电气工程概论第二章电机与电器

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四、真空断路器
（一）真空断路器概述
• 利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器称为真空 断路器。
• 真空灭弧室的压力值在1.33×10-2 ~1.33×10-5 Pa之间。 • 目前真空电路器已广泛应用于10、35kV的配电系统中，额
定开路电流已能做到50~100kA。 • 真空灭弧室的绝缘性能好，触头开距小：12kV对应开距约
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三、低压控制电器
（一）低压接触器概述
低压接触器是电气传动和自动控制系统中应用最广的 一种电器，适用于远距离频繁的接通和分断交、直流主电 路及大容量控制电路，其主要控制对象是电动机，也可用 于控制照明设备、电焊机、电容器、电热设备等负载。
（二）控制继电器概述
电磁式控制继电器是根据电磁吸合和释放原理而动作 的继电器。
（4）避雷器运行过程中应经常监视和维护，有条件的电站型 阀式避雷器应安装动作次数记录装置。碳化硅避雷器和金属氧化 物避雷器应按有关标准定期测试性能，发现隐患应及时退出运行。
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三、电抗器
电抗器属于感性元件，同电容器一样，也是一种基本的电器 元件。电抗器主要用于实现电力系统和工业用户的限流、无功补 偿、移相等功能，是电力、冶金、化工、电气化铁路等供电、输 变电系统中所必需的重要设备。
tan (%)
0.2 1
0.1
*
0 0
***
20 40 60 温度T / C
1—纸介质电容器 2—膜/纸复合介质电容器 2 3—全膜介质电容器
*3
80 100
不同介质的tan 温度特性
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（2）自放电时间常数T，T=RC,其中R是电容器的绝缘电阻，C为 电容器的标称值。自放电时间常数T也是衡量电容器性能、制造 工艺的重要指标，通常认为T越大越好。
（二）开关电器技术参数
1 额定电压：额定电压是指开关电器设计时所采用的标称电 压。
3
2 额定电流：开关电器在额定频率下能长期通过而各个金属 部分和绝缘部分的温升不超过长期工作时最大容许温升的 最大标称电流。
3 额定短时耐受电流（热稳定电流）：额定短时耐受电流是 高压开关电器在规定时间内能够通过而其温升不超过规定 条件的最大标称电流，主要反映开关电器承受短路电流热 效应的能力。
峰值电压/kV
10
9
8
7 6
ZnO场强
中场强
SiC 高场强
105 104103 102101 100 101 102 103 104 105 电流峰值/A
ZnO阀片伏–安特性曲线
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3、避雷器的选择、使用和维护注意问题
（1） 避雷器连续雷电冲击保护能力。碳化硅避雷器没有连 续雷电冲击保护能力；氧化锌避雷器有连续雷电冲击保护能力。
（三）熔断器过电压
熔断器的额定电压必须 大于或等于电网的额定电压。 过电压倍数与电路的参数、 熔体的长度有关。一般过压 倍数取2~2.5倍的额定相电 压。
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第二节 变换电器
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一、变压器基本原理
（一）变压器的工作原理
变压器是通过电磁感应原理，通过电磁耦合实现电能 传递的一种静止电气设备，主要由铁芯及绕在铁芯上的绕 组构成。
（三）避雷器
避雷器实质上是一种放电器，可优先于被保护电器放电动作， 限制由线路传来的雷电冲击电压和操作过电压，完成保护后迅速 恢复原来对地绝缘的状态，准备下次保护动作，同时使系统恢复 正常工作状态。
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2、阀式避雷器
根据阀片材料的不同，阀式避雷器可分为碳化硅阀式避雷器 和金属氧化物阀式避雷器两种。
六氟化硫、氮气、空气
随着聚丙烯电工薄膜等材料的出现，电力电容器很快
由全纸介质经过纸膜复合介质向全膜介质发展。全膜电力
电容器具有击穿场强高、局部放电电压大、介质损耗低、
体积电阻率高、运行寿命长、安全可靠等诸多优点，在我
国得到了广泛的应用。
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（二）电力电容器参数
1 基本参数
（1）额定电容CN,电力电容器的设计值； （2）额定电压UN,表示正常运行时加到电容器上的额定电
（1）碳化硅避雷器
将多个串联的保护间隙和串联的阀片相串联，压紧密封在 避雷器瓷套内，阀片的材料采用金刚砂为主要成分。
