灭弧原理及主要开关电器共30页文档
第三章灭弧原理及主要开关电器x
提高灭弧效率的方法包 括优化开关电器的结构 设计、采用新型灭弧材 料和加强电场控制等
定义:一种能够接通、承载和分断正常电路条件下的电流,也能在规定的非正常 电路条件下接通、承载一定时间和分断电流的开关电器。
作用:主要用于控制和保护线路、电动机等电气设备,防止短路和过载电流对设 备造成损坏。
工作原理:断路器内部装有触头,当电路发生短路或过载时,触头会断开,切断 电流,从而保护电路和设备。
狭缝灭弧装置:利用狭缝对电弧的冷却和去游离作用,使电弧迅速熄灭。
适用性:根据使用环境和需求选择合适的开关电器
可靠性:确保开关电器能够稳定、可靠地工作
经济性:在满足使用和安全要求的前提下,选择性价比高的开关电器
安全性:选择符合安全标准的开关电器,确保使用过程中不会发生电击、火灾等安全事 故
熄灭
快速切断电流: 通过快速切断 电源来迅速熄
灭电弧
触头在分断过程中产生电弧 电弧在介质中传播,产生热量 触头附近的介质被加热,产生高压气体 高压气体将电弧吹离触头,使电弧熄灭
灭弧效率与开关电 器的性能密切相关
灭弧效率的提高有 助于减小电弧对开 关电器的损害
灭弧效率的评估指 标包括灭弧时间、 灭弧能量和电弧电 压等
主要特点:具有控制容 量大、可频繁操作、寿 命长等优点,但也有噪 音大、体积大等缺点。
应用场合:广泛应 用于电动机的控制 和保护,以及其他 各种电气控制系统。
熔断器是一种用于电路保护的开关电器 当电流超过规定值时,熔断器会因发热而熔断 熔断器具有短路保护功能,可以快速切断故障电路 熔断器的选择应考虑电路的额定电流和短路电流
灭弧原理:断路器在分断电路时会产生电弧,为了熄灭电弧,断路器内部装有灭 弧室或灭弧装置,通过拉长电弧并增加介质强度来熄灭电弧。
灭弧原理及主要开关电器
交流电弧电流在每一个半周内都通过零值,此时电弧的自然暂时熄灭,与电弧间 隙的去游离程度无关。此后,由于电流反向,电弧又重新点燃。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恢复电压上升速度的竞争。 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。
在几千伏或几万伏的高压断路器中灭弧,近阴极效应是无足轻重的。 有决定意 义的是电弧间隙即弧柱中的去游离过程,同时降低恢复电压上升的速度、幅度,抑制 恢复电压可能产生的高频振荡。
广泛采用的灭弧方法:
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。
空气的灭弧性能是各类气体中最差的,氢的灭弧能力是空气的7.5倍。用变压器 油作灭弧介质,使绝缘油在电弧的高温作用下分解出氢气和其他气体来灭弧。六氟化 硫(SF6)气体的灭弧能力比空气约强100倍。真空的介质强度比空气约大15倍。
采用不同灭弧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。由于空气灭弧性能差,而变压器油灭弧性能是依赖电弧电流 产生的高温分解出氢气灭弧,有易燃易爆危险。因此,当前高压断路器主要采用真空 介质及SF6气体介质,尤其是SF6气体具有无毒、不可燃、绝缘性能高和灭弧能力远 超过一般介质的特点,因而SF6断路器几乎独占了110kV及以上电压等级的断路器份 额。 2.采用特殊金属材料作灭弧触头
采用熔点高、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,抑制弧隙介质的游离作用。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。
开关电器典型灭弧装置的工作原理
开关电器典型灭弧装置的工作原理开关电器作为现代电力系统中不可或缺的设备,在电力传输、配电和控制等方面扮演着重要的角色。
然而,在开关电器操作过程中,由于电流突然中断导致的电弧现象给电气设备和人身安全带来了巨大威胁。
为了解决这一问题,开关电器通常配备典型的灭弧装置,本文将介绍几种常见的灭弧装置及其工作原理。
一、消弧室消弧室是一种常见的灭弧装置,其结构特点在于采用开合时间大于或等于交流电流的零电压时长的方式实现电流零交流时消弧。
消弧室通常由两个可移动式电极、一定形状的可移动式活动触头和一定的灭弧介质组成。
当开关电器需要切断电流时,电极分开,触头与电极之间产生电弧。
随后,活动触头以合适的速度向电极移动,当电流通过零时,电极再次接近,最终将电弧排除在灭弧室中,从而实现消弧的目的。
