题主这个问题很有意思。问题点与断路器设计、制造和使用有关,与断路器的技术发展也密切相关。我来概要性地解答此问题吧。
我们看国家标准GB14048.1-2012《低压开关设备和控制设备 第1部分:总则》是怎么说的:
我们从图1中看到,国家标准中的电寿命指的是开关电器在有载运行条件下的抗电磨损,实质上就是开关电器触头的电磨损。
产生电磨损的原因有两个,其一是合闸时动触头的冲击造成的电磨损,它以触头材料的冲击损失为主;其二是触头在开断期间电弧烧蚀引起的电接触材料损失。这两种损失相比较,第二种损失更常见和更重要,它是影响电寿命的主要因素。
开距是动、静触头(触点)在打开状态下它们之间的最短距离。开距与介电能力有关。
注意1:触点是指控制回路电器的电接触,不是主回路电器的电接触。主回路电器的电接触叫做触头。但不管是触点也好,是触头也好,它们的电接触模式图是一样的。
注意2:主回路的任务是执行电能的传递和控制。主回路的特点是电压高电流强度大,电弧强烈。主回路又叫做一次回路;控制回路又叫做辅助回路。控制回路的任务是执行控制、测量、开关量信号的采集和放大、模拟量的采集和显示、信息交换以及主回路元器件参数调节的回路。控制回路又叫做二次回路。
当动、静触点/触头闭合后,我们把静触点拿掉,动触点继续前行的距离叫做超程。超程是决定电寿命的重要因素,它确保了当触点/触头因为电磨损丧失后还能有效地接通电路。
注意3:与题主问题直接相关的就是断路器的超程。在断路器实际参数中,超程往往用断路器闭合时动触头对静触头的压力来表征。
注意到每极的动触头是由多个分触头并联而成,这样做的目的何在?其目的就是为了减小接触电阻。
再次提醒:一定要弄清楚超程与电寿命的关系,且此关系是所有开关电器所共有的。
当触头流过较大电流时,断路器动、静触头之间的电动斥力有可能大于触头压力,并由此产生电弧烧蚀作用。
从图5的左图中我们看到,由于动触头与静触头接触处是一个点,电流线会产生收缩。我们用右手螺旋定则判断静触头右侧的电流Ix,它产生的磁力线在右侧是进入纸面,左侧则是离开纸面。再看动触头右侧的电流Is,我们用左手定则判断电动力方向,为垂直于电流线斜向左上方。我们把此电动力分解为水平方向的分力和垂直向上的分力,我们发现水平方向的分力与其它电流线产生的水平分力相互抵消,但垂直向上的分力却相互叠加并加强,形成与触头压力方向相反的斥力Fh。
如果触头斥力大于触头压力,则触头会被斥开,并在动静触头间产生电弧。触头斥开后,电流减小,动触头又返回,然后再次斥开。数次过后,触头材料就会熔融,甚至发生触头粘连。等到开云网站 开云真人官网触头正式地斥开时,要么就把粘连的触头材料拔出,经电弧烧蚀汽化后弥散出去,造成电接触材料损失;要么触头完全粘死,动、静触头无法分离,造成更大的事故。
触头斥力又叫做霍姆力,是西门子公司的电气工程师和学者于上个世纪中叶提出来的。霍姆创建了电接触理论。
式1中,S是触头的视在面积,S0是触头的实际接触面积。一般地,S0是S的百分之一到十分之一。
式1中的Icu叫做断路器的极限短路分断能力。我们看国家标准GB140408.2《低压开关设备和控制设备 第2部分:断路器》中是如何定义极限短路分断能力的:
图6中我们看到极限短路分断能力是在8.3.5规定的条件下能够分断的短路电流极限值,且分断完后,断路器就损毁了。这里的损毁指的是触头彻底地被短路电流给熔融烧毁。
由此可见,题主所指的电寿命所对应的断路器分断电流肯定小于极限短路分断能力。
注意4:当短路发生时,断路器执行开断操作需要一定的时间,短路电流的最大值——冲击短路电流峰值Ipk会流过断路器主触头。在断路器尚未开断瞬间,动、静主触头会在冲击短路电流Ipk产生的电动斥力作用下产生电弧烧蚀。断路器抵御这种电弧烧蚀作用的能力叫做动稳定性。
我们看到,图7中冲击短路电流峰值ipk出现在短路后0.01秒,而断路器执行短路开断操作的时间一般在短路发生后25毫秒之后(只有限流型断路器的动作时间才有可能提前到10毫秒左右),所以断路器的主触头肯定要承受冲击短路电流产生的电动斥力作用,也必定在执行开断操作之前就要承受电弧烧蚀作用。
当断路器真正开始执行开断短路电流的操作时,从动触头脱离静触头开始,电弧就出现了。按线路上是阻性负载或者感性负载的不同,电弧对断路器触头对的冲击作用也不同。我们以感性负载来讨论,我们看下图:
