工厂供电习题与思考题 参考答案 2012[1].8.26

7-l 低压配电电器的用途是什么? 对它们的主要技术要求是什么？
答：低压配电电器的用途是在低压配电电路中，对线路和设备进行通断、保护，以及对电源或负载进行转换。

对它们的主要技术性能要求是通断能力强、限流效果好、保护方式多、动热稳定性高等。

7-2 何谓熔体的“冶金效应”？其对低压熔断器的性能有何影响?
答：熔体的“冶金效应”是指在高熔点金属熔体上焊纯锡或锡镉合金，当熔体通过过载电流时，锡或锡合金先熔化并包在高熔点金属表面，称为“溶剂”；然后，高熔点金属的原子溶解于“溶剂”中，成为合金，合金因熔点比高熔点纯金属低而首先熔断，使高熔点材料熔体熔断时的温度比本身熔点低得多、最小熔化电流及熔化系数均降低，过载保护特性大为改善。

“冶金效应”能改善小倍数电流过载时，由于低压熔断器熔体的熔点高，导致低压熔断器动作时间过长、导电零件温度过高，熔化系数较大的不足。

但需说明的是，因熔体通过短路大电流时熔体的熔化时间很短，“冶金效应”将不起作用。

7-3 低压熔断器用于保护交流三相笼型异步电动机时，若电动机过载电流为两倍额定电流，其能否起保护作用? 为什么?
答：能。

因为低压熔断器用于电动机保护时，若电动机过载电流为低压熔断器熔件的两倍额定电流且通电时间足够长时，熔断器熔体受热将熔断，起到过载保护的作用。

7-4 低压断路器的过电流保护特性有选择型和非选择型两类，各适用于何种情况?
答：过电流选择型保护是指利用上下级断路器整定电流的差别，使各级断路器得以有选择型地分闸，切断故障电流，以实现几种过电流保护装置工作特性的协调配合。

其既是合理使用电器的需要，也是缩小多支路多级供电线路事故范围，保证正常地连续生产需要。

选择型用于中小电网配电主保护开关，非选择型常用于照明线路或电动机保护线路。

7-5 何谓电器的“限流”作用? 什么情况下应选用具有限流作用的电器?有何好处?
答：电器的“限流”作用是指电器因分断时间足够短，使得短路电流在尚未达到其预期峰值之前即被断开。

在用作主电路保护、不要求选择性分断而只需要二段保护特性的场所，电器应优先选用限流式断路器。

7-6 何谓低压断路器的“自由脱扣”?其对电路保护有何好处？
答：当电路出现故障时，无论操作手柄或电动合闸装置处于合闸过程中的什么位置，操动机构应得到分闸命令，立即分闸，主触头迅速自动分断电路，称其为“自由脱扣”。

该性能对手动操动机构或某些有手动操作功能的电动机构尤为必要，因为操作者施加在手动操动机构的合闸力有限；若闭合时出现短路，短路电流产生的电动斥力将使操作者无法将机构闭合到底，可能引起严重后果。

8-1 说明低压控制电器的用途及对它们的主要技术性能要求。

答：低压控制电器用于低压电力拖动系统中，对电动机运行进行控制、调节与保护作用。

低压控制电器的主要技术性能要求包括：工作准确可靠，操作频率高，机械寿命和电寿命长，体积小，重量轻，可接通与分断过载电流但不能分断短路电流。

8-2 影响接触器的机械寿命和电寿命的主要因素是什么？
答：影响接触器的机械寿命和电寿命的主要因素包括：接触器的操作频率、额定工作制、主触头的使用类别、主触头材料、电磁铁结构形式和灭弧装置结构形式。