二、磁增强器磁增强器是一种常用的灭弧装置,其原理基于磁场的作用。
磁增强器由线圈和磁芯组成,线圈连接在控制回路中。
当开关电器需要断开电流时,线圈中的电流流过,产生磁场。
磁场的作用使得电弧的移动受到约束,由于磁场的强大作用,电弧失去能量,电流被迫中断。
磁增强器通过这种方式有效地灭弧,确保了设备的安全和可靠性。
三、灭弧腔灭弧腔是一种常见的灭弧装置,其工作原理基于高速喷射气流。
灭弧腔通常由喷口、喷嘴和气体压力调节装置组成。
当开关电器需要切断电流时,喷射装置快速喷射高压气流,形成高速气流。
电弧在高速气流的作用下,受到气流的冷却和扩散,导致电弧能量不断减弱,最终熄灭。
灭弧腔通过喷射气流的方式实现灭弧,有效地保护了开关电器和附近设备的安全。
四、真空灭弧室真空灭弧室是一种高效的灭弧装置,其工作原理基于在真空环境中切断电流。
真空灭弧室由真空室、固定触头和活动触头以及灭弧介质组成。
当开关电器需要中断电流时,固定触头和活动触头分离并产生电弧。
在真空环境中,电弧的扩散速度受到限制,由于缺乏物质传递热量,电弧能量迅速耗散,最终中断电流。
真空灭弧室通过创造真空环境实现高效的灭弧效果,广泛应用于高压开关设备中。
开关电器灭弧原理
开关电器灭弧原理开关电器灭弧原理是保证开关电器能够安全可靠地切断或接通电路的重要机制。
在开关电器切断或接通电路时,由于断开或接触的两个电极中断电弧的产生,这种电弧如果不得到有效的控制,就会给电器设备和人身安全带来严重威胁。
因此,灭弧原理是开关电器设计和运行的重要内容。
一、灭弧原理概述灭弧,即将电弧在安全且稳定的条件下熄灭或压制到一定程度,使其不再对开断或接通电路产生影响。
灭弧原理的基本要求是要求电弧的能量得到控制,从而确保电弧不会破坏电器设备和导线绝缘,并且不会对操作人员造成伤害。
二、灭弧原理分类按照灭弧原理的不同机制,可以将灭弧分为以下几类:1.空气灭弧原理:通过空气的强制流动或拉长电弧长度的方式,使电弧能量耗散,达到灭弧的目的。
常见的空气灭弧原理有磁吹灭弧和液压灭弧等。
2.气体灭弧原理:通过在电弧周围加入特定气体以改变电弧特性,从而控制电弧的能量耗散和熄灭。
常见的气体灭弧原理有气体断流器和充气式断路器等。
3.真空灭弧原理:通过将开关装置内的气体抽空,形成真空环境,从而提高电弧阻断能力和灭弧效果。
真空灭弧原理的例子包括真空断路器和真空开关等。
4.粉末灭弧原理:将特定的灭弧粉末投入到电弧中,通过灭弧粉末的物理、化学反应来降低电弧能量和灭弧。
粉末灭弧原理的代表有高压直流断路器。
1.磁吹灭弧原理:磁吹灭弧原理是通过在电弧产生后在电弧路径上施加强制的磁场,使电弧弯曲和膨胀,从而扩大电弧长度。
这样电弧中的等离子体能量耗散迅速,达到灭弧的效果。
磁吹灭弧原理广泛应用于空气断路器和真空断路器中。
2.液压灭弧原理:液压灭弧原理是通过将液体介质射入电弧中,使电弧弯曲和冷却,从而压制和灭弧。
液压灭弧器在高压直流断路器和气体断流器等开关电器中得到应用。
3.充气式断路器:充气式断路器是通过在电弧路径中注入高压气体,使电弧得到压制和灭弧。
充气式断路器通过调节注气量和压力来控制灭弧效果。
这种原理用于高压开关设备。
4.真空断路器和真空开关:真空断路器和真空开关是通过在开关装置内部建立真空环境来实现灭弧的。
开关电器典型灭弧装置的工作原理
开关电器典型灭弧装置的工作原理开关电器典型灭弧装置主要包括灭弧室、灭弧冲击器、灭弧剂和触头等组成。
当高压开关进行断电操作时,由于断开电源电流的存在,会在断口中产生电弧。
电弧是一种具有高温、高能量的气体导体,它的存在会导致电弧残压和电弧残流产生,严重影响开关电器的正常运行。
因此,通过灭弧装置来迅速灭除电弧是很重要的。
灭弧室是灭弧装置的关键组成部分,它是一个密闭的空间,其内的气体是由开关电器冷却系统提供的。
当电弧被引起时,其能量迅速传递到灭弧室中。
灭弧室内的气体经过一个精确设计的通道,使气体得以迅速冷却和扩散,在瞬间将电弧的温度降低到无法维持的程度,从而将电弧熄灭。
灭弧冲击器是灭弧室的核心部分,它通过产生机械冲击来灭除电弧。
灭弧冲击器的工作原理主要有两种方式:压缩气体方式和磁场作用方式。
压缩气体方式中,灭弧冲击器利用高压气体或压缩空气来产生机械冲击,将电弧的能量转化为机械能。
具体而言,当电弧被引起时,压缩气体或气体爆炸会产生冲击波,使电弧受到冲击而熄灭。
这种方式具有动作迅速、可靠性高的特点。
磁场作用方式中,灭弧冲击器利用电磁场的作用来灭除电弧。
