第6章开关电器

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1、电气工程基础第六章 开关电器,第六章 开关电器 本章主要内容,电弧产生和熄灭的物理现象及规律 高压断路器 隔离开关 高压负荷开关 高压熔断器 全封闭组合电器 低压电器（增加）,电气工程基础第六章 开关电器,第一节 灭弧原理,电弧现象和特点 当触头接通或触头分离时，触头间可能产生一团温度极高，发出强光，并能导电的，近似圆柱体的气体。电弧属气体放电，气体分子分解成正离子、自由电子而导电。触头分开，触头间只要有电弧存在，电弧就没有断开，电流仍存在。,危害：温度极高，可能烧坏触头及触头附近其他附件，若长久不熄灭，将会引起电气毁坏，甚至爆炸，危及电力系统安全，甚至造成生命财产的极大损失。,电气工程基础第

2、六章 开关电器,第一节 灭弧原理,一、电弧中带电质点的产生 切断路瞬间动静触头间出现弧光放电，是由于其间的介质迅速游离，存在着一定浓度的带电质点，即带正电荷的离子和带负电荷的电子。触头间电弧燃烧的区域称为弧隙。弧隙中带电质点不断增多的游离过程可以由各种不同途径发生。,电气工程基础第六章 开关电器,1 强电场发射,在断路器触头分开的最初瞬间，触头电极的表面受到外加电压所形成的强电场的作用，金属电极表面的电子就会在电场力的作用下被拉出，即发生了所谓强电场发射。金属表面发射电子的数量决定于极间电场强度的高低。当电场强度超过107V/cm时，即使金属表面温度不高，其电子发射量也会显著增加。,电气工程基

3、础第六章 开关电器,2 碰撞游离,当有一定强度动能的电子撞击到某种气体的中性质点时，可使其间电子被释放出来，游离成正离子和新的自由电子。被撞击的电子和原来的电子又会在电场作用下向阳极作加速运动，获得足够动能后，又将撞击其它中性质点，产生更多的自由电子和正离子，使带电质点浓度迅速增加。这一游离过程称为碰撞游离。,电气工程基础第六章 开关电器,3 热游离,在高温下，气体分子和原子热运动加快，它们互相碰撞，在温度足够高时会撞击产生离子和自由电子，这种现象称为热游离。,在弧光放电过程中，电极表面少数点上有局部较集中的电流，同时因开关触头分离后，触头间接触压力及接触面积逐渐减小，接触电阻也随之增加，会使

4、电极表面有相应高温，从而造成其中的电子获得很大的动能后逸出到周围空间。这种现象称为热电子发射，其强弱程度与阴极的材料及表面温度有关，是气体介质中带电质点产生的主要原因之一。,4 热电子发射,电气工程基础第六章 开关电器,电弧形成后，维持电弧放电的所需电场强度很低，不需要基于高电场强度的电场游离。简单通过拉长触头间的距离降低断口电场达到熄灭电弧的方法不可取。,实践：交流100kV电压，在大气中断开5A电流时，电弧长度可以超过7m。,开关电弧熄灭的有效措施：快速减少处于游离状态的自由电子和正离子。,电气工程基础第六章 开关电器,二、电弧间隙的去游离,在电弧放电发生后，介质中同时存在着游离与去游离这

5、样二个相反过程。去游离对应的是弧隙中带电粒子（正离子或自由电子）减少的过程，它进行的方式主要有两种：,电气工程基础第六章 开关电器,1 复合 复合是指带异性电荷的质点相互接触，交换多余电荷而形成中性质点的现象。,加快复合的方法：,1、拉长电弧 2、加快对电弧的冷却 3、加大气体介质的压力 电子自由行程变小,E减小,电子速度降低,减小电子热运动速度,提高气体介质浓度,2 扩散 带电质点从弧燃区域逃逸至周围介质中去称作扩散。,电气工程基础第六章 开关电器,电弧中扩散主要因: （1）弧燃区域与周围介质中带电质点浓度不同； （2）两区域中温度的不同而引起。 扩散的速率决定于电弧表面上带电质点数目，故与