其中，接触器的操作频率是指接触器每小时允许的操作次数，它直接影响接触器的机械寿命和电寿命，是接触器的一个重要技术指标。

8-3 何谓继电器的继电特性？继电器的用途是什么？
答：继电器的“输入-输出特性”即继电器的“继电特性”，如图8-1所示。

图中，输入量用X表示，其中，X c称为继电器的动作值，X f称为继电器的返回值；输出量用Y表示。

a）动合触头b）动断触头
图8-1 继电器的继电特性
图8-1a表示带动合触头的继电器继电特性。

其工作原理是：当输入量X从零开始增加时，且在X＜X c的过程中，输出量Y不变；当X＝X c时，输出量突然从Y min突变到Y max；如进一步增加X到达X N时，Y不再变动，仍为Y max；当X从X N开始减小且X＞X f的过程中，Y仍保持不变；当X＝X f时，Y突然从Y max降到Y min；再进一步减小X，Y仍将保持不变。

8-4 热继电器和温度继电器各有何优缺点？它们的工作原理有何不同？
答：热继电器是利用测量元件（双金属片式热元件）被加热到一定程度而动作的继电器。

其优点是额定电流可以调整，具有断相保护功能、反时限保护特性，主要用于三相交流异步电动机的过载保护，也可以用于其他电气设备的过载保护；缺点是双金属片的材料、加工及热处理、装配及调试的要求高，热元件在设计或制造时电阻值需严格控制，因为它们均直接影响继电器保护功能和工作可靠性。

温度继电器将双金属片式埋置在电动机定子槽内或绕组端部内，通过直接反映该处的温度情况并在温度达到规定值时动作，为电动机提供保护。

其具有体积小、灵敏度高、坚实耐用、寿命长等优点，但是，埋设和安装比较麻烦，而且一旦动作就要等到电动机温度降低到其返回温度后才能再次工作，返回时间比较长。

此外，价格也比热继电器贵，故主要用于大、中型电动机的过载保护。

8-5 试比较气囊式时间继电器和晶体管时间继电器的优缺点。

答：气囊式时间继电器的优点是延时范围较大，且不受电源电压和频率波动的影响，结构比较简单，寿命长，价格低廉。

其缺点是延时值易受周围介质温度、尘埃及安装方向等的影响，延时误差较大，无调节延时的刻度指示，难以精确地整定延时值，故常用在对延时精确度要求不高的交流控制电路中。

晶体管式时间继电器是一种采用电力电子元件进行延时控制的时间继电器，具有延时时间长、调节方便、延时精度高、使用寿命长、体积小、重量轻和品种齐全等优点，但也存在延时容易受环境温度变化和电源波动影响、抗干扰性较差、价格较高等缺点。

第3篇高压电器第9章高压交流断路器
9-1 高压电器有哪些类别？对高压电器的基本要求有哪些？高压开关电器基本技术参数有哪些？
答：高压电器按照用途不同，分为：（1）开关电器，如高压交流断路器、高压隔离开关、接地开关、高压负荷开关等。

（2）保护电器，如高压熔断器、避雷器等。

（3）测量电器，如高压电压互感器、高压电流互感器等。

（4）限流电器，如电抗器。

（5）成套电器与组合电器。

（6）其他电器，如电力电容器等。

高压电器的基本要求是：（1）绝缘安全、可靠；（2）在额定电流下长期运行，温升合乎国家标准，且有一定的短时过载能力；（3）有足够的热稳定性和电动稳定性，能承受短路电流的热效应和电动力效应而不致损坏；（4）开关电器应能迅速可靠地切断其额定开断电流；（5）应能承受一定的自然条件作用；（6）成本较低、寿命较长、维修量小。