具体而言,当电弧被引起时,灭弧冲击器中的线圈会产生磁场,在磁力的作用下,电弧受到磁力的挤压,电弧道被迅速拉长,电弧温度急剧降低,进而熄灭。
这种方式具有无须压缩气体的优点,但需要较大的电流来产生足够强的磁场。
除了灭弧冲击器,灭弧装置中的灭弧剂也起到重要作用。
灭弧剂是一种特殊的介质,能够吸收电弧的能量,并将其转化为其他形式的能量,如光能、声能和热能等。
常用的灭弧剂有光弧熄灭剂、喷雾熄弧剂等。
灭弧剂的作用是在灭弧过程中将电弧的能量迅速消耗掉,从而使电弧迅速熄灭,确保高压开关电器正常断路。
除了上述灭弧装置的主要组成部分外,还有一些辅助设备,如触头等。
触头主要用于控制开关电器的通断操作,通常是由导电材料制成,具有较好的导电性能和机械强度。
通过以上介绍可知,开关电器典型灭弧装置的工作原理是通过将电弧能量迅速转化为其他形式的能量,达到灭除电弧的目的。
开关电器灭弧原理
开关电器灭弧原理开关电器主要用于控制电力系统中的电流,常用于开断电路中的负载电流。
在开关操作时,由于电流的存在,容易产生电弧,电弧会造成电器设备的损坏和短路等严重后果。
为了有效地避免电弧的产生和减小其对电器设备的危害,开关电器要具备灭弧功能。
灭弧原理主要包括了以下几个方面:1.快速分离快速分离是灭弧过程中的重要步骤,通过迅速分离开关触点,使得电弧路径拉长并被截断,从而有效地控制和消除电弧。
2.电磁吹弧电磁吹弧是一种常用的灭弧原理,通过电磁力将电弧移动到一个特定的区域,使其失去能量进而熄灭。
电磁吹弧装置一般由电磁线圈和吹气装置组成,电磁线圈产生磁场,吹气装置将气流送到电弧区域,通过电磁力和气流的共同作用,将电弧吹灭。
3.喷雾灭弧喷雾灭弧原理是利用高压喷射的液体或气体来吹灭电弧。
当电弧产生时,喷雾装置会将喷雾剂喷射到电弧区域,喷雾剂会瞬间蒸发,生成高压气体或液体冷却电弧,使其熄灭。
4.空气灭弧空气灭弧原理是利用高速流动的空气将电弧吹灭。
当开关触点分离时,电弧产生,同时启动空气灭弧装置,通过高速流动的空气将电弧吹灭。
5.液体灭弧液体灭弧原理是利用液体对电弧进行冷却和吸收能量,使其失去运动能量而熄灭。
液体灭弧主要使用矿油或硅油等绝缘材料进行灭弧。
6.气体灭弧气体灭弧原理是利用高纯度的惰性气体对电弧进行灭弧。
当电弧产生时,气体灭弧装置将惰性气体喷入电弧区域,气体会吸收电弧能量并抑制电弧继续燃烧,从而实现灭弧。
综上所述,灭弧原理主要包括快速分离、电磁吹弧、喷雾灭弧、空气灭弧、液体灭弧和气体灭弧等。
不同的灭弧原理适用于不同的开关电器和工作环境,通过选择合适的灭弧原理可以有效地控制和消除电弧,确保电器设备的安全运行。
开关电器典型灭弧装置的工作原理
开关电器典型灭弧装置的工作原理开关电器是现代电力系统中常见的重要设备,用于控制和保护电路的正常运行。
然而,当开关电器断开电路时,由于电流的存在,会产生电弧。
电弧是一种高温、高能量的放电现象,可能导致开关电器和周围设备的损坏,甚至引发火灾。
为了解决这一问题,开关电器通常配备了灭弧装置,用于有效地灭除电弧。
本文将介绍几种典型的灭弧装置,并详细阐述它们的工作原理。
1.磁场励磁式灭弧装置磁场励磁式灭弧装置是早期开关电器常用的一种灭弧装置。
其工作原理基于利用磁场力使电弧受到扰动和削弱,最终断开电路。
该装置由励磁线圈和灭弧室组成。
当电流突然改变时,励磁线圈产生瞬时磁场,使电弧受到力的作用被迫向上或向下偏离电弧通道,产生较大的接触电阻。
随着电弧接触电阻的增加,电流逐渐减小,直到达到灭弧的程度,电弧熄灭,断开电路。
2.气体灭弧装置气体灭弧装置是当前开关电器中常用的一种灭弧装置。
常见的气体灭弧装置有二氧化硫灭弧室和空气灭弧室等。
其工作原理都是基于将电弧引导到灭弧室中,通过气体的快速喷射和冷却来灭除电弧。
当电弧产生时,灭弧室内的气流会迅速形成一个狭窄的通道,将电弧束约束在其中。
气体喷射的速度和方向可以使电弧冷却和消散,从而使电弧的能量逐渐减小,最终使电弧熄灭。
3.油膜灭弧装置油膜灭弧装置是一种利用油膜扩散和冷却电弧的灭弧装置。
常见的油膜灭弧装置有油膜式断路器等。
其工作原理是通过在电弧通道上形成一层均匀的油膜,使电弧受到冷却和扩散。
电弧通道中的电流和电弧能量会将润滑油加热并将其蒸发,蒸汽进一步冷却和吸收电弧能量,使电弧迅速衰减。
油膜的扩散和吸热过程使电弧通道的电阻迅速增加,从而阻止了电流的进一步流动,实现了灭弧的效果。
4.固体灭弧装置固体灭弧装置是一种利用特殊的材料来抑制电弧的灭弧装置。
常见的固体灭弧装置有石英灭弧室和陶瓷灭弧室等。
其工作原理是电弧通过灭弧室时,固体材料产生的热量和气体使电弧温度骤然升高,从而使电弧失去能量。
