真空断路器的工作原理 真空断路器和空气断路器的区别

一、真空断路器的工作原理

真空断路器是一种利用真空作为灭弧介质的断路器，其工作原理主要基于真空环境中电流流过零点时等离子体的迅速扩散来熄灭电弧，从而完成切断电流的任务。以下是真空断路器工作原理的详细解析：

1. 灭弧介质 ：
   • 真空断路器的主要特点是其灭弧介质为真空。由于真空环境中不存在导电介质，电弧得以迅速熄灭，因此该断路器的动静触头间距设计得相对较小。
2. 触头开断与电弧形成 ：
   • 当真空断路器的触头在真空中开断时，会产生电流和能量高度集聚的阴极斑点，从而大量蒸发金属蒸汽。
   • 这些金属原子和带电质点的密度极高，电弧就在其中剧烈燃烧。同时，弧柱内的金属蒸汽和带电质点不断向外扩散，而电极则不断蒸发新的质点以维持弧柱的稳定。
3. 电弧熄灭 ：
   • 当电流过零时，电弧的能量逐渐减小，电极温度下降，蒸发作用减弱，弧柱内的质点密度也逐渐降低。
   • 最终，在过零时刻阴极斑消失，电弧随之熄灭。有时，由于蒸发作用无法维持弧柱的扩散速度，电弧会突然熄灭，这种现象称为截流现象。
4. 主要组成 ：
   • 真空断路器主要由框架、灭弧室和操动机构三部分组成。
   • 灭弧室内部有一个钢拱室，对称地堆放在陶瓷绝缘体中，并将真空压力保持在一定范围内。
   • 操动机构则具备电动储能、电动分合闸以及手动功能，由合闸弹簧、储能系统、过流脱扣器、分合闸线圈、手动分合闸系统、辅助开关和储能指示等部件共同构成。
5. 动作原理 ：
   • 真空断路器的动作原理是通过操动机构驱动触头进行开断和闭合操作。
   • 储能过程：储能电机接通电源后，通过一系列传动机构拉伸合闸弹簧，为合闸操作储备能量。
   • 合闸操作：当机构接收到合闸信号时，合闸弹簧释放能量，通过传动机构带动触头闭合。
   • 分闸操作：当接收到分闸信号时，分闸电磁铁动作，使脱扣机构释放合闸弹簧的能量，从而带动触头分开。

二、真空断路器与空气断路器的区别

真空断路器和空气断路器是两种常用的电力设备，它们在工作原理、应用场景和性能特点等方面存在显著差异。以下是两者的详细对比：

1. 工作原理 ：
   • 真空断路器：利用真空作为灭弧介质，通过触头在真空中开断时产生的金属蒸汽和带电质点来形成和熄灭电弧。
   • 空气断路器：利用空气作为灭弧介质和绝缘介质。当电流超过设定值时，断路器内部的触点打开，形成电弧。电弧在空气中扩散和冷却，最终熄灭。
2. 应用场景 ：
   • 真空断路器：通常被应用于电压等级较低的厂用电系统配置中，特别是需要高可靠性和长寿命的应用场景。随着电力系统的飞速发展，10kV真空断路器在我国已实现大规模生产和应用。
   • 空气断路器：广泛应用于各种电压等级，从低压到高压，是商业用途的常见选择。它们常用于高达15kV的短路和过流保护，额定电流为800A至10kA。
3. 性能特点 ：
   • 真空断路器：具有燃弧时间短、绝缘强度高、电气寿命长以及触头开距与行程小等特点。因此，其机械寿命也相对较高。此外，真空断路器在灭弧性能、体积和使用寿命方面具有明显优势，更适合对电能质量和空间要求较高的场合。
   • 空气断路器：由于使用空气作为绝缘介质，体积相对较大，安装空间需求较多。同时，其灭弧性能相对较弱，容易受到电弧的影响。然而，空气断路器的成本相对较低，且在大气压下的空气中运行，以保护连接的电路。
4. 维护与保养 ：
   • 真空断路器：由于真空环境减少了电弧对触头的烧蚀作用，因此其维护和保养相对简单。然而，需要定期检查真空室的真空度和触头的磨损情况。
   • 空气断路器：由于使用空气作为灭弧介质，其触头容易受到电弧的烧蚀作用。因此，需要定期检查触头的磨损情况并进行更换。同时，还需要保持空气断路器的清洁和干燥，以防止灰尘和湿气对性能的影响。
5. 成本 ：
   • 真空断路器：由于制造工艺相对复杂，且需要使用高质量的材料和组件来确保其在真空环境中的稳定性和可靠性，因此其成本相对较高。
   • 空气断路器：由于其结构相对简单且制造材料成本较低，因此其成本相对较低。这使得空气断路器在价格敏感的应用场景中更具竞争力。

综上所述，真空断路器和空气断路器在工作原理、应用场景、性能特点、维护保养和成本等方面存在显著差异。在选择时，需要根据具体的应用需求、负荷性质和经济条件等因素进行综合考虑。