第二章 高压电器与开关设备

第二章高压电器与开关设备第一节高压电器的作用及分类在高压系统中，用来对电路进行开、合操作，切除和隔离事故区域对电路进行运行情况监视、保护及数值测量的量测设备，统称为高压电器。按照用途，高压电器可以分成下列几类：(1)开关电器，用来关合和开断电路的电器。包括：①断路器(DL)：用来在电路正常工作和发生故障(例如发生短路)时关合和开断电路。②隔离开关(G)：主要用于将高压设备与电源隔离，以保证检修工作人员的安全。②熔断器(RN)：用来在电路发生过载或短路时依靠熔件的熔断开断电路。④负荷开关(FW)：用来在电路正常工作成过载时关合和开断电路，不能开断短路电流。(2)限制电器，用来限制电路中电压或电流的电器。它包括：①电抗器(L)：主要用来限制电路中的短路电流。某些类型的熔断器也有限制短路电流的作用。②避雷器(BL)：用来限制电路中出现的过电压。(3)变换电器，用来变换电路中的电压和电流使之便于检测的电器。它包括：①电流互感器(LH)：用来变换电路中的电流，以便供电给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电路隔离。②电压互感器(YH)：用来变换电路中的电压，以便供电给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电路隔离。(4)组合电器。将上述某几种电器，按一定的线路装配成一个整体的电器组合。按照安装地点，高压电器可以分为：(1)户内式。装在建筑物内．不具有防风、雨、雷、灰尘、露、冰、浓霜等性能。户内式高压电器的工作电压一般为35kv及以下的电压等级。(2)户外式。适于安装在露天，能承受风、雨、雷、灰尘、露、冰、浓霜等作用。户外式高压电器的工作电压一般都在35kv及以上电压。按照电流制式，高压电器可以分为：(1)交流电器。工作于三相或单相工频交流制的电器，极少数工作在非工频系统。(2)直流电器。工作于直流制系统。对于电气化铁道及城市交通系统，交流电器是交流制电气化铁道及城市地铁供电系统中大量应用的电器；直流电器则是直流制电气化铁道、城市地铁及轻轨交通供电系统中大量使用的电器。按照高压电器工作条件及所起作用的不同，其结构和工作性能应具有不同特点。高压电器应能可靠地在规定的工作电压及电流下工作，因此，应具有足够的绝缘强度和载流能力；用于切断载流电路的开关设备，应具有足够的熄灭电弧的能力；对电路运行状态进行监视、测量的电器元件(例如电压、电流互感器)应能满足测量精度的要求；对电路运行状态进行保护用的电压、电流互感器，除了应能满足测量精度的要求外、还应在高电压或大电流作用下不至于饱和。所有的高压电器都应满足运行可靠、工作灵活的要求，同时还必须考虑经济条件。第二节交、直流电弧的形成及熄弧原理与方法研究和使用高压电器，尤其是高压断路器，要使它们可靠地工作，必须对开关设备在开断电路的过程中，其触头间产生电弧的性质有一个清楚的了解，以便掌握现代高压电器设备的结构特点，正确地进行选择和使用。开关设备一般由导电体、触头和绝缘介质组成。介质由绝缘状态变为导电状态，使电流得以通过的现象，叫做放电。在一定的光、热和电场的作用下，介质中的中性的、不导电的质点将产生自由电子、正离子和负离于，从而形成游离。当介质达到一定的游离程度时。介质将被击穿而产生电弧。因此，研究电弧的形成必须掌握介质的游离过程。介质游离的过程如下。（一）表面发射由金属电极(触头)表面发射电子、叫表面发射。(1)强场发射。当金属表面存在较高的电场强度(大干107V／mm)时，自由电子可能逸出金属，这种过程叫强场发射。断路器触头刚分离时，强场发射占主导地位。(2)热发射。当金属温度升高列2000一5000K，金属表面的自由电子可能获得足够的动能，克服将电子滞留在金属内部的力量而逸出金属，这种过程叫热发射。断路器触头分离后期，热发射较强烈。(3)光发射。当红外线、紫外线及其他射线照射列金属表面时，引起电子从金属表面逸出的过程，叫光发射。