第六章 导体和电气设备的原理与选择

3．环境条件对设备选择的影响
1)非高原型的电气设备使用环境的海拔高度不超过1000m。 2)当海拔在1000-3500m范围内，若海拔制造厂家规定值每升高 100m，则电气设备允许最高工作电压要下降1%。当最高工作电压 不能满足要求时，应采用高原型电气设备，或采用外绝缘提高一级 的产品。 3)对于110kV及以下电气设备，由于外绝缘裕度较大，可在海拔 2000m以下使用。 4)一般使用的额定环境温度θ 0 = + 40℃，如周围环境温度高于＋ 40 ℃ （但小于+ 60 ℃ ）时，其允许电流一般可按每增高1 ℃ ， 额定电流减少1.8％进行修正；当环境温度低于＋40℃时，环境温 度每降低1 ℃ ，额定电流可增加0.5%，但其最大电流不得超过额 定电流的20%
热电子发射：触头分离瞬间，接触电阻突然加大而产生的高温及电弧燃 烧，使阴极表面出现强烈的炽热点，将阴极金属材料内的大量电子不断 逸出金属 表面； 强电场电子发射：当触头刚分开时，触头间距离很小，则产生很强的电 场强 度（3x106V/m以上），阴极表面的电子就会被电场力拉出而形成触头空 间的自由电子。这种强电场发射是在弧隙间最初产生电子的主要原因。
一、电弧的形成与熄灭 电弧：用开关电器切断通有电流的线路时，只要电源电压大于10-20V， 电流大于80-100mA,在开关电器的动、静触头分离瞬间，触头间就会出 现电弧电弧。 特点：电弧是导电的。电弧电弧弧柱中出现了大量自由电子。
1．电弧的形成和弧隙介质的游离与去游离 产生：及维持是触头绝缘介质的中性质点（分子和原子）被游离的结果。 游离：中性质点转化为带电质点。电弧的形成过程就是气态介质或固态、 液态介质高温气化后向等离子体态的转化过程。因而，电弧是一种游离 的气体放电现象。
电弧电压波形
介质强度恢复过程曲线
近阴极效应： 在t=0电流过零瞬间，介质强度突然出现oa升高的现象， 原因：在电弧过零之前，弧隙充满着电子和正离子，当电 流过零后，弧隙的电极极性发生改变，弧隙中的电子立 ‘即向新阳极运动，而比电子质量大一千多倍的正离子则 基本未动，从而在新阴极附近呈现正离子层空 间，其电导很低，显示出一定的介质强度，约在0.1-1μs的 短暂时间内有150-250V起始介质强度。对交流低压电气设 备的熄弧有利。继后的介质强度的增长速度和恢复过程， 将与电弧电流的大小、介质特性、触头分离速度和冷却条 件等因素有关。
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tin为断路器固有分闸时间 ta为断路器开断时电弧持续时间
第二节高压断路器和隔离开关的原理与选择 高压断路器主要功能： 正常运行倒换运行方式，把设备或线路接入电网 或退出运行，起着控制作用；当设备或线路发生故障 时，能快速切除故障回路，保证无故障部分正常运行， 起着保护作用。 特点：是能断开电器中负荷电流和短路电流。 高压隔离开关的主要功能： 保证高压电器及装置在检修工作时的安全，不能 用于切断、投入负荷电流或开断短路电流，仅可允许 用于不产生强大电弧的某些切换操作。
结论： 游离和去游离是电弧燃烧中的两个相反过程，这两 个过程的动平衡，将使电弧稳定燃烧。若游离过程大于 去游离过程，将会使电弧愈加强烈地燃烧；反之，将会 使电弧燃烧减弱，以致最终熄灭。 开关电器中，为了加强灭弧能力，都采用各种措施 减弱游离过程，从等离子体观点来看，也就是控制温度， 使触头间的介质由等离子体态转化为其他物态。
2．交流电弧的熄灭 交流电弧特点：具有过零值自然熄灭及动态的伏安特性两 大特点。 由于弧柱的热惯性，电弧温度变化即热游离程度变化滞后 于电流变化，因而电弧电压呈马鞍形。 燃弧电压：A点是电弧产生时的电压，称为燃弧电压， 熄弧电压：而B点是电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压。 燃弧电压大于熄弧电压。 (1)交流电弧的熄灭条件 1)弧隙介质强度恢复过程：是指在电弧电流过零时电弧熄灭， 而弧隙的绝缘能力要经过一定的时间恢复到绝缘的正常状态 的过程称之为弧隙介质强度的恢复过程，以耐受电压Ud(t） 表示。 弧隙介质强度Ud (t)主要由断路器灭弧装置的结构和灭弧 介质的性质、断路器型式而定。 电力系统中常用的灭弧介质有油（变压器油或断路器油）、 空气、真空、SF6等。