开关电器典型灭弧装置的工作原理[专业知识]
图5-5a表示一单纵缝灭弧装 置的原理结构。图中,1为用耐弧 绝缘材料制成的灭弧室壁,2为磁 吹线圈的钢夹板,3为电弧。
通常上部缝宽小于熄灭电弧 的直径。
行业相关
19
§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理
行业相关
20
§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理
由图5-6可见,当电流增大(横坐标向右)时,纵缝灭 弧装置中电弧的“伏—安特性”随电弧电流增加而下降的 程度比自由燃弧时的“伏—安特性”下降程度要缓得多, 特别当电流很大时,E可以认为是常数。
随着缝宽的减小和电弧横向运动速度的提高,电弧的 “伏—安特性”也将升高,这表明灭弧能力也随之增强。
采用多纵缝可以减小电弧进入上部窄缝的阻力,在驱 动电弧运动的电磁力给定时,可以采用比单纵缝灭弧室更 小的缝隙。这使灭弧空壁对电弧的冷却和消电离作用更强。
(10) 利用石英砂等固体颗粒介质,限制电弧直径的扩展 和加强冷却。
行业相关
9
§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理
一、简单开断
在大气中利用机械方式
拉长电弧进行灭弧的原理与
图例。
(1)原理:电弧放长后,
图5-2 刀开关中的电弧拉长情况
电弧电压就增大,其静态伏 1— 闸刀 2—静触头 3—电弧
-安特性向上移动。
2.磁吹灭弧装置; 4.绝缘栅片灭弧装置; 6.固体产气灭弧装置,
行业相关
5
概述
7.石英砂灭弧装置; 8.变压器油灭弧装置; 9.压缩空气灭弧装置; 10.SF6灭弧装置; 11.真空灭弧装置。 此外,为了增加灭弧装置的开断能力,通常可以采用 下列辅助方法: 1.在弧隙两瑞并联电阻; 2. 附加同步开断装置; 3.附加晶闸管装置。
开关电弧的基本知识与各种灭弧方法的原理断路器
开关电弧的基本学问与各种灭弧方法的原理 - 断路器断路器切断通有电流的回路时,只要电源电压大于10~20V,电流大于80~100mA,在动、静触头分开瞬间,触头间隙就会消灭电弧。
此时,触头虽然已分开,但是电路中的电流还在连续流通,只有熄灭电弧,电路才真正断开。
本节介绍开关电弧的基本学问与各种灭弧方法的原理。
电弧的产生和维持是触头间隙的绝缘介质的中性质点(分子和原子)被游离的结果,游离是指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液态介质高温气化后的气态介质向等离子体态的转化过程。
因此,电弧是一种游离气体的放电现象。
强电场放射是触头间隙最初产生电子的主要缘由。
在触头刚分开的瞬间,间隙很小,间隙的电场强度很大,阴极表面的电子被电场力拉出而进入触头间隙成为自由电子。
电弧的产生是碰撞游离所致。
阴极表面放射的电子和触头间隙原有的少数电子在强电场作用下,加速向阳极移动,并积累动能,当具有足够大动能的电子与介质的中性质点相碰撞时,产生正离子与新的自由电子,这种现象不断发生的结果,使触头间隙中的电子与正离子大量增加,它们定向移动形成电流,介质强度急剧下降,间隙被击穿,电流急剧增大,消灭光效应和热效应而形成电弧。
热游离维持电弧的燃烧。
电弧形成后,弧隙温度剧增,可达6000℃~在中性质点发生游离的同时,还存在着使带电质点不断削减的去游离。
去游离的主要形式是复合与集中。
复合是异性带电质点彼此的中和。
复合速率与下列因素有关:1)带电质点浓度越大,复合机率越高。
当电弧电流肯定时,弧截面越小或介质压力越大,带电质点浓度也越大,复合就强。
故断路器接受小直径的灭弧室,可以提高弧隙带电质点的浓度,增加灭弧性能;2)电弧温度越低,带电质点运动速度越慢,复合就简洁。
故加强电弧冷却,能促进复合。
在沟通电弧中,当电流接近零时,弧隙温度骤降,此时复合特殊猛烈;3)弧隙电场强度小,带电质点运动速度慢,复合的可能性就增大。
所以提高断路器的开断速度,对复合有利。
章 灭弧原理及开关电器
结论
通常,对中性点直接接地系统,两相接地断路及单 相接地故障时的工频恢复电压均较三相接地故障为低, 且认为三相直接短路的机会较少,故根据三相接地短路 时的故障,取首先开断相开断系数为1.3;
而对中性点不接地系统,一般以三相短路故障(接 地或不接地都相同)为最高,即首先开断相开断系数为 1.5。若计及在中性点不接地系统中的异地两相接地故 障,则计算短路电流开断相的工频恢复电压最大值, K1=1.73。该异地两相接地故障,通常是单相接地故障 的继发故障,且接地故障发生在断路器的不同侧的两相 处。
