1、發(fā)電廠及變電站電氣部分,三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院 College of Electrical Engineering &New Energy,開關(guān)電器: 直接用于開斷與關(guān)合電路的一次設(shè)備。開關(guān)電器在電網(wǎng)中占有極其重要的地位，其投資占配電設(shè)備總投資的一半以上。,開關(guān)電器按電壓分類：高壓開關(guān)電器（用于3kV以上） 、低壓開關(guān)電器（用于3kV及以下）,開關(guān)電器按安裝場所分類：戶內(nèi)式、戶外式（主要是110kV 及以上）,開關(guān)電器按功能分類：斷路器、隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)、熔斷器,第3章 電路的關(guān)合、開斷與開關(guān)電器,第一節(jié) 電接觸,電接觸連接（電接觸）：兩個(gè)元件通過機(jī)械連接方式互相接觸而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的現(xiàn)象。,1

2、.電接觸,高壓開關(guān)設(shè)備的導(dǎo)電回路總是由若干個(gè)導(dǎo)體元件構(gòu)成，電接觸是高壓開關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)原理中非常重要的內(nèi)容，直接影響開關(guān)電器的質(zhì)量和性能指標(biāo)，電接觸理論是開關(guān)電器的重要基礎(chǔ)理論之一。,(1)固定接觸：用緊固件如螺釘、螺紋、鉚釘?shù)葔壕o的電接觸。固定接觸在工作過程中沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，包括永久接觸（螺栓連接或鉚接）和半永久接觸（插頭）。,根據(jù)在操作過程中接觸處是否存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)可分為三大類,1.1 電接觸的種類,(2)可分接觸：在工作過程中可以分離的電接觸，通常稱為觸頭或觸點(diǎn)，由動(dòng)觸頭和靜觸頭聯(lián)合構(gòu)成 ，包括：,1)弱電流觸頭，電流在1A以下； 2)中電流觸頭，電流從幾安到幾百安； 3)強(qiáng)電流觸頭，電流在幾百

3、安以上。開關(guān)電器的觸頭一般屬于強(qiáng)電流范圍。,(3)滑動(dòng)及滾動(dòng)接觸：在工作過程中，觸頭間可以互相滑動(dòng)或滾動(dòng)，但不能分離的電接觸稱為滑動(dòng)及滾動(dòng)接觸。如電機(jī)的滑環(huán)。,第一節(jié) 電接觸,1.電接觸,1.1 電接觸的種類,電接觸共有的工作狀態(tài)是接觸元件閉合接通電流。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)兩導(dǎo)體相互接觸流過電流時(shí)，接觸處會(huì)出現(xiàn)局部高溫，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)接觸導(dǎo)體材料的熔點(diǎn)。 對(duì)可分接觸，它的工作狀態(tài)除閉合通電以外，還包括“閉合分離切斷電路”，或“分離閉合接通電路”，及處于“開斷” 等。而觸頭在切斷或閉合電路的過程中，觸頭間往往會(huì)出現(xiàn)電弧，電弧的溫度很高，即使存在的時(shí)間很短，也會(huì)使觸頭表面熔化和氣化，損傷觸頭。因此，在以上

4、三種電接觸類型中，工作任務(wù)最重的是可分接觸。,第一節(jié) 電接觸,1.電接觸,1.1 電接觸的種類,如觸頭在工作過程中就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞或因電弧而熔焊，電器工作的可靠性就無法保證，因此，在工作中對(duì)開關(guān)電器的電接觸有一定要求：,1)電接觸在長期通過額定電流時(shí)，溫升不超過國家規(guī)定的數(shù)值，接觸電阻要求穩(wěn)定。 2)在短時(shí)通過短路電流時(shí)，要求電接觸不發(fā)生熔焊或觸頭材料的噴濺等。 3)在關(guān)合過程中，要求觸頭能關(guān)合短路電流，不發(fā)生熔焊或嚴(yán)重?fù)p壞。 4)在開斷過程中，要求觸頭在開斷電路時(shí)電磨損盡可能小。對(duì)于固定接觸，滑動(dòng)或滾動(dòng)接觸只考慮從前兩項(xiàng)要求。,第一節(jié) 電接觸,1.電接觸,1.2 對(duì)電接觸的主要要求,第一節(jié)

5、電接觸,電流通過兩導(dǎo)體電接觸處的主要現(xiàn)象是接觸處出現(xiàn)局部高溫。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是電接觸處存在一附加電阻，稱之為接觸電阻。,一均勻?qū)w通以電流I，用電壓表測量導(dǎo)體上一段的電壓降U，則這一段的電阻為,將導(dǎo)體切斷或?qū)悠饋硇纬呻娊佑|，導(dǎo)體仍通以電流I，用電壓表測量導(dǎo)體上同樣長度一段的電壓降Uc，比U大得多，電阻Rc也比R大得多，增大部分就是接觸電阻。,2.接觸電阻,(1) 實(shí)際接觸面積減小。電流線在接觸面附近發(fā)生了收縮（收縮電阻）。兩個(gè)接觸面只是幾個(gè)小塊面積相接觸，在每塊小面積內(nèi)，又只有幾個(gè)小的突起部分相接觸。這些互相接觸的小突起部分稱為接觸點(diǎn)。電流流經(jīng)接觸表面時(shí)，從截面尺寸較大的導(dǎo)體轉(zhuǎn)入面積較小的

