷路器在切斷時(shí)不穩(wěn)。在斷路器下方根據(jù)不同要求安裝各種過電流脫扣器，另外在左側(cè)也則有分勵(lì)脫扣器及電動(dòng)操作控制部件，和欠電壓部件。對(duì)于欠電壓、分勵(lì)脫扣器而言，它們通過脫扣器并與放大機(jī)構(gòu)銜接，這樣做目的就是減小斷路器的脫扣力。“1”“0”和“貯能”三種在指示面板上有顯示斷路器工作位置的指示牌，對(duì)輔助觸頭供用戶聯(lián)接二次回路用，另外，還有供開啟及關(guān)閉用的按鈕“1”“0”（均按下）。對(duì)于DW15-1000、1600斷路器而言，附加正面手動(dòng)操作手柄；而對(duì)于DW15-2500、4000而言，附加檢修用的手動(dòng)操作手柄（均可卸下）。

智能型萬能式斷路器的主要作用為電源設(shè)備免受過載、欠電壓、短路，單相接地等故障的危害的同時(shí)，起到分配電能和保護(hù)線路及作用，使用環(huán)境為額定電壓380V、660V，交流50Hz額定電流為200A-6300A的配電網(wǎng)絡(luò)中，另外種智能保護(hù)功能，可做到選擇性保護(hù)也是其另外一大特點(diǎn)，從而通過定電流及脫扣時(shí)間設(shè)定精確，避免不必要的停電，提高供電可靠性。

2 載流電路分?jǐn)嗉半娀〉男纬蛇^程

對(duì)于斷路器動(dòng)靜觸頭的接觸解析，在很多點(diǎn)在接觸的基礎(chǔ)上，由彈簧產(chǎn)生的接觸動(dòng)力，這樣的條件情況中，觸頭或超程影響開始失去功能，但動(dòng)觸頭朝著和靜觸頭分離的方向運(yùn)動(dòng)，電路并未分?jǐn)?。在這樣情況下，接觸壓力和超程處于逐漸減少狀態(tài)，接觸點(diǎn)于是變少。僅剩一個(gè)點(diǎn)接觸在極限狀態(tài)的情況下，這樣已經(jīng)達(dá)到最小的接觸面積?？紤]到非常巨大的非常巨大影響，此時(shí)的電阻和溫溫度都極具上升，致使觸頭關(guān)閉，即使如此但對(duì)于接觸處的金屬而言，已達(dá)到熔融形態(tài)。隨之，動(dòng)靜觸頭間并未形成空檔，動(dòng)觸頭繼續(xù)運(yùn)動(dòng)并完全脫離。金屬橋內(nèi)熱量高度集中，液態(tài)金屬的電阻率遠(yuǎn)大于固態(tài)金屬，這樣，材料的沸點(diǎn)就容易到達(dá)，這樣就產(chǎn)生了爆炸式的金橋斷裂，從而形成觸頭間隙[1，2]。

分析金橋斷裂的過程，空氣或其他介質(zhì)及金屬蒸氣在其空檔中填滿，且這些氣體存在絕緣性質(zhì)。于是，瞬時(shí)阻礙電流，同時(shí)過電壓產(chǎn)生，擊穿介質(zhì)和金屬蒸氣，使電流以電火花放電，在間隙中流通電弧。然后，在各種熄弧因素作用影響下，以及隨著動(dòng)觸頭不斷離開靜觸頭，這樣的非自持放電的電弧甚至能產(chǎn)生熄滅狀態(tài)，這樣觸頭分?jǐn)嗟酱藶橹?，整個(gè)觸頭間隙成為絕緣體。此時(shí)就是觸頭的斷開狀態(tài)。對(duì)于兩個(gè)觸頭行將接觸或開始分離來說，工作環(huán)境為電流達(dá)0.25一lA，電壓達(dá)12—20V、高溫弧光將在觸頭間隙內(nèi)出現(xiàn)，這便是電弧形成過程。聯(lián)想到溫度可達(dá)成千上萬度，觸頭已經(jīng)燒傷而迅速損壞，這樣同時(shí)是有害的。另外，甚至觸頭熔焊破壞電器正常工作，而造成相關(guān)的火災(zāi)事故，釀成重大傷亡事故；對(duì)于通信設(shè)施的高次諧波的干擾問題也是存在的。