Ur(t)
Ur(t)
Ur(t)
o t1
to
to
t
介质强度和弧隙电压的恢复过程
(a)在t1时刻发生 击穿,电弧重燃
(b)电弧熄灭
(c)电弧熄灭
第二节 切断交流电路时电压的恢复过程
一、弧隙电压恢复过程分析 u
U0
Ur 非周期性
Ur0
t
u
2U0
1
U0
2 周期性
Ur0
t
结论:
1)当触头间并联电阻r<rcr时,电压恢复过程为非周期性; 当r>rcr时,电压恢复过程为周期性。
3. 利用灭弧介质或电流磁场吹动电弧。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的吹向弧隙。有纵吹,横吹,纵、横混合吹弧 或环吹方式。
4. 采用多断口熄弧(1)多断口将电弧分割成多段,在相同触头行程下, 增加了电弧的总长度,弧隙电阻迅速增大,介质强度恢复速度加快。
第三节 交流电弧熄灭的基本方法
1. 利用灭弧介质。介质的传热能力、介电强度、热游温度和热容量等参 数的数值越大,则去游离作用越强,电弧就越容易熄灭。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。
开关电器典型灭弧装置的工作原理
开关电器典型灭弧装置的工作原理
灭弧装置,又称回路接地装置,是电器开关和控制设备配套使用的继
电器,准确地说,它是一种高压开关,具有自动接地保护功能的开关装置,用于控制和保护电力系统。
它能够自动检测系统发生异常,然后将系统的
回路接地,从而消除系统中的火花和灼热,以起到保护和控制的作用。
灭弧装置的工作原理是:当电器发生故障抬开跳闸时,会产生电弧,
引起电力系统失流,电弧所产生的热量会将电气设备的绝缘介质变质,可
能造成短路,致使电器回路发生短暂的失火现象,从而引起大量的无功功
率及谐波。
为了防止电器发生短暂失火现象,必须将系统的回路接地,及
时排出谐波,这就是灭弧装置的机理。
灭弧装置的主要由熔断器、射灯、熔丝、调整器、变压器、接触器、
电阻器等组成。
当故障发生时,由于电弧的出现,熔丝瞬间熔断,射灯受
到弧光刺激,向开关本身发出信号,接触器被触动,使开关本身发出的开
关命令无效,从而消除电弧,从而起到保护和控制的作用。
熔断器是灭弧装置的一个重要部件,它在发生异常时,可以瞬间熔断,阻断回路中电流的流动,产生保护功能,防止回路出现过载、短路的情况。
第三章 灭弧原理及主要开关电器 3 5
射和电弧中的金属蒸气,抑制弧隙介质的游离作用。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.采用灭弧介质或电流磁场吹动拉长与冷却电弧
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,将使带电离子扩散和强烈地冷却而复合。空气断路器利用充入压力约为 2.3MPa的干燥压缩空气作为吹动电弧的灭弧介质。SF6断路器利用压力为0.3~ 0.7MPa的纯净SF6气体作为灭弧介质在灭弧室吹动电弧,油断路器利用油和油在电弧
熄弧时的过电压,通常在大容量发电机出口断路器及110kV以上的高压断路器,特别
是特高压断路器上的断口处加装并联电阻,如图3-11所示。
图3-11 分、合闸并联电阻滞后分断和提前关合的动作原理
分闸时,主触头先打开,由于有并联电阻接入,不仅使主触头间产生的电弧容易 熄灭,而且使恢复电压的数值及上升速度都降低,并联电阻对电路的振荡过程起阻尼 作用,可能使振荡过程变成非周期振荡过程,从而抑制了过电压,当主触头间电弧熄 灭后,辅助触点打开,完全开断电路。合闸时,顺序相反,辅助触点先合,让其预合 在电阻性负荷上,然后合上主触头,避免合闸过电压。
图3-25 混合压气式灭弧室原理示意图 (a)开断初期;(b)开断过程中
4.配置大功率高性能的操动机构
由于特高压断路器灭弧室运动质量大,且要求分闸速度高,操作过程中传动及支 撑部分都受到较大冲击力,并且要满足5000次机械寿命要求。因而,操动机构必须大 功率、平稳可靠。为满足特高压电网对开断的系统稳定性及操作过电压水平的要求, 操动机构还必须能快速响应,同时分、合闸速度具有可调性能。
特高压断路器首先要求应能满足特高压电网大容量短路电流的开断能力,保证能
开关电器典型灭弧装置的工作原理