光波越短，引起光发射的能力越强。触头分离过程中，随着电弧燃烧，存在着光发射现象。(4)二次发射。当正离子在电场作用下高速撞击阴极，或者自由电子高速撞击阳极时。也可能使金属电极表面发射出电子，此过程叫二次发射。在气压较高的放电间隙中，通常阴极表面附近电场强度较高，所以阴极表面二次发射较强，并在气体放电过程中起重要作用。(二)空间游离电极(触头)间的介质在外界力量的影响下，其分子及原子分裂成自由电子和正离子的过程，叫空间游离。(1)光游离。中性粒子受到光的照射，当光子的能量大于介质原于或分子的游离能时，在空间就产生光游离。光的波长越短，游离作同越强，可见光几乎不能引起气体游离。(2)碰撞游离。由表面发射或光游离所产生的带电粒子，在触头间电场作用下被加速而获得动能。若运动中的电子从电场中获得的动能足够大，当它与中性质点碰撞时，能从其中打出一个或几个电子，使失去电子的中性质点变成正离子。从中性质点中打出的电子在向阳极运动的过程中又与其他中性质点发生碰撞，造成新的中性质点的游离。这样的连锁反应，使大量的电子产生，移向阳极，并使电极(触头)间的介质迅速大量游离。断路器触头分离初期，碰撞游离起主导作用。(3)热游离。当气体温度达到3000一4000K以上时，气体中的中性原子或分子由于高速的热运动而相互碰撞，产生明显的热游离。在相同的温度下，由于金属蒸气的游离电位小于一般气体的游离电位，所以金属蒸气更存易产生热游离。断路器触头分离后期，热游离起主导作用。开关设备在开断电路过程中，触头间介质达到一定游离程度时，触头间隙被击穿而产生电弧。产生电弧的条件是电路内的电流不小于80mA，触头间的电压不小于10V一20V。应当指出：光游离、热游离及碰撞游离可能同时进行，但在触头分离的不同阶段，各种游离所起的作用可能各不相同。在触头分离初期，开距小，电场强度高，碰撞游离作用明显；在触头分离后期，开距大，电场强度减小，但电弧温度较高(表面温度可达4000度一5000度，弧柱中心温度可高达10000度)，热游离作用加强，使电弧得以维持；在热游离和碰撞游离的同时，电子与正离子复合时释放的能量以光量子的形式辐射给周围中性粒子．使中性粒子游离。二、电弧的特点(1)电弧是强功率的放电现象。在开断几十千安短路电流时．以焦耳热形式发出的功率可达10000kw。与此有关，电弧可具有上万摄氏度或更高的温度及强辐射，在其作用下，任何固体、液体或气体都会产生强烈的物理及化学变化。在有的开关中，电弧燃烧时间比正常情况只多10ms-20ms，开关就会出现严重烧坏，甚至爆炸。(2)电弧是一种自持放电现象。不用很高的电压就能维持相当长的电弧稳定燃烧而不熄灭。例如：在大气中，每厘米长电弧的维持电压只需15V左右，在100kV电压下开断仅5A的电流时，电弧长度可达7m．电流更大时，可达30m。因此．单纯采用拉长电弧的方法来熄灭电弧是不可取的。(3)电弧是等离子体，质量极轻，极易改变形状（电孤区内气体的流动包括自然对流及外界甚至电弧电流本身产生的磁场都会使电弧受力，改变形状，有的时候运动速度可达每秒几百米）。因此，可利用这一特点来快速熄弧并预防电弧的不利影响及破坏作用。三、电弧熄灭的物理过程在电弧存在的过程中，介质发生游离过程的同时．也存在着带电离子消失的去游离过程。如果在单位时间内，电弧中产生的带电离子数和消失约带电离子数相等，则通过电弧的电流不变，电弧燃烧是稳定的；如果离子消失的数量各多于产生的数量，则电弧电流减弱，直至最后熄灭。游离气体的去游离作用由下述因素造成：(1)复合。带电粒子在弧隙中运动时，如果正负两种带电质点相互接触，交换各自多余的电荷，则形成中性质点。在弧柱内复合的是不同极性的离子，电子和正离子直接复合的机会极小，这是因为电子运动的速度几乎高出正离子100倍的缘故。复合强度与电场强度成反比、电场强度低时，离子运动的速度低，则进行复合的概率增加。当触头间电压接近零时，复合特别强烈。复合强度也与电弧温度有关，温度越低，弧柱截面越小，则复合越烈。(2)扩散。