第一節(jié) 導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱第二節(jié) 導(dǎo)體的長期發(fā)熱與載流量第三節(jié) 導(dǎo)體的短時發(fā)熱第五節(jié) 導(dǎo)體的短路電動力第七節(jié) 開關(guān)電器中電弧的產(chǎn)生及熄滅第八節(jié) 弧隙電壓恢復(fù)過程第九節(jié) 熄滅交流電弧的基本方法,導(dǎo)體的發(fā)熱、電動力及開關(guān)電器的滅弧原理,第一節(jié) 導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱,概述兩種工作狀態(tài)：正常工作狀態(tài)短路工作狀態(tài)引起發(fā)熱的原因：電阻損耗介質(zhì)損耗磁滯及渦流損耗,第一節(jié) 導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱概述,發(fā)熱對電器的不良影響：機(jī)械強(qiáng)度下降接觸電阻增加絕緣性能下降允許溫度限值正常工作：70短路狀態(tài)：200 （鋁） 或 300 （銅）,第一節(jié) 導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱,導(dǎo)體的發(fā)熱導(dǎo)體電阻損耗的熱量QR太陽照射的熱量QS,第一節(jié) 導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱,導(dǎo)體的散熱對流傳遞的熱量QC：由流體各部分相對位移將熱量帶走的過程。根據(jù)對流條件的不同，可分為:自然對流換熱 屋內(nèi)自然通風(fēng)或屋外風(fēng)速小于0.2m/s.強(qiáng)迫對流換熱 流體在導(dǎo)體內(nèi)或?qū)w外有某種機(jī)械的驅(qū)使而流動，并在有溫差的條件下和導(dǎo)體表面進(jìn)行換熱。,第一節(jié) 導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱導(dǎo)體的散熱,輻射傳遞的熱量Qr：熱量從高溫物體以熱射線的方式傳至低溫物體的過程。式中：導(dǎo)體材料的相對輻射系數(shù)； Fr導(dǎo)體材料的相對輻射表面積。導(dǎo)熱傳遞的熱量Qd：物質(zhì)的各部分直接接觸，熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞的過程，該項一般忽略不計。,第二節(jié) 導(dǎo)體的長期發(fā)熱與載流量,導(dǎo)體的溫升過程導(dǎo)體的允許載流量,導(dǎo)體的溫升過程,根據(jù)能量守恒原理，一般有：工程上為方便計算，導(dǎo)熱方式的換熱量很小，忽略不計；對輻射換熱量Qr表示成對流換熱量Qc相似的形式，則有：,導(dǎo)體的溫升過程（續(xù)）,設(shè)導(dǎo)體通過電流時，在t時刻溫度為，則溫升為=-0，在時間dt內(nèi)的熱平衡方程式為：可變?yōu)椋寒?dāng)時間由0t時，溫升由i ，積分得：,導(dǎo)體的溫升過程（續(xù)）,解得：令：則有：當(dāng)時間由0時，溫升趨于穩(wěn)定值w,導(dǎo)體的允許載流量,由式（2-13）可得：故導(dǎo)體的允許載流量為：物理意義：對于給定的導(dǎo)體和基準(zhǔn)環(huán)境溫度溫度（25）下，使導(dǎo)體穩(wěn)定溫升恰好達(dá)到允許溫升的電流值。,導(dǎo)體的允許載流量（續(xù)）,提高導(dǎo)體允許載流量的措施為：減小導(dǎo)體電阻采用電阻率小的良導(dǎo)體材料；減小接觸電阻；增加導(dǎo)體的截面積。增大導(dǎo)體的換熱面積提高換熱系數(shù)采用散熱好的布置方式；導(dǎo)體表面涂漆，增大輻射系數(shù)；采用強(qiáng)迫冷卻。,第三節(jié) 導(dǎo)體的短時發(fā)熱,短時發(fā)熱指從短路開始到短路故障切除的很短一段時間內(nèi)導(dǎo)體的發(fā)熱過程。研究的目的是確定導(dǎo)體通過短路電流時的最高溫度是否超過短時發(fā)熱的最高允許溫度。