电工原理与电气设备2

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大多数开关电器的灭弧装置,都是采用加强弧隙介 质强度的恢复措施,使交流电弧电流过零值时熄灭。
8、开关设备常用的灭弧方法
(1)利用气体或油吹弧
吹弧气流产生方法: 用油气吹弧 用压缩空气或SF6吹弧 产气管吹弧
吹弧方向分为: 纵吹 横吹 纵横吹
(2)将长电弧分割为短电弧 由于受到电磁力的作用,
电弧从金属栅片的缺口处 被引入金属栅片内,一束 长弧就分割成多个串联短 弧。如果外加电压不足以 维持全部短电弧时,电弧 即迅速熄灭。
二、断路器分类
1、按绝缘介质分 油断路器
4、按使用范围 高压断路器
真空断路器
低压断路器
SF6断路器 压缩空气断路器
其它(磁吹断路器、产气断路器等)
2、按安装地点分
户内型
户外型
3、按操作性质分
手动操作
机械操作
电磁操作
三、不同断路器的结构及特点
断路器基本结构
通断元件:断路器的核心部分,由 触头、导电部分、灭弧介质、灭弧 室组成。 中间传动机构:使断路器分闸、合 闸并将断路器保持在合闸位置、用 来将操动机构与通断元件联系起来 的设备。 绝缘支撑元件:保证带电部分与地 的绝缘。 操动机构:起控制通断元件作用。 基座:分上、下基座,连接断路器 与电动操作机构,由高强度、电气 性能优良的绝缘材料压制而成。
1. 触头的概念
电气触头是指两个或几个导体之间相互接触的部分,如 母线或导线的接触连接处以及开关电器中的动、静触头。
触头一般由铜、黄铜和青铜等材料制成。为防止触头表 面被氧化,一般需要采取镀锡、镀银和涂防腐漆和凡士林 油等措施加以防护。
2. 对电气触头的基本要求
(1)结构可靠; (2)接触电阻小且稳定,导电性能和接触性能良好; (3)通过规定电流时,发热稳定而且不超过允许值; (4)通过短路电流时,有足够的动稳定性和热稳定性; (5)开断规定的短路电流时,触头不被灼伤,不发生熔焊。
加在每一断口上的电压成倍减少,降低了弧隙的恢复电压, 亦有利于熄灭电弧。
采用多断口减小了触头行程,也减小了开关电器尺寸。
(5)采用特殊灭弧介质
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。氢气具有较好的灭弧特性,油断路器就是利用 电弧的高温使油分解出大量氢气灭弧。水蒸气、CO2、空 气灭弧性质次之。SF6是一种新型的惰性气体灭弧介质。
(1)电场强度越小,离子运动速度也越小,复合的机 会就较多,所以当交流电压过零时,或者将电弧拉长, 使弧隙间电场强度减小时,都可使复合加强。
(2)温度降低,带电质点的运动速度就减小,复合亦 就加强,因此冷却也是加强复合的有效措施。
(3)电弧与固体介质表面接触,电子首先使介质表面 带电,然后将正离子吸引到代负电的介质表面上强烈复 合,使复合过程得到加强。
运行维护特点:运行维护简单,灭弧室不需要检修;噪 声低;运行费用低;无火灾和爆炸危险。
应 用:因其具有体积 小、重量轻、适用于频繁 操作、灭弧不用检修的优 点,在配电网中应用较为 普及。目前正向大容量化 发展,能满足电力发展的 需要。
ZN65A 真空断路器
(三)SF6断路器
SF6断路器是利用SF6气体为绝 缘介质和灭弧介质的无油化开关
电工原理与电气设备02
110kV变电站 付强
§1.1 开关电器
开关电器的作用:
开关电器是发电厂、变电所以及各类配电装置中不可 缺少的电气设备,它们的作用是:
(1)正常工作情况下可靠地接通或断开电路; (2)在改变运行方式时灵活地进行切换操作; (3)当系统中发生故障时迅速切除故障部分,以保 证非故障部分的正常运行; (4)设备检修时隔离带电部分,以保证工作人员的 安全。
设备,其绝缘性能和灭弧特性都
大大高于油断路器。
SF6气体物理化学性质
SF6原子量为146,密度大约是 空气的五倍。在常温下无色、无
味、无毒且透明的惰性气体,不
可燃、不助燃,非常稳定,通常
情况下很难分解,既不溶于变压 器油也不溶于水。
LW36-126型 户外高压SF6断路器
在电弧放电时,SF6将分解为金属氟化物及SF2 、SF3、 SF4等。当SF6中含有水分时,可能生成HF或SO2 ,对金 属材料、绝缘材料都有很强的腐蚀性。
