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第2章电气设备发电厂和变电站中电气设备及开关电器运行中应根据负荷变化的要求，起动、调整和停运机组；对电路进行必要的切换；不断监视主要设备的工作；周期性地检查和维护主要设备；定期检修设备以及快速消除发生的故障等。发电厂与变电站的主要任务:为满足上述生产需要，在发电厂与变电站中安装有各种电气设备。发电厂与变电站的主要任务:直接生产和分配电能的设备称为一次设备（即设备内部通过一次电流的设备，通常指互感器高压侧的设备），它们包括下列几类。（1）生产和转换电能的设备如发电机、变压器、电动机等，这些都是最主要的设备。一、电气设备简介（2）接通或断开电路的开关电器一、电气设备简介如断路器、隔离开关、熔断器、自动空气开关、闸刀开关等。它们的作用是在正常运行或事故时，将电路闭合或断开，以满足生产运行和操作的要求。（3）限制故障电流和防御过电压的电器一、电气设备简介如限制短路电流的电抗器和防御过电压的避雷器等。一、电气设备简介（4）接地装置无论是电力系统中性点的工作接地或是各种安全保护接地，在发电厂和变电站中均采用金属接地体埋入地中，或连接成接地网组成接地装置。（5）载流导体一、电气设备简介如母线、架空线和电力电缆等。它们按设计要求，将有关电气设备连接起来。一、电气设备简介（6）补偿设备包括电力电容器、调相机、并联电抗器、消弧线圈等。主要是进行无功补偿，减少线路损耗和电压损耗，提高系统供电能力。一、电气设备简介在发电厂与变电站中，除上述一次设备外，还有一些辅助设备，它们的任务是对一次设备进行测量、控制、监视和保护等，这些设备称为二次设备。一、电气设备简介（1）仪用互感器如电压互感器和电流互感器，它们将一次电路中的电压和电流降至较低的值，供给仪表和保护装置使用。一、电气设备简介（2）测量仪表如电压表、电流表、功率表、功率因数表等，它们用于测量一次电路中的运行参数值。一、电气设备简介（3）继电保护及自动装置它们用以迅速反应电气故障或不正常运行情况，并根据要求进行切除故障或作相应的调节。一、电气设备简介（4）直流设备如直流发电机组、蓄电池、整流装置等，它们供给保护、操作、信号以及事故照明等设备的直流用电。一、电气设备简介（5）信号设备及控制电缆等信号设备给出信号或显示运行状态标志，控制电缆用于连接二次设备。开关电器是发电厂和变电站中重要的电气设备。在电力系统中，发电机、变压器以及出线路等元件，由于改变运行方式的需要或者发生故障及检修等情况，需要将这些元件可靠而灵活地进行接入或者退出等操作。二、开关电器的用途和分类例如：在电路发生故障的情况下，必须迅速切断故障电流，把事故限制在最小范围，保证未发生故障部分继续运行，从而提高系统运行的可靠性；检修设备的时候，需要隔离带电部分，以保证工作人员人身及设备安全等。因此在电力系统中必须装设开关电器，来完成以上的操作。二、开关电器的用途和分类不同的高压开关电器在电力系统电路中作用相同，常用的高压开关电器包括高压断路器、熔断器、隔离开关和负荷开关等几大类。二、开关电器的用途和分类根据开关电器的不同性能，可以将其分为以下几类：（1）即能开断或闭合正常工作电流，也能开断或闭合短路电流及过负荷电流的电气设备：高压断路器、低压自动空气开关等。二、开关电器的用途和分类根据开关电器的不同性能，可以将其分为以下几类：（2）只用来开断或闭合短路电流或者过负荷电流的电气设备：熔断器。二、开关电器的用途和分类根据开关电器的不同性能，可以将其分为以下几类：（3）只用来开断或闭合正常工作电流的电气设备：高压负荷开关、低压刀闸等。二、开关电器的用途和分类根据开关电器的不同性能，可以将其分为以下几类：（4）既不能开断或闭合正常工作电流，也不能开断或闭合短路电流及过负荷电流，只用来检修时隔离电源，或者在等电位时进行倒闸操作的电气设备：高压隔离开关。二、开关电器的用途和分类根据开关电器的不同性能，可以将其分为以下几类：（5）和重合器等配合使用，无电流瞬间可以自动切除故障线路的电气设备：分段器。