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%
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。
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
U N U NS
(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．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、额定电压和额定电流选择 i i
es sh
U N U Ns
I N I max
3.开断电流选择
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4.短路关合电流选择
I Nbr I pt
5.短路热稳定和动稳定校验
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2 t
或
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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。
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。
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。
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 t
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)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。
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。
(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。
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
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。
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。
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。