1、第一節(jié) 導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱 第二節(jié) 導(dǎo)體的長(zhǎng)期發(fā)熱與載流量 第三節(jié) 導(dǎo)體的短時(shí)發(fā)熱 第五節(jié) 導(dǎo)體的短路電動(dòng)力 第七節(jié) 開(kāi)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(guò)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(dòng)力及開(kāi)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(duì)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

2、QR 太陽(yáng)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(duì)流傳遞的熱量QC：由流體各部分相對(duì)位移將熱量帶走的過(guò)程。 根據(jù)對(duì)流條件的不同，可分為: 自然對(duì)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(duì)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(dòng)，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(guò)程。 式中：導(dǎo)體材料的相對(duì)輻射系數(shù)； Fr導(dǎo)體材料的相對(duì)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(guò)程，該項(xiàng)一般忽略不計(jì)。,第二節(jié) 導(dǎo)體的長(zhǎng)期發(fā)熱與載流

3、量,導(dǎo)體的溫升過(guò)程 導(dǎo)體的允許載流量,導(dǎo)體的溫升過(guò)程,根據(jù)能量守恒原理，一般有： 工程上為方便計(jì)算，導(dǎo)熱方式的換熱量很小，忽略不計(jì)；對(duì)輻射換熱量Qr表示成對(duì)流換熱量Qc相似的形式，則有：,導(dǎo)體的溫升過(guò)程（續(xù)）,設(shè)導(dǎo)體通過(guò)電流時(shí)，在t時(shí)刻溫度為，則溫升為=-0，在時(shí)間dt內(nèi)的熱平衡方程式為： 可變?yōu)椋?當(dāng)時(shí)間由0t時(shí)，溫升由i ，積分得：,導(dǎo)體的溫升過(guò)程（續(xù)）,解得： 令： 則有： 當(dāng)時(shí)間由0時(shí)，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(duì)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)）

4、,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(shí)發(fā)熱,短時(shí)發(fā)熱指從短路開(kāi)始到短路故障切除的很短一段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體的發(fā)熱過(guò)程。 研究的目的是確定導(dǎo)體通過(guò)短路電流時(shí)的最高溫度是否超過(guò)短時(shí)發(fā)熱的最高允許溫度。 短時(shí)發(fā)熱過(guò)程 熱效應(yīng)Qk的計(jì)算,短時(shí)發(fā)熱過(guò)程,短時(shí)發(fā)熱的特點(diǎn)： 絕熱過(guò)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(guò)程的熱平衡方程式為： 而：,短時(shí)發(fā)熱過(guò)程（續(xù)）,代入后并整理得 設(shè)時(shí)間由0

5、到tk（tk為短路持續(xù)時(shí)間）時(shí)，導(dǎo)體由初始溫升i升高到最終溫度f(wàn)，對(duì)上式兩邊積分，有,短時(shí)發(fā)熱過(guò)程（續(xù)）,右邊積分得 其中：,短時(shí)發(fā)熱過(guò)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(chēng)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(wèn)題是：如何求取Qk？,熱效應(yīng)Qk的計(jì)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(jì)算（續(xù)）,短路電流周期分量Qp的計(jì)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(jì)算 式中，T非周期分量的等效時(shí)間。 特別地： 當(dāng)tk大于1秒時(shí)可以不計(jì)非周期分量

6、； 對(duì)無(wú)限大電源供電網(wǎng)絡(luò)，,第五節(jié) 導(dǎo)體的短路電動(dòng)力,導(dǎo)體通過(guò)短路電流時(shí)，相互之間的作用力稱(chēng)為電動(dòng)力。 研究的目的是在短路沖擊電流所產(chǎn)生的電動(dòng)力作用下，確定導(dǎo)體（或電器）能否承受這一電動(dòng)力。 電動(dòng)力的計(jì)算方法 三相導(dǎo)體短路的電動(dòng)力,電動(dòng)力的計(jì)算方法,理論基礎(chǔ)：由畢澳沙瓦定律可知，對(duì)兩平行細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)體，有： 當(dāng)考慮導(dǎo)體截面形狀時(shí)，應(yīng)乘以導(dǎo)體的截面形狀系數(shù)，即： 對(duì)矩形導(dǎo)體,Kf如圖2-15所示； 對(duì)槽形、管型導(dǎo)體,Kf=1,三相導(dǎo)體短路的電動(dòng)力,三相短路電動(dòng)力計(jì)算 三相短路時(shí)，短路全電流的瞬時(shí)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(dòng)力（續(xù)）,中間相短路電動(dòng)

