电气工程课件

大连理工大学电气工程学院覃栋2008811681、电器,顾名思义,用电的器具可以统称为电器,但是在工业上的定义应该是:凡是根据外界指定信号和要求，自动或者手动完成接通和断开电路，断续或连续地改变电路参数实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节用的电气设备都属于电器的范畴。在电力系统中，用来对电网、电机及其他设备进行转换、控制、保护和调节的各种设备的统称。2、3、电器设备的结构组成部分主要包括感测机构、执行机构、转动机构、支撑部件以及躯壳外罩等。最为常见的电器设备之一就是“开关”，“开关”根据其检测能力和通断能力的不同，可分为继电器和接触器。而继电器和接触器又都具有更为细致的分类。4、电器温升与温度的不同，电器中的热源主要来自三个方面：导体（铜）的阻抗损耗、交变电磁场在导磁体（铁）中产生的磁滞与涡流损耗和绝缘材料的介质损耗。结果：⑴散失到周围介质；⑵其余用来加热电器。严重后果：温升超过极限允许温升时降低了电器的机械强度和绝缘强度，导致材料老化、寿命降低。5、金属材料机械强度与温度的关系大连理工大学电气工程学院覃栋2008811686、材料的温度超过一定极限后，其击穿电压明显下降7、“电器各部件极限允许温升”的定义：电器各部件极限允许温升=极限允许温度-工作环境温度“电器各部件的极限允许温升”制定依据：绝缘不损坏；工作寿命不过分降低；机械寿命不降低（材料软化）。8、电器中裸导体的极限允许温升应小于材料软化点（机械性能显著下降即软化）；对绝缘材料和外包绝缘的导体：其极限允许温升的大小由绝缘材料的老化和击穿特性决定。9、产生热源的三个主要方面：电阻（含接触电阻）损耗、交流电器导磁材料的涡流和磁滞损耗，以及交流电器绝缘材料的介质损耗。10、Kf:考虑集肤效应和邻近效应的附加损耗系数，数值大小为Kf=Kl*Kj(Kl为邻近系数，Kj为集肤系数)；11、集肤效应：交变磁通在导体内产生反电势，中心部分的反电势值比外表部分的大，导致导体中心的电流密度比外表部分小。12、邻近效应：由于相邻载流导体间磁场的相互作用，使两导体内产生电流发布不均匀的现象。邻近效应与相邻载流导体内电流流向有关。邻近效应使得电流同向时导体内电流相吸;电流异向时导体内电流相吸斥（1）电流同向：相邻侧感应的反电势大些，故电流密度小些；（2）电流反向：相邻侧感应的反电势小些，故电流密度大些。13、铁磁损耗：电器中的载流导体在附近的铁磁零件中产生交变磁通，从而在铁磁体中产生涡流和磁滞损耗。14、介质损耗：绝缘材料在交变电场中的损耗与电场强度E和频率f成比例，高压电器一般要考虑此损耗。15、电器散热有三种形式，即热传导、热对流和热辐射。电器的热损耗由它们散失到周围。热传导：由质点之间直接作用产生，存在于绝缘的液体、固体、气体中。热对流：只存在于流体中。通过粒子互相移动使热能转移，有自然对流和强迫对流两种方式。热辐射：由电磁波传播能量，不需直接接触的传热方式由于电器辐射功率较小，电器散热通常考虑的方式是：热传导和热对流。16、电器表面稳定温升与工作制有关。计算电器表面稳定温升时，一般是将三种散热方式合在一起，用牛顿热计算公式求电器表面的稳定温升值。17、国标规定电器有四种工作制：长期工作制、间断长期工作制、反复短时工作制、短时工作制。18、温升：电器零部件温度与周围介质温度之差，是用来考核电器质量的指标。我国规定统一的环境温度为35˚C。19、热稳定性：电器能够短时承受短路电流的热效应而不致损坏的能力。20、电动稳定性：简称动稳定性，是指电器在大电流产生的电动力作用下，有关部分不发生损坏或永久变形，以及触头不因被斥开而发生熔焊甚至烧毁的性能。动稳定电流：在规定的使用和性能条件下，开关电器或其它电器在闭合位臵所能承受的电流峰值，用符号idw表示，它主要反映电器承受短路电流电动力作用的能力。大连理工大学电气工程学院覃栋20088116821、电动力：载流导体（有电流通过的导体）在磁场中所受到的磁场对电流的作用力。