當開關的額定電流小於實際電流時,可以用兩個相同的開關並聯來解決嗎? | 知乎問答精選

 

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當開關的額定電流小於實際電流時,可以用兩個相同的開關並聯來解決嗎?

2018年01月16日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 54 ℃ 次

【劉澤普的回答(130票)】:

看了幾位的回答,各有千秋。

這個問題如果深究起來,還是很有內涵的。

我們再次看原圖:

注意,此圖中的開關是斷路器。注意,此圖中的開關是斷路器。

那麼開關並聯涉及到哪些問題呢?

(1)開關並聯後的載流量;(2)開關(斷路器和普通開關)觸頭承載短路電流的能力和開斷能力;(3)當小型開關安裝到線路板上,且不考慮開關承載短路電流,此時開關的接通能力和開斷能力。

我們逐一討論。

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一.關於開關並聯後的載流量

1)我們首先來看K段圓導線的並聯,有何問題。

設某種規格的單根導線截面積為S1,因為:

,所以有:

若單根導線的長度為L,則對應的導線表面積為:

我們再設單根導線的電阻為R1。

我們來考慮將K支上述規格的導線並聯,設其總截面積為Sk,且有Sk=KS1。於是總等效直徑為:

表面積Ak為:

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許多人提出了疑問,為何K根導線的表面積不是KA1?解釋如下:

看下圖:

注意:

單根的導線的表面積為A1,而8根導線的表面積不是8XA1=8A1,而是圖中大圓所代表的等效表面積A8。也即等效大圓的外表面面積,也即:

不過,這裡忽略了兩頭的截面積哦。

單根導線的截面積為S1,而8根導線的截面積為S8=8S1。

至於計算方法,見具體的推導表達式。

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這K根導線的電阻為:

單根導線產生的熱量Q1的表達式為:

K根導線產生的熱量QK的表達式為:

導線散發的熱量與導線的表面積成正比。對於單根導線,其散熱量Q1』的表達式為:

式中的M為散熱係數。對於K根並聯的導線,其散熱量QK』的表達式為:

當導線處於平衡態時,其發熱量與散熱量相等,也即:

所以有如下關係成立:

故得出圓導線的載流量並聯繫數,如下:故得出圓導線的載流量並聯繫數,如下:

由此可知,當導線數為2時,其最大載流量為單根導線的1.682倍。由此可知,當導線數為2時,其最大載流量為單根導線的1.682倍。

現在我們用兩隻同類開關並聯,其載流量僅為單只開關載流量的1.682倍。

因為

,故每隻開關的額定電流必須提高1.19倍,才能使得並聯後的載流量為原先載流量的2倍。

2)關於開關的定義和開關的若干主要參數(與本問題直接相關的若干參數)

什麼叫做開關呢?

在GB14048.3-2008《低壓開關設備和控制設備 第3部分:隔離器和隔離開關》中有如下定義:

因為開關必須要承載電流,所以開關也必須具有如下幾個參數:因為開關必須要承載電流,所以開關也必須具有如下幾個參數:

第一個參數:額定電流

額定電流好理解,就是由生產廠家按國家標準規定的該開關能夠流過的運行電流,而且此運行電流在規定的工作制下其溫升不超過規定值。

但我們知道,許多同一種品牌同種規格的開關,但其額定電流有大小區別。這是因為開關具有殼體電流的原因。相同的大小尺寸下,其導電回路的參數不同,則額定電流就不同。

因此,在實際使用時,開關不允許超過其額定電流。

對於本例,我們應當非常明確地知道,就算我們用兩個以上的開關並聯使用,但對於單個開關來說,它的額定電流不允許被突破。

於是問題來了,我們如何能夠確保這兩隻開關的運行電流恰好相等,而且它們的電流之和還小於電流I呢?

