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第13章电器设备原理电气&电器电气是以电能、电气设备和电气技术为手段来创造、维持与改善限定空间和环境的一门科学电器是实物词,指有型器物按工作电压高低分高压电器和低压电器；按动作方式分自动切换电器和非自动切换电器；按执行功能分触点电器和无触点电器。几个问题电是怎么产生的？为什么要工业发电？电力是如何从电源输送到用户的？电力系统由什么组成？电力系统中会用到那些电气设备？电的产生电的产生火电厂生产过程坝式水力发电厂生产过程电的产生电的产生工业发电创造剩余价值发电厂本身就是一个企业企业的根本目的是追逐利益最大化服务社会、民生电力的传输电力传输的必要性电力系统的特点电力传输的安全性电力传输的可靠性电力系统的组成动力系统电力系统电力网电气设备一次设备：直接参与电能的生产及输送–生产及转换电能的设备发电机、电动机、变压器……–接通、开断电路的开关设备断路器、隔离开关、熔断器……–……二次设备：对一次设备的运行状况进行检测、保护及控制13.1电力开关的开断及电弧现象电弧现象电弧是一种自持气体放电现象高压电路触头分断后，往往会产生电弧能量最终以热量的形式散发出去弧隙温度可高达上万摄氏度电力开关必须具有熄灭电弧的装置电弧现象电弧是一种等离子体，质量极小很小的力就会使电弧的形状发生改变可利用电弧的这个特点快速熄弧，预防电弧的不利影响及破坏–灭弧室内气体或液体的自然或强制流动–电弧本身产生的电磁力都极易使电弧改变形状电弧的产生与熄灭自由电子的产生自由电子的消失直流电弧及其熄灭交流电弧及其熄灭增强交流电弧熄灭常用的方法自由电子的产生自由电子从触头金属表面逸出–表面游离–热发射触头中间的气体分离出自由电子–碰撞游离–热游离自由电子的消失去游离过程–带电粒子的扩散带电粒子由浓度高的区域向浓度低的区域移动–带电粒子的复合正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和，还原为分子电弧的稳定燃烧当游离与去游离达到平衡时，电弧即进入稳定燃烧状态。电弧可看成是由阴极区、弧柱区及阳极区三部分组成，各部分的电位有很大的差别。-+阴极区弧柱阳极区电弧形成后的主要特征电弧温度高。弧柱中心区温度可达10000℃左右，电弧表面温度也会达到3000～4000℃。电弧弧柱区电场强度低。一般仅为10～200V/cm。电弧电流密度大，电流密度可达10000A/m2。直流电弧的熄灭用一电阻、电感串联的等效电路来说明直流电弧的熄灭过程直流电弧的熄灭正常运行，电路中开关Ｓ在闭合状态时开关S打开时，触头间产生电弧，电弧电流在弧隙电阻上形成电压降，同时由于电流的突变，电感Ｌ上产生感应电压当电弧稳定燃烧时，电感Ｌ上的电压＝０直流电弧开断特性电路参数对于熄灭直流电弧的影响影响直流电弧熄灭的因素电源电压电路电阻电感Ｌ交流电弧的熄灭在交流电路中，当开断短路故障电流或正常负荷电流时，都会产生电弧。交流电弧电流的波形基本是正弦波，弧隙电压为电弧电流与弧隙电阻的乘积，呈马鞍形。交流电弧的熄灭交流电弧电流每半周期会自然过零一次。在电弧电流过零瞬间，弧隙立即呈现约为150~250V的起始介质强度，这种现象称为近阴极效应。交流电弧的熄灭强迫熄弧截流开断过零熄弧交流电弧的熄灭过程弧隙介质强度的恢复过程弧隙电压的恢复过程弧隙介质强度的恢复过程和弧隙电压的恢复过程是同时进行的电弧熄灭的条件为：Utr(t)Uｄ(t)增强交流电弧熄灭常用的方法用液体或气体吹弧采用多断口灭弧快速拉长电弧将长电弧分成几段短电弧用特殊金属材料作触头13.2高压断路器高压断路器的作用控制作用根据电网运行需要，用高压断路器把一部分电力设备或线路投入或退出运行。保护作用高压断路器还可以在电力线路或设备发生故障时将故障部分从电网快速切除，保证电网中的无故障部分正常运行。