雷电过电压 保护后电压
R 保护间隙
并联均压电阻器
R
被保护的
变压器
R
阀片（非线性电阻）
普通型碳化硅避雷器结构简图
0
U
金刚砂颗粒非线性电阻 33
(2)金属氧化物避雷器(MOA)
金属氧化物避雷器由压紧密封在避雷器瓷套内的若干片ZnO 阀片构成。氧化锌阀片外加氧化铋及其它金属氧化物粉碎烧结成 园饼状或环状，上下端面喷有金属电极，侧面涂有绝缘釉。这种 阀片具有非常优异的非线性特性，在高压下电阻很小，泄放雷电 流的同时能保持低残压,伏安特性曲线见下图：
（3）耐压性和比特性：电力电容器出厂前必须经过各种测试， 其中极间耐压试验和极对壳耐压试验十分重要，其性能的好坏将 直接影响到投入运行后电容器的可靠性和安全性。比特性是表征 电力电容器质量与容量关系的一个参数，单位为kg/kvar。
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（三）并联电力电容器
1 并联电力电容器的结 构
高压并联电力电容器 由许多电容器元件串联或 夹板 并联组成，通常还附加一 些辅助部件和结构，以满 包封件 足电容器运行时的绝缘、 散热、机械保护等方面的 需要。
真空灭弧室主要由以下部件 组成： 1 绝缘外壳 2 屏蔽罩 3 波纹管 4 动、静触头
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五、六氟化硫断路器
（一）六氟化硫断路器概述
六氟化硫（SF6）断路器是利用SF6气体作绝缘与灭弧介 质的断路器。 优点：与油断路器比较，SF6断路器具有断流能力强，灭弧 速度快，电绝缘性能好，检修周期长的优点。比较适于频 繁操作，而且没有燃烧爆炸的危险。 缺点：要求断路器加工精度很高，密封性能要求很严，因 此价格比较昂贵。
1）电压互感器的二次侧绕组绝对不允许短路。
2）电压互感器的二次侧绕组和铁芯必须可靠接地。
3）电压互感器的二次侧负载不易接太多，以免降低负载
阻抗，影响测量准确性。
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第三节 限制电器
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一、电力电容器
（一）电力电容器分类和用途
电容器是一种基本的电器元件，两个相互靠近的平行 板即可构成一个最简单的电容器，两极板间的绝缘材料称 为电介质。应用在电力系统中的电容器称为电力电容器， 其基本功能是存储电能（电荷），可用来实现对电网的无 功补偿（限制功率因数下降）、滤除高次谐波（限制高次 谐波电流）等功能，对提高电能质量、提高电网运行的经 济性、可靠性有重要的作用。
（2）避雷器使用寿命。避雷器使用寿命与许多因素有关，除 了制造工艺、机械故障、密封失效受潮等因素外，避雷器阀片的 老化速度是影响寿命的关键因素。碳化硅避雷器和无间隙氧化锌 避雷器寿命有效使用寿命通常在7-10年；串联间隙氧化锌避雷器 寿命可达20年以上。
（3）避雷器通常应垂直安装，且周围留有足够的空间；顶部 引线水平压力不得超过允许值；对于由多节元件组装的避雷器， 应严格按照出厂标号组装。
（2）截断电流小。真空断路器使用中的一个严重问题是截 流过电压高，往往使被控制的电器设备的绝缘受到损坏， 降低这种过电压的有效措施是减小截断电流值，而截流值 的大小与触头材料有关。
（3）抗熔焊性能好。
（4）含气量低。放气量太多会影响灭弧室的真空度，放气 量的多少取决于材料的性质。
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（三）真空灭弧室的基本结构
2 基本运行参数 （1）变压器负载运行，二次侧端电压变化率∆u%。
变压器外特性
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（2）变压器损耗Σp。
（3）变压器效率η。
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（五）变压器应用综述
1 电力变压器
电力变压器用途示意图 我国的电压等级及相应的输电容量和输电距离
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三、三相变压器
1 三相组式变压器
2 三相芯式变压器
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五、自耦变压器
4 额定峰值耐受电流：额定峰值耐受电流是指开关电器在规 定条件下能够通过，而不发生机械损坏的最大标称电流， 主要反映开关电器承受短路电流电动力效应的能力。
4
二、低压断路器
（一）低压断路器概述
低压断路器主要用于配电线路和电气设备的过载、欠 压、失压和短路保护，常在低压大功率电路中作为主控电 器。额定电压一般为380~1200V。由于断开电路时产生的电 弧较大，容易烧毁触头，故不适于频繁操作。按电源类型 分为交流式和直流式低压断路器。
为10mm，40.5kV的约为25mm...