图8是断路器开断感性负载时电弧电压的波形图,图中蓝色的区域就是电弧电压Uh。
(1)我们把熄弧尖峰Uhx和燃弧尖峰Uhr之间的区域叫做零休时刻,电弧在零休时刻熄灭,在Uhr之后重燃。
(2)零休时刻断路器的动、静触头之间气体介质中的离子不断复合恢复,我们把这种作用叫做介质恢复强度 Ujf。同时,电压也接近最大值,我们把电压的恢复作用叫做电压恢复强度Uhf。如果介质恢复强度高于电压恢复强度,则电弧熄灭;反之,如果介质恢复强度低于电压恢复强度,则电弧重燃,也即:
第一种措施:触头开距要足够大,使得零休期间弧隙气体降温迅速,气体恢复快速,确保电弧熄灭。
第二种措施:在灭弧栅的绝缘材料中采用特殊配方,电弧的高温使得灭弧栅材料析出氮气或者其它气体,提高弧隙的气体击穿电压,抑制电弧重燃。
第三种措施:利用触头导电杆(排)的C形结构,或者采用其它措施,把电弧推入(吹入)灭弧栅中灭弧。
第四种措施;当电弧电流过零后阳极和阴极换向,而阴极附近的空间中堆积着阳离子,阻止阴极发射电子。这种作用叫做近阴极效应,它使得低压电器具有一定程度的短路电流限流能力。断路器的灭弧栅中有许多格,形成多处近阴极效应,以熄灭电弧。
注意5:由于断路器开断短路电流时对触头的电寿命产生重大影响,因此断路器的参数中都有开断短路电流次数的限制。若断路器开断短路电流以及开断正常运行电流的次数超过规定的数值,则断路器将不再具有开断短路电流的能力,此时断路器的触头系统必须予以更换,或者更换整台断路器。
式3中的K是材料系数,它与电接触材料有关;F是接触压力;m是接触形式,点接触时m=0.5,线。
断路器一般采取线接触。线接触存在接触磨合,能把材料表面的氧化层磨去,减小接触电阻提高接触效果。
式3中的接触压力很关键,但它是综合值。我们提高了接触压力可以减小接触电阻,但却造成电接触弹跳。
当断路器吸合时,动触头具有一定的动量,与静触头接触后会反弹,然后再闭合,再反弹,如此往复。每次的反弹距离越来越小,直到完全闭合。在这个过程中会出现电弧烧蚀,但烧蚀较轻。
当断路器打开时,触头对之间会出现电弧。电弧的高温会使得电接触材料熔融甚至汽化,触头材料以喷溅的形式丧失,或者以金属蒸汽的形式丧失,由此产生严重的材料损失。有时,还会拉出金属桥,发生电接触材料的转移,这也造成电接触材料的损失。
我们知道电气导电材料的温度升高和减低都需要时间,这里会有材料的热时间常数T。一般地,升温到温度稳定或者降温到温度稳定需要4倍热时间常数的时间(4T)。由于触头接触点很小,它的热时间常数T很小,所以升温和降温都很快。
触头在开断过程中出现金属桥的时间非常短暂,短于交流电的半个周期,故此时的电压和电流可以理解为直流电。以下是金属桥的形成以及针刺和凹坑示意图:
我们把图9对应的情况叫做材料转移。显然,这也是影响断路器触头电寿命的重要因素之一。
为了阻止材料转移,断路器的电接触材料上采取了触头对的开云网站 开云真人官网措施,有点类似于油和水之间的关系。当动触头材料和静触头材料都熔融后,由于两者材料不同,断裂针刺的偏移方向不同,阻止了产生金属桥和材料损失。具体见以下我的《电器学》课件PPT摘录:
中电流和强电流触头一般利用铜、黄铜、青铜或银-钨合金,且大量应用陶冶材料(粉末冶金材料)。对于银一钨陶冶触头来说,其中银具有良好的导电性与导热性,且接触电阻小。而钨的熔点高、耐磨性好。因此银一钨陶冶材料综合两种材料的优点,银起导电作用,钨起骨架作用,在电弧高温及冲击力作用下,触头电磨损及机械磨损小。这种金属陶冶材料价格比纯银也便宜些。
金属陶冶材料用作大容量的触头材料,一般有银-钨、铜-钨、铜-镍、银-石墨、银-氧化镉、银-氧化锡、银-氧化锌等。
在高压电器中,电弧更为强烈,要求触头有更高的耐弧能力。由于钨有很高的硬度和耐热性能,所以采用含钨量较高的金属陶冶材料,如Ag-W70. Cu-W80. Cu-W60、Cu-W50等。在低压电器中,多采用Ag-W40. Ag-W30两种银-钨陶冶材料。
可见,选用合适的断路器触头材料对对于确保断路器电寿命而言,具有很重要的意义。
在图11表格的最下端,我们看到了电气寿命的选配参数,在440V下时8000次,而在690V下是8000到6500次。