6、接觸點(diǎn)，在此情況下，電流線會(huì)發(fā)生劇烈收縮，流過接觸點(diǎn)附近的電流路徑增長，有效導(dǎo)電截面減小，因而電阻值相應(yīng)增大。,第一節(jié) 電接觸,2.接觸電阻,2.1 接觸電阻產(chǎn)生的原因,(2)接觸面被一些導(dǎo)電性能很差的物質(zhì)（如氧化物）覆蓋引起表面電阻。 1)灰塵。若壓力足夠大，能把灰塵壓扁，也可使金屬良好接觸。 2)非導(dǎo)電氣體、液體形成的吸附膜。會(huì)使接觸變壞，若稍加力，膜會(huì)變的很簿；當(dāng)達(dá)到12分子層，510(10-8cm)時(shí)，自由電子就可通過(隧道效應(yīng))。 3)金屬的氧化物、硫化物等形成的無機(jī)膜。對(duì)于斷路器來說，金屬的氧化物是主要的無機(jī)膜。金屬氧化物多數(shù)是半導(dǎo)體，電阻率很高，使接觸電阻顯著增加。 4)有機(jī)膜。

7、如漆、蒸汽，也可能來自電器本身。,第一節(jié) 電接觸,2.接觸電阻,2.1 接觸電阻產(chǎn)生的原因,影響接觸電阻的因素有：觸頭材料的電阻率、材料的布氏硬度HB和接觸形式引起的觸點(diǎn)個(gè)數(shù)、接觸壓力。,第一節(jié) 電接觸,2.接觸電阻,2.2 影響接觸電阻的因素,(1)銀：銀是最理想的材料。但是，銀的價(jià)格較貴，因此高壓電器中常采用銅鍍銀或鑲銀的方法。 (2)銅：銅是僅次于銀的材料。為了減小接觸電阻，可以在銅上鍍銀或鑲銀，也可以鍍錫。錫的優(yōu)點(diǎn)是硬度小，氧化膜的機(jī)械強(qiáng)度低。 (3)鋁：缺點(diǎn)是化學(xué)性質(zhì)活潑，在室溫條件下就很容易生成又硬又厚的氧化膜，從而使接觸電阻增高。因此，鋁一般只用于固定接觸，并常采用表面復(fù)蓋錫的方

8、法來減小接觸電阻。,2.2.1常用的幾種金屬材料在接觸電阻方面的性能,第一節(jié) 電接觸,2.接觸電阻,2.2 影響接觸電阻的因素,2.2.1常用的幾種金屬材料在接觸電阻方面的性能,(4)金、鉑、銥等：優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)性能穩(wěn)定，觸頭表面不會(huì)產(chǎn)生不導(dǎo)電的薄膜。但是這類貴重金屬材料價(jià)格昂貴，來源稀缺，不能大量使用，一般只用于低壓電器中的弱電流觸頭。 (5)鎢銅和鎢銀復(fù)合材料：具有良好的導(dǎo)電性，在電弧作用下燒損小的特點(diǎn)，是開關(guān)電器中廣泛使用的觸頭材料。 鎢銅復(fù)合材料價(jià)格較便宜，主要缺點(diǎn)是在大氣中易氧化，接觸電阻不穩(wěn)定。適宜用于油斷路器和SF6斷路器中，常用的是含鎢量為80%的鎢銅復(fù)合材料。 鎢銀復(fù)合材料通常用

9、于對(duì)接式的觸頭上，接觸電阻穩(wěn)定但耐弧性能稍差。,按觸頭外形的幾何形狀不同，可分為三類：點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸。 （1）點(diǎn)接觸：從幾何學(xué)角度看，兩面接觸于一點(diǎn)，所以稱為點(diǎn)接觸。實(shí)際接觸面是在一個(gè)小面積內(nèi)的若干個(gè)接觸點(diǎn)，用于小電器。 （2）線接觸：從幾何學(xué)角度看，兩面接觸在一條直線上，所以稱線接觸。當(dāng)然，實(shí)際接觸面是分布在狹長區(qū)域內(nèi)的若干個(gè)接觸點(diǎn)，用于大中電器。 （3）面接觸：從幾何學(xué)角度看，接觸面是一個(gè)平面，所以稱為面接觸。當(dāng)然，實(shí)際接觸面是分布在若干處的很多個(gè)接觸點(diǎn)，用于固定接觸。,第一節(jié) 電接觸,2.接觸電阻,2.2 影響接觸電阻的因素,2.2.2 接觸的形式,第一節(jié) 電接觸,2.接觸電阻,

10、2.2 影響接觸電阻的因素,2.2.3 接觸壓力,接觸壓力F 對(duì)接觸電阻Rc有重要影響。沒有足夠的壓力只靠加大接觸面的外形尺寸并不能使接觸電阻顯著減小。Rc F 關(guān)系曲線是一條簡單的下降曲線，但合理的最大F 值有一范圍，F(xiàn) 過大對(duì)減小Rc無明顯效果。,第一節(jié) 電接觸,2.接觸電阻,2.2 影響接觸電阻的因素,2.2.4 接觸表面加工情況,接觸表面可以是粗加工，也可以是精加工，它表現(xiàn)在接觸點(diǎn)數(shù)的數(shù)目不同。 實(shí)踐表明，過于精細(xì)的表面加工對(duì)于降低接觸電阻未必是有利的。,接觸電阻通常用經(jīng)驗(yàn)公式估算：,式中： F 接觸壓力(N)； m 與接觸形式有關(guān)的系數(shù)，對(duì)點(diǎn)、線、面接觸，分別取0.5 、0.7、1；