短時發(fā)熱過程熱效應(yīng)Qk的計算,短時發(fā)熱過程,短時發(fā)熱的特點：絕熱過程 導(dǎo)體的電阻R、比熱容c不能再認(rèn)為是常數(shù)，而是溫度的函數(shù)。短路發(fā)熱過程的熱平衡方程式為：而：,短時發(fā)熱過程（續(xù)）,代入后并整理得設(shè)時間由0到tk（tk為短路持續(xù)時間）時，導(dǎo)體由初始溫升i升高到最終溫度f，對上式兩邊積分，有,短時發(fā)熱過程（續(xù)）,右邊積分得其中：,短時發(fā)熱過程（續(xù)）,左邊積分較困難，其中 與短路電流ikt產(chǎn)生的熱量成正比，稱為短路電流的熱效應(yīng)。用Qk表示，即：于是有：根據(jù)曲線求f問題是：如何求取Qk？,熱效應(yīng)Qk的計算,短路全電流的表達(dá)式為：將上式代入Qk中有：式中：Qp為短路電流周期分量， Qnp為短路電流非周期分量,熱效應(yīng)Qk的計算（續(xù)）,短路電流周期分量Qp的計算 根據(jù)數(shù)學(xué)辛普生公式推得：短路電流非周期分量Qnp的計算式中，T非周期分量的等效時間。特別地：當(dāng)tk大于1秒時可以不計非周期分量；對無限大電源供電網(wǎng)絡(luò)，,第五節(jié) 導(dǎo)體的短路電動力,導(dǎo)體通過短路電流時，相互之間的作用力稱為電動力。研究的目的是在短路沖擊電流所產(chǎn)生的電動力作用下，確定導(dǎo)體（或電器）能否承受這一電動力。電動力的計算方法三相導(dǎo)體短路的電動力,電動力的計算方法,理論基礎(chǔ)：由畢澳沙瓦定律可知，對兩平行細(xì)長導(dǎo)體，有：當(dāng)考慮導(dǎo)體截面形狀時，應(yīng)乘以導(dǎo)體的截面形狀系數(shù)，即：對矩形導(dǎo)體,Kf如圖2-15所示；對槽形、管型導(dǎo)體,Kf=1,三相導(dǎo)體短路的電動力,三相短路電動力計算 三相短路時，短路全電流的瞬時值表達(dá)式為： 不考慮周期分量的衰減，并注意到 則三相短路電流為：,三相導(dǎo)體短路的電動力（續(xù)）,中間相短路電動力為：邊上相短路電動力為：,三相導(dǎo)體短路的電動力（續(xù)）,將三相短路電流代入，有：可見，三相短路時，導(dǎo)體間的電動力由四個分量組成：固定分量按Ta/2衰減的非周期分量按Ta衰減的工頻分量不衰減的2倍工頻分量,三相導(dǎo)體短路的電動力（續(xù)）,電動力的最大值（1）三相短路電動力的最大值通過分析， 時電動力最大。,三相導(dǎo)體短路的電動力（續(xù)）,三相短路電動力的變化曲線,三相導(dǎo)體短路的電動力（續(xù)）,(2) 兩相短路與三相短路最大電動力的比較結(jié)論：三相導(dǎo)體同平面內(nèi)平行布置時，最大電動力發(fā)生在中間相上，三相短路電動力最大 。,三相導(dǎo)體短路的電動力（續(xù)）,導(dǎo)體振動的動態(tài)應(yīng)力修正三相導(dǎo)體固定安裝在絕緣子上，可當(dāng)作兩端固定的彈性梁，其一階固有振動頻率為：當(dāng)一階固有振動頻率為50Hz或100Hz時易發(fā)生機(jī)械共振。因此，應(yīng)進(jìn)行共振校驗。,三相導(dǎo)體短路的電動力（續(xù)）,工程上常采用動態(tài)應(yīng)力系數(shù)來考慮振動的影響，即用下式來修正:實際計算中，當(dāng)f1較高或較低時，均取=1；當(dāng)f1在中間范圍內(nèi)（30160Hz）時，則取曲線中的值。例2-3,第七節(jié) 開關(guān)電器中電弧的產(chǎn)生及熄滅,電弧現(xiàn)象 電弧的產(chǎn)生不可避免，它是介質(zhì)被擊穿的放電現(xiàn)象。主要特征：電弧是一種能量集中、溫度很高、亮度很強(qiáng)的放電現(xiàn)象；電弧由陰極區(qū)、弧柱區(qū)及陽極區(qū)組成；電弧是一種自持放電現(xiàn)象；電弧是一束游離氣體，在外力作用下會迅速移動、伸長或彎曲。,第七節(jié) 開關(guān)電器中電弧的產(chǎn)生及熄滅,電弧的產(chǎn)生與維持 電弧的產(chǎn)生主要是觸頭間產(chǎn)生大量自由電子的結(jié)果。自由電子的產(chǎn)生： 強(qiáng)電場發(fā)射 陰極表面的電子在強(qiáng)電場力作用下被拉出金屬表面而成為自由電子。