高压电器的基本技术参数如下：（1）额定电压U N(有效值)，即电器正常工作的线电压；（2）最高工作电压U m(有效值)，即电器长期使用的最高工作线电压；（3）额定电流I N（有效值），即电器在额定频率下能长期通过，而各个金属和绝缘部分温升又不超过长期工作时的极限允许温升的工作电流；（4）额定开断电流I Nk(有效值)，即电器在规定条件下保证能开断的最大短路电流；（5）动稳定电流(峰值耐受电流)I F(峰值)，即在规定条件下开关电器在合闸位置所能承受的电流峰值；（6）热稳定电流(短时耐受电流)I k(有效值)，即在规定条件及规定时间内，开关电器在合闸位置所能承受的电流；（7）固有分闸时间t gf，即从高压电器接到分闸指令起，到所有相的弧触头都分离瞬间为止的时间间隔；（8）燃弧时间t rh，即从一相首先起弧瞬间起，到所有相中的电弧熄灭止的时间间隔；（9）全分断时间t kd，即从电器接到分闸命令起到所有极中的电弧都熄灭的时间，它是固有分闸时间与燃弧时间之和；（10）合闸时间t hz，即从高压电器接到合闸命令起，到所有极的触头均接触为止的时间；（11）额定短路关合电流I Ng(峰值)，即在额定电压下，高压电器所能闭合而不造成触头熔焊的电流，其大小通常等于动稳定电流；（12）额定操作顺序。

9-2 为何真空灭弧室灭弧能力强？在什么条件下电弧熄灭? 扩散型电弧与收缩型电弧有何不同之处？
答：首先，真空间隙的绝缘性能好；其次，真空灭弧室中的电弧放电是在触头电极蒸发出来的金属蒸气中形成的，由于灭弧室中电弧弧柱内外的压力差及质点密度差均很大，弧柱内的金属蒸气及带电质点得以迅速向外扩散；再加之额定开断电流内真空灭弧室的介质恢复速度上升很快，因此，当金属质点的蒸发量小于弧柱内质点向外的扩散量时，电弧将骤然熄火。

对真空灭弧室，交流电弧往往在电流第一次过零时即熄灭，而直流情况需设置一个电力转向装置，使直流真空电弧有一个过零的机会，以创造一个同样的熄弧条件。

扩散型真空电弧：当真空电弧电流不大时，阴极斑点呈环形排列，并以一定速度向外膨胀扩散；电弧也向外扩散，形成多条并联电弧。

每一分支电弧有其阴极斑点，并由此阴极斑点向阳极发射一个圆锥形的弧柱，锥的顶点就在阳极斑点上。

这些斑点及各分支电弧互相排斥，并沿半径方向向电极边缘移动。

当某一分支电弧到达电极边缘后，它便熄灭；随后，电极中心部分的某一分支电弧又分裂出一个支弧进行补充。

其由低气压下“逆动”现象产生。

收缩型真空电弧：也叫集聚型电弧，是电流超过一定值后，触头间金属蒸气浓度达到临界高度，蒸气的压力和磁感应强度超过一定值时，逆动现象消失，原来扩散、并联的细弧柱在自身磁场的作用下收缩在一起，形成一根明亮的粗弧柱。

收缩型真空电弧产生后，由于金
属蒸气增多，使得弧隙介质强度的恢复困难，在恢复电压作用下，收缩型电弧将难于熄灭。

9-3 纵向磁场触头有何优点？它为什么比横向磁场触头好？
答：当磁通密度适当时，纵向磁场触头有下列优点：（1）可防止弧柱内带电质点沿触头半径方向扩散，使弧柱不易弯曲变形，弧柱中带电质点密度较大，因而电弧电压降低；（2）可防止电弧收缩，即提高了电弧由扩散型变为收缩型的临界值。

横向磁场触头利用电动力作用，使真空电弧的弧根由电极表面向外缘迅速移动，以减轻电极表面局部过热的程度，从而改善熄弧条件。

但是，横向磁场触头在开断大电流时，触头表面由于烧损将出现凹凸不平的现象，并形成熔化斑点，甚至会在触头表面上出现熔融的针状金属毛刺，造成电场局部集中，使触头间的耐压下降、电磨损严重、电寿命缩短。