11、 Kc與接觸材料、表面情況、接觸方式等有關(guān)的系數(shù)，通常由實(shí)驗(yàn)得出。,第一節(jié) 電接觸,2.接觸電阻,2.2 影響接觸電阻的因素,2.2.5 接觸電阻估算,第一節(jié) 電接觸,3.1 發(fā)熱,3. 觸頭在長期工作中的穩(wěn)定性,觸頭接觸電阻的存在，將引起接觸點(diǎn)的溫度升高。 而接觸點(diǎn)溫度的升高，金屬的電阻率會(huì)隨之升高，同時(shí)接觸硬度有所降低；前者使接觸電阻進(jìn)一步地增加，后者使接觸電阻降低，因而接觸電阻受溫度的影響要比純金屬材料的電阻受溫度的影響小，一般可以將溫度對(duì)接觸電阻的影響略而不計(jì)。 但當(dāng)接觸點(diǎn)溫度接近材料軟化點(diǎn)時(shí)，由于硬度陡降，接觸電阻會(huì)明顯下降；當(dāng)接觸點(diǎn)溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)時(shí)，接觸電阻再次顯著下降。,第一節(jié)

12、 電接觸,3.2 磨損,3. 觸頭在長期工作中的穩(wěn)定性,觸頭長期工作，觸頭表面與周圍介質(zhì)起化學(xué)作用，接觸電阻Rc會(huì)不斷增加，引起觸頭的接觸不穩(wěn)現(xiàn)象，甚至完全破壞觸頭的導(dǎo)電性能。,(1)機(jī)械磨損 由動(dòng)、靜觸頭間發(fā)生碰撞和摩擦導(dǎo)致觸頭的變形和觸頭材料的損耗。觸頭接觸壓力F越大，機(jī)械磨損越快。一般動(dòng)作頻繁的控制電器，機(jī)械磨損所占比例很小，約為總磨損的13。,(1)化學(xué)磨損 包括化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。 1）化學(xué)腐蝕 由觸頭金屬材料氧化及有害氣體的作用形成的非導(dǎo)電膜引起。 可分觸頭分開時(shí)，觸頭與周圍介質(zhì)中的某些成分，起化學(xué)作用，可以生成不導(dǎo)電的化學(xué)膜。但是在觸頭關(guān)合過程中，由于觸頭間發(fā)生碰撞和滑動(dòng)，又會(huì)

13、使化學(xué)膜部分去除，使接觸電阻降低下來。,第一節(jié) 電接觸,3.2 磨損,3. 觸頭在長期工作中的穩(wěn)定性,當(dāng)觸頭長期閉合時(shí)，氧分子可以從接觸點(diǎn)周圍逐漸侵入，形成金屬氧化物，使實(shí)際接觸面積減小，導(dǎo)致接觸電阻增加。且接觸點(diǎn)溫度愈高，氧分子活動(dòng)能力越強(qiáng)，可以更深地侵入到金屬內(nèi)部。 因此，為了使接觸電阻在長期工作情況下保持穩(wěn)定： 必須保證接觸點(diǎn)在長期工作情況下的溫度不應(yīng)過高； 增加接觸壓力可以提高接觸電阻的穩(wěn)定性； 在容易腐蝕的金屬上覆蓋銀、錫等金屬。,第一節(jié) 電接觸,3.2 磨損,3. 觸頭在長期工作中的穩(wěn)定性,2）電化學(xué)腐蝕 不同金屬構(gòu)成電接觸時(shí)，當(dāng)兩種金屬在電化(次)序表中的位置相隔較遠(yuǎn)時(shí)，在大氣、

14、水蒸氣中，弱金屬將嚴(yán)重腐蝕，造成電接觸的嚴(yán)重?fù)p壞。如：Cu-Zn蓄電池中，負(fù)極Zn被腐蝕。會(huì)造成電接觸的嚴(yán)重破壞 。,為了減少電化學(xué)腐蝕，應(yīng)注意： 避免采用在電化序表中相距較遠(yuǎn)的金屬構(gòu)成電接觸。 由于高壓開關(guān)電器中不可免地需要采用鋁銅接觸，可在鋁表面上用銅、銀或錫覆蓋，或在鋁、銅兩金屬問加上鋅墊片以減少電化學(xué)腐蝕作用，也可在接觸面周圍抹上油脂，防止水分侵入形成電解液。,第一節(jié) 電接觸,3.2 磨損,3. 觸頭在長期工作中的穩(wěn)定性,3.電磨損 觸頭在分合電路時(shí)，觸頭間要產(chǎn)生電弧，由電弧的高溫作用會(huì)使觸頭表面燒損、變形和金屬材料流失，造成觸頭磨損。這一現(xiàn)象在開關(guān)電器開斷短路電流時(shí)尤為嚴(yán)重。觸頭在關(guān)

15、合過程中，特別是關(guān)合短路時(shí)，除有觸頭磨損，還可能產(chǎn)生觸頭焊接。它是觸頭磨損的主要形式，決定了觸頭的電壽命。,1)短弧、弱弧和火花放電。一般發(fā)生在繼電器等弱電電器中，觸頭間隙較小，金屬汽化與重新沉積互相作用，對(duì)觸頭產(chǎn)生磨損。 2)大功率電弧的燒損。當(dāng)電弧電流大于20至幾百安，甚至上千安，溫度高、開距大、又有吹弧作用，液體金屬可吹走，四處噴濺，磨損嚴(yán)重。,第二節(jié) 電弧理論及其熄滅方法,1 電弧,開關(guān)電器開斷電流時(shí)，觸頭間會(huì)產(chǎn)生電弧，必須盡快熄滅。,電弧是一種能量高度集中、溫度很高、亮度很大的氣體放電現(xiàn)象。,圖 電弧,電弧由陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)三部分組成。 電弧溫度很高，發(fā)出強(qiáng)烈的白光，又稱弧光放