危害：1、使绝缘子破裂；2、隔离开关误动作等。价值：1、限流：利用回路电动斥力快速断开触头，实现开关限流的目的，生产限流式开关。2、磁吹灭弧：利用电磁力。3、利用回路电动力将隔离开关触头夹紧在求出F的基础上，结合电动力矩、合成力及等效力臂等，可校核电器的机械强度。22、★电器中的载流导体系统会受到电动力的作用。有的电动力对电器产生危害，有的利用电动力来改善电器的性能。★计算电动力的方法用毕奥—沙伐尔定律和能量平衡原理。两种方法的本质相同，只是对不同的对象各有方便之处。★不同同路和截面的导体系统，计算电动力的基本公式形式相同，只是回路因数和截面因数不同。★交流电动力计算方法与直流相同。1、单相：（1）单相稳态交流电动力以两倍电流频率在零和峰值间变化。（2）交流单相短路最大电动力极限可达稳态最大电动力的4倍。2、三相：（1）三相稳态交流电动力当导体作直列布置时中间相导体受力最大，并以两倍电流频率在正、负峰值间变化，力的峰值为单相稳态最大力的0.866倍。（2）三相交流短路电动力同样是中间相导体受力最大，力的正、负峰值为单相稳态最大力的2倍。★电器的电动稳定性用电器能承受的最大冲击电流的峰值来表示。一般情况下按三相短路时短路电流来校核电器的电动稳定性。在考虑电动稳定性时还要注意避免受力部件的机械共振。第二章电接触与电弧理论23、触头是电器开关中通断和转换电路的重要执行部分。主要包括触头及灭弧部分。24、触头的分类：连接触头：接触电阻小且稳定，易耐受一定的短路电流电动力。换接触头：四种工作状态分别为闭合状态；断开状态；接通过程和分断过程。25换接触头的四个基本参数：开距：触头处于断开状态时其动静触头间的最短距离，其数值是由它能否耐受电路中可能出现的过电压以及能否保证顺利熄灭电弧来决定的。超程：是触头运动到闭合位臵后、将静触头移开时动触头还能移动的距离，其值取决于触头在其使用期限内遭受的电侵蚀。初压力：是触头刚闭合时作用于它的正压力。终压力：是触头闭合终止位臵的压力，其值由许多因素，诸如温升、熔焊等所决定。26、载流电路的开断过程：多触点接触——单触点接触——电流密度巨大——电阻与温升巨增——熔融状态——金属液桥——爆炸式断裂——开成金属蒸气——过电压击穿——火花放电——形成电弧。27、电弧的形成过程：在两触头分离时，１２－２０Ｖ的电压、0.25－１Ａ的电流即可形成高温电弧。电弧的形成与熄灭主要与以下因素有关：１．气体的电离：电离形式主要有表面发射和空间电离。表面发射有热发射、场致发射、光发射、二次电子发射。空间电离有光电离。２．气体的消电离：复合和扩散28、直流电弧的伏安特性：电弧的负阻特性－即随着电流的增大，电弧电压反而降低。这是因为电流的增大会使弧柱内热电离加剧、离子浓度加大，故维持稳定燃弧所需电压反而减小。交流电弧的伏安特性和时间特性：一个周期内两次自然过零，为熄弧提供了一定的条件。大连理工大学电气工程学院覃栋20088116829、一定要完全地掌握下面这个知识点：大连理工大学电气工程学院覃栋20088116830、直流电弧的燃烧点34、弧柱区的介质恢复强度零休：电弧电流自然过零前后的数十微秒内，电流已近乎等于零，这段时间被称为零休时间。交流电弧在零休期间是最好的灭弧时机。在此阶段电弧能量最小。截流：电流自然过零前截断。产生较高的过电压。除非有特殊要求，交流开关电器多采用灭弧强度不过强的灭弧装臵，使电弧是在零休期间、而且是在电流首次自然过零时熄灭。弧隙电压恢复过程：弧隙间电弧电压的恢复过程电阻性－只有稳态分量，无暂态分量，承受工频正弦电压;电感性－有暂态分量;电容性－有暂态分量，加上电源电压可造成二倍左右的过电压。31、分断直流电路时的过电压：截流过电压，主要因素是由于灭弧强度过大。降低过电压的措施（负载并电阻等释放回路）。32、交流电弧在弧隙分断后，在电弧间隙内有两种过程在进行着，一个是介质恢复强度，一个电压恢复强度。