3 交流電弧的熄滅

在零休期間不發(fā)生熱擊穿，同時(shí)在零休期間不發(fā)生熱擊穿，同時(shí)在弧隙介質(zhì)恢復(fù)過程總是優(yōu)于電壓恢復(fù)過程，這也不出擊穿，上述條件是，交流電弧的熄滅條件。但是，最好的滅弧時(shí)機(jī)則是零休期間，這是因?yàn)橐环矫娣乐挂驘釗舸┮痣娀≈厝迹∠兜妮斎牍β蕩缀鯖]有，加速電弧能量的散發(fā)在適當(dāng)?shù)拇胧┫驴梢砸种茻犭婋x；另外一方面，較高的過電壓而引起電擊穿不容易出現(xiàn)，儲(chǔ)能量很小，需借電弧散發(fā)的能量不大。反之，對(duì)于滅弧非常強(qiáng)烈情況來說，即使不致影響滅弧，對(duì)線路及其中的設(shè)備也很不利。這是因?yàn)楫a(chǎn)生很高的過電壓，在在電流自然過零前就“截流”，強(qiáng)迫電弧熄滅的情況下。所以來說，在沒有特殊要求情況下，滅弧強(qiáng)度不過強(qiáng)的滅弧裝置經(jīng)常采用，目的就是是為了電弧在零休期間、且是在電流首次自然過零時(shí)自然切斷。

圖1為分?jǐn)嘟涣麟娐窌r(shí)的各弧隙參數(shù)波形，從實(shí)際情況分析，交流電弧未必均能于電流首次自然過零時(shí)熄滅，而是有時(shí)需經(jīng)2～3個(gè)半周期。這樣在圖1中，uh也不大，故電流在首次過零（t=t0）前其波形基本上仍屬正弦波，觸頭剛分離（t=t0）時(shí)，弧隙小，uh也不大，同時(shí)在電流零處比電源電壓U滯后δ=90°。這樣情況下，介質(zhì)強(qiáng)度ujf不大?；∠侗粨舸娀≈厝紕t發(fā)生在恢復(fù)電壓uhf于不久后上升到大于燃弧電壓uhf情況下，在第2個(gè)半周分析，弧隙增大uh和ujf增大，電流再過零（t=t2）時(shí)滯后角δ2<δ1。在uhf>ujf2時(shí)，弧隙再擊穿，電弧重燃，往往是由于于ujf仍不夠大的原因，當(dāng)t=t3即電流第3次過零，δ3<δ2，此后弧隙更大。電弧不再重燃，電弧被熄滅，交流電路切斷，可以通過ujf始終大于uhf得到。

4 萬能式斷路器控制器供電電源分析

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，發(fā)電、輸電、配電和用電都提出了監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)等方面自動(dòng)化和智能化的要求。萬能式斷路器作為電力系統(tǒng)中重要的保護(hù)元件，其自動(dòng)化和智能化是電器設(shè)備智能化的基礎(chǔ)，而在萬能式斷路器控制器中，供電電源則是其心臟。筆者認(rèn)為，在供電方案中應(yīng)充分考慮高輸入電壓變化范圍，輸出電壓低、功率小和成本低的特點(diǎn)，可選擇的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有單端正激變換器、單端反激變換器及雙端的正反激變換器等[4，5]。

4.1 單端正激變換器

單端正激變換器在開關(guān)電源領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用，它既可單路輸出，也可多路輸出。由于高頻變壓器的單向磁化特性，為實(shí)現(xiàn)變壓器工作時(shí)的伏秒面積平衡，必須進(jìn)行磁復(fù)位。常用的有有源箝位和諧振復(fù)位兩種方式見圖2、圖3。

