[发明专利]一种交流开关装置

说明书

技术领域

本发明涉及开关装置，特别涉及交流开关装置，所述的交流开关包括机械交流断路器、固态交流断路器、混合交流断路器及其它交流开关。

背景技术

现有的交流电力系统简化模型如图1所示，均是由交流输入V、交流开关J，以及负载L串联组成，开关J的基本功能就是能够在所要求的短时间内分合电路，开关在大气中切断通有电流的回路时，只要电源电压大于10-20V，电流大于80-100mA，在动静触头分开瞬间，触头间隙就会产生一团温度极高、发出强光且能够导电的近似圆柱形的气体，这就是电弧，一直到电弧熄灭，触头间隙成为绝缘介质后，电流才被开断。

电孤是一种气体放电现象，它有两个特点：一是电弧中有大量的电子、离子，因而是导电的，电孤不熄灭电路继续导通，要电弧熄灭后电路才正式断开；二是电弧的温度很高，弧心温度达4000～5000摄氏度以上，高温电弧会烧坏设备造成严重事故，所以必须采取措施，迅速熄灭电弧，因此电弧燃烧和熄灭过程是开关电器研究最重要的内容。

电弧的产生主要依靠碰撞游离，电弧的维持主要依靠热游离，物理过程简述如下：在开关断开过程中，由于动触头的运动，使动、静触头间的接触面不断减小，电流密度就不断增大，接触电阻随接触面的减小就越来越大，因而触头温度升高，产生热电子发射。当触头刚分离时，由于动、静触头间的间隙极小，出现的电场强度很高，在电场作用下金属表面电子不断从金属表面飞逸出来，成为自由电子在触头间运动，这种现象称为场致发射。热电子发射、场致发射产生的自由电子在电场力作用下加速飞向阳极，途中不断碰撞中性质点，将中性质点中的电子又碰撞出来，这种现象称作碰撞游离。由于碰撞游离的连锁反应，自由电子成倍地增加(正离子亦随之增加)，大量的电子奔向阳极，大量的正离子向负极运动，开关触头间隙便成了电流的通道，触头间隙间介质被击穿就形成电弧。由于电弧温度很高，在高温的作用下，处在高温下的中性质点由于高温而产生强烈不规则的热运动，在中性质点互相碰撞时，又将被游离而形成电子和离子，这种因热运动而引起的游离称为热游离，热游离产生大量电子和离子维持触头间隙间电弧。

上述交流电力系统简化模型中的负载L分为：阻性负载，如白炽灯、电炉、电热水器等；感性负载，如电动机、变压器、继电器驱动等；容性负载，如充电器、电池、超级电容等，交流电力系统一般由三种负载混合组成。

由于交流电力系统总负载存在感性负载和容性负载，系统中的电压和电流会产生相位差，图2为现有的交流电力系统正常工作时电压、电流相位差为90°时的波形图；图3为现有的交流电力系统正常工作时电压、电流相位差为45°时的波形图。从图3和图4可以得知，交流电力系统的电压V和电流I的正负情况存在以下四种情况：

(1)电压V为正、电流I为负；

(2)电压V为正、电流I为正；

(3)电压V为负、电流I为正；

(4)电压V为负、电流I为负。

当交流电力系统发生故障需要断开开关J时，如果此时刚好处于交流电流过零点之后，则需要等待1/2个周波交流电流才能过零，在此1/2周波内，将会在开关J两端产生电弧。对于交流电力系统，感性负载的存在增加了灭弧难度，原因在于开关断开后电流会迅速减小，而感性负载两端的电流不能突变，感性负载线圈储存的能量由于自感效应线圈会产生一个反向的电势阻止电流的变化，这其实是一个能量释放过程，如果线圈开路，其两端产生的反向电势电压将会为几倍的交流输入电压，反向电势电压与交流输入电压叠加后，将会在开关两端产生至少2倍交流输入电压的尖峰电压，即电弧电压。