举个例子:设电力变压器的容量是2000kVA,低压侧电压是Un=400V,阻抗电压Uk%=4%。于是变压器的额定电流In和短路电流Ik为:
由此可知,断路器的额定电流必须大于2887A,选为3200A;断路器的极限短路分断能力Icu必须大于71.9kA,故取断路器极限短路分断能力Icu=85kA。
某日上班时,通知我到会议室开会,听欧洲的ABB专家讲解风电断路器的研发。与会后,几位销售工程师告诉我,风力发电时因为风时大时小,与电网连接的断路器也就开合不定,所以风电使用的断路器运行寿命都很低。这次开会,专家们介绍的就是把断路器技术与接触器技术合并的产物。
等到专家们讲解完,我提了几个问题,当然比较深入,且都与断路器的电寿命有关,我发现这些专家们了解的并不多。询问后得知,这些专家其实也是销售工程师,并不是真正的专家,挺遗憾的。
通过以上讲解,我们会发现对于实际应用来说,断路器的极限短路分断能力和短路接通能力的选配非常重要。选配得当,就能提高断路器的电寿命,反之当然会给断路器折寿了。
是不是碰到了无解的故障现象?除非发电机,变压器解决了中性点产生谐波的原罪,不然断路器是难逃厄运的!原设计寿命20年,最多有8年到10年的使用年限,就是在绝缘材料中还有谐波电流的入侵无法抵御,或者是难以抵抗谐波的冲击和侵蚀!看似很理想的测试数据,实则看不到谐波对绝缘材料的损害!每年各发电机/变压器总有那么一两次故障,造成的停电面积和规模是刻骨铭心的!
高速电机需要时常进行保养,保养的步骤之一就是需要对其零件进行润滑,润滑的主要目的就是为了能够使设备保持稳定的运行,并且,还能提高设备的寿命,所以说,当设备运行到一段时间,如果觉得运行不动或者经常会出现问题了,西马格电机可以检查下是不是缺少了零件缺少润滑,从而导致设备没法带动起来。那么接下来我们就一起来简单的了解下电机的润滑。高速电机的润滑一般采用定时定量油气润滑,也可以采用脂润滑,但相应的速度要打折扣。所谓定时,就是每隔一定的时间间隔注一次油。所谓定量,就是通过一个叫定量阀的器件,精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑,指的是润滑油在压缩空气的携带下,被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要,太少,起不到润滑作用;太多,在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。对高速电机进行润滑的目的是为了减少摩擦、降低磨损。润滑油润滑还可以带走摩擦产生的热量,从而降低摩擦表面的温度,起到冷却作用。因此,必须根据机械设备的操作条件来选用不同质量要求的润滑油脂。例如,对于不同压缩比的汽油发动机,就应该选用相应质量等级的汽油机油。正是由于汽油发动机的变化,才带动了汽油机油的升级换代。通常高速电机是指转速超过10000r/min的电机,西马格电机一般我们在对它进行润滑的时候,一定要定时定量,且润滑剂一定要会选择,以避免后期会出现一些其他问题,所以说,不管哪一方面都要认真做好。不管是买什么样的产品,它的使用寿命都是我们比较关注的一个话题,为了更好的使用高速电机,一般情况,我们需要做好设备的维护以及保养工作,这其实就是延长寿命的其中一种方法,那么除此之外,还有哪些方法呢?一起来学习下。1、开机前要做好检查 高速电机在运行前要检查电源电压和驱动控制器上的电机型号或电流设定值在一定的规定内,因为超过额定电压一定程度上会造成驱动模块的损坏。对于直流输入的正负极要准确连接,控制信号线也一定要接牢靠,才不会因为线路的松落而导致电机不能正常开机。2、要定期添加和更换润滑油 高速电机要定期检查主轴润滑恒温油箱,若其机油的颜色有变色或者变质,就得及时更换润滑油才能保证电机有良好的运行状况。还要将油标、油量保持在一定的规定范围内,当油位低于油标液位时,要及时添加润滑油,才不会使电机中的润滑泵缺油而导致烧坏。3、要定期清洁且做好防护措施西马格电机车间内空气中飘浮的灰尘和金属粉未落在印刷电路板和电气接插件上,很容易造成元件间绝缘电阻能力的急剧下降,从而出现故障甚至导致元件出现严重的损坏,所以要定期对其清洁保持干净。高速电机长时间闲置不用时要经常给它通电,尤其是在环境湿度相对较大的梅雨天气更要定期通电,同时要保持一定的干燥性来使它的寿命得到有效的延长。