熱電子發(fā)射 陰極表面的電子在受熱效應(yīng)作用后溢出金屬表面而成為自由電子。碰撞游離的產(chǎn)生 自由電子向陽極運動過程中撞擊中性質(zhì)點游離為新的自由電子和正離子，這種游離過程稱為碰撞游離。 碰撞游離的產(chǎn)生必然導(dǎo)致電弧的產(chǎn)生。,第七節(jié) 開關(guān)電器中電弧的產(chǎn)生及熄滅,“雪崩式”的碰撞游離：弧柱區(qū)的高溫產(chǎn)生熱游離使電弧維持和發(fā)展 電弧的高溫使中性質(zhì)點相互碰撞而游離出自由電子和正離子的過程，這一過程稱為熱游離。 熱游離維持電弧穩(wěn)定燃燒。,第七節(jié) 開關(guān)電器中電弧的產(chǎn)生及熄滅,綜上所述，由于熱電子發(fā)射或強(qiáng)電場發(fā)射在觸頭間隙中產(chǎn)生少量的自由電子，這些自由電子與中性分子發(fā)生碰撞游離并產(chǎn)生大量的帶電粒子，從而形成氣體導(dǎo)電，即產(chǎn)生電弧，一旦電弧產(chǎn)生后，將由熱游離作用來維持電弧燃燒。電弧的形成過程就是介質(zhì)向等離子體態(tài)的轉(zhuǎn)化過程。,第七節(jié) 開關(guān)電器中電弧的產(chǎn)生及熄滅,電弧的去游離 自由電子的減少：復(fù)合去游離 異號離子或正離子與自由電子相互吸引而中和成中性質(zhì)點的現(xiàn)象，稱為復(fù)合去游離。擴(kuò)散去游離 自由電子與正離子從弧柱逸出而進(jìn)入周圍介質(zhì)中的現(xiàn)象，稱為擴(kuò)散去游離。,第七節(jié) 開關(guān)電器中電弧的產(chǎn)生及熄滅,四、電弧的主要危害 1.電弧的高溫，可能燒壞電器觸頭和觸頭周圍的其他部件；對充油設(shè)備還可能引起著火甚至爆炸等危險。2.在開關(guān)電器中，觸頭間只要有電弧的存在，電路就沒有斷開，電流仍然存在，電弧的存在延長了開關(guān)電器斷開故障電路的時間，加重了電力系統(tǒng)短路故障的危害。3.容易造成飛弧短路、傷人或引起事故擴(kuò)大。 五、電弧特性1、直流電弧的特性 短?。簬缀撩组L，電弧電壓主要由陽極、陰極電壓降組成。電弧電壓是與電流、外界條件無關(guān)的常數(shù)，約為20V左右。長弧：幾厘米以上，電弧電壓主要由弧柱電壓降組成，電弧電壓與電弧長度成正比。,第七節(jié) 開關(guān)電器中電弧的產(chǎn)生及熄滅,2、熄滅直流電弧方法：（1）冷卻或拉長電弧，增大電弧電阻和電弧電壓；（2）增大線路電阻，如熄弧過程中串入電阻；（3）長弧分割成串聯(lián)短弧，利用短弧的特性，使得電弧電壓大于觸頭施加的電壓時，則電弧即可熄滅。 在高壓大容量的直流電路中（如大容量發(fā)電機(jī)的勵磁電路），一方面采用冷卻電弧和短弧原理的方法來熄弧，另一方面采用逐步增大串聯(lián)電阻的方法來熄弧。3、交流電弧的特性交流電弧的伏安特性為動態(tài)特性；電弧電壓的波形呈馬鞍形變化；交流電弧每半周過零一次，電弧會暫時自動熄滅,第七節(jié) 開關(guān)電器中電弧的產(chǎn)生及熄滅,“自然過零” 電流過零時，電弧自然熄滅。 如果電弧是穩(wěn)定燃燒的，則電弧電流過零熄滅后，在另半周又會重燃。 如果電弧過零后，電弧不發(fā)生重燃，電弧就熄滅。,第七節(jié) 開關(guān)電器中電弧的產(chǎn)生及熄滅,六、交流電弧的熄滅條件 電弧重燃取決于弧隙介質(zhì)絕緣能力或介電強(qiáng)度和弧隙電壓的恢復(fù)?；∠督橘|(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程ud（t）,第七節(jié) 開關(guān)電器中電弧的產(chǎn)生及熄滅,弧隙電壓的恢復(fù)過程ur（t）交流電弧熄滅的條件 在交流電弧的滅弧中，應(yīng)充分利用交流電流的自然過零點，采取有效的措施，加大弧隙間去游離的強(qiáng)度，使電弧不再重燃，最終熄滅。,第八節(jié) 弧隙電壓恢復(fù)過程分析,單相交流電路的電壓恢復(fù)過程斷路器開斷三相短路時可用單相電路等值?；∠峨妷夯謴?fù)過程就是熄弧 電壓ur0過渡到電源電壓的過程。電壓恢復(fù)過程很短，恢復(fù)過 程中認(rèn)為電源電壓保持熄弧時 電壓不變。