开关电器典型灭弧装置的工作原理教学基本内容:开关电器典型灭弧装置的工作原理提高灭弧装置开断能力的辅助方法概述当电源电压超过数十伏、开断电流在数十安以上时,为减少电弧对触头的烧损和限制电弧扩展的空间,通常需要采取加强灭弧能力的措施,为此而采用的装置称为灭弧装置;这些灭弧装置的灭弧原理主要有下列十几种:1.简单开断; 2.磁吹线圈;3.纵缝灭弧装置; 4.绝缘栅片灭弧装置;5.金属栅片灭弧装置; 6.固体产气灭弧装置, 7.石英砂灭弧装置; 8.变压器油灭弧装置;9.压缩空气灭弧装置; 10.SF6灭弧装置;11.真空灭弧装置;此外,为了增加灭弧装置的开断能力,通常可以采用下列辅助方法:1.在弧隙两瑞并联电阻;2. 附加同步开断装置;3.附加晶闸管装置;上述灭弧装置的灭弧原理是:1 在大气中依靠触头分开时的机械拉长,使L增大;2 利用流过导电回路或特制线圈的电流在燃弧区产生磁场,使电弧迅速移动和拉长;3依靠磁场的作用,将电弧驱入用耐弧材料制成的狭缝中,以加强电弧的冷却和消电离;4 用金属板将电弧分隔成许多串联的短弧;5 在封闭的灭弧室中,利用电弧自身能量分解固体材料,产生气体,以提高灭弧室中的压力,或者利用产生的气体进行吹弧;6 利用电弧自身能量,使变压器油分解成含有大量氢气的气体并建立起很高的压力,再利用此压力推动冷油和气体去吹弧;7 利用压缩空气吹弧;8 利用SF6气体吹弧;9 在高真空中开断触头,利用弧隙中由电极金属蒸汽形成的弧柱在电流过零时迅速扩散的原理进行灭弧;10 利用石英砂等固体颗粒介质,限制电弧直径的扩展和加强冷却;开关电器典型灭弧装置的工作原理一、拉长电弧1大气中,利用机械拉长电弧方式的原理与图例;电弧放长后,电弧电压就增大,其静态伏——安特性向上移动;如下图示,除依靠触头分开拉长电弧以外,还可依靠导电回路的电流产生的磁场使电弧弯曲来拉长电弧;前者沿电弧的轴向亦称切向拉长电弧,后者是沿着垂直于弧轴的方向亦称法向拉长电弧;依靠拉长电弧使之恰好熄灭的最短长度,称为临界长度,记为L lj;刀开关拉长电弧的例子;2 利用流过导电回路的特制线圈的电流在燃弧期间产生磁场,使电弧迅速移动和拉长;下图的b还增加了引弧角;二、磁吹灭弧:可用于低压直流和交流接触器中;对后者,为减少涡流损耗和避免由于钢夹板中磁通与电弧电流相位不同而产生反向电动力,铁心2上可开一槽8如图5-4所示或者用硅钢片叠成;当铁心不饱和时,如果磁吹线圈的开断大电流时产生的磁场适当,则在开断小电流时将因电动力过小而引起吹弧困难;当然,也可以设计成磁吹线圈在开断小电流时产生的磁场适当;但这样做,一方面将使磁吹线圈的匝数增加,增大了线圈体积和多用有色金属;另一方面将使开断大电流时产生的磁场过强,过强的磁场不仅会使燃弧区扩展过大和容易产生不能允许的过电压,而且因为因为在触头刚分瞬间,触头间形成的熔化金属桥可能被过大的电动力驱赶到接触区以外去,使得触头的电磨损大大增加;为缓和上述矛盾,可以通过适当选择磁吹线圈的匝数以及铁心和钢夹板的截而积,使得开断小电流时磁场加强,在开断大电流时则由于磁路饱和而磁场不致过强;这样,电弧所受到的电动力将不再随开断电流成平方倍数地增加;三、纵缝灭弧装置所谓纵缝就是灭弧室的缝隙方向与电弧的轴线平行;此灭弧装置的工作原理是利用磁吹线圈产生的磁场将电弧驱入耐弧绝缘材料石棉、水泥、陶土等制成的具有纵缝的灭弧室中进行灭弧;它既可用于熄灭直流电弧,也可用于熄灭交流电弧;按缝隙的尺寸和形式,它们又分两种,如图5-5所示;图5-5a表示一单纵缝灭弧装置的原理结构;图中,1为用耐弧绝缘材料制成的灭弧室壁,2为磁吹线圈的钢夹板,3为电弧;通常上部缝宽小于熄灭电弧的直径;由图5-6可见,当电流增大横坐标向右时,纵缝灭弧装置中电弧的“伏—安特性”随电弧电流增加而下降的程度比自由燃弧时的“伏—安特性”下降程度要缓得多;特别当电流很大时,E可以认为是常数;随着缝宽的减小和电弧横向运动速度的提高,电弧的“伏—安特性”也将升高,这表明灭弧能力也随之增强;采用多纵缝可以减小电弧进入上部窄缝的阻力,在驱动电弧运动的电磁力给定时,可以采用比单纵缝灭弧室更小的缝隙;这使灭弧空壁对电弧的冷却和消电离作用更强;多纵缝灭弧装置广泛用于低压接触器中;四、绝缘栅片灭弧装置灭弧装置如图5-8所示;其中,灭弧室l中装有用耐弧绝缘材料制成的几片绝缘栅片2,栅片的边缘和电弧3的轴线垂直;当开断电流时,在触头4和5之间产生的电弧在导电回路的磁场作用下向上运动;由于受到绝缘栅片的阻挡,电弧弯曲成如图5-9中A~G曲线所示的形状;当磁场的方向为垂直于纸面向里时,电弧AB、BC和CD段所受的电动力都使电弧压向绝缘栅片顶部,增大与栅片表面的接触面积,从而加强了电弧的冷却和消电离作用;而DE段所受的电动力使电弧向上拉长,更加深入栅片间隙和增加电弧与绝缘栅片的接被面积;除此以外,电弧AB段和CD段相互作用产生一相吸电动力、CD段和EF段相互作用产生一相斥电动力,使AB、CD和EF段压向绝缘册片;CD 