
哇,2018年的问题,好老!既然好友邀请回答了,我就来解答吧。
先说答案:在空气开关内部的动触头和静触头及它们的外引导电结构周围的介质是空气,这就是空气开关名称中“空气”的意义和由来。
以下我来探讨一番。
我们看ABB的透明微型断路器内部结构:
我们从图1看到,空气开关的内部不管是动触头和静触头之间,以及其它导电结构周围的气体介质都是空气。这就是空气开关被称为“空气开关”的原因。
我们把开关内部加以密封隔离,使得动、静触头之间充满高介电性高压(7个大气压)的六氟化硫SF6气体,这种开关就叫做六氟化硫充气开关,简称GIS开关。GIS开关充气区域就是图2的黄色区域:
GIS开关一般用于22kV以上的高压开关设备。
如果我们把开关内部动静触头的隔离区域抽真空,则此开关就称为真空开关。真空区域又叫做真空泡,见图3:
真空开关一般用在3kV到22kV的中压开关设备中。
我们由此看到,开关内部导体间的绝缘介质是空气还是六氟化硫或者真空,不但与开关的介电性能有关,与开关的开断灭弧能力也相关。这就是空气开关的前缀“空气”的意义。
我们知道低压断路器有三种,分别是大电流(额定电流从630A到6300A)的框架断路器ACB,中等电流(10A到1600A)的塑壳断路器MCCB,以及小电流(1A到125A)的微型断路器MCB。三种低压断路器的内部介质均为空气,见下图:
题主所谓的空气开关就是微型断路器MCB。
知道了空气开关的意义后,我们自然会想到空气和真空的击穿电压有多大区别,这就涉及到一位伟大科学家,就是帕邢。
我们先看气体放电管的接线,见下图:
图5的左图是气体放电管,它的左侧阳极接电池正极,右侧阴极通过电阻R和电流表接电池负极。气体放电管的右侧我们看到了开孔,我们把开孔与抽气机连接在一起,就可以对气体放电管内的气体加压或者抽真空。
我们调节图5中电源的电动势,由此改变阴极和阳极之间的电压差,此电压差就是气体的击穿电压Ujc。电流表记录阳极和阴极之间的电流变化。我们把气体放电管两极之间的电压和通过的电流绘制成伏安特性曲线,见图5的右图。
我们从0开始调高电压。由于电压加载在间隙两端,间隙空气中的极少量正负离子向两极运动,由此出现极微量的电流,见图5右图曲线的0A段。
我们继续调高电压。我们发现虽然电压不断升高,但电流变化不大,这是因为此电流是由宇宙射线轰击气体造成电离后产生的。也因此,我们看到曲线段A和B近乎垂直。
当电压高到一定程度后,等离子体向两极运动撞击中性粒子产生更多的电离,同时正负离子撞击两极产生电子逸出,使得电流加大。在C点,间隙气体被击穿,此点对应的电压就是击穿电压Ujc。
之后,我们继续加大电源电动势,流过气体放电管的电流加大,但两极之间的电压反而下降了,可见两极之间的气体呈现负阻特性。伟大科学家汤逊研究过C点左右的击穿特性,故把此区域叫做汤逊区域。
C点后的区域叫做辉光放电区域。辉光放电在照明灯具中大量使用,例如日光灯灯管就利用辉光放电来工作。
我们继续加大电源电动势,电流持续增加,放电区域的温度越来越高,放电区域的等离子体密度持续加大,放电区域的电压亦越来越低。最终,放电区域进入了弧光放电区域,也就是电弧,见图5右侧的EF曲线段。
我们发现,0C曲线段如果抑制外部影响,例如消除宇宙射线的影响或者降低周边辐射的影响,放电现象就会减弱,故把击穿点C的左侧OC曲线叫做非自持区域,把C点右侧CF区域叫做自持区域。
击穿电压Ujc与气体的压强p以及两极间的距离d之乘积pd密切相关。伟大科学家帕邢做了研究。,帕邢的简介如下:
帕邢是伟大科学家,他在上世纪初研究过气体的击穿电压。在电气工程中,大家把帕邢叫做巴申。方便起见,我们也用巴申来称呼帕邢吧。
我们看巴申曲线,如下:
图7的纵坐标就是击穿电压Ujc,横坐标就是pd。我们把关注点放在空气的巴申曲线上,我们看到击穿电压存在最小值。从最小值往右,随着气压上升击穿电压Ujc亦上升,故知海拔越高气压越低,空气的击穿电压就越低。并且加大气压能够提高击穿电压Ujc;从最小值往左对应的区域就是真空区域,真空度越高击穿电压就越高。
我们由此认识到,为何真空断路器的耐压能力和灭弧能力优于空气中的断路器,这也是真空断路器被广泛运用于6到10kV中压配电系统的原因。
至此,我们就明白了空气开关只能用于低压配电的原因了。并且,在平原地区使用的空气开关,如果用于海拔超过2000米的相同电压、电流的场合,就必须降容,否则空气开关的开断能力会受到很大影响,甚至发生故障。
关于直流电弧和交流电弧的区别,空气开关的灭弧能力,请参阅以下链接:
至此,我们可以给出结论了:空气开关之所以叫做“空气开关”,就是用空气来作为内部导电结构空间间隙介质,用空气的击穿电压特性来实现电气间隙隔离,以及触头开断灭弧。
关于空气开关作为电动机回路的保护开关,可参阅以下链接:
虽然空气开关的性能相对框架断路器和塑壳断路器比较弱,但它用作居家配电系统的配电开关,却十分合适。空气开关是运用最广泛的开关电器品种之一
就写到这里。