16、電。 弧柱區(qū)中心溫度可達(dá)10000以上，表面溫度也有30004000。,第二節(jié) 電弧理論及其熄滅方法,1 電弧,開關(guān)電器切斷電流通路時(shí)，只要電源電壓大于1020V，電流大于80100mA，在觸頭間就會(huì)出現(xiàn)電弧。電弧一旦產(chǎn)生，很低的電壓就能維持穩(wěn)定地燃燒而不熄滅。,2 電弧的形成和熄滅,電弧是一種游離的氣體放電現(xiàn)象，電弧的形成過程實(shí)際上就是絕緣介質(zhì)向等離子體態(tài)的轉(zhuǎn)化過程。,2.1電弧的產(chǎn)生與維持,電弧的產(chǎn)生是觸頭間中性質(zhì)點(diǎn)(分子和原子)被游離出大量自由電子的結(jié)果。游離就是中性質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為帶電質(zhì)點(diǎn)的過程,第二節(jié) 電弧理論及其熄滅方法,2 電弧的形成和熄滅,2.1電弧的產(chǎn)生與維持,陰極的熱電子發(fā)射和強(qiáng)

17、電場發(fā)射 ，形成自由電子。,（1）自由電子的產(chǎn)生,強(qiáng)電場發(fā)射：電場強(qiáng)度超過3106V/m時(shí)，陰極觸頭表面的電子可在強(qiáng)電場力的作用下被拉出金屬表面成為自由電子。,熱電子發(fā)射 ：接觸電阻因觸頭分離迅速增大產(chǎn)生的高溫，使陰極表面出現(xiàn)強(qiáng)烈的熾熱點(diǎn)，進(jìn)一步使陰極的金屬材料內(nèi)大量電子不斷溢出金屬表面，形成自由電子。,特別是電弧形成后，弧隙間的高溫使陰極表面不斷地發(fā)射出電子，并在電場力作用下，向陽極作加速運(yùn)動(dòng)。,第二節(jié) 電弧理論及其熄滅方法,2 電弧的形成和熄滅,2.1電弧的產(chǎn)生與維持,（2）電弧的形成,碰撞游離 ：自由電子與中性絕緣介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)(原子或分子)發(fā)生撞擊，將中性原子外層軌道上的電子撞擊出來形成新的

18、自由電子和正離子 。 碰撞游離連續(xù)進(jìn)行，形成電子崩。 電子崩到達(dá)陽極，介質(zhì)被擊穿由絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體，在外加電壓的作用下，通過觸頭間隙的電流急劇增大，發(fā)出強(qiáng)烈的光和熱的效應(yīng)而形成了電弧。,（3）熱游離,熱游離：形成電弧后碰撞游離不能持續(xù)，產(chǎn)生的高溫使氣體中粒子運(yùn)動(dòng)速度增大，具有足夠動(dòng)能的中性質(zhì)點(diǎn)相互碰撞形成自由電子。氣體溫度愈高，粒子運(yùn)動(dòng)速度愈大，原子熱游離的可能性也愈大，電弧燃燒愈穩(wěn)定。,第二節(jié) 電弧理論及其熄滅方法,2 電弧的形成和熄滅,2.2 去游離,去游離 帶電質(zhì)點(diǎn)減少的過程，包括復(fù)合和擴(kuò)散,(1)復(fù)合去游離 指正離子和負(fù)離子互相吸引，結(jié)合在一起，電荷互相中和形成中性質(zhì)子的過程。,(2)擴(kuò)

19、散去游離 指帶電質(zhì)點(diǎn)從電弧內(nèi)部逸出而進(jìn)入周圍介質(zhì)中的現(xiàn)象。包括：濃度擴(kuò)散和溫度擴(kuò)散。,在電弧形成的過程中，去游離和游離兩個(gè)過程互相平衡，使電弧穩(wěn)定的燃燒。當(dāng)去游離的過程大于游離，電弧會(huì)熄滅，反之，燃燒的更激烈。,第二節(jié) 電弧理論及其熄滅方法,3.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(duì)充油設(shè)備還可能引起著火甚至爆炸等危險(xiǎn)。 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(shí)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。 因此開關(guān)電器的一個(gè)主要功能就是滅弧。交、直流電源產(chǎn)

20、生的電弧特性不同，需要針對(duì)不同的情況分別討論。,第二節(jié) 電弧理論及其熄滅方法,4.直流電弧及滅弧,直流電弧特性可用沿弧長的電壓分布和伏安特性表示, 穩(wěn)定燃燒的直流電弧沿弧長的電壓分布為：,Uh=U1+U2+U3,Uh電弧在全長上的壓降； U1陰極區(qū)壓降 U2弧柱壓降； U3陽極區(qū)壓降,電弧的端部靠近觸頭的區(qū)段(陰極區(qū)和陽極區(qū)) 導(dǎo)電率低，電位梯度大，且陰極區(qū)的電位梯度比陽極區(qū)的電位梯度大。 弧柱壓降與電流大小、弧隙長度、介質(zhì)種類及其狀態(tài)(介質(zhì)壓力、介質(zhì)流動(dòng)方式及流速等)有關(guān)。弧柱壓降與弧長基本上成正比；當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，弧隙介質(zhì)情況不變，則電流越大，弧柱壓降越低。,4.1直流電弧特性,第二節(jié)