对高压断路器的要求具有完善的灭弧装置具有快速的传动机构一般都设有专门的灭弧室13.2.1高压断路器的种类按电流性质可分为交流、直流两大类按安装地点可分为户内、户外两大类按安装方式可分为落地式、支持式及悬臂式较常用的按灭弧介质来划分油断路器、压缩空气断路器、真空断路器、六氟化硫断路器油断路器多油断路器–油既作灭弧介质和动、静触头的绝缘介质，又作带电导体对地(外壳)的绝缘介质–用油量很多，钢材耗量大，体积庞大少油断路器–油只用来作为熄灭电弧和触头断口间的绝缘介质，不用做对地绝缘。压缩空气断路器以压缩空气作为灭弧介质和触头断开后弧隙绝缘介质，并兼作操动机构的能源。性能稳定、开断能力大、动作迅速、燃弧时间短、几乎不受开断电流的影响、触头燃损轻、检修周期长、无火灾危险、体积和重量较小。结构比较复杂，工艺要求高，有色金属消耗量较大，需要一套压缩空气装置(包括空气压缩机、贮气简、管道等)作为气源，增加了投资、运行和维护工作量。13.2.2高压断路器的基本结构电路通断元件中间传动机构绝缘支撑元件基座操动机构电路通断元件绝缘支撑元件中间传动机构基座操动机构断路器结构类型12341243少油断路器剖视图和三相外形布置12.2.3高压断路器的技术参数对高压断路器的要求：在正常情况下开断和关合电路。在电网发生故障时能将故障切除。尽可能缩短断路器切除故障的时间，以减轻电力设备的损坏和提高电网的稳定性。能配合自动重合闸进行多次关合和断开。因此，在选择断路器时，通常希望通过简单明了的技术参数就能够了解断路器具体性能。额定电压（Un）额定电压（线电压）是断路器可靠工作的标准电压，断路器应能保证在某一电压等级的电气系统中长期稳定运行。额定电压的高低决定了断路器的绝缘水平及外形尺寸。电力系统中允许电压有±5%的波动，断路器所能承受的电压应高于额定电压值额定电流（In）额定电流是指断路器在规定环境温度和额定频率下，允许长期通过的标准电流。其各部分不应超过最高允许温度。额定电流的大小影响到断路器导电部分及触头的尺寸及结构额定电流是在标准温度下测得的，环境温度对其影响需要进行修正额定开断电流(Ibn)及断流容量(Sbn)额定开断电流是指断路器在额定电压下能正常开断的最大短路电流值（即触头刚分开瞬间通过断路器的电流的有效值）。可用该参数表征断路器的开断能力额定开断短路容量实际上仅是另一种表达方式。(MVA)3bnnbnIUS关合能力（Icn）当断路器合闸时，如果线路上存在故障，则在触头尚未接触之前就会发生击穿，形成电弧，其产生的不良影响甚至比在合闸状态下流过极限电流更为严重。工程上常以额定关合电流表征断路器的关合短路故障电流的能力，用关合开关时短路电流的第一个半波的峰值来衡量。bncnI.I281额定短时耐受电流/额定热稳定电流(Ih)额定短时耐受电流是表明断路器承受短路电流热效应的能力，是指断路器在闭合状态，一定时间t内所能承受的最大短路电流。要求在时间t内（取2秒，超过2秒可取4秒）流过此电流时，断路器不超过允许温度。额定短时耐受电流等于额定开断电流值。额定峰值耐受电流/额定动稳定电流额定峰值耐受电流用来表征断路器所能承受短路电流电动力作用的能力，即断路器在闭合状态时，允许通过的不妨碍其继续正常工作的最大短路电流（峰值）。其大小取决于导电部分及支持绝缘部分的机械强度及触头的结构形式。额定峰值电流取短路发生后电流第一半波的峰值，等于其额定短路开断电流交流分量有效值的倍。28.1动作时间全开断时间：是指处于合闸状态的断路器，从接到分闸命令到电弧完全熄灭所用的时间，可分为–固有分闸时间–燃弧时间。它说明了断路器开断速度的快慢。直接影响到故障的范围及对设备的危害程度，甚至会影响到系统的传输容量及稳定性。13.2.4SF6断路器SF6断路器应用SF6气体作为绝缘介质和灭弧介质。使用低压力的SF6气体作为绝缘介质，在进行分闸操作时，利用高压力的SF6气体吹拂电弧使之熄灭。