弧柱中的带电质点由于弧柱与周围气体介质间的温差很大，并且质点的浓度差也很大，因而大量地扩散到周围的气体介质中去，与气体中的自由电子或负离子复合而失去电荷。扩散使电弧内的正离子数目减少，使电弧的电导变小，加强电弧的去游离。(3)气体分离。气体分子落列电弧高温区内时，产生极快的热运动，如果气体温度足够高，使气体分子的运动速度极高，在分子相互碰撞之下，会使其分离成原子。分子在分离成原子时，吸收大量的能量(热能)。这些原子从电弧区域扩散到周围气体介质中，然后再结合成分子而释放分解时吸收的热能。如此周而复始，使电弧的冷却加速，热游离减弱而加强复合。四、电弧电压分布离子的去游离也发生在电极附近，弧柱中的正离子移向阴极，在离开阴极很近的地方(约103mm)，正离于的浓度最大，形成正体积电荷。正体积电荷在阴极表面形成很强的电场，其强度足以形成强场发射。同时该强电场也可以把带电正离子加速，使其和阴极表面碰撞，从阴极打出自由电子。从阴极拉出的电子，由于阴极区有大量正离子堆积，一部分消耗在与正离子的复合方面，一部分被电场推向阳极。出离于复合而形成的中性质点，由于惯性继续向阴极运动，并碰撞阴极表而，结果阴极表面发热，触头的金属发生熔化和喷散现象。阴极表面最热的部分称为阴极斑点，在阴极斑点处也可以产生热电子发射现象。在靠近阴极的“阴极区”内，正离了不断地消失，使电弧在这一区域内的电导变小，形成阴极区电压降。弧柱内形成的负离子，一部分与正离子复合，一部分移向阳极。在离开阳极不远处，电子从负离于脱出而进入阳极，所形成的中性质点，由于惯件而继续向阳极运动，并冲击阳极。因此，在靠近阳极的空间内，离子的密度也是不大的，形成阳极区电压降。在阴极区和阳极区以外的弧柱部分，正负电荷的数量大约相等，其电导近似为一不变的常数。沿电弧的电压分布如图2.1所示。在阴极区lo内，集中着正体积电荷，阴极区电压降uk达10-20V。阳极区电压降ua略小些。显然，只有当加列电极上的电压总是大于阴极区电压降时，才会产生电弧。在低压短电弧情况下，阴极区电压降具有重大意义，因为它占电弧上电压降uH的比重较大；而在高压长电弧的情况下，阴极区电压降与弧柱电压降uhz相比则是较小的。五、直流电弧的熄灭条件从电路的角度看，电弧是一个非线性电阻，其阻值随电流以及其他因素而变化。对于如图2．2(a)所示的具有电弧的R—L直流电路，当燃弧后其电压平衡方程式为：hudtdiLiREhuiRE式中：E为电源电压；iR为电阻压降；Ldi/dt为电感压降；uh为电弧压降。当游离与去游离处于动平衡状态，电弧稳定燃烧，di/dt=0时，由(2.1)式有若将f(i)＝E-iR定义为电路的伏安持性，uh定义为电弧的静伏安特性。如图所示，两曲线的交点A和B能满足(2．2)式A点与B点是电弧的稳定燃烧点。R点为稳定燃烧点，这是因为；如果i2略有增加．则E一iR＜uh，电源电压减去电阻压降不足补偿电弧燃烧所需压降，那么，电流自然又减小至i2值；如果i2略有减小，则因E—iR＞uh，使电流又回升到i2值。A点为视在稳定燃烧点，这是因为：若il略有减少，因E一iR＜uh，则电弧电流继续减小至电弧熄灭；若i1略有增加，则E—iR＞uh，电流将继续增加．最后稳定在i2值。在使用开关电器开断或闭合电路时。人们自然不希望电弧稳定燃烧，而是力求其熄灭。从图2.2(b)来分析，若将电弧静伏安特性提高到虚线位置，使两条曲线没有交叉点、则电弧熄灭。即直流电弧的熄灭条件为huiRE六、交流电弧的熄灭条件与熄灭过程（一）交流电弧的熄灭条件交流电弧与直流电弧有所不同，交流电流限时值随时间变化，每周期内有两次通过零点。因此，交流电弧一直处于动态过程，并且在电流过零时电弧自行熄灭，以后在一定条件下又重燃。如图2.3(a)所示的交流电路，当电路处于稳定状态，且电弧长度不变时，其伏安特性如图2.3(b)所示。从图2.3(b)可以看出：电流由负位过零瞬间，电弧暂时熄灭，此时，电源电压加于触头之间。当触头间电压上升到电弧点燃电压udr时，重新燃弧。出于电弧的热游离相当强，特性曲