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高壓跌落式熔斷器動作機理:選擇性保護與可見隔離

在10kV配電網(wǎng)里,高壓跌落式熔斷器是應(yīng)用特別廣的開關(guān)設(shè)備——它既能實現(xiàn)過載與短路保護,還能提供明顯的斷開點。我們平時說的它“動作”,其實是故障電流觸發(fā)的自動物理過程,整個過程有嚴(yán)格的時序,最后會以熔管“跌落”來標(biāo)志動作完成,既實現(xiàn)了電路開斷,又能給出視覺指示,這一點設(shè)計得特別實用。

一、核心動作原理

跌落式熔斷器能動作,關(guān)鍵靠的是滅弧管(也就是熔管)的產(chǎn)氣滅弧特性,還有熔絲的熱效應(yīng)與冶金效應(yīng)(M效應(yīng))。它的設(shè)計特別巧妙,能利用電弧能量自己驅(qū)動動作,整個過程完全不用外部動力源,這在實際應(yīng)用中省了不少麻煩。

二、分步動作過程

先看正常運行狀態(tài)。這時候熔斷器處于合閘位置,熔絲穿在熔管內(nèi)部,靠自身的機械張力把動觸頭拉緊,牢牢鎖在靜觸頭(鴨嘴罩)里,這樣就形成了可靠的電通路,系統(tǒng)電流能正常通過熔絲。

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當(dāng)線路或者被保護設(shè)備(拿配電變壓器來說)出現(xiàn)過載或短路時,故障電流會遠超熔絲的額定值,這時候就到了故障發(fā)生與熔絲熔斷的階段。熔絲會根據(jù)自身精確的安-秒特性(反時限特性)快速發(fā)熱:如果是小倍數(shù)過流,熔絲會延遲一段時間再熔斷;要是遇到大短路電流,熔絲在毫秒級的時間里就會瞬間熔斷。而且熔絲通常會先在冶金效應(yīng)點(就是焊了低熔點合金小球的地方)熔斷,產(chǎn)生初始電弧。

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初始電弧出現(xiàn)后,會引燃整個熔絲,產(chǎn)生高溫高壓的電弧,這就進入了電弧產(chǎn)生與能量轉(zhuǎn)化階段。電弧的高溫會迅速灼燒熔管內(nèi)壁的產(chǎn)氣材料(一般是環(huán)氧玻璃布或者桑皮紙),讓這些材料分解出大量氣體——像氫氣、二氧化碳這類氣體,滅弧性能都特別好。

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接著就是氣吹滅弧與電流開斷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。熔管內(nèi)部壓力會急劇升高,高壓氣體會從熔管兩端高速噴出來。這股高速氣流會縱向吹拂電弧,產(chǎn)生強大的氣吹效應(yīng),既能強力冷卻電弧,又能把電弧拉長,還能讓電弧去游離。等到電流過零點的時候,弧隙的介質(zhì)強度會快速恢復(fù),而且恢復(fù)后的強度會高于恢復(fù)電壓,這樣電弧就被徹底熄滅,故障電流也就能成功切斷了。

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電弧熄滅后,就到了熔管跌落與形成斷開點的階段。因為熔絲熔斷了,維持動觸頭鎖緊狀態(tài)的機械張力就消失了,再加上之前噴出的氣體還會產(chǎn)生向下的推力。在熔管自身重力與氣體噴射反作用力的共同作用下,動觸頭會從鴨嘴罩里脫出來,熔管會繞著下觸頭的軸轉(zhuǎn)動,快速向下跌落,最后懸掛在下方,形成一個明顯的、靠空氣絕緣的斷開點。

這個斷開點可不只是個物理間隙,還能起到隔離與指示的作用。熔管跌落,就說明電路已經(jīng)被物理隔離了。這種清晰可見的狀態(tài),能給運行人員明確的故障指示——不用借助其他檢測設(shè)備,就能遠距離看出哪個線路區(qū)段出了故障,這對快速定位故障并且開展檢修工作特別有幫助。

24kV300A復(fù)合型跌落式熔斷器-恩彼邁

三、動作特性與核心要求

在動作特性方面,安-秒特性(也就是時間-電流特性)是重中之重。它的動作必須具備反時限特性,這樣才能和上級(變電站出線開關(guān))以及下級(變壓器內(nèi)部保護)形成選擇性保護配合,把故障范圍控制到最小,避免大面積停電。

開斷能力也不能忽視,它必須能安全、無損傷地開斷額定范圍內(nèi)的最大預(yù)期短路電流,要是連這點都做不到,很可能會在故障時造成設(shè)備損壞。

另外,它還得有足夠的承受能力,能承受合閘涌流(拿變壓器勵磁涌流來說)的沖擊,不能因為這些正常的涌流就誤動作,不然會影響正常供電。

還有額定電流匹配的問題,熔絲的額定電流要根據(jù)被保護設(shè)備(比如變壓器)的額定電流來選,一般選1.5~2倍的數(shù)值,這樣才能躲過正常的涌流,既不影響設(shè)備正常運行,又能在真正故障時及時動作。

恩彼邁高壓跌落式熔斷器的動作過程,其實是電能→熱能→壓力能→機械能的連貫轉(zhuǎn)換,每一步都銜接得特別緊密。它的“跌落”不只是動作完成的標(biāo)志,還集故障指示、電路隔離、安全保障于一身,這種用簡單機構(gòu)實現(xiàn)復(fù)雜功能的設(shè)計思路,真的特別出色。對我們來說,它是保障配電網(wǎng)安全、可靠且經(jīng)濟運行的關(guān)鍵設(shè)備,它能不能正確動作,直接關(guān)系到供電質(zhì)量與系統(tǒng)穩(wěn)定性,在配電網(wǎng)里的作用無可替代。

24kV300A跌落式熔斷器-恩彼邁

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