段和EF段对DE段相互作用也产生一相斥电动力,使DE段向上运动;这种灭弧装置充分利用了电弧自身磁场产生的电动力;在电弧进入栅片之后,电弧电压变高;图5-11表示厚为2mm、片距5mm的平板形栅片的灭弧装置开断350A 电流时,介质初始恢复强度U jf0和K jf与n变化的关系是不成比例;其原因,是电弧进入栅片分成很多短弧后,它们在灭弧室中的运动速度不同、运动方向也不同;五、金属栅片又称去离子栅灭弧装置:这种灭弧装置的原理构造如图5-10 a所示;灭弧室1内部有许多由厚度为2~3mm钢板冲成的横向栅片2;栅片外表面镀铜以增大传热能力和防止钢片生锈;每一栅片冲有三角形的缺口;栅片缺口错开的作用为减少电弧初始碰到的栅片数,从而减少进入的阻力;在电弧进入栅片之后,电弧电压变为金属栅片灭弧装置既能用于熄灭直流电弧,也能用于熄灭交流电弧;当熄灭直流电弧时:图5-11表示厚为2mm、片距5mm的平板形栅片的灭弧装置开断350A 电流时,介质初始恢复强度U jf0和K jf与n变化的关系是不成比例;其原因,是电弧进入栅片分成很多短弧后,它们在灭弧室中的运动速度不同、运动方向也不同;金属栅片灭弧装置广泛用于低压开关电器中;其主要缺点是灭弧室除电弧能量损耗之外,还有栅片中电阻、磁滞和涡流引起的损耗;加之栅片间隙较小,阻碍了热量的散发;这些都使灭弧室的温度容易升向,从而引起灭弧条件恶化;因此,这种灭弧装置不适用于过分频繁操作的场所;六、固体产气灭弧装置某些固体绝缘材料如钢纸亦称反白、有机玻璃等,在电弧的高温作用下能迅速气化,产生大量主要成分为氢及其化合物的气体;利用这些材料的产气性质进行灭弧的灭弧装置称为固体产气灭弧装置;图5-13是利用串联短弧和高气压两种方式灭弧;其中,钢纸管在电弧的高温作用下分解,产生气体,使压力提高;如图5-14所示,灭弧期间管内的压力可达图5-15是利用产气原理提高气压,再利用气压进行灭弧的高压跌落式熔断器熔管的原理结构图;当短路电流通过时,熔丝3被熔断产生电弧,于是弹簧6长度缩短,电弧被迅速拉长;同时,电弧的高温使钢纸分解产生大量的气体,管内压力迅速升高,这一压力推动软线5加速向右运动,从而也加速电弧的拉长和压力的升高;当软线5被推出钢纸管8以后,管内的高压气体向外冲出,进行纵向吹弧,使电弧熄灭;七、石英砂灭弧装置:利用石英砂限制弧柱的扩展并冷却电弧使之熄灭的装置,叫做石英砂灭弧装置;当熔片的狭颈熔断、气化形成几个串联的短弧后,这些短弧继续将熔片的狭颈部分气化;由于熔片气化后让出的空间很小,每一短弧都相当于在石英砂包围的狭缝中燃烧,它因为和石英砂紧密接触而受到强烈冷却;同时由于熔片4金属从固态变为气态后,体积受局部石英砂的限制不能自由膨胀,于是在燃弧区形成很高的压力,此压力推动弧隙中电离气体迅速向石英砂缝隙中扩散,并在缝隙中受到冷却和消游离,这就大大加强了对弧隙的冷却作用;石英砂熔断器釆用了多断口串联、提高弧隙中气压以加强电离气体的扩散作用,以及利用狭缝冷却电弧共三种灭弧原理,所以它的灭弧能力强,限流作用非常显着熔管1用瓷制成,2和3分别为端盖和接线板;当熔片的狭颈熔断、气化形成几个串联的短弧后,这些短弧继续将熔片的狭颈部分气化;由于熔片气化后让出的空间很小,每一短弧都相当于在石英砂包围的狭缝中燃烧,它因为和石英砂紧密接触而受到强烈冷却;同时由于熔片4金属从固态变为气态后,体积受局部石英砂的限制不能自由膨胀,于是在燃弧区形成很高的压力,此压力推动弧隙中电离气体迅速向石英砂缝隙中扩散,并在缝隙中受到冷却和消游离,这就大大加强了对弧隙的冷却作用;石英砂熔断器釆用了多断口串联、提高弧隙中气压以加强电离气体的扩散作用,以及利用狭缝冷却电弧共三种灭弧原理,所以它的灭弧能力强,限流作用非常显着;八、变压器油灭弧装置1、分类:自能式:利用电弧自身的能量将油蒸发分解而成油气,提高灭弧室中的压力以驱动油或油气进行吹弧;外能式:利用外界能量通常是储存在弹簧中的能量推动活塞,提高灭弧室中的压力以驱动油或油气进行灭弧;混合式:兼用上述两种能量,提高灭弧室中的压力以驱动油或油气进行吹弧;2、即使在油中简单地位长电弧,其灭弧能力也比在大气中拉长电弧高得多;这是因为:1 油气的主要成分是氢,它在所有气体中具有最高的导热系数和最小的粘度,这就使弧柱的热量容易散发;2 在电弧的高温作用T,油的气化和分解过程非常剧烈;油气形成后由于受到周围冷油的阻碍,体积不能迅速膨胀,因而气泡中压力很高,通常可达~1MP;3 