21、電弧理論及其熄滅方法,4.直流電弧及滅弧,1） 靜伏安特性（曲線1、4，電弧穩(wěn)定燃燒，di/ dt0 ）,電弧電阻隨著電弧電流變化；電弧電流越大，弧隙電壓越小。,UDH、IDH表示弧隙電壓和電弧電流,2）動(dòng)伏安特性（曲線2、3，電弧電流快速變化）,由曲線2（b點(diǎn)快速減小電弧電流）和曲線3（a點(diǎn)快速增加弧隙電壓）看到：由于弧隙具有熱慣性，溫度變化總是滯后于電流變化，這3條曲線并不重合。,4.1直流電弧特性,第二節(jié) 電弧理論及其熄滅方法,4.直流電弧及滅弧,3）直流電弧穩(wěn)定燃燒的充要條件是：電弧的靜伏安特性從下方穿越電路的穩(wěn)態(tài)伏安特性。 因此熄滅直流電弧的原理是增大電弧電壓，使電弧的靜伏安特性與電

22、路的穩(wěn)態(tài)伏安特性最多只有一個(gè)交點(diǎn)。,4.1 直流電弧特性,4.2 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(shí)，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(lì)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。,第二節(jié) 電弧理論及其熄滅方法,5 交流電弧及滅弧,5.1 交流電弧的特性,圖 交流電弧電壓與電流的波形,電弧電流近似正弦形，電壓呈馬鞍形變化。 電弧溫度的變化總滯后于電流的變化（熱慣性

23、）。 “自然過零”。電流過零時(shí)，電弧自然熄滅；過零后在電場回升過程中，若仍有自由電子出現(xiàn)，則介質(zhì)再被擊穿，電弧就會(huì)重燃；反之，電弧就熄滅。,第二節(jié) 電弧理論及其熄滅方法,5 交流電弧及滅弧,5.2 交流電弧的熄滅條件,交流電弧熄滅的關(guān)鍵取決于弧隙的介電強(qiáng)度(耐受電壓)和弧隙的恢復(fù)電壓。,(1) 弧隙介電強(qiáng)度的恢復(fù)過程,弧隙介電強(qiáng)度恢復(fù)過程電弧電流過零，弧隙介質(zhì)的介電強(qiáng)度要恢復(fù)到正常絕緣狀態(tài)值時(shí)需要一定的時(shí)間，其恢復(fù)過程可以用耐受電壓電壓Ud（t）表示。,第二節(jié) 電弧理論及其熄滅方法,5 交流電弧及滅弧,5.2 交流電弧的熄滅條件,(2) 弧隙電壓的恢復(fù)過程,電弧電流自然過零后，電路施加于弧隙的

24、電壓，將從不大的電弧電壓逐漸增長，一直恢復(fù)到電源電壓，這一過程中的弧隙電壓稱為恢復(fù)電壓Ur（t）表示。受電路參數(shù)等因素的影響，電壓恢復(fù)過程可能是周期性的變化過程，也可能是非周期性變化過程。,第二節(jié) 電弧理論及其熄滅方法,5 交流電弧及滅弧,5.2 交流電弧的熄滅條件,(3)交流電弧熄滅的條件,弧隙電壓恢復(fù)過程 大于弧隙介電強(qiáng)度恢復(fù)過程，電弧重燃；反之電弧熄滅。,交流電弧熄滅的條件,第二節(jié) 電弧理論及其熄滅方法,5 交流電弧及滅弧,5.2 交流電弧的熄滅條件,（4）熄滅交流電弧的基本方法及措施,1)利用滅弧介質(zhì) 2)采用特殊金屬材料作滅弧觸頭 3)利用氣體或油吹動(dòng)電弧，圖 312 吹弧的方式a

25、橫吹b 縱吹 4)多斷口滅弧 5)增加觸頭的分離速度 6)利用固體介質(zhì)的狹縫滅弧裝置滅弧，廣泛應(yīng)用于低壓開關(guān)。,第三節(jié) 高壓斷路器及其選擇,開關(guān)電器包括,1) 僅用來在正常工作情況下，開斷與關(guān)合正常工作電流的開關(guān)電器，如高壓負(fù)荷開關(guān)、低壓閘刀開關(guān)、接觸器、磁力啟動(dòng)器等； 2) 僅用來開斷故障情況下的過負(fù)荷電流或短路電流的開關(guān)電器，如高、低壓熔斷器； 3) 既用來開斷與關(guān)合正常工作電流，也用來開斷與關(guān)合過負(fù)荷電流或短路電流的開關(guān)電器，如高壓斷路器、低壓自動(dòng)空氣斷路器等； 4) 不要求斷開或閉合電流，只用來在檢修時(shí)隔離電壓的開關(guān)電器，如隔離開關(guān)等。,第三節(jié) 高壓斷路器及其選擇,1.高壓斷路器,功能

26、： 1）控制：在正常運(yùn)行時(shí)，將一部分電氣設(shè)備及線路接入電路或退出運(yùn)行。 2）保護(hù)：在電氣設(shè)備或線路發(fā)生短路時(shí)，將短路部分從電網(wǎng)中迅速切除，防止事故擴(kuò)大，保證電網(wǎng)的無故障部分得以正常運(yùn)行。,對(duì)斷路器的基本要求：在各種情況下應(yīng)具有足夠的開斷能力、盡可能短的動(dòng)作時(shí)間和高度的工作可靠性。,高壓斷路器是電力系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)任務(wù)最繁重、地位最重要、結(jié)構(gòu)也最復(fù)雜的開關(guān)電器。,第三節(jié) 高壓斷路器及其選擇,2.高壓斷路器的基本類型及結(jié)構(gòu),2.1 高壓斷路器的基本類型,包括：油斷路器、壓縮空氣斷路器、SF6斷路器、真空斷路器等。,(1) 油斷路器,1）多油斷路器：油既是滅弧介質(zhì)，也是絕緣介質(zhì)。 2）少油斷路器：油只作為