7、力為： 邊上相短路電動(dòng)力為：,三相導(dǎo)體短路的電動(dòng)力（續(xù)）,將三相短路電流代入，有： 可見(jiàn)，三相短路時(shí)，導(dǎo)體間的電動(dòng)力由四個(gè)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(dòng)力（續(xù)）,電動(dòng)力的最大值 （1）三相短路電動(dòng)力的最大值 通過(guò)分析， 時(shí)電動(dòng)力最大。,三相導(dǎo)體短路的電動(dòng)力（續(xù)）,三相短路電動(dòng)力的變化曲線,三相導(dǎo)體短路的電動(dòng)力（續(xù)）,(2) 兩相短路與三相短路最大電動(dòng)力的比較 結(jié)論：三相導(dǎo)體同平面內(nèi)平行布置時(shí)，最大電動(dòng)力發(fā)生在中間相上，三相短路電動(dòng)力最大 。,三相導(dǎo)體短路的電動(dòng)力（續(xù)）,導(dǎo)體振動(dòng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力修正 三相導(dǎo)體固定安裝在絕

8、緣子上，可當(dāng)作兩端固定的彈性梁，其一階固有振動(dòng)頻率為： 當(dāng)一階固有振動(dòng)頻率為50Hz或100Hz時(shí)易發(fā)生機(jī)械共振。因此，應(yīng)進(jìn)行共振校驗(yàn)。,三相導(dǎo)體短路的電動(dòng)力（續(xù)）,工程上常采用動(dòng)態(tài)應(yīng)力系數(shù)來(lái)考慮振動(dòng)的影響，即用下式來(lái)修正: 實(shí)際計(jì)算中，當(dāng)f1較高或較低時(shí)，均取=1；當(dāng)f1在中間范圍內(nèi)（30160Hz）時(shí)，則取曲線中的值。 例2-3,第七節(jié) 開(kāi)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(yáng)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(huì)迅速移動(dòng)、

9、伸長(zhǎng)或彎曲。,第七節(jié) 開(kāi)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(chǎng)發(fā)射 陰極表面的電子在強(qiáng)電場(chǎng)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(yáng)極運(yùn)動(dòng)過(guò)程中撞擊中性質(zhì)點(diǎn)游離為新的自由電子和正離子，這種游離過(guò)程稱(chēng)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(kāi)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(diǎn)相互碰撞而游離出自由電子和正離子的過(guò)程，這一過(guò)程稱(chēng)為熱游

10、離。 熱游離維持電弧穩(wěn)定燃燒。,第七節(jié) 開(kāi)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(chǎng)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(lái)維持電弧燃燒。電弧的形成過(guò)程就是介質(zhì)向等離子體態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程。,第七節(jié) 開(kāi)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(hào)離子或正離子與自由電子相互吸引而中和成中性質(zhì)點(diǎn)的現(xiàn)象，稱(chēng)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?chē)橘|(zhì)中的現(xiàn)象，稱(chēng)為擴(kuò)散去游離。,第七節(jié) 開(kāi)關(guān)電器中電弧的產(chǎn)生及熄滅,四、電弧的主

11、要危害 1.電弧的高溫，可能燒壞電器觸頭和觸頭周?chē)钠渌考?；?duì)充油設(shè)備還可能引起著火甚至爆炸等危險(xiǎn)。 2.在開(kāi)關(guān)電器中，觸頭間只要有電弧的存在，電路就沒(méi)有斷開(kāi)，電流仍然存在，電弧的存在延長(zhǎng)了開(kāi)關(guān)電器斷開(kāi)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。 五、電弧特性 1、直流電弧的特性 短弧：幾毫米長(zhǎng)，電弧電壓主要由陽(yáng)極、陰極電壓降組成。電弧電壓是與電流、外界條件無(wú)關(guān)的常數(shù)，約為20V左右。 長(zhǎng)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(zhǎng)度成正比。,第七節(jié) 開(kāi)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(zhǎng)電弧，增大