33弧隙介质恢复过程近阴极区的介质恢复过程１）电弧电流过零后弧隙两端的电极立即改变极性，使得新阴极的表面有少量的正离子；２）这样导致无法形成场致发射；３）由于过零，所以温度低，无法形成热发射；４）在极短的时间内形成了150-250Ｖ的介质强度。大连理工大学电气工程学院覃栋20088116835、36、接触电阻：两个导体接触时的附加电阻。37、收缩效应：导体在接触时，是由一些小点接触的，在这些点的电流要收缩，称之为收缩效应。并且形成电动斥力。38、接触电阻的实质：收缩电阻和膜电阻。39、隧道效应：触头表面由于尘埃膜、化学吸附膜、无机膜和有机膜等原因，使得电子无法穿过这层来导电，但是由于电子本身存在波粒二相性，可以以波的形式来穿透这层膜而导电，称为隧道效应。40、41、触头间的发热熔焊，包括静熔焊和动熔焊。SF6气体用于开关有很多优点：1、弧隙能量小，冷却特性好;2、介质强度恢复快，绝缘及灭弧性能好，有利于缩小电器的体积和重量。3、无火灾爆炸危险;4、全封闭结构时易实现免维修运行;5、可在较宽的温度和压力范围内使用等。大连理工大学电气工程学院覃栋20088116842、交流电弧过零后，存在两个过程：介质恢复过程和电压恢复过程。介质恢复过程：弧隙中电离气体从导电状态迅速变为绝缘状态，使弧隙能承受电压作用而不发生电弧重燃的过程。电压恢复过程：熄弧后电路将被开断，电源电压加到弧隙两端触头上的过程。若介质恢复强度曲线ujf大于电压恢复强度曲线uhf，则电弧趋于熄灭；否则，若某一瞬间小于uhf，则电弧将继续燃烧。43、介质恢复过程的概念：在交流电流过零后的熄弧过程中，弧隙中的介质恢复过程在近阴极区和弧柱区的情况不同。1近阴极区的介质恢复过程：近阴极效应（重要概念）：电流过零后，当弧隙两端电压极性改变时，新阴极较冷，要产生电弧电子只能靠阴极表面处存在的高电场进行发射，要求E0大于一定值（如106v/cm），即Uj必须大于一定值；否则，E0就不足以产生场致发射，电弧便不能再产生。2弧柱区的介质恢复过程：1）当弧柱温度在3000~4000℃以上时，电弧重燃的物理本质是电弧的PhPs，弧柱被加热使电弧重燃，称为热击穿。在临界状态，且Rz保持不变的情况下，弧柱上上的电压就代表了弧柱此时的介质恢复强度ujf。2）当弧柱温度在3000~4000℃以下，热电离作用已基本上停止，Rz→∞，无电弧。若此时外加电压，将产生电场。如电场强度足够高，则可能产生间隙击穿而使电弧重燃，即电击穿。电流过零后的这一阶段称为电击穿阶段。弧柱区的介质恢复过程对熄灭交流长弧具有重要意义，是所有高压电器和部分低压电器设计的理论基础。综上所述，在电流过零后的熄弧过程中，电弧的熄灭基本上要经过两个阶段：热击穿阶段和电击穿阶段。前者弧隙具有一定的电阻，流过一定的电流；后者弧隙电阻趋于无穷大，但因介质温度高，击穿比较容易。44、开关电器弧隙的介质恢复强度随时间变化的关系，称作弧隙介质恢复强度特性。45、电压恢复过程：弧隙两端电压由零或反向电弧电压上升到此时的电弧电压的过程。相应于此时弧隙上的电压，称为恢复电压，用uhf表示。恢复电压由稳态分量和暂态分量组成。稳态分量又由直流电压和工频电压组成。若稳态分量仅有工频电压，称之为工频恢复电压。暂态分量只出现在电弧电流过零后的几百微妙内。包含有暂态分量的恢复电压，又称瞬态恢复电压。46、开断不同性质负载电路时，恢复电压的波形：a）电阻性负载：过零熄弧后，uhf由零按正弦形上升，只有稳态分量中的工频恢复电压。b）电感性负载：ih落后于u，ih过零时u约为幅值。若ih过零后电弧熄灭，电路开断，uhf将由零跃升到u的幅值（理想情况下），然后再按工频电压变化，故uhf常含有暂态分量，其上升速度比a）的快得多。c）电容性负载：ih超前于u。当ih过零时u是幅值，电容C被充电到u的幅值。电弧熄灭后，C将保持该电压。uhf在电流过零后其值为零，然后随着u变化逐渐增大。当u达反向幅值时，uhf达u幅值的两倍，不含暂态分量，其稳态分量为直流电压与工频电压之和，并且uhf