27、滅弧介質(zhì)。 3）滅弧原理：,觸頭斷開,產(chǎn)生電?。?高溫使電弧周圍的絕緣油迅速氣化，形成混合氣泡，含有大量的氫氣。 滅弧室壓力增加，使游離質(zhì)點(diǎn)的濃度增加，增強(qiáng)了復(fù)合，加強(qiáng)了去游離作用；同時(shí)氫氣的冷卻作用加強(qiáng)了對(duì)弧柱的冷卻作用； 觸頭間距加大電弧熄滅。,第三節(jié) 高壓斷路器及其選擇,2.高壓斷路器的基本類型及結(jié)構(gòu),2.1 高壓斷路器的基本類型,(2)壓縮空氣斷路器,采用壓縮空氣作滅弧介質(zhì)及操作機(jī)構(gòu)能源的斷路器。具有大容量下開斷能力強(qiáng)及開斷時(shí)間短的特點(diǎn)，但有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需配置壓縮空氣裝置、價(jià)格較貴、合閘時(shí)排氣噪音大的缺點(diǎn)。,(3) SF6斷路器斷路器,以 SF6作為滅弧介質(zhì)的斷路器，國內(nèi)110kV領(lǐng)域占

28、主導(dǎo)地位。 優(yōu)點(diǎn)：1 滅弧性能好，開斷短路電流大。 2 冷卻效果好，載流量大，壽命長。 3 滅弧的速度快，操作過電壓低。 4 運(yùn)行可靠性高，安全性高。 缺點(diǎn)：1 工藝要求高，造價(jià)貴，管理技術(shù)高。 2 污染嚴(yán)重。,第三節(jié) 高壓斷路器及其選擇,2.高壓斷路器的基本類型及結(jié)構(gòu),2.1 高壓斷路器的基本類型,(4)真空斷路器,利用真空作為滅弧介質(zhì)來熄滅電弧的斷路器，在35kV及以下中壓領(lǐng)域廣泛使用,截流 真空電弧通常在電流自然過零前熄滅，電流也隨之突然降至零。 截流過電壓 因截流造成的操作過電壓。 與氧化鋅避雷器配合使用,第三節(jié) 高壓斷路器及其選擇,（1）通斷元件 ：接通或斷開電路，核心是觸頭 （2）

29、操動(dòng)機(jī)構(gòu)：向通斷元件提供分、合閘操作的能量，實(shí)現(xiàn)操作 （3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：把操動(dòng)機(jī)構(gòu)提供操作能量及發(fā)出的操作命令傳遞給通斷元件 （4）絕緣支撐元件 ：支撐固定通斷元件，并實(shí)現(xiàn)與各結(jié)構(gòu)部分之間的絕緣作用,（5）基座 ：用于支撐、固定和安裝開關(guān)電器的各結(jié)構(gòu)部分，使之成為一個(gè)整體,2.1高壓斷路器的基本結(jié)構(gòu),2.高壓斷路器的基本類型及結(jié)構(gòu),第三節(jié) 高壓斷路器及其選擇,2.3高壓斷路器的分合操作（彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)）,2.高壓斷路器的基本類型及結(jié)構(gòu),彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種以彈簧作為儲(chǔ)能元件的機(jī)械式操動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括：合閘彈簧和分閘彈簧。儲(chǔ)能后合閘彈簧的能量一部分用來合閘，另一部分用來給分閘彈簧儲(chǔ)能。,1)儲(chǔ)能過程 （儲(chǔ)

30、備開關(guān)操作的能量）：開關(guān)在起始位（分位）可通過手動(dòng)方式和自動(dòng)方式給彈簧儲(chǔ)能。,2)合閘過程 合閘彈簧釋放完成合閘，并給分閘彈簧儲(chǔ)能。合閘彈簧釋放完成后，再次儲(chǔ)能（儲(chǔ)能時(shí)間不超過15s）,3)分閘過程 分閘彈簧釋放完成分閘。,4) 重合閘 合閘彈簧再次儲(chǔ)能完畢，才能實(shí)現(xiàn)重合閘。,5)合閘彈簧和分閘彈簧釋放能量步驟：斷開直流儲(chǔ)能電源；開關(guān)分閘(在合閘狀態(tài))；開關(guān)合閘；開關(guān)再分閘；斷開控制電源。,第三節(jié) 高壓斷路器及其選擇,1) 斷路器的種類和型式,4.高壓斷路器的主要技術(shù)參數(shù)及選擇,2) 額定電壓和額定電流,根據(jù)電壓等級(jí)、安裝地點(diǎn)、安裝方式、結(jié)構(gòu)類型和價(jià)格因素等選擇斷路器的類型。,，,3)額定開斷

31、電流選擇,式中： UN、UNS 分別為斷路器和電網(wǎng)的額定電壓(kV)； IN、Imax 分別為斷路器的額定電流及所在電路的最大持續(xù)工作電流。,斷路器的額定開斷電流INbr應(yīng)不小于其觸頭剛剛分開時(shí)的短路電流有效值Ik，即,INbr Ik,第三節(jié) 高壓斷路器及其選擇,4.高壓斷路器的主要技術(shù)參數(shù)及選擇,，,開斷計(jì)算時(shí)間tbr ：從發(fā)生短路到斷路器的觸頭剛剛分開所經(jīng)歷的時(shí)間。 為保證斷路器能開斷最嚴(yán)重情況下的短路電流，開斷計(jì)算時(shí)間等于主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間tpr1與斷路器固有分閘時(shí)間tin之和，即,tbr=tpr1+tin,1) 對(duì)于非快速動(dòng)作斷路器（其tbr0.1s），可略去短路電流非周期分量的影響，簡化