這個問題我們留在後面來細說。

第二個參數:能夠接通的最大電流,又叫做短路接通能力。

這個參數與短路電流有關。

當系統中出現短路電流時,斷路器能夠開斷短路電流,而一般的開關則不能,它只能被動地承受短路電流的衝擊。這種衝擊包括短路電動力衝擊和短路熱衝擊。

於是,開關的短路接通能力必須大於線路中可能出現的最大短路電流。

第三個參數:額定電壓

額定電壓好理解,它決定了開關的絕緣水平是否滿足要求。

第四個參數:過載倍數

這個參數決定了開關在短時間內允許的過載倍率。

過載倍率這個參數很有意思。主動元件因為具有分斷能力,因此都沒有過載倍率這個參數。具有過載倍率參數的一定是不具有分斷能力的被動元件,例如隔離開關有這個參數、接觸器有這個參數、小型的扭子開關也具有這個參數。

其它參數與我們討論的話題無關,故略去。

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現在我們來考慮一個問題:如果我們用兩隻開關並聯運行,但我們一定不能讓這兩隻開關中的任何一隻開關,它的運行電流超過額定電流,我們應當怎麼辦呢?

我們先來看下圖:

這張圖是整流電路。如果整流電流比較大,我們可以在二極管的前面各裝一隻電阻,由於二極管正嚮導通時的等效電阻小於前接電阻,因此線路中的電流也即I1和I2是由前接電阻R1和R2來決定的,也因此,前接電阻又稱為均流電阻。這張圖是整流電路。如果整流電流比較大,我們可以在二極管的前面各裝一隻電阻,由於二極管正嚮導通時的等效電阻小於前接電阻,因此線路中的電流也即I1和I2是由前接電阻R1和R2來決定的,也因此,前接電阻又稱為均流電阻。

值得注意的是:當整流電流比較小時是可以這樣做的,但是在電流比較大時,就不能採用電阻前接了,而要採取其它辦法。

我們再看下圖:

我們可以在兩個並聯支路中加裝前接電阻嗎?答案是否定的,因為電流相對較大,我們不可能在線路中加裝兩只消耗電能的電阻來做均流。我們可以在兩個並聯支路中加裝前接電阻嗎?答案是否定的,因為電流相對較大,我們不可能在線路中加裝兩只消耗電能的電阻來做均流。

既然不能裝電阻,我們可以把兩隻開關的額定電流加大,使得每個開關的額定電流均大於

,這樣就能夠正常運行。

例如,電路的總電流為20A,其一半的電流為10A,

A,所以我們取兩隻開關的額定電流均大於12A即可。

但我們很容易想到,2只12A的開關價格與1只20A的開關價格相比,肯定後者更便宜。與其這樣,還不如一次到位,就採用單只的20A開關豈不就徹底地解決了問題。

顯然,結論已經出來了:對於配電電器來說,還不如選用單只且滿足總電流要求的開關更合適。

二.關於短路電流問題

我們來看下圖:

當系統出現短路時,兩隻並聯開關,不,應當是兩隻並聯斷路器會出現何種情況呢?當系統出現短路時,兩隻並聯開關,不,應當是兩隻並聯斷路器會出現何種情況呢?

我們知道,任何斷路器,哪怕它們是相同廠家相同型號相同規格的斷路器,它們分斷短路電流的時間也是不相同的。於是先開斷的斷路器觸頭將承受更大的電弧衝擊和短路電流熱衝擊。

我們來看下圖:

圖中在時刻0之前為正常電流,之後出現短路。短路電流中有兩個份量——短路電流的交流份量Ip和直流份量Ig,兩者的疊加後在短路後10毫秒出現最大值,叫做衝擊短路電流峰值Ipk。圖中在時刻0之前為正常電流,之後出現短路。短路電流中有兩個份量——短路電流的交流份量Ip和直流份量Ig,兩者的疊加後在短路後10毫秒出現最大值,叫做衝擊短路電流峰值Ipk。

對於斷路器而言,它必須承受Ipk產生的巨大瞬時短路電動力的衝擊,還必須承受在分斷期間短路電流有效值產生的熱衝擊。前者叫做開關電器的動穩定性,後者叫做開關電器的熱穩定性。

兩隻斷路器並聯,由於斷路器脫扣器開斷短路電流的操作時間不可能相同,先動作的斷路器觸頭開斷時不會發生什麼情況,而後開斷的斷路器觸頭就遭罪了,短路電流會在其觸點間產生強烈的電弧。

我們在選配斷路器時,已經讓斷路器的極限短路分斷能力大於短路電流的週期份量,讓斷路器的短路接通能力大於衝擊短路電流峰值,因此斷路器一般來說,是可以承受短路電流的電動力衝擊和熱衝擊的。