2)弧隙电压恢复过程 指电弧电流自然过零后，电源施加于弧隙的电压，将从不大 的电弧熄灭电压逐渐增长，一直恢复到电源电压的过程，这 一过程中的弧隙电压称为恢复电压，以Ur (t)表示。 电压恢复过程主要取决于系统电路的参数，即线路参数、负 荷性质等。 熄弧条件：在电弧电流过零时，弧隙中间同时存在着两个恢 复过程，即介质强度恢复过程和电源电压恢复过程。断路器 开断交流电路时，熄灭电弧的条件应为耐受电压Ua ( t )大于 恢复电压Ur (t)。如果电源恢复电压高于介质强度耐受电压， 弧隙就被电击穿，电弧重燃；反之，电弧便熄灭。
去游离:复合和扩散使带电质点减少。 复合: 正离子和负离子互相吸引，结合在一起，电荷互相中 和的过程。通常，电子在碰撞时，先附在中性质点上形成 负电荷离子，速度大大减慢，与正离子复合。 扩散： 带电质点从电弧内部逸出而进入周围介质中的现象。 扩散去游离主要有： ①浓度扩散：带电质点将会由浓度高的弧道向浓度低的弧 道周围扩散，使弧道中的带电质点 减少； ②温度扩散：弧道中的高温带电质点将向温度低的周围介 质中扩散。
发电厂电气部分
第六章 导体和电气设备的原理与选择
主要设备的原理 导体及电气设备的选择 选择条件 校验条件

第一节电气设备选择的一般条件 按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验热稳定和动 稳定。 一、按正常工作条件选择电气设备 1.额定电压 电气设备的额定电压不低于装置地点电网额定电压
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4)采用多断口灭弧 每相采用两个或多个断口串联，把长弧变成短孤。 5)提高断路器触头的分离速度 迅速拉长电弧，使弧隙的电场强度骤降。
二、断路器开断短路电流的工作状态分析
断路开断短路电流 (a)开断短路 (b)等值电路
恢复电压非周期性变化过程
周期性振荡恢复电压
三、高压断路器选择 1．断路器种类和型式的选择 按照断路器采用的灭弧介质可分为油断路器（多 油、少油）、压缩空气断路器、SF6断路器、真空 断路器等
(2)高压断路器熄灭交流电弧的基本方法。 电弧能否熄灭，决定于电弧电流过零时，弧隙的介质 强度恢复速度和系统恢复电压上升速度的竟争。如果加 强弧隙的去游离或减小弧隙电压的恢复速度，都可以促 使电弧熄灭。 采用以下几种方法灭弧
1)利用灭弧介质。电弧中的去游离程度，在很大程度上取决于 电弧周围介质的特性，如介质的传热能力、介电强度、热游温 度和热容量。这些参数的数值越大，则去游离作用越强，电弧 就越容易熄灭。氢的灭弧能力是空气的7.5倍，用变压器油或 断路器油作灭弧介质，使绝缘油在电弧的高温作用下分解出氢 气（H2约占70％一80%）和其他气体来灭弧； 六氟化硫（SF6）是良好的负电性气体，氟原子具有很强的吸 附电子的能力，能迅速捕捉自由电子而成为稳定的负离子，为 复合创造了有利条件，因而具有很好的灭弧性能，SF6气体的 灭弧能力比空气约强100倍；用真空（气体压力低于133.3 x 10`4 pa）作为灭弧介质时，在弧隙间自由电子很少，碰撞游 离可能性大大减少，况且弧柱对真空的带电质点的浓度差和温 度差很大，有利于扩散，真空的介质强度比空气约大15倍。采 用不同介质可以制成不同类型的断路器，如空气断路器、油断 路器、SF6断路器、真空断路器等。
二、按短路状态校验 1.短路热稳定校验 短路电流通过电器时，电气设备各部件温度（或发热效应）应不超 过允许值。满足热稳定的条件为
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2．电动力稳定校验 电动力稳定是电器承受短路电流机械效应的能力，亦称动稳定。满足动稳 定的条件为
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或
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下列几种情况可不校验热稳定或动稳定： (1)用熔断器保护的电气设备，其热稳定由熔断时间保 证，故可不验算热稳定。
2、额定电压和额定电流选择 i i
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3.开断电流选择
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4.短路关合电流选择
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5.短路热稳定和动稳定校验