源箝位單端正激變換器是Vicor公司在1983年申請(qǐng)的專利，它突破了占空比不能超過在圖4所示的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電流開環(huán)50%的限制，使變壓器能夠雙向磁化，提高了變壓器的利用率，且通過降低變壓器的磁化電感，通過漏感來實(shí)現(xiàn)主開關(guān)的零電壓開通。2003年專利保護(hù)到期，此電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將有著大規(guī)模的市場(chǎng)前景，現(xiàn)在很多的控制芯片公司都瞄準(zhǔn)了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開發(fā)出了大量的控制芯片。諧振復(fù)位單端正激變換器對(duì)變壓器的磁復(fù)位主要靠開關(guān)管的旁路電容或寄生電容。由于該電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，考慮到開關(guān)管在開通時(shí)的雪崩能量，在輸入電壓較低的場(chǎng)合應(yīng)用比較合適。

4.2 單端反激式變換器

單端反激式變換電路中高頻變壓器既起隔離作用又起電感軛流作用，因儲(chǔ)能元件與負(fù)載并聯(lián)，故稱為并聯(lián)型變換電路。同時(shí)也可以判斷出，同正激式變換電路不同，變壓器的鐵芯工作在磁滯回線的另一側(cè)，故稱為反激式變換電路。

當(dāng)控制電路使功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，由于同名端的關(guān)系，輸出整流二極管不導(dǎo)通。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，變壓器的副邊繞組產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)反向，使整流二極管導(dǎo)通，給電容器充電，同時(shí)負(fù)載上產(chǎn)生電壓。在此電路中，開關(guān)管控制、副邊繞組設(shè)計(jì)，都要遵循反激原則。同樣，開關(guān)管的耐壓和變壓器的輸入電壓與電源輸入電壓相等，所以，反激變換電路同正變換電路一致，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，可適用中小功率的開關(guān)電源配置。

4.3 雙端正反激式變換器

從普通的電路角度去理解變換器，則正激式變挽器實(shí)際上址電壓源模式，因此，其輸出濾波需加濾波電感；而反激式變換器址電流源模式，其輸出濾波無需濾波電感，當(dāng)把這兩種變換器組合在一起時(shí)，既能實(shí)現(xiàn)出電壓源的優(yōu)點(diǎn)，又能表現(xiàn)電流源的優(yōu)點(diǎn)，造就構(gòu)成了雙端正反激式變換器，從帶LCD復(fù)位的烈端11反激式變換器可看出，既可采用兩個(gè)變壓器，也可采用一個(gè)變壓器，當(dāng)采用一變壓器時(shí)，如同反激式變換器那樣磁芯要加氣隙。

隨著CPU技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是在萬能式斷路器控制器可靠性要求極高的場(chǎng)合，對(duì)供電電源要求也越來越高。開關(guān)電源在開關(guān)過程中所固有的電壓和電流的瞬變及輸出電壓的質(zhì)量對(duì)CPU能否可靠工作，將產(chǎn)生很大的影響，它是控制器能否通過EMC測(cè)試的關(guān)鍵所在。通信電源的角度，解剖國外萬能式斷路器控制器供電電源電路，提出幾種供電方案，以便于共同交流。

5 結(jié)語

根據(jù)對(duì)電弧的產(chǎn)生原因和形成過程，及各種滅弧裝置滅弧方法的研究和測(cè)試，采用縱向多曲無縫滅弧柵片排列、頂部3層導(dǎo)磁網(wǎng)板結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)斷路器主回路大電流分?jǐn)鄷r(shí)滅弧是種有效可行途徑?？v向多曲無縫的滅弧柵片實(shí)現(xiàn)短路時(shí)電弧電流每兩片滅弧柵之間都產(chǎn)生50V電弧電壓，這樣整個(gè)滅弧裝置產(chǎn)生電弧電壓遠(yuǎn)大于網(wǎng)絡(luò)電壓，電弧就會(huì)熄滅，從而，斷路器達(dá)到高分?jǐn)嗄芰Γ豁敳?層導(dǎo)磁網(wǎng)板結(jié)構(gòu)感生電流產(chǎn)生電磁力對(duì)飛出電弧起到阻止飛出作用，從而避免電弧飛出滅弧室。在滅弧室尺寸最小情況下，做到殼架電流最大，極限分?jǐn)嚯娏髯罡?，并?shí)現(xiàn)無飛弧。

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