二、开关电器的用途和分类高压开关电器之所以分为以上不同种类，主要原因是在切除或者闭合高压回路中大电流时，产生了电弧现象。电弧包括直流电弧和交流电弧两类，随着直流输电技术的不断发展，直流电弧的研究也在不断深入。当前绝大部分的输电都是以交流输电为主，下一节重点介绍交流电弧的的相关理论知识。二、开关电器的用途和分类交流电弧产生维持及波形特点一、开关电器中电弧的产生及维持当开关电器开断电路时，只要电源电压不低于10-20伏，电流不小于80-100mA，在开关电器的触头间就会产生电弧。此时虽然开关电器的触头已经分来了，但是电流通过触头间的电弧仍然继续流通，一直到电弧熄灭后，电路才真正断开。因此电弧在开关电器开断过程中几乎是不可避免的。电弧具有导电性强、能量集中、温度高、亮度大、质量轻、易变形等特点。特别是电弧的温度常常超过金属的气化点（例如开断几十千安培的短路电流时，以焦耳热形式发出的功率可以达到上万kW,温度可达上万摄氏度），电气设备、开关触头或绝缘材料很容易遭受破坏，如果电弧燃烧时间过长，有可能使电器发生爆破事故。因此，出现电弧时必须尽快予以熄灭。一、开关电器中电弧的产生及维持一、开关电器中电弧的产生及维持一、开关电器中电弧的产生及维持（1）强电场发射当弧隙距离S很小时，在外施电压作用下，间隙上出现很高的电场强度E(E=U／S)，当电场强度超过3×106V／m时，阴极表面的自由电子在电场的作用下被强行拉出，形成放电空间的自由电子。这种游离方式称为强电场发射，也是在弧隙间最初产生电子的原因。一、开关电器中电弧的产生及维持（2）碰撞游离阴极表面发射出的电子和弧隙中原有的少量电子在电场的作用下，向阴极方向运动，不断与其他粒子(如气体原子、分子)发生碰撞。只要电子的运动速度u足够高，电子的动能大于原子或分子的游离能，则在电子与气体分子或原子碰撞时，就可以使束缚在原子核周围的电子释放出来，形成自由电子和正离子，这种现象称为碰撞游离。一、开关电器中电弧的产生及维持（2）碰撞游离一、开关电器中电弧的产生及维持新产生的电子也向阳极加速运动，同样也会使它所碰撞的中性质点游离。触头间电弧燃烧的间隙称为弧隙，碰撞游离连续进行就可能导致弧隙中充满电子和离子，介质中带电质点就会大量增加，使弧隙具有很大的电导，在外加电压的作用下，大量的带电质点向两端电极运动，形成了电流，触头间的介质即被击穿形成了电弧。（2）碰撞游离一、开关电器中电弧的产生及维持该机理是由英国物理学家汤森德(Townsend)在1903年提出的，也称为汤森德机理。（2）碰撞游离一、开关电器中电弧的产生及维持（3）热游离电弧形成后，弧隙间的温度很高，电弧中心的弧柱区温度可达5000开以上。高温使阴极表面的电子获得足够的能量而向外发射，形成热电场发射。在高温作用下，气体的不规则热运动速度增加，具有足够动能的中性质点互相碰撞，又可能游离出电子和离子，这种现象称为热游离。一、开关电器中电弧的产生及维持（3）热游离随着触头分开的距离增大，触头间的电场强度E逐渐减小，这时电弧的燃烧主要是依靠热游离维持的。此外，高温也会引起金属触头熔化、蒸发，以致在介质中混有金属蒸气，使弧隙的电导增加，电弧将继续炽热燃烧。一、开关电器中电弧的产生及维持（3）热游离介质中电弧的产生过程大致如图2-5所示。综合分析，电弧产生主要包括以下三个要素：高电场发射电子是产生电弧的主要条件。碰撞游离是产生电弧的主要原因。热游离是维持电弧燃烧的主要原因。一、开关电器中电弧的产生及维持二、开关电器中电弧波形特点在交流电路中，交流电弧电压及电流随时间t变化的波形如图所示。二、开关电器中电弧波形特点交流电弧在电流过零前后很短的时间内，电弧电阻变得相当大，电弧电流很小，所以波形偏离了正弦形。在电弧电流过零以前，其波形比正弦波形下降的快，而在零点附近变化缓慢，电弧电流几乎接近于零，这种现象称为电弧电流的“零休”。交流电弧电压在半周期起始时，迅速上升到最大值Urh（燃弧电压）。