探索——低壓開關電器的動、熱穩定性之3

本章我們來探討低壓開關電器的動穩定性。

首先，要弄清楚什麼叫做電動力。我們看下圖：

我們來看一個例子：設某低壓開關櫃的單相主母線採用60mmX10mm的銅排，銅排豎直安裝，長邊相對，中心距150mm，短路段母線長度12m。若母線中流過50kA的短路電流，試問母線所受到的電動力有多大？

解：查截面係數曲線，因為（銅排中心距-銅排厚度）/（銅排厚度+銅排高度）=(150-10)/(10+60)=2，故知Kc=2。

我們知道，單相交流電的最大值是有效值的 倍，並且單相短路時兩導體中的電流方向相反，也即兩母線承受斥力。於是有：

也就是說，這兩根母線之間的短路電動力有16.3噸力之巨，很驚人的結果！

但我們仔細想想，會發現以下幾點：

第一：短路電動力與導體長度成正比；

第二：短路電動力的最大值一定出現在電流取最大值的時刻。對於交流電，它一定出現在電流峰值的時刻。

對於第一點，我們知道開關電器的尺寸相對於母線要短很多，因此開關電器所承受的短路電動力當然要小很多。

設某斷路器導電排的尺寸是5mm（厚）X 10mm（高），長度為50mm，兩極間的距離是34mm。見圖13：

如果此斷路器的兩極也流過上述單相短路電流，我們來計算它的短路電動力：

首先確定截面係數Kc，查表後得知：Kc=0.95。注意到電流要取它的最大值。我們把數據代入計算式：

才143千克力，這對於斷路器的結構件來說也不算小，但完全承受得起。

由此可見，由於開關電器的尺寸較小，導線間的短路電動力對於開關電器來說，並不是很大。也因此，很多時候開關電器不考慮短路電動力的影響。

既然開關電器的動穩定性並不僅指短路電動力，那麼還有其它什麼因素在起作用？

我們看圖14：

圖14中，電流方向從靜觸頭流過靜觸頭和動觸頭，再流到動觸頭導電杆。

由於觸頭的觸點是一點，因此觸頭中的電流線會傾斜。我們特別關注靜觸頭中右側的電流線Ixr和動觸頭右側的電流線Isr。

根據右手螺旋定則，Ixr產生的磁力線如圖所示，磁力線從Ixr的左側離開紙面，從Ixr的右側進入紙面。注意到Isr電流線整個處於進入紙面的磁力線中。

根據左手定則，電流線Isr受到的電動力與Isr正交，指向左上方，見圖14右側的受力分析圖。

我們看到，力F可以分解為水平力Fx和垂直力Fy。水平力與動觸頭左側的電流線Isl產生的水平力相抵消，而垂直向上的力則作用在動觸頭上，這個力叫做霍姆力，用發現者霍姆來命名。

霍姆力的表達式為：

我們從圖13中看到，此斷路器的觸頭半徑大約為2.5，設其觸點半徑為0.2，又由銘牌可知此斷路器的額定電流是250A，極限短路分斷能力為35kA。再設其觸頭壓力位15N，我們來計算此斷路器在運行時的觸頭斥力和流過短路電流時的觸頭斥力，如下：

正常運行時：

我們看到霍姆力遠遠小於觸頭壓力。

當出現短路電流時：

我們看到，霍姆力遠遠大於觸頭壓力。霍姆力和斷路器脫扣器一起執行了斷路器的開斷任務。

但現在我們需要知道，當霍姆力等於觸頭壓力時，對應的電流是多少？計算表明，此電流約等於7706A。

由此我們知道，當斷路器流過7.7kA的電流時，霍姆力把觸頭斥開，但斥開後霍姆力消失，於是觸頭又再次閉合，觸頭出現抖動現象。在觸頭抖動維持時間內，觸頭之間出現的電弧會燒灼觸頭並將觸頭熔融，最後導致觸頭熔焊。

這就是開關電器動穩定性的主要因素。

我們來看一位知友在第一篇文章評論區下的評論：

為何如此？且把這個評論作為範例，請知友們分析吧。

到目前為止，我們已經討論了開關電器的動穩定性和熱穩定性。但開關電器的動穩定性與熱穩定性之間到底有何種關係？我將在本系列文章的最後一篇中講解。

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