(完整版)大工14春《发电厂电气部分》辅导资料四

发电厂电气部分辅导资料四

主题：第二章导体的发热、电动力及开关电器的灭弧原理（第5—9节）学习时间：2014年4月21日—4月27日

内容：

第二章导体的发热、电动力及开关电器的灭弧原理

这周我们将学习第二章中的第5—9节，这部分主要介绍导体短路的电动力、开关电器中电弧的产生及熄灭、弧隙电压恢复过程分析、熄灭交流电弧的基本方法。

第五节导体短路的电动力

定义：电气设备中的载流导体当通过电流时，除了发热效应以外，还有载流导体相互之间的作用力，称为电动力。

计算电动力的目的是：为了校验导体或电器实际所受到的电动力是否超过其允许应力，以便选择适当强度的电气设备。这种校验称动稳定校验。

相关因素：载流导体之间电动力的大小和方向，取决于电流的大小和方向，导体的尺寸、形状和相互之间的位置以及周围介质的特性。

第六节大电流封闭母线的电动力

全连式分相封闭母线，母线由铝管做成，每相母线分别用连续的铝质外壳封闭，三相外壳的两端用短路板连接并接地。

分相封闭母线的优点：

(1)不受自然环境和外物的影响，能防止相间短路，同时由于外壳多点接地，保证人员的安全；

(2)短路时母线间的电动力大大减小，可增大支持绝缘子的跨距；

(3)壳外磁场大大减弱，减少了母线附近的钢构的发热；

(4)外壳可兼作强迫冷却管道，提高母线的载流量；

(5)安装、维护工作量小。

主要缺点：

(1)母线散热条件较差

(2)外壳产生损耗

(3)有色金属消耗量增加

第七节开关电器中电弧的产生及熄灭

2.7.1 电弧现象

电弧实质是介质被击穿的一种放电现象。

在电弧燃烧期间，电路中的电流仍以电弧方式维持着，电路未真正断开，只有电弧熄灭后，电路才被真正切断。

电弧的主要特征：

1.电弧是一种能量集中、温度很高、亮度很强的放电现象。

2.电弧由阴极区、弧柱区及阳极区3部分组成。

阴极区和阳极区：阴极和阳极附近的区域(约10-4cm)。阴极和阳极区较弧柱温度较低，自由电子的密度小，导电率低，电位梯度大。特别是阴极区，堆积了许多正离子，电位梯度最高。一般在靠近阴极的区间内有近似为常数的压降。

弧柱：在阴极和阳极间的明亮光柱。其温度极高。弧柱的直径很小，一般几毫米。在弧柱周围温度较低、亮度明显减弱的部分称弧焰。

3.电弧是一种自持放电，维持电弧稳定燃烧所需电压很低。

4.电弧是一束游离气体，质量很轻，容易变形。

在外力作用下会迅速移动、伸长或弯曲，对大气中的电弧尤为明显。

2.7.2 电弧的产生与维持

电弧的产生主要是触头间产生了大量自由电子

1.强电场发射(阴极在强电场作用下发射电子）

加有电压的触头刚分离时，触头间隙很小，会形成很强的电场。

2.热发射(阴极在高温下发生热电子)

大电流切断，在阴极上有强烈的炽热点，有电子在高温下从阴极表面发射，称为热电子发射。

3.弧柱区产生碰撞游离

自由电子，在电场力的作用下，向阳极作加速运动，途中与介质的中性质点发生碰撞，如果电子的动能大于中性质点的游离能时，使中性质点游离为新的自由电子和正离子，这种游离过程称碰撞游离。

4.热游离(热游离使电弧维持和发展)

在电弧高温下，阴极继续热发射。

由于电弧的温度很高，介质的分子和原子将产生强烈的不规则的热运动，当那些具有足够动能的中性质点互相碰撞时，又可游离出自由电子和正离子，这种现象称热游离。

一般气体发生热游离的温度为9000—10000度，而金属蒸汽约为4000—5000度。

2.7.3 电弧的去游离

电弧游离的同时，还有去游离过程。

去游离的主要形式为复合和扩散。

1.复合

异号离子或正离子与自由电子互相吸引而中和成中性质点的现象，称复合去游离。

复合速率与带电质点的体积浓度成比例，与电弧直径平方成反比；拉长电弧，电场强度E下降，电子运动速度减慢，复合的可能性增大；加强电弧冷却，例如用液体、气体吹弧或将电弧挤入绝缘冷壁制成的狭缝中，可使电子热运动的速度减慢，有利于复合；加大气体介质的压力，可使带电质点的密度增大，自由行程减少，有利于复合。

2.扩散

自由电子与正离子从弧柱逸出而进入周围介质中的现象，称为扩散去游离。扩散去游离有三种形式：

①浓度差扩散。扩散速率与电弧直径成反比。

②温度差扩散。

③高速冷气吹弧增强扩散。

结论：

若游离作用大于去游离作用，则电弧电流增大，电弧愈加强烈燃烧；

若游离作用等于去游离作用，则电弧电流不变，电弧稳定燃烧；

若游离作用小于去游离作用，则电弧电流减小，电弧最终熄灭。

熄灭电弧的基本思路：采取措施加强去游离作用而削弱游离作用。

2.7.4 交流电弧的特性

(1)交流电弧的伏安特性为动态特性。

电弧的温度、电阻及电弧电压随交流电流瞬时值的周期性变化而变化。

电弧温度变化总是滞后于电流变化，这种现象称为电弧的热惯性。

(2)电弧电压的波形呈马鞍形变化电弧电压随时间的变化波形呈马鞍形。

(3)电流每半周过零一次，电弧会暂时自动熄灭。

2.7.5 交流电弧的熄灭条件

在交流电流过零前后，弧隙变化包括两个过程：

①弧隙去游离和它的介质强度(即弧隙的绝缘能力，或称弧隙的耐压强度)的增大。

②加于弧隙的电压(称恢复电压)的增大。

1.弧隙介质强度恢复过程: 指电弧电流过零时，弧隙介质的绝缘能力由起始介质强度逐渐增强的过程。

(1)近阴极效应使弧隙出现起始介质强度。

近阴极效应：电弧电流过零后在新阴极附近的薄层空间介质强度突然升高的现象。

实验证明，电流过零后，约在0.1~1us的短暂时间内出现150-250V的起始介质强度(电极温度高，约为150V；如电极温度低，约为250V)。

近阴极效对高压断路器长弧中灭弧不起多大作用，因为起始介质强度与加在弧隙上的高电压相比，小得多。起决定作用的是弧柱区中的介质强度恢复过程；

常用灭弧介质有油(变压器油或断路器油)、压缩空气、真空、SF6等。

2.弧隙电压的恢复过程：电流过零时，经过由电路参数所决定的电磁振荡，弧隙电压逐渐由熄弧电压恢复到电源电压的过程。

弧隙电压的恢复过程与哪些因素有关：电路参数(L、C、R)及负荷性质(阻、