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（二）触头材料
触头材料除了要求具有一定的导电、导热和机械性能 外，还必须具备下述要求：
（1）耐弧性能好。真空断路器的特点是不需检修，因此要 求触头能够耐受少则8－12次，多则30－50次开合额定短路 电流时对触头的烧损，还要求具有开合几千上万次额定电 流的能力。
压(有效值)；
（3）额定电流IN,电容器正常工作时的电流有效值。 （4）额定无功功率Q，等于电容器额定电压和额定电流的
乘积。
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2 性能指标
（1）损耗角正切， tan P /Q ,其中P是电容器在交流电压作用下，
其内部的介质、熔丝、放电器件等产生的总有功损耗。损耗角正 切越大，电容器相对有功损耗越大，内部发热越严重；反之，电 容器发热较轻，电容器的质量及运行状况较好。通常损耗角正切 会随外施电压和温度而有所变化。
I2
A
电流互感器工作原理图
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2、使用注意事项 （1）电流互感器二次侧绕组绝对不允许开路。 （2）电流互感器的二次侧绕组和外壳必须可靠接地，以防止因 绝缘击穿而危害人身安全。
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电压互感器工作原理图
（二）电压互感器(TV) （1）工作原理
•
U1
接负荷
•
•
U2
V
（2）电磁式电压互感器使用时的注意事项：
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六、熔断器
（一）熔断器概述
电路中通过短路电流或长期过负载 电流时，利用熔体本身产生的热量将 自己熔断，从而切断电路，达到保护 电气设备和载流导体的目的。
熔断器的基本结构由金属熔体、支 持熔体的触头和外壳组成。
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（二）熔断器的安秒特性
熔体的熔断时间与通过 的电流的关系称为熔断器的 安秒特性。
变压器原理图
变比k=W1/W2
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（二）常用变压器
1 油浸式变压器 变压器油主要起绝缘和散热两个作用。分接开关用来改变高压 侧绕组的匝数。
2 干式变压器 用环氧树脂浇注的变压器称为环氧树脂干式变压器。
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（三）变压器基本参数及性能指标
1 基本参数
（1）额定电压U1N, U2N。三相变压器指线电压。 （2）额定容量SN。单相SN =I1N U1N =I2N U2N ,三相… （3）额定电流I1N, I2N 。根据额定电压和额定容量计算得出。 （4）额定频率fN。我国规定工业用电频率为50Hz。
•
+
•
U
•
I2
IR
•
I1
•
I2
0
2
•
U
C
1
•
I
•
L
I2
•
-
I1
等值电路
相量图
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无功补偿示意图
二、避雷装置和避雷器
（一）雷闪放电与过电压
雷闪过电压。发生雷闪时，除了会产生直击雷过电压之外， 还会在输电线路中出现感应过电压，这两种过电压均会对输电线 路和电力设备造成危害。
（二）避雷装置
避雷装置是一种接地良好的导电装置，可用来保护物体免 遭雷击，它主要由引雷装置、接地装置和连接它们的引下线组成。 按照引雷装置的形式。
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电容器的电性能很大程度上取决于绝缘介质的材料性能，通 常总是希望介质的耐压性能好、介电常数大、损耗角正切小、体 积电阻率高、耐老化性能好、介质无污染。根据介质的形态，电 力电容器常用的介质见下表所示。
电力电容器常用介质分类
种类 固体介质
液体介质
气体介质
材料介质 聚丙烯薄膜、聚酯薄膜、电容器纸
十二烷基苯、二芳基乙烷、 苄基甲苯、蓖麻油、SAS-40
1 自耦变压器的结构
自耦变压器 2 优缺点 优点：用料省，体积小，效率高，造价低； 缺点：两绕组间有直接的电联系。
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五、互感器
互感器是利用变压器的电磁感应原理，将大电量信号变换 为小电量信号以方便测量的一种设备，可分为电流互感器和电压 互感器。
（一）电流互感器（TA）
1、工作原理
•
接负荷
I1
•
•
出线套管
出线连接片 组间绝缘 紧固带 外壳 电容器元件
并联电力电容器
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2 并联电力电容器的应用
并联电容器主要用在交流电力系统中，用来进行无功补偿、 提高功率因数、降低线路损耗，发挥输变电设备效能。
（1）补偿原理
电力系统中的感性负载较大时，会使母线上的电流滞后电 压一定的电角度φ,称之为功率因数角。φ角的增大会增加系 统的无功功率，造成电力系统及用户设备容量的浪费。采用并 联电力电容器可以提高功率因数、降低线路损耗。
第二章 电机与电器基础
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第一节 开关电器
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一、概述
（一）开关电器概述
1 断路器：电力网正常工作和发生故障时关合和开断电路。 2 隔离开关：将高压设备与电源隔离，以保证检修工作人员
的安全。 3 熔断器：电路发生故障或短路时,依靠熔件的熔断来开断
电路。 4 低压控制电器：接通和分断低压交、直流的控制电路。