32、用短路電流周期分量0s有效值I”校驗(yàn)斷路器的開斷能力，即,INbrI”,2) 對(duì)于快速動(dòng)作斷路器（其tbr0.1s），開斷短路電流中非周期分量可能超過周期分量的20%，需要用tbr時(shí)刻的短路全電流有效值校驗(yàn)斷路器的開斷能力，即,第三節(jié) 高壓斷路器及其選擇,4.高壓斷路器的主要技術(shù)參數(shù)及選擇,Ipt為觸頭剛剛分開tbr時(shí)的短路電流周期分量有效值，在此可取Ipt = I”；,為短路電流非周期分量衰減時(shí)間常數(shù),X、R分別為電源至短路點(diǎn)的等效電抗和等效電阻。,4)額定關(guān)合電流選擇,如果在斷路器關(guān)合前已存在短路故障，斷路器會(huì)發(fā)生欲擊穿，為了保證斷路器關(guān)合時(shí)不發(fā)生觸頭熔焊及合閘后能在繼電保護(hù)控制下自動(dòng)分閘

33、切除故障，斷路器額定關(guān)合電流iNcl不應(yīng)小于短路電流最大沖擊值，即,iNclish,第三節(jié) 高壓斷路器及其選擇,4.高壓斷路器的主要技術(shù)參數(shù)及選擇,5) 熱穩(wěn)定校驗(yàn)和動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn),Qk短路電流熱效應(yīng)； Isw所選用斷路器在額定短路持續(xù)時(shí)間tsw (單位為s)內(nèi)允許通過的熱穩(wěn)定電流 。一般定義斷路器熱穩(wěn)定電流所取的時(shí)間tsw有1s，4s，5s，10s等4種，進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)計(jì)算時(shí)間應(yīng)盡量接近實(shí)際短路持續(xù)時(shí)間。,熱穩(wěn)定,觸頭流過短路電流時(shí)，還會(huì)受到收縮電動(dòng)力F的作用，其方向是 推開觸頭的方向，大小與I2成正比。動(dòng)穩(wěn)定性以電流峰值ies表示,6)分閘時(shí)間,斷路器從接到合閘命令（合閘回路通電）起到斷路器觸頭剛

34、接觸時(shí)所經(jīng)過的時(shí)間間隔。包括固有分閘時(shí)間和燃弧時(shí)間。,第三節(jié) 高壓斷路器及其選擇,4.高壓斷路器的主要技術(shù)參數(shù)及選擇,7）合閘時(shí)間,斷路器從接到合閘命令(合閘回路通電)起到斷路器觸頭剛接觸時(shí)所經(jīng)過的時(shí)間間隔,8）斷路器的操作順序,OtCO t /CO CO t / CO,O表示一次分閘操作；CO表示一次合閘操作后立即(即無任何故意的時(shí)延)進(jìn)行分閘操作 ， t、 t / 、 t /和是連續(xù)操作之間的時(shí)間間隔； t、 t /應(yīng)始終以分鐘或秒表示； t /應(yīng)始終以秒表示。,t 3 min不用于快速自動(dòng)重合閘的斷路器； t 0.3 s用于快速自動(dòng)重合閘的斷路器； t / 3 min（15 s、1 mi

35、n）也可用于快速自動(dòng)重合閘的斷路器。 t / 15 s不用于快速自動(dòng)重合閘的斷路器。,第四節(jié) 高壓隔離開關(guān)和負(fù)荷開關(guān),1.高壓隔離開關(guān),隔離開關(guān)又名隔離刀閘，合閘后能可靠地通過正常工作電流和短路電流。由于沒有滅弧裝置，不能用來分、合負(fù)荷電流和短路電流，只能分、合一些小電感電流和小電容電流。,1) 隔離電源。在進(jìn)行電氣設(shè)備檢修時(shí)，用隔離開關(guān)將需要檢修的電氣設(shè)備與帶電電源隔離，形成明顯可見的斷開點(diǎn)，以確保檢修安全。 2) 倒閘操作。在進(jìn)行母線的切換時(shí)，可用隔離開關(guān)配合斷路器來完成工作。 3) 關(guān)、合小電流。分、合電壓互感器、避雷器電路和空載母線；分、合勵(lì)磁電流不超過的空載變壓器；分、合電容電流不超

36、過的空載線路。,1.1主要作用,第四節(jié) 高壓隔離開關(guān)和負(fù)荷開關(guān),1.2 隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu),1)導(dǎo)電部分：包括觸頭、閘刀等。主要起傳導(dǎo)電路中的電流、關(guān)合電路的作用。 2) 絕緣部分：實(shí)現(xiàn)帶電部分和接地部分的絕緣。 3) 操動(dòng)機(jī)構(gòu)：為隔離開關(guān)的操作提供能源。 4) 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)：通過機(jī)械杠桿實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)的分、合。 5) 支持底座：固定隔離開關(guān)。,1.高壓隔離開關(guān),第四節(jié) 高壓隔離開關(guān)和負(fù)荷開關(guān),1.3 隔離開關(guān)的操作原則,1.高壓隔離開關(guān),隔離開關(guān)“先通后斷”。,1.4 隔離開關(guān)的選型,1）種類和型式：按裝設(shè)地點(diǎn)可分為戶內(nèi)式和戶外式；按絕緣支柱數(shù)目可分為單柱式、雙柱式和三柱式；按相數(shù)可分為單相和三相；按

