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2023-08-02
无弧分断：打造更高效的工业生产线
【摘要】：因此，这种理想的同步开关无须采用灭弧装置。触头分开时的稳定性要求降低。由于VD的电压降大大低于起弧电压，弧隙中将无电弧。此时电流互感器TA的二次绕阻中产生电流交替流过晶闸管VD1和VD2的控制极，为电路开断时VD1或VD2导通做好准备。图中的VD3和VD4分别用来保证VD1和VD2在规定的电流流向时导通的整流器。
实现无弧分断一般有2种方法：一是在交变电流自然过零时分断电路，同时以极快的速度使动、静触头分离到足以耐受恢复电压的距离，使电弧很弱或无从产生；二是给触头并联晶闸管，并使之承担电路的通断，而触头仅在稳态下工作。
1.同步开关
众所周知，交变电流每秒要通过零点2f（f是电源频率）次。如果能使开关电器的触头在电流过零瞬时分开，并以极高的速度拉开到足以承受恢复电压而不发生间隙击穿的距离，则此时弧隙中将不产生电弧，也不存在热击穿阶段。同时，由于弧隙是来电离的，只需较小的极间距离，就可承受较高的恢复电压。这种开断电路的方法称为同步开断，而相应的开关电器称为同步开关。因此，这种理想的同步开关无须采用灭弧装置。然而，事实上实现这一理想方案非常困难，其原因如下。
（1）技术上不能保证开关电器的触头稳定地每次恰在电流过零时分开。
（2）还没有比较简便的方法使开关电器的动触头获得所需的高速度。
因此，目前工程上获得实际应用的为带灭弧装置的同步开关，即在现有的开关电器灭弧装置上加装同步装置，使触头在电流过零前一极短时刻（如1 ms）分开，同时提高触头运动速度，使触头从分开到电流过零这段时间内动、静触头能分开到足够距离。这样做有如下优点。
（1）触头分开时的稳定性要求降低。
（2）有较长的时间让动触头在电流过零时达到一定的开距，从而减小动触头的运动速度。这时，虽然在弧隙中流过一定的电流，但因数值较小，而且持续时间较短，弧隙中气体电离情况不太严重，所以在电流过零后弧隙的介质恢复强度数值较高，从而使现有的灭弧装置能够开断更大的电流。
图3-22为带有压缩空气灭弧装置的同步开关的原理结构。图中6为静触头，其内腔和大气相通，5为动触头，其右端通过绝缘杆3与一用良导体制成的金属盘4固定连接；1为触头沿其轴向移动的导向元件；2是静止的大电流线圈，它通过晶闸管VD由电容C供电。饱和式电流互感器TA的一次绕组串联在被开断的电路中，当一次侧流过的电流瞬时值较大时，铁芯工作在饱和状态，二次电流可以认为是0 A。只有当一次电流瞬时值减小到某一数值时，铁芯退出饱和状态，一次绕组中才出现与一次绕组中电流成正比的电流。TA的二次侧通过一过流继电器的常开触头KA接到同步触发装置TS的输入端，后者的输出端接到晶闸管VD的控制极上。
图3-22 同步开关的原理结构
1—导向元件；2—静止线圈；3—绝缘杆；4—金属盘；5—动触头；6—静触头。
当接通电路时，动触头和静触头接触。电容C被充有如图3-22所示极性的电压。
当电路中发生短路时，过流继电器的常开触头KA闭合，于是当被开断电流i的瞬时值减小到某一数值时，电流互感器的二次绕组中产生电流使TS发出触发脉冲，将晶闸管VD导通。
电容C通过晶闸管VD对线圈放电。线圈产生的强大磁通在穿过金属盘时在其中感应出很大的电流，此电流又产生磁通，力图抵消穿过金属盘的外来磁通。于是，在金属盘和线圈之间便产生一相互排斥的轴向电动力F。此力推动金属盘连同动触头向右运动。如果所有元件的动作时间足够短，便可在电流过零前某一极短时刻将动触头和静触头分开。在触头之间产生的短时电弧受到压缩空气的纵吹。电流过零后，弧隙介质恢复强度迅速恢复，于是电路被开断。
为实现电流过零前的同步开断，人们已发明了许多种同步装置，但因开关电器采用同步装置后会使其结构复杂，成本增加，所以未能获得广泛的应用。
2.混合式开关
晶闸管具有可控单向导电的性质，如图3-23（a）所示，如果将它和开关S并联，并且当交流电流I的流向为如图所示的方向时，将开关S的触头分开，同时使晶闸管VD触发导通，于是开断电流将从VD中流过。由于VD的电压降大大低于起弧电压，弧隙中将无电弧。此后，当晶闸管VD中交流电流过零时，它将自动闭锁，于是电路被开断。这种综合有触点开关和晶闸管的开关，通常称为混合式开关。
图3-23（b）为交流混合式开关的接线图。闭合电路由有触点开关电器的触头S完成。电路闭合后，线路中电流全在触头S中流过。此时电流互感器TA的二次绕阻中产生电流交替流过晶闸管VD1和VD2的控制极，为电路开断时VD1或VD2导通做好准备。当开断电路时，触头S两端的电压同时也加于晶闸管的两端，视触头S两端电压方向不同，VD1或VD2导通，于是电流由触头S转流入晶闸管中。电流过零后，已导通的晶闸管进入闭锁状态，电流不再流通。同时，由于主回路中已无电流，电流互感器TA的二次绕阻中也无电流流过，故另一个晶闸管也不能导通，电路被完全开断。图中的VD3和VD4分别用来保证VD1和VD2在规定的电流流向时导通的整流器。BH为保护装置，用来抑制当主电路电流过大或短路时在晶闸管控制极上产生的过强信号。
图3-23 交流混合开关结构
（a）工作原理图；（b）接线图
交流混合式开关的优点是具有较高的寿命，缺点是结构较复杂、价格较昂贵，目前尚未获得普遍应用。
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