,第八節(jié) 弧隙電壓恢復(fù)過程分析,等值電路如圖所示：當(dāng)Q突然合閘時，有：代入并整理得：其特征根為：,第八節(jié) 弧隙電壓恢復(fù)過程分析,其通解為：電容C中的電流i1為:根據(jù)初始條件，代入上式有：,第八節(jié) 弧隙電壓恢復(fù)過程分析,于是得弧隙恢復(fù)電壓為：一般有: ，于是弧隙恢復(fù)電壓簡化為：根據(jù)特征根表達(dá)式，忽略R有：,第八節(jié) 弧隙電壓恢復(fù)過程分析,下面討論三種情況：（1） ，1和2為不等的負(fù)實根，這時恢復(fù)電壓為非振蕩的，可簡化為：其中：定義：恢復(fù)電壓上升速度指恢復(fù)電壓曲線上任一點的斜率。那么，過零時恢復(fù)電壓上升速度為：,第八節(jié) 弧隙電壓恢復(fù)過程分析,（2） ，1和2為共軛復(fù)根，這時恢復(fù)電壓為周期振蕩的，可簡化為：其中：如果觸頭間沒有并聯(lián)電阻，即r=時，式中：,第八節(jié) 弧隙電壓恢復(fù)過程分析,定義：幅值系數(shù)指恢復(fù)電壓幅值與電源電壓幅值之比。那么，幅值系數(shù)為：不考慮衰減時恢復(fù)電壓上升速度為：通常取固有振蕩頻率的半周內(nèi)電壓恢復(fù)的平均速度：,第八節(jié) 弧隙電壓恢復(fù)過程分析,（3） ，1和2為相等的負(fù)實根，這時恢復(fù)電壓為非周期的，可簡化為：其中：當(dāng)t時，有：這種情況趨于振蕩情況，稱為臨界情況?？梢郧蟪雠R界情況下弧隙并聯(lián)電阻值：,第八節(jié) 弧隙電壓恢復(fù)過程分析,三相交流電路不同短路形式的工頻恢復(fù)電壓開斷單相短路開斷中性點不接地系統(tǒng)的三相短路 首先開斷相斷口上的工頻恢復(fù)電壓為相電壓的1.5倍 另外兩相斷口上的工頻恢復(fù)電壓為相電壓的0.866倍.,第八節(jié) 弧隙電壓恢復(fù)過程分析,開斷中性點直接接地系統(tǒng)的三相短路開斷兩相短路開斷中性點直接接地系統(tǒng)中的兩相短路時，工頻恢復(fù)電壓為相電壓的1.3倍；開斷其余情況的兩相短路時，工頻恢復(fù)電壓為相電壓的0.866倍。,第九節(jié) 熄滅交流電弧的基本方法,采用介質(zhì)滅弧 常用介質(zhì)：變壓器油、 壓縮空氣、SF6氣體、真空利用氣體或油吹弧吹弧方式：縱吹：吹動方向與電弧弧柱軸線平行，使電弧冷卻、變細(xì)。橫吹：吹動方向與電弧弧柱軸線垂直，使電弧拉長、表面積增大。磁場產(chǎn)生的方法： （1）磁吹線圈與電路串聯(lián) （2）磁吹線圈與電路并聯(lián) （3）永久磁鐵,第九節(jié) 熄滅交流電弧的基本方法,采用特殊金屬材料作滅弧觸頭 用熔解點高、導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量大的耐高溫金屬制作觸頭，可以減少熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸氣，減弱游離過程，利于電弧熄滅。如銅鎢合金和銀鎢合金。在斷路器的主觸頭兩端加裝低值并聯(lián)電阻,第九節(jié) 熄滅交流電弧的基本方法,采用多斷口滅弧 無均壓電容時，U1=2U/3，U2=U/3 并聯(lián)均壓電容后，U1U/2， U2U/2,第九節(jié) 熄滅交流電弧的基本方法,提高斷路器觸頭的分離速度低壓開關(guān)中的滅弧方法利用金屬滅弧柵滅弧利用一個金屬滅弧柵將電弧分為多個短弧，利用近陰極效應(yīng)的方法滅弧。 利用固體介質(zhì)狹縫滅弧,第九節(jié) 熄滅交流電弧的基本方法,電氣觸頭：兩個或幾個導(dǎo)體之間接觸的部分。電氣觸頭直接影響到設(shè)備和裝置的工作可靠性，它的性能好壞直接決定了開關(guān)電器的品質(zhì)。 電氣觸頭基本要求 ：（1）結(jié)構(gòu)可靠；（2）接觸電阻小且穩(wěn)定，即有良好導(dǎo)電性能和接觸性能；（3）通過規(guī)定電流時，發(fā)熱穩(wěn)定而且溫度不超過允許值；（4）通過短路電流時，具有足夠的動穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；（5）開斷規(guī)定的短路電流時，觸頭不被灼傷，磨損盡可能小，不發(fā)生熔焊現(xiàn)象。作業(yè)：P64 1