7、电弧的熄灭
游离是在外施电压和电弧电流的作用下,电子和离子不断产生 的过程,这也是电弧产生和维持的过程。与此同时,在弧柱中还存 在与游离相反的电子和离子消失的过程,它企图使电弧电流减小,
以至熄灭,称之为去游离。
弧隙的去游离主要靠复合和扩散两种形式进行。
a、复合
弧柱中带正电和带负电的质点,运动中互相接触后结合成中性 质点的过程,叫做复合。
户外少油断路器
其缺点是燃弧时间长,动作慢,检修周期短,维修工作 量大,受单元断口的电压限制,发展特高压等级有困难。
运行维护特点:运行经验丰富,易于维护;噪声低;油 质容易劣化;需配备一套油处理装置;存在火灾危险。
应用:在电力系统中被广泛应用,但发展特高压等级有 困难。
(二)真空断路器
灭弧介质和灭弧后触头间隙 的绝缘介质都是高真空。
(1)电弧由三部分组成:阴极区、阳极区和弧柱区。 (2)电弧温度很高。 (3)电弧是一种自持放电现象。 (4)电弧是一束游离的的气体。
5. 电弧的危害 (1)电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间,
加重了电力系统短路故障的危害。 (2)电弧产生的高温,将使触头表面熔化和蒸化,烧
坏绝缘材料,损坏电气设备。 (3)电弧可使电气设备中绝缘油强烈分解,引起充油
3. 触头的分类及结构
按接触面形式分类 (1)点接触 是指两个触头间的接触面为点接触的触
头,如球面和平面接触、两个球面接触等。这种接触点 较固定、接触电阻稳定、触头结构简单;但接触面积小 不宜通过较大电流、热稳定性差。
(2)线接触 是指两个触头的接触面为线接触的触头, 如柱面与平面接触,或两个圆柱面间的接触等都属于线 接触 。这种接触电阻较小,接触面比较稳定。
(6)利用真空灭弧 真空中气体分子少,游离现象微弱,不易产生电弧,
即使产生电弧也容易熄灭。
(7)采用特殊金属材料作灭弧触头 触头材料对电弧中的去游离有一定影响,用铜钨、银
钨等熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属制作触 头,可减少热电子发射和电弧中的金属蒸汽,从而减弱 游离过程,有利于灭弧。
§1.1.2 电气触头
(4)在电极附近复合较强,将电弧分割成几个短电弧 时,将增加电极数,也会使弧柱中的复合加强。
b、扩散
弧柱中带电的质点从电弧内部逸出进入周围介质中 去的现象,称为扩散。
扩散的原因:一是由于电弧和周围介质中离子的浓 度存在差别,二是由于电弧和周围介质中离子的温度存 在差别。
扩散使电弧中的正离子减少,使电弧电导减小,有 利于熄灭电弧。若用较冷的和新鲜的未被游离的气体吹 动电弧,使电弧在周围介质中移动,增加电弧和周围介 质的温度差,同时使电弧不断的与新鲜气体介质接触, 加强电弧的扩散作用,增加去游离,有利于熄弧。
可动触头也叫滑动触头,指在工 作中被连接的导体总是保持接触, 能由一个接触面沿着另一个接触面 滑动的触头。
§1.1.3 断路器
一、断路器的作用及要求
主要作用:
(1)控制作用:用来接通或断开负荷电流; (2)保护作用:由继电保护装置控制其自动迅速地切 断故障电路或故障设备,防止事故扩大。 基本要求: (1)足够的开断能力。 (2)尽快的动作时间。 (3)高度的工作可靠性。 (4)具有自动重合闸性能。 (5)结构简单,价格低廉,操作、检修方便。 (6)足够的机械强度,防火防爆,性能稳定。
电气设备着火甚至爆炸。 (4)由于电弧在电动力、热力作用下能移动,很容易
造成飞弧短路和伤人,或引起事故的扩大。 (5)电弧可能熔焊,破坏电器设备正常工作;亦会产
生高次谐波,干扰附近通信。
★电弧的利用 电焊弧、电弧冶炼、弧光灯等;
电气设备可借助电弧防止产生过 电压和限制故障电流。
6、电弧的产生
(1)强电场发射电子
(3)加快触头分开速度,迅速拉长电弧 交流电路中每隔半个周期,电流进过一次零值,电弧暂
时熄灭,此时如触头距离拉开比较大,电弧就不会重新点 燃。另外,迅速拉长电弧,有利于迅速减小弧柱中的电位 梯度,增加电弧与周围介质的接触面积,加强冷却和扩散 的作用。
(4)利用多断口灭弧