SF6气体的性能具有优良的绝缘性能–无色、无味、无毒、非燃烧性、亦不助燃的非金属化合物–极易与电子结合形成负离子–分子中不含碳化学性质非常稳定具有非常优良的灭弧特性SF6气体具有以下优点使用安全可靠，无火灾危险，不必担心绝缘材料的老化和击穿性损坏；便于在工厂中装配、运输和安装方便；设备的操作、维护和检修方便，只需监视SF6气体的压力或密度，检修周期长，载流部分及绝缘不受大气条件的影响，减少了维护的工作量；适用的温度和压力范围大；无噪声和无线电干扰；绝缘、灭弧及冷却特性好；有利于减小电气设备的体积和重量。SF6气体具有以下缺点SF6气体在电弧作用下的分解物是有害的；SF6气体的纯度和杂质是影响气体绝缘和灭弧性能的重要指标；SF6气体的绝缘性能受电场强度均匀程度的影响较大；SF6气体属于温室气体；某些杂质对设备有不良影响。SF6气体的管理气体的电气绝缘特性取决于气体的–纯净程度–含水量–压力–密度等SF6气体本身是无毒的，但在电晕、火花、电弧的作用下，会产生有毒、腐蚀性气体及固体分解物SF6断路器的灭弧方式双压式灭弧单压式灭弧自能式灭弧旋弧式灭弧双压式灭弧双压式灭弧方式具有低压、高压两个气压系统，在高压室与低压室之间连有压气泵和管道，自动监视，当气体压力达到一定限度时，压气泵起动，把低压室气体打到高压室。在开断时，动、静触头间产生电弧后，吹气阀打开，高压室中的六氟化硫气体流向低压室，在灭弧室形成一股气流，对电弧产生吹拂作用，使之熄灭。分断完毕，吹气阀自动关闭，停止吹气。双压气式的六氟化硫断路器的结构比较复杂，早期应用较多，目前很少采用这种结构。单压式灭弧只有一个气压系统依靠分闸时气缸与活塞的相对运动结构简单，造价低，性能亦能满足要求，故获得迅速发展自能式灭弧是指在开断短路电流时，依靠短路电流电弧自身的能量加热SF6气体，产生高气压，并利用灭弧室的机械结构引导气流，对电弧产生吹拂作用。优点：开断能力强，不易产生截流现象，操动机构所需功率小，操作可靠，机械寿命长，固有分闸时间短，可以制造成断口少、单断口电压等级很高的断路器。缺点：在开断小电感电流和小电容电流时，电弧自身的能量不足以产生灭弧所需要的高气压，这时可以依靠机械辅助压气装置建立气压。旋弧式灭弧利用电弧电流产生的磁场力，使电弧沿着某一截面高速旋转磁场力与电流的大小成正比，电流大则磁场力也加大，仍能使电弧迅速熄灭旋弧灭弧室有以下特点利用电流通过磁吹线圈产生的磁场力直接驱动电弧高速旋转，灭弧能力强，大电流时容易开断，小电流时也不产生截流现象灭弧室结构简单，操作功需求小，使操作机构大大简化，机械可靠性高，成本低电弧局限在圆筒或在线圈上高速运动，电极烧损均匀，电寿命长SF6断路器的操动机构合闸弹簧分闸弹簧电动机储能指示分闸指示合闸指示SF6断路器的操动机构作用：按照规定的操作顺序操动断路器实现分、合闸操作，并分别保持在相应的分、合闸位置分类：–弹簧机构–液压机构–气动机构对操动机构的一般要求具有关合短路电流的能力保持合闸具有电动和手动分闸功能并且速度满足要求自由脱扣防跳跃连锁复位缓冲重合闸功能手动操动机构靠手力直接合闸的操动机构断路器的合闸速度与操作人员的情况有很大关系只能装置在电压较低、短路电流很小的场所中，尤其是直流电源不易解决的场所优点：结构简单，不要求配备复杂的辅助设备及操作电源缺点：不能自动重合闸，只能就地操作，不够安全弹簧操动机构利用弹簧储能为动力操动断路器的动作弹簧储能通常由电动机通过减速装置进行优点：不需要大功率的直流电源；要求电动机的功率小（几百瓦到几千瓦）；交直流两用；适宜于交流操作缺点：结构比较复杂；零件数量多；加工要求高；随着机构操作功的增大，重量显著增加液压操动机构利用液压油作为动力传递介质操动方式有两种：直接驱动式和储能式直接驱动式液压操动机构由电动机与油泵产生的高压力油，直接推动活塞，用来操作速度不高、操作功率不大的隔离开关储能式液压操动机构一般是利用氮气压缩储能、利用液体传递压力