为克服横向磁场触头上述缺点，研发了纵向磁场触头。

9-4 真空断路器有何优点？
答：真空断路器具有以下优点：（1）寿命长，适于频繁操作。

（2）触头开距与行程小，不仅减小了灭弧室的体积、操动机构的合闸功、操作噪声和机械振动，并且分/合闸速度大。

（3）燃弧时间短，一般不超过20ms，燃弧时间基本上不受分断电流大小和负载性质的影响。

（4）无油化，可防火防爆；灭弧过程既不受外界污秽的影响，也不污染外界。

（5）体积小，重量轻。

（6）检修间隔时间长，维护方便。

9-5 采用什么方法保护负载，可避免受到高压真空断路器操作过电压的危害？
答：一般采用两种方法：（1）在负载端并联碳化硅避雷器或金属氧化物避雷器。

当避雷器加额定工作电压时，呈高阻状态、对地不通。

当线路上出现过电压时，阻值迅速降低，将产生过电压的能量泄放入地；过电压消失后，避雷器又对地不通。

该方法多用于保护变压器。

（2）R-C保护。

氧化锌避雷器的响应时间很短，所以能对过电压的幅值进行有效的限制，但不能降低过电压的上升陡度。

由于过高的电压上升速率可能在电动机绕组中引起电压不均匀分布，从而使绕组端部的匝间绝缘被击穿，此方法常用来保护电动机。

此外，通过改进触头的材料和结构，也可以起到帮助作用。

9-6 六氟化硫的灭弧性能有哪些优越之处？六氟化硫高压断路器有哪些优点？
答：六氟化硫灭弧性能的优越之处主要表现在：（1）SF6热导率λ随温度变化而变化，2000～3000K时它具有极强的导热能力，5000K左右时，其热导率极低，此特性对熄灭电弧有重要帮助。

（2）常温下SF6极为稳定，惰性远远超过氮气，它与氧气、氢气、铝及其他许多物质不发生作用。

（3）SF6分子直径比氧、氮等分子大得多，电子在SF6气体中的平均自由行程很短，发生碰撞游离的几率很小。

（4）绝缘强度高，原因是SF6为强负电性气体，即SF6气体及由它分解出的氟原子在103K温度以下对电子有很大的亲和力，能吸附电子生成负离子，使空间的自由电子减少；而负离子活泼性很差，易与正离子复合形成中性粒子。