多断口使电弧的总长度 加长,导致弧隙的电阻增 加;电弧被拉长速度成倍 增加,使弧隙电阻加速增 大,提高了介质强度恢复 速度,缩短了灭弧时间。
SF6 分解的低氟化合物能急速再结 合生成SF6,弧隙介质强度恢复过 程极快。
综合评价,SF6灭弧能力相当于 同等条件下空气的100倍。
在弧柱中进行复合的带电质点,主要是正负离子。而电子由于其 运动速度很快,约为离子运动速度的1000倍,与正离子直接复合的 可能性很小。在气体内,复合借助与中性质点进行,即电子在运动 中首先附着在中性质点上,形成负离子。然后,与质量和运动速度 大致相等的正负离子相互吸引、接触而形成中性分子。
影响复合的主要因素:
常用的开关电器:
断路器、隔离开关、熔断器、自动空气开关等。
§1.1.1 电弧的基本概念
1. 电弧的概念:当开关电器开断电路时,电压和电流达 到一定值时,触头刚刚分离后,触头之间就会产生强烈 的白光,称为电弧。 2.电弧的特点:导电性强、能量集中、温度高、亮度大、 质量轻、易变性等。 3.电弧的本质:电弧的实质是一种高温、强光的电游离 现象,是一种气体放电现象。 4. 电弧放电的特征
结构特点: 结构简单,制造方 便,可配用各种操动机构;比多 油断路器油量少、重量轻;采用 积木式结构,便于制成各种电压 等级产品。
户外高压少油断路器
少油断路器
技术特点:开断电流大, 10kV等级可通过加并联回路以 提高额定电流;110kV及以上 电压等级时采用积木结构;全 开断时间较短;增加压油活塞 装置加强机械油吹后,提高开 断电流的能力。
(3)碰撞游离
从阴极表面发射出的电子在电场力作用下高速向阳极运动,运动 过程中不断地与中性质点(分子或原子)发生碰撞。当电子动能足 够大时,就会从中性质点打出一个或多个电子,使中性质点游离。
(4)热游离
弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动,动能很大的中性 质点互相碰撞时,将被游离而形成电子和正离子,称为热游离。
(3)面接触 是指两个平面或两个曲面的接触。在受 到较大压力时,接触点数和实际接触面积仍比较小 。
按结构形式分类 (1)固定触头
固定触头是指连接导体之间不能 相对移动的触头。
固定触头按其连接方式可分为可 拆卸和不可拆卸两类。 (2)可断触头
可断触头按其结构可分为对接式 和插入式两大类。 (3)可动触头
结构主要包含三大部分:真 空灭弧室、电磁或弹簧操动机 构、支架及其他部件。
玻璃灭弧室
ZW32-12户外交流 高压真空断路器
常用的真空灭弧室
陶瓷灭弧室
真空断路器
结构特点:灭弧室材 料及工艺要求高;体积 小、重量轻;触头不易 氧化;灭弧室机械强度 比较差,不能承受较大 的冲击振动。
技术特点:可连续多次操作,开断性能好;灭弧迅速, 开断时间短;开断电流及断口电压不易做得很高;无火灾 危险;开距小,所需操作能量小;开断时产生的电弧能量 小;灭弧室的机械寿命和电气寿命都很高。
SF6的绝缘和灭弧性能
绝缘性能:SF6 绝缘性能稳定,不会老化变质。当气压 增大时,其绝缘性能随之提高。1大气压下SF6绝缘能力超 过空气2倍;3大气压 SF6的绝缘能力和变压器油相当。
灭弧性能: SF6分解时吸收能量 多,对弧柱冷却作用强;SF6气体 电压梯度比空气小3倍,电弧电压
低,对灭弧有利;电弧电流过零时,
开关电器分闸的瞬间,由于动、静触头距离很小,触头间电场强 度很大 ,使触头内部的电子在强电场作用下被拉出来 ,就形成强 电场发射。
(2)热电子发射
当断路器的动、静触头分离时,触头间的接触压力及接触面积逐 渐缩小,接触电阻增大,使接触部位剧烈发热,导致阴极表面温度 急剧升高而发射电子 ,形成热电子发射。
操作机构
分闸指示
储能指示 分闸弹簧
源自文库电动机
行程开关
合闸指示 合闸弹簧
(2)少油断路器 少油断路器主要由底架、绝缘子、
传动系统、导电系统、触头、灭弧 室、油气分离器、缓冲器及油面指 示器等部分组成。
灭弧室装在与大地绝缘的油箱中。 油箱既可用金属做成,也可以用绝 缘材料制成。油仅作为灭弧介质和 断口间绝缘用,而不作对地绝缘用, 用油量少。
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