在熄灭交流电弧过程中,当电流增大时,电弧的功率增大,油气的形成加剧,气泡中油气温度增高和压力上升;在压力较高的情况下,气泡壁处油的沸点升高,处于过热状态;当电流减小特则是过零附近时,由于电弧功率减小,油气产生的速度下降,但气泡在压力作用下仍继续膨胀,结果引起气泡中油气的温度和压力迅速降低;此时气泡壁处油的沸点下降,处于过热状态的油猛烈气化;由于气泡壁各处油的气化速度不一致,在气泡内就形成了压力差;此压力差促使油气产生混乱的运动,使刚刚形成的温度较低的油气进入弧柱中,加强了弧柱的冷却.4 在某些情况下,还可利用被开断电流产生的电动力使电弧弯曲和靠近气泡壁,加强对弧柱的冷却作用;按照油或油气与电弧泎用的方式,自能吹弧灭弧装置又可分为横吹,纵吹.纵横吹和环吹四种;开断电流越大,则单位时间内产生的气体越多,灭弧室内压力越高,吹弧力量越强,于是燃弧时间越短;当开断较小电流时,灭弧室内压力越低,吹弧力量减弱,燃弧时间增长,实际上没有吹弧作用,即相当于在油中简单开断;由图可见,燃弧时间有一最大值,相应于最大燃弧时间的电流称为临界电流Ilj;其数值视灭弧装置的具体结构而异,一般为几十安到上千安;自能吹弧灭弧装置的极限开断电流Ilx主要决定于灭弧室的机械强度;九、压缩空气灭弧方式;在开断电路对,将预先储备好的压缩空气用管道引向燃弧区,利用压缩空气猛烈吹弧和提高燃弧区的压力,使电弧熄灭的装置叫做压缩空气灭弧装置;按照气流吹弧的方向分横吹式和纵吹式两类;横吹式缺点较多,已淘汰,现主要介绍纵吹式;十、SF6灭弧装置;SF6是无色、无臭、无毒、无公害和不燃烧的气体;其沸点在大气压时为-60℃,加温到150 ℃都不易与其他物质起化学反应,到500℃时仍不能自行分解;它的密度是空气的5倍;常温时的传热能力包括对流在内为空气的倍;它具有很高的绝线性能;在压力为时约为氮气的5~6倍,当压力为时已与变压器油相等,而击穿电压为压缩空气的2~3倍;所以,采用SF6作为绝缘介质可以大大减小绝缘间隙的尺寸和缩小电器的体积;SF6另一突出的优点是它只有很强的灭弧能力;主要原因有三条;十一、真空灭弧装置由于空气稀薄,空气分子及其电子的平均自由行程加长,这就使弧中气体粒子受到其他粒子碰障而电离的几率大大减少;因此,真空具有很高的绝缘和灭弧性能;将触头在高度真空中开断便构成有很高开断能力的灭弧装置;按照触头结沟的不同,真空灭弧装置分带圆柱状触头、带螺旋槽的磁吹触头和带纵磁场线圈的触头三种;图5-29是带圆柱状触头真空灭弧装置的原理结构图;在一定条件下,真空的击穿电压比空气高得多,但是,它受触头材料、电极形状、特别是电极表面粗糙度和电极上有无脏圬影响很大;真空灭弧装置的触头形状示例;提高灭弧装置开断能力的辅助方法一、并联电阻帮助灭弧电路,图5-33是图5-32的简化图;并联电阻有助于灭弧;二、附加同步开断装置由于交流电流每秒要通过零点2ff是电源频率次;如果我们能使开关电器的触头在电流过零瞬时分开,并以极高的速度拉开到足以承受恢复电压而不发生间隙击穿的距离,则此时弧隙中将不产生电弧,也不存在所谓热击穿阶段;同时,由于弧隙是未电离的,只需较小的极间距离,就可承受较高的恢复电压;这种开断电路的方法叫做同步开断,而相应的开关电器叫做同步开关开关;由上述可见,这种理想的同步开关可以无需采用灭弧装置;然而,事实上,实现这一方案非常困难;其原因主要是:1技术上还不能保证开关电器的触头稳定地每次恰在电流过零时分开;2 还没有比较简便的方法使开关电器的动触头获得所需的高速度; 工程上获得实际应用的是带灭弧装置的同步开关,即在现有的开关电器灭弧装置上加装同步装置,使触头在电流过零前一极短时刻例如lms左右分开,同时提高触头运动速度,使触头从分开到电流过零这段时间内动、静触头能分开到足够距离;三、附加晶闹管装置晶闸管具有可控单向导电的性质;如图5-38 a,如果将它和开关电器S并联,并且当交流电流I的流向如图所示的方向时,将开关S的触头分开,同时使晶闸管V触发导通,于是开断电流将从V中流过;由于V的电压降大大低于生弧电压,弧隙中将无电弧;此后,当晶闸管v中交流电流过零时,它将自动闭锁,于是电路被开断;这种综合有触头开关电器和晶闸管而成的开关,常称为混合式开关;这样做的好处:1 触头分开时刻的稳定性要求降低;2 有较长的时间让动触头在电洫过零时达到一定的开距,从而可以减小动触头的运动速度;这时,虽然在弧隙中流过一定的电流,但因数值较小,而且持续时间较短,弧隙中气体电离悄况不太严重,所以在电流过零后弧隙的介质恢复强度数值较高,从而使现有的灭弧装置能够开断更大的电流;混合式开关优点:具有较高的电寿命;缺点:结构较复杂,价格较昂贵;。