6、电弧直径成反比。,扩散,高浓度低浓度,高温度低温度,用高速冷气吹弧,吹弧方式,纵横吹,纵吹,横吹,电气工程基础第六章 开关电器,三、电弧的熄灭,电弧中存在的游离与去游离这二个性质相反过程的强弱对比就决定了电弧最终发展趋势，即当游离强于去游离时，电弧就会发生并燃烧激烈；若去游离与游离过程达到平衡，电弧就会稳定燃烧；而在去游离占有优势时，电弧的燃烧即将减弱并最终熄灭。 在电弧产生后只要抓住有利时机，采取合理措施去减弱游离而加强去游离，就将加速促成电弧熄灭。,电气工程基础第六章 开关电器,四、交流电弧的特性与熄灭,1交流电弧的特性 交流电弧存在自然暂时熄弧点。 交流电弧有动态伏安特性（因为交流电流）

7、,2交流电弧的熄灭 介质强度恢复过程 介质强度：弧隙中介质所能承受而不被击穿的最大外加电压，常用Ud（t）表示。 恢复电压的变化过程 是指施加于弧隙上的电压由熄弧电压过渡到电源电压的过程，常用Ur（t）表示。 交流电弧的熄灭 熄弧条件： Ud（t） Ur（t）,电气工程基础第六章 开关电器,四、交流电弧的特性与熄灭,介质强度和恢复电压,电气工程基础第六章 开关电器,四、交流电弧的特性与熄灭,3电弧的熄灭措施： 采用绝缘性能高的介质 使电弧的长度迅速增加 采用灭弧装置，加快电弧的冷却,电气工程基础第六章 开关电器,五、熄灭交流电弧的基本方法,1采用新型介质熄弧 （如六氟化硫SF6） 2利用气体或

8、油吹动电弧（横吹、纵吹或横纵吹） 3采用多断口灭弧（多个断口串联，每个断口电压降低，同时弧隙电阻变化加快，介质恢复速度加快，易于熄弧） 4. 采用特殊金属材料作为灭弧触头 5. 采用并联电阻 6. 其它措施 基于交流电弧熄灭的基本原理，还可以在开关电器灭弧过程中采用固体介质狭缝灭弧。,电气工程基础第六章 开关电器,第二节 高压断路器,1.开关电器按功能可分为以下几种 ：,（1）仅用于正常情况下断开或接通正常工作电流的开关设备，如高压负荷开关、低压闸刀开关、接触器和磁力启动器等； （2）仅在故障或过负荷情况下切断或闭合故障电流和过载电流的开关设备，如高低压熔断器； （3）既能切断或闭合正常工作电

9、流，又能切断、闭合故障电流的开关设备，常见的有：高低压断路器和低压空气开关； （4）仅用于检修时隔离带电部分的开关电器，主要指隔离开关。,电气工程基础第六章 开关电器,2.电力系统对高压断路器的要求,（1）在正常情况下能开断和关合电路。 （2）在电力系统发生故障时应以较短时间将故障部分从电力系统中切除，以减轻故障对设备的损害； （3）应能配合自动重合闸进行多次关合和开断。,电气工程基础第六章 开关电器,3. 高压断路器的结构,开 断 部 分： 包含导电和触头系统以及灭弧室 操动和传动部分： 包括操作能源和把操作能源传动到触头系统的各种传动机构。断路器的分合闸操作靠操动机构实现。 绝 缘 部 分

10、： 包括把处于高电位的导电和触头系统与低电位绝缘的绝缘元件 ；以及联系处于高电位的动触头系统与处于低电位的操作能源所用的绝缘连接件等。,电气工程基础第六章 开关电器,3. 高压断路器的结构,电气工程基础第六章 开关电器,3. 高压断路器的结构,电气工程基础第六章 开关电器,3. 高压断路器的结构,积木组合式断路器,电气工程基础第六章 开关电器,4.高压断路器的基本类型,按灭弧介质的不同，断路器可分为 （1）油断路器。 （2）压缩空气断路器。 （3）六氟化硫断路器。 （4）真空断路器。 （5）磁吹断路器。 （6）固体产气断路器（简称自产气断路器）。,按断路器安装地点，又可将其分为 （1）屋内式