37、有無接地刀閘可分為帶接地刀閘式和不帶接地刀閘式。,2）由于隔離開關(guān)沒有滅弧裝置，故沒有開斷電流和關(guān)合電流的校驗(yàn)，隔離開關(guān)的額定電壓、額定電流選擇和熱穩(wěn)定、動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)項(xiàng)目與斷路器相同。,第四節(jié) 高壓隔離開關(guān)和負(fù)荷開關(guān),2.負(fù)荷開關(guān),負(fù)荷開關(guān)帶有簡單滅弧裝置，有一定的滅弧能力，能開斷和關(guān)合額定負(fù)荷電流和小于一定倍數(shù)(通常為34倍)的過載電流；也可以用來開斷和關(guān)合比隔離開關(guān)允許容量更大的空載變壓器、更長的空載線路，有時(shí)也用來開斷和關(guān)合大容量的電容器組，但不能開斷短路電流。,(1)負(fù)荷開關(guān)的類型,按滅弧方式可分為油負(fù)荷開關(guān)、磁吹負(fù)荷開關(guān)、壓氣式負(fù)荷開關(guān)、產(chǎn)氣式負(fù)荷開關(guān)、六氟化硫負(fù)荷開關(guān)和真空負(fù)荷開關(guān)。

38、,按動(dòng)作頻率可分為一般型（50次無檢修，用在容量為800kVA及以下變壓器回路中 ）和頻繁型（150次無檢修，用在10001600kVA變壓器回路 ）。,第四節(jié) 高壓隔離開關(guān)和負(fù)荷開關(guān),2.負(fù)荷開關(guān),(2)負(fù)荷開關(guān)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 現(xiàn)代負(fù)荷開關(guān)有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)，一是具有三工位，即合閘分閘接地；二是滅弧與載流分開，滅弧系統(tǒng)不承受動(dòng)熱穩(wěn)定電流，而載流系統(tǒng)不參與滅弧。,(3)替代作用 在10kV高壓配電系統(tǒng)中，可用負(fù)荷開關(guān)熔斷器組(負(fù)荷開關(guān)與限流熔斷器串聯(lián)構(gòu)成)對(duì)不需頻繁操作的電氣設(shè)備(主要是10/0.4kV變壓器)進(jìn)行控制和保護(hù)。當(dāng)采用負(fù)荷開關(guān)與限流熔斷器串聯(lián)組合時(shí)，負(fù)荷開關(guān)要滿足轉(zhuǎn)移電流與交接電流的要

39、求,1)轉(zhuǎn)移電流 轉(zhuǎn)移電流是負(fù)荷開關(guān)能開斷的最大電流，當(dāng)大于該值時(shí)，三相電流均由熔斷器開斷；小于該值時(shí)，首相電流由熔斷器開斷，后兩相由于負(fù)荷開關(guān)動(dòng)作較快，在熔斷器熔斷之前將電流分?jǐn)唷?第四節(jié) 高壓隔離開關(guān)和負(fù)荷開關(guān),2.負(fù)荷開關(guān),2）交接電流 熔斷器不承擔(dān)開斷、全部由負(fù)荷開關(guān)開斷的三相對(duì)稱電流值。小于這一電流值時(shí)，熔斷器把開斷電流的任務(wù)交給負(fù)荷開關(guān)。,3）在負(fù)荷開關(guān)熔斷器組合電器必須有撞擊器（熔斷器設(shè)置）操作，必須作轉(zhuǎn)移電流試驗(yàn)。,4）負(fù)荷開關(guān)同時(shí)帶有撞擊器和脫扣器的時(shí)候，必須做交接電流試驗(yàn)。如果交接電流大于轉(zhuǎn)移電流，則轉(zhuǎn)移電流可不試。配脫扣器操作方式主要用于真空負(fù)荷開關(guān)，因它固有分閘時(shí)間短且

40、開斷能力強(qiáng)，才有可能使交接電流大于轉(zhuǎn)移電流。,目前，國內(nèi)外的環(huán)網(wǎng)供電單元和預(yù)裝式變電站，廣泛使用負(fù)荷開關(guān)熔斷器組的結(jié)構(gòu)型式，用它保護(hù)變壓器比用斷路器更為有效，其切除故障時(shí)間更短，不易發(fā)生變壓器爆炸事故。,第四節(jié) 高壓隔離開關(guān)和負(fù)荷開關(guān),2.負(fù)荷開關(guān),(4)負(fù)荷開關(guān)的選擇 高壓負(fù)荷開關(guān)的選擇與斷路器的選擇基本相同，必須滿足額定電壓、額定電流、開斷電流、熱穩(wěn)定性及動(dòng)穩(wěn)定五個(gè)條件。其中開斷電流應(yīng)不小于裝置地點(diǎn)的最大負(fù)荷電流，而不是短路最大電流，與熔斷器配合使用的負(fù)荷開關(guān)無需校驗(yàn)熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定。,第五節(jié) 熔斷器,熔斷器是最簡單的保護(hù)電器，串聯(lián)在被保護(hù)的電路中，主要用于線路及電力變壓器等電氣設(shè)備的短路及過載保護(hù)。,1.熔斷器的原理及特性,圖 高壓母線式單管熔斷器,（1）熔體因過載或短路而加熱到熔化溫度； （2）熔體的熔化和氣化； （3）觸點(diǎn)之間的間隙擊穿和產(chǎn)生電?。?（4）電弧熄滅、電路被斷開。,熔斷器的開斷能力由熄滅電弧能力決定。熔體熔化時(shí)間的長短，由通過的電流的大小和熔體熔點(diǎn)的高低決定。,第五節(jié) 熔斷器,1.熔斷器的原理及特性,熔斷器熔體的熔斷時(shí)間與熔體的材料和熔斷電流的大小有關(guān)，熔斷時(shí)間與電流的大小關(guān)系，稱為熔斷器的安秒特性，也稱為熔斷器的保護(hù)特性（反時(shí)限的保護(hù)特性曲線），其規(guī)律是熔斷時(shí)間與電流的平方成反比。,I稱為最小熔化電流或稱臨界電流。 I與I