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四、隔离开关的选择 隔离开关的工作特点是在有电压、无负荷电流情况下，分、合电路。 其主要功用为： (1)隔离电压。在检修电气设备时，用隔离开关将被检修的设备与电源 电压隔离，以确保检修的安全。
碰撞游离: 阴极表面发射出的电子和弧隙中原有的少数电子在强电场能的作用下， 向阳极方向运动，并不断地与其他粒子（如气体原子、分子）发生碰撞， 将中性粒子中的电子击出，游离成正离子和新的自由电子，新产生的电子 也向阳极加速运动，同样也会使它所碰撞的中性质点游离。碰撞游离连续 进行就可能导致在触头间充满了电子和离子，从而介质被击穿，电流急剧 增大出现光效应和热效应而形成电弧。
热游离: 由于在电弧燃烧过程中，弧柱中的电导很大，则电位梯度很小，电子 不能获得必需的位能，于是碰撞游离已不可能。然而电弧产生之后，弧隙 的温度很高，中性质点不规则热运动速度增加，具有足够动能的互相碰撞 游离出电子和正离子，这种现象称为热游离。一般气体开始发生热游离的 温度为9000-10000℃；金属蒸气的热游离温度约为4000-5000 ℃ 。因为 开关电器的电弧中总有一些金属蒸气，而弧心温度总大于4000-5000℃ ， 所以，热游离的强度足可维持电弧的燃烧。
(2)采用有限流电阻的熔断器保护的设备，可不校验动稳定。
(3)装设在电压互感器回路中的裸导体和电气设备可不校验 动、热稳定。
3.短路电流计算条件 短路电流应按下列条件确定： (1)容量和接线。按本工程设计最终容量计算，并考虑电力 系统远景发展规划（一般为本工程建成后5-10年）；其接线 应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式，但不考虑在 切换过程中可能短时并列的接线方式（如切换厂用变压器时 的并）。
(2)短路种类。一般按三相短路验算，若其他种类短路较三 相短路严重时，则应按最严重的情况验算。
(3)计算短路点。在计算电路图中，同电位的各短路点的短 路电流值均相等，但通过各支路的短路电流将随着短路点的 位置不同而不同。在校验电器和载流导体时，必须确定电气 设备和载流导体处于最严重情况的短路点，使通过的短路电 流校验值为最大。
2）采用特殊金属材料作灭弧触头 熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属作触头材料， 可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸气，抑制游离作用。 同时，触头材料还要求有较高的抗电弧、抗熔焊能力。常 用的触头材料有铜、钨合金和银、钨合金等。 3)利用气体或油吹动电弧 吹弧使带电离子扩散和强烈地冷却而复合。在高压断路器 中利用各种结构形式的灭弧室，使气体或油产生巨大的压 力并有力地吹向弧隙。空气断路器利用充入压力约 2.3MPa（即20atm）干燥压缩空气作为吹动电弧的灭弧 介质；SF6断路器利用0.304-0.608MPa（即3-6atm）纯 净SF6气体作为灭弧介质；油断路器利用油和油在电弧作 用下分解出的气体吹动电弧。
4.短路计算时间 验算热稳定的短路计算时间tk为继电保护动作时间tpr和相应断 路器的全开断时间tbr之和，即
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tpr取保护装置的后备保护动作时间，而tbr是指对断路器的分闸脉冲传 送到断路器操作机构的跳闸线圈时起，到各相触头分离后的电弧完全 熄灭为止的时间段。包括两个部分，即
2．额定电流 IN应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流 Imax
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1)发电机、调相机和变压器在电压降低5％时，出力保持 不变，故其相应回路的Imax=1.05IN ； 2)若变压器有可能过负荷运行时， Imax=(1.3~2) IN； 3)母联断路器回路一般可取母线上最大一台发电机Imax； 4)母线分段电抗器Imax 应为母线上最大一台发电机跳闸时， 保证该段母线负荷所需的电流，或最大一台发电机额定电 流的50％-80%； 5)出线回路的Imax 除考虑正常负荷电流外，还应考虑事故 时由其他回路转移过来的负荷。