（5）SF6气体灭弧性能优越。

静止的SF6气体的开断能力比空气大100倍。

当用SF6气体吹弧时，采用不高的压力和不太高的分断速度就能在高电压下开断相当大的电流。

高压交流六氟化硫断路器的优点：（1）灭弧室的单断口耐压高，故断口数相对较少。

（2）开断能力大，通流能力强。

SF6气体热导率高，对触头及导体冷却效果好。

SF6气体中，触头接触电阻稳定，额定电流可达8000A以上。

（3）电寿命和检修间隔周期长。

（4）开断性能优异。

SF6气体电弧能量较少，残余弧心截面小，介质恢复速度特别快，开断近区故障性能特别好。

（5）除能开断很大的短路电流外，SF6断路器还能开断空载长线不发生电弧重燃现象，因而过电压小。

由于SF6气体的电弧电流减小时，弧心直径会随电弧电流减小而连续变细，这使得截流值很小，截流过电压也很小。

在失步开断、异相接地短路等苛刻条件(过电压高)下，SF6断路器亦能顺利开断电路。

（6）无火灾危险，无噪声公害。

（7）用全封闭组
合电器代替分立元件。

9-7 简单叙述LW6-500型断路器的灭弧室结构及工作原理。

答：LW6-500型SF6断路器的灭弧室为单压、双向、外喷、变开距式，其分闸状态下的结构示意图如图9-1所示。

（1) 静触头系统：全部静触头系统零件均固定在静触头支座1上，其前面中间装有静弧触头4。

静触指5由28个触指及弹簧围成一圈组成。

分子筛2用作吸附剂。

（2) 灭弧室及动触头系统：喷嘴6位于动触头系统的最前端，它固定在动触头11上。

在动触头上还装有动弧触头7。

在动触头杆部位套有滑动触头10，它分为12瓣，外面用触指弹簧压紧。

动触头11的前端同时是动主触头，并且用螺纹与压气缸8联接。

13为动触头支座，在它的前端固定有逆止阀9，阀内装可活动的阀片。

动触头11后部装有拉杆装配件12，拉杆可沿导轨14移动。

鼓形瓷套3与触头支座相连，形成一个灭弧室整体。

图9-1 LW6-500型SF6断路器的灭弧室结构图（分闸状态）
1—静触头支座2—分子筛3—瓷套4—静弧触头5—静触指
6—喷嘴7—动弧触头8—压气缸9—逆止阀10—滑动触头
11—动触头12—拉杆装配件13—动触头支座14—导轨15—活塞圈
LW6-500型断路器的工作原理为：
1）合闸：当SF6断路器合闸时，由传动机构带动拉杆向上运动，使主动触头、压气缸、弧动触头、喷嘴等同时向上运动；当运动至一定位置时，动弧触头首先插入静弧触头中，即弧触头先合闸。

紧接着，动触头的前端开始插入静触指，至拉杆行进150mm后完成合闸动作。

在动触头和压气缸快速向上行进过程中，逆止阀片打开，由于负压，灭弧室内的SF6气体迅速进入压气缸内。

2）合闸后的电流通路：合闸后，电流由静触头支座进入，经过静触指、动触头前端、动触头后端（杆）、滑动触头到动触头支座，然后从动触头支座引出。

为使压气缸动作可靠及减少气体的泄漏，在压气缸与动触头支座间装有一个用绝缘材料制成的活塞圈15。

它还可以防止压气缸分流产生的火花。

3）分闸：拉杆带动动触头系统快速向下移动，先是动主触头与静主触头分开，而后是弧触头对分开，并产生电弧。

在拉杆向下移动的过程中，逆止阀关闭，压气缸内腔的SF6
气体被压缩，吹向电弧。

动、静弧触头刚分离时，电弧尚处于喷嘴内部，只有少量的SF6气体从动、静弧触头管中反向排出，从而吹拂弧根并带走金属蒸气。

当动弧触头离开喷嘴喉部时，被压缩到一定压力的SF6气体从喷嘴迅速喷出，在喷嘴的喉部强烈地吹拂电弧，以加强散热和去游离。

此时，一部分气体可从静触头支座所开的孔中排出。

随着开距不断增大，喷口的开启截面增大，气流截面也逐渐增大，气吹效果更加增强，从而保证SF6断路器有很强而且稳定的开断能力。

该灭弧室的压气缸容积虽小(好处是操作功小)，但利用“喷口堵塞效应”，可节约压气缸内的SF6气体和提高压力比。

通过设计有效的喷嘴及适时的吹喷特性，可使灭弧室的结构与断路器的机械运动特性配合良好，在最有利的熄弧区间实现最好的熄弧效果。

9-8 操动机构的任务与对它的要求有哪些？操动机构有哪些类型？
答：高压交流断路器操动机构的任务及要求如下：
（1）合闸时，高压交流断路器应能在各种规定的使用条件下可靠地闭合线路。

（2）合闸保持时，应利用合闸保持元件使高压交流断路器的触头可靠地保持在合闸位置，不因外界振动、短路电动力或其他原因产生误分闸。

（3）由于高压交流断路器在闭合故障线路时，可能反复地分合闸，产生“跳跃”，导致高压交流断路器损坏。

因此，操动机构应有防跳跃措施。

（4）高压交流断路器接到分闸命令后，应按照分闸机械特性要求迅速准确地分闸。

（5）高压交流断路器无论处于合闸过程中的任何位置，如接到分闸命令，操动机构应立即分闸，称其为“自由脱扣”。

（6）高压交流断路器在自动重合闸后应不再自动跳闸，线路将恢复正常供电状态。

若是永久性故障，高压交流断路器在操动机构的作用下应立刻自动跳闸，并不再投入。

（7）为保证不发生人身或设备事故，操动机构应具备联锁性能，包括分、合闸位置联锁，弹簧储能联锁以及高、低气压(或液压)联锁。

高压交流断路器操动机构主要有六种，即：
（1）手动操动机构；
（2）直流电磁操动机构；
（3）弹簧操动机构；
（4）气动操动机构；
（5）液压操动机构；
（6）永磁操动机构。