11、（2）屋外式。,电气工程基础第六章 开关电器,油断路器,优点: 结构简单，价格便宜 缺点：检修周期短 维护工作量大 潜在火灾危险 被SF6断路器取代的趋势（110kV及以上系统） 被真空断路器取代的趋势（10kV电力系统）,电气工程基础第六章 开关电器,SF6气体是电负性气体，即其分子和原子有很强的吸附自由电子的能力。可以大量吸附弧隙中参与导电的自由电子，生成负离子。负离子运动比电子慢，很容易和正离子复合成中性分子和原子，大大加快电流过零时弧隙介质轻度的恢复。,SF6断路器,电气工程基础第六章 开关电器,SF6断路器优点,绝缘性能和灭弧性能优良 单柱双断口的结构 检修周期长，无火灾的危险 在1

12、10kV及以上系统取代油断路器,电气工程基础第六章 开关电器,真空断路器,ZN12-12系列真空断路器,真空断路器结构外型图,绝缘子,操动机构,真空灭弧室,绝缘拉杆,传动机构,电气工程基础第六章 开关电器,(3)真空灭弧室,真空灭弧室,触头,密封外壳,电气工程基础第六章 开关电器,真空断路器优点,绝缘性能好 ，触头的开距可以做得很小 只需配置操作功小的操动机构 灭弧能力强 ，适用于频繁操作的场合 结构简单，维修工作量小 ，无火灾危险 和无环境污染 在10kV电力系统中逐步取代少油断路器,电气工程基础第六章 开关电器,LW56-550(W)Y4000-63型六氟化硫式断路器,LW53-550(W

13、)Y3150-50六氟化硫磁柱式断路器,ZW6-12-T630-16系列户外真空断路器,ZW7-40.5系列户外高压真空断路器,电气工程基础第六章 开关电器,ZN33-12C户内高压真空断路器,zn94-12B户内高压真空断路器,电气工程基础第六章 开关电器,4.高压断路器的基本技术参数,（1）额定电压UN 保证断路器正常长期工作的线电压（标称电压），以KV为单位。按我国现行国标及有关暂行规定，我国断路器的额定电压有10，20，35，60，110，220，330，500KV。 按国家标准，额定电压在220KV及以下的电器设备，其最高工作电压为额定电压的1.15倍；对于330KV及以上电器设备，

14、规定为 1.1倍。,电气工程基础第六章 开关电器,（2） 额定电流IN 额定电流是断路器允许长期通过的最大工作电流，以A为单位。在长期通过额定电流时，断路器各部分发热温度不超过国家标准。 我国断路器额定电流等级为200，400，600，（1000），1250，1600，（1500），2000，3150，4000，5000，6300，8000，10000，12500，16000及20000A等,（3）额定开断电流INbr 额定开断电流是指在额定电压下断路器能开断而不致妨碍其继续工作的最大短路电流，单位为KA。,电气工程基础第六章 开关电器,（4）热稳定电流Ith 又称短时耐受电流。它指的是在某一

15、规定的短时间t内断路器能耐受的短路电流热效应所对应的电流值，以KA为单位。,（5）动稳定电流Ies 又称峰值耐受电流，它是断路器在关合位置时能允许通过而不致影响其正常运行的短路电流最大瞬时值，以KA为单位。,（6）额定短路关合电流INcl 额定短路关合电流是指断路器在额定电压下用相应操动机构所能闭合的最大短路电流，单位为KA。,电气工程基础第六章 开关电器,（8）合闸时间tcl 处于分闸位置的断路器从接到合闸信号瞬间起到断路器三相触头全接通为止所经历的时间为合闸时间。,（7）开断时间tbr 开断时间是指断路器的操动机构到分闸指令起到三相电弧完全熄灭为止的一段时间，它包括断路器的分闸时间和燃弧时

16、间两部分。,电气工程基础第六章 开关电器,断路器的型号 1 2 3 4 5 / 6 7 8 1表示断路器的字母代号，有S少油；D多油； Z真空；K空气；LSF6； 2安装场所代号，N屋内型；W屋外型； 3 设计序列号； 4额定电压，KV； 5其它标志，如G改进型，F表示分相操作； 