注意到一個事實,雖然斷路器的短路參數是滿足要求的,但因為它們的額定電流只有實際運行電流的1.2倍,額定電流值偏低。

斷路器的脫扣器,它對短路電流的分斷操作整定值是以1~10倍額定電流來定義的。

我們還是以20A的運行電流來計算。假定現在的短路電流穩態值是6X20A=120A,而兩隻並聯斷路器的短路保護整定值均為10倍額定電流來設定,也即10X10=100A,這個值小於120A。因此,對於後開的斷路器來說,它的觸頭會有很大的消耗。當兩隻斷路器重新投運後,後開的斷路器其觸頭因為表面狀況較差,因而會出現嚴重發熱。發熱會進一步降低觸頭的接通能力,也降低絕緣件的絕緣能力,也即極大地降低了斷路器的電壽命。

當再次出現短路電流時,這後開的斷路器又再次提前開斷。顯見,電弧將徹底地損毀掉它的觸頭,而且極有可能會出現觸頭熔焊。這樣一來,發生電氣火災將不可避免。

如果電器的維護人員忽略了斷路器的實際狀況,將兩隻斷路器閉合。這時很可能後開的斷路器立即發生電弧性擊穿,出現短路事故。若後開斷路器能躲過這一劫,其觸頭已經因為燒蝕而無法閉合。結果所有的工作都落在先開斷路器身上。可想而知,最終會出現何種狀況。

給個結論吧:

對於原圖,如果我們一定要用兩隻斷路器來並聯,從正常運行電流來看,兩隻斷路器的額定電流必須大於1.2X0.5=0.6倍實際運行電流;從分斷短路電流來看,兩隻斷路器的額定電流必須均大於實際運行電流。

結論是:用並聯斷路器的方法來解決其額定電流偏小的問題行不通,必須換成單只且滿足要求的斷路器。

三.對於安裝在電路板上的開關

安裝在電路板上的開關,由於線路中的短路阻抗很大,因此短路衝擊性電流不大。我們主要考慮運行電流即可。也因此,只要讓兩隻開關的額定電流大於0.6倍運行電流即可。

大家肯定會問:我們在計算中用的是圓導線來推導的,這種基於圓導線的結論可以用於開關嗎?

開關中的導電部分一般是矩形截面,計算它的發熱和電動力需要計算阻性發熱的方法,其中有計算電阻率隨溫度上升的方法,有計算溫升的牛頓散熱公式方法,有畢奧.薩法爾定律計算電動力的方法,有計算觸頭接觸電阻的方法等等,這些都需要根據開關實際結構參數來列寫微分方程求解,麻煩不說,得到的結論卻與圓導線的結論類似。

既然如此,我們何樂而不為用圓導線的方法來等效這些繁複的計算。

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最後的最後,我們會發現這裡面的知識量很大,限於篇幅,我就不再多寫了。

其實,這個帖子的主題是有來歷的。前幾天有一位客戶問我一個問題,他說:

我們現有的一台開關櫃中有一隻額定電流為630A的斷路器,現在想把這個回路改成1000A的,為了減少工作量,也為了減少投資,我們打算增加一隻額定電流為400A的斷路器和原先的630A斷路器並聯,這樣合併後的額定電流是1030A,應該能用於1000A的回路吧?

我給他的答案是:行不通!應當使用額定電流為1250A的斷路器才行。

至於為何能得出這個結論,相信大家已經清楚了,不用我再解釋了。

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謝謝大家!

【libofeng的回答(6票)】:

這麼簡單的並聯當然不可以。

一個是電流分配的問題。圖中兩個開關都接同一個負載,那麼電流的分配就完全取決於兩條支路的電阻。即使是開關焊點的細微差異,也會造成電流分配的很大不均衡。

另外一個是如何保證開關嚴格意義上的同時。即使是很短的時間差也會造成其中一個支路的巨大壓力。MOSFET可以這樣做是因為驅動的PWM留有餘量的。但是家用開關能否保證?我表示懷疑。

【LiChenYang的回答(4票)】:

扯什麼mosfet、igbt的也是夠了,看圖片上畫的明顯是斷路器啊

【賴厚俊的回答(3票)】:

均流問題。

mosfet能並聯是因為它的導通電阻是正溫度特性的,即,電流越大,溫度越高,電阻越大,電流變低。相當於負反饋。

igbt你並聯試試?電流大的那個支路的導通電阻會越來越小,繼而電流越來越大,就燒燬了。

標籤:-電路 -電氣工程 -低壓電器


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