电弧点燃后，电弧电压迅速下降，在电弧电流半周期的中部达到最小位，并变得比较平坦。在半周期末，电压又上升到熄弧电压Uxh，随之很快下降到零。二、开关电器中电弧波形特点交流电弧中的去游离电弧中发生游离的同时，还进行着使带电质点减少的去游离过程。弧隙中带电质点自身消失或者失去电荷变为中性质点的现象称为去游离。去游离的主要形式有复合和扩散两种。一、复合带有异性电荷的质点相遇而结合成中性质点的现象，称为复合。1、空间复合在弧隙空间内，自由电子和正离子相遇，可以直接复合成一中性质点。但由于自由电子运动速度比离子运动速度高的很多（约高1000倍），所以电子与正离子直接复合的机会很少。复合的主要形式是间接复合。即电子碰撞中性质点时，一个电子可能先附着在中性质点上形成负离子，其速度大大减慢，然后与正离子复合，形成两个中性质点。间接复合的过程如图所示。一、复合一、复合2、表面复合在金属表面进行的复合，称为表面复合。主要有以下几种形式：电子进入阳极；正离子接近阴极表面，与从阴极刚发射出的电子复合，变为中性质点，负离子接近阳极后将电子移给阳极，自身变为中性质点。二、扩散电弧中的电子和正离子，从浓度高的空间向浓度低的介质周围移动的现象，称为扩散。弧隙内的扩散去游离有以下两种形式。1、浓度扩散由于弧道中带电质点浓度高，而弧道周围介质中的带电质点浓度低，因此存在着浓度上的差别，带电质点会由浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使弧道中的带电质点减少。2、温度扩散由于弧道中温度高，而弧道周围介质的温度低，存在温度差，于是弧道中的高温带电质点将向温度低的周围介质中扩散，减少了弧道中的带电质点。二、扩散游离和去游离是电弧燃烧中两个相反的过程，游离过程使弧道中的带电离子增加，有助于电弧的燃烧；去游离过程使弧道中的带电离子减少，有利于电弧的熄灭。当这两个过程达到动态平衡时，电弧稳定燃烧。若游离作用大予去游离作用，则将使电弧更加剧烈地燃烧；若去游离作用大于游离作用，则将使电弧燃烧减弱，以致最终电弧熄灭。二、扩散弧柱区和近阴极区介质强度恢复弧隙的介质强度即弧隙的绝缘能力，也就是弧隙能承受的不致引起重燃的外加电压。电弧电流过零时，弧隙有一定的介质强度，并随着弧隙温度的不断降低而继续上升，逐渐恢复到正常的绝缘状态。使弧隙能承受电压作用而不发生重燃的过程称介质强度恢复过程。一、弧柱区介质强度恢复过程电弧通常分为三个区域：阴极区、弧柱区和阳极区。电弧电流过零前，电弧处在炽热燃烧阶段，热游离很强，电弧电阻很小。当电流接近自然过零时，电流很小，弧隙输入能量减小，散失能量增加，弧隙温度逐渐降低，游离减弱，去游离增强，弧隙电阻增大，并达到很高的数值。一、弧柱区介质强度恢复过程当电流自然过零时，弧隙输入的能量为零，弧隙散失的能量进一步增加，使其温度继续下降。去游离继续加强，弧隙电阻继续上升并达到相当高的数值，弧隙从导体状态转变为介质状态。一、弧柱区介质强度恢复过程电弧重燃：1）热击穿电流过零时弧隙温度虽然有很大程度的下降，但由于电流过零的速度很快，电弧热惯性的作用使热游离仍然存在，因此弧隙具有一定的电导性——剩余电导。一、弧柱区介质强度恢复过程电弧重燃：1）热击穿在弧隙两端电压作用下，弧隙中仍有能量输入，如果此时加在弧隙上的电压足够高，使弧隙输入能量大于散失能量，则使弧隙温度升高，热游离又得到加强，弧隙电阻迅速减小，电弧就会重新剧烈燃烧。这种重燃是由于输入弧隙的能量大于其散失能量而引起的，称为热击穿，此阶段称热击穿阶段。一、弧柱区介质强度恢复过程电弧重燃：2）电击穿如果加在弧隙上的电压相当小其至为零，则弧隙温度继续下降。弧隙电阻继续增大至无穷，此时热游离已基本停止，电弧熄灭，弧隙中的带电质点转变为中性介质。一、弧柱区介质强度恢复过程电弧重燃：2）电击穿当加在弧隙上的电压超过此时弧隙所能承受的电压时，则会引起弧隙重新击穿，从而使电弧重燃。由此而引起的重燃称为电击穿，电流过零后的这一阶段称为电击穿阶段。一、弧柱区介质强度恢复过程电弧熄灭过程一般都要经过热击穿和电击穿