12、電弧電阻和電弧電壓； （2）增大線路電阻，如熄弧過(guò)程中串入電阻； （3）長(zhǎng)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(lái)熄弧，另一方面采用逐步增大串聯(lián)電阻的方法來(lái)熄弧。 3、交流電弧的特性 交流電弧的伏安特性為動(dòng)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(guò)零一次，電弧會(huì)暫時(shí)自動(dòng)熄滅,第七節(jié) 開(kāi)關(guān)電器中電弧的產(chǎn)生及熄滅,“自然過(guò)零” 電流過(guò)零時(shí)，電弧自然熄滅。 如果電弧是穩(wěn)定燃燒的，則電弧電流過(guò)零熄滅后，在另半周又會(huì)重燃。 如果電弧過(guò)零后，電弧不發(fā)生重燃，

13、電弧就熄滅。,第七節(jié) 開(kāi)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)。 弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過(guò)程ud（t）,第七節(jié) 開(kāi)關(guān)電器中電弧的產(chǎn)生及熄滅,弧隙電壓的恢復(fù)過(guò)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(guò)零點(diǎn)，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(guò)程分析,單相交流電路的電壓恢復(fù)過(guò)程 斷路器開(kāi)斷三相短路時(shí)可用 單相電路等值。 弧隙電壓恢復(fù)過(guò)程就是熄弧 電壓ur0過(guò)渡到電源電壓的過(guò)程。 電壓恢復(fù)過(guò)程很短，恢復(fù)過(guò) 程中認(rèn)為電源電壓保持熄弧時(shí) 電壓不變。,第

14、八節(jié) 弧隙電壓恢復(fù)過(guò)程分析,等值電路如圖所示： 當(dāng)Q突然合閘時(shí)，有： 代入并整理得： 其特征根為：,第八節(jié) 弧隙電壓恢復(fù)過(guò)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(guò)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(jiǎn)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(guò)程分析,下面討論三種情況： （1） ，1和2為不等的負(fù)實(shí)根，這時(shí)恢復(fù)電壓為非振蕩的，可簡(jiǎn)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(diǎn)的斜率。 那么，過(guò)零時(shí)恢復(fù)電壓上升速度為：,第八節(jié) 弧隙電壓恢復(fù)過(guò)程分析,（2） ，1和2為共軛復(fù)根，這時(shí)恢復(fù)電壓

15、為周期振蕩的，可簡(jiǎn)化為： 其中： 如果觸頭間沒(méi)有并聯(lián)電阻， 即r=時(shí)， 式中：,第八節(jié) 弧隙電壓恢復(fù)過(guò)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(shí)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(guò)程分析,（3） ，1和2為相等的負(fù)實(shí)根，這時(shí)恢復(fù)電壓為非周期的，可簡(jiǎn)化為： 其中： 當(dāng)t時(shí)，有： 這種情況趨于振蕩情況，稱(chēng)為臨界情況。 可以求出臨界情況下弧隙并聯(lián)電阻值：,第八節(jié) 弧隙電壓恢復(fù)過(guò)程分析,三相交流電路不同短路形式的工頻恢復(fù)電壓 開(kāi)斷單相短路 開(kāi)斷中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的三相短路 首先開(kāi)斷相斷口上的工頻恢復(fù)電

16、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(guò)程分析,開(kāi)斷中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)的三相短路 開(kāi)斷兩相短路 開(kāi)斷中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中的兩相短路時(shí)，工頻恢復(fù)電壓為相電壓的1.3倍； 開(kāi)斷其余情況的兩相短路時(shí)，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(dòng)方向與電弧弧柱 軸線平行，使電弧冷卻、變細(xì)。 橫吹：吹動(dòng)方向與電弧弧柱軸線垂直，使電弧拉長(zhǎng)、表面積增大。 磁場(chǎng)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)

17、 （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(diǎn)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(guò)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(wú)均壓電容時(shí)，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(kāi)關(guān)中的滅弧方法 利用金屬滅弧柵滅弧 利用一個(gè)金屬滅弧柵將電弧分為多個(gè)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(gè)或幾個(gè)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(kāi)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(guò)規(guī)定電流時(shí)，發(fā)熱穩(wěn)定而且溫度不超過(guò)允許值； （4）通過(guò)短路電流時(shí)，具有足夠的動(dòng)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性； （5）開(kāi)斷規(guī)定的短路電流時(shí)，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 15，1