第3篇高压电器第10章其他高压电器
10-1 试述高压隔离开关的用途及对它的基本要求。

当它与高压断路器串联时在操作中应注意什么?
答：高压隔离开关是高压电器中用的最多的电器，它没有灭弧装置，所以一般不允许带负电载电流操作，更不能开断短路电流。

其主要特点是可在有电压、无负载下进行线路分合。

当其与高压断路器配合使用时，只有高压断路器分闸后，才允许操作高压隔离开关。

10-2 高压隔离开关与断路器在用途方面有何区别？高压隔离开关与高压熔断器串联，各起什么作用?
答：高压隔离开关的用途包括：（1）隔离电源，即将待检修的线路或电气设备与带电的电网隔离，以保障检修人员的安全。

（2）倒换母线，即在双母线线路，将设备或供电线路从一组母线切换到另一组母线。

（3）接通和开断小电流电路，如接通和开断10kV的电压互感器和高压避雷器线路，10kV、320kV·A及以下空载变压器，等。

若变压器容量在320kV·A及以下，且装在户内时，变压器高压侧可采用高压隔离开关串联高压熔断器的接线方案。

其中，高压隔离开关在检修变压器时打开，起隔离电源的作用，同时也能通断一定容量的变压器空载电流，而高压熔断器主要起短路保护作用。

10-3 充石英砂的高压熔断器为什么有限流作用? 高压跌落式熔断器是否属于自能灭弧方式?
答：当充石英砂的高压熔断器熔体流经的短路电流很大时，熔体温度上升很快；在电流未达最大值前，熔体温度已达熔点、熔化并蒸发。

由于熔体处在石英砂包围之中，形成很高的压力迫使金属蒸气向四周喷溅，产生强烈的去游离作用，使短路电流在未达到其峰值前将被截断，加上石英砂对它的冷却和去游离作用，弧柱将呈现很高的电阻，从而大大限制短路电流的上升，起限流作用。

是属于自能灭弧方式。

10-4 高压熔断器的熔丝为什么要求用高熔点、低电阻率材料? 又为什么要采用冶金效应?
答：高压熔断器的熔丝要求采用高熔点、低电阻率的金属材料，是因为低熔点的金属材料的电阻率较大，在通过相同的额定电流时，熔体的截面较大、气化时产生的金属蒸气较多，弧隙易游离，导致熄弧困难。

缺点是用高熔点、低电阻率材料做成熔体后，过载时，熔体的温度甚高，会使高压熔断器的绝缘和触头等严重发热。

为此，可在熔体上焊小锡球，利用“冶金效应”解决这一问题。

“冶金效应”的原理是过载时，锡先熔化并渗入铜中，形成熔点较低的铜锡合金并先熔断，使电路开断，然后产生电弧；电弧的高温又使熔丝继续熔化，直到弧隙长度达到足以熄弧为止。

冶金效应改善了过载保护持性，但由于短路电流通过熔体会急剧发热，熔体将快速熔断，故短路下，冶金效应不起作用。

10-5 采用变截面熔体为什么可以限制开断过程中的击穿电压?
答：变截面熔体能降低击穿过电压，是因为在短路电流的作用下，截面小处将先熔断，此时，击穿电压仅由熔体较细部分的长度决定，击穿电压值就减小了。

间隙击穿后，短路电流继续通过熔体而使之全部熔断。

由于在原来熔体较细部分已形成电弧，是导电的，因此，当熔体较粗部分熔断后将会产生金属蒸气而再度被击穿，该击穿电压的大小仅决定于熔体较粗部分的长度。

实验证明，采用此法可将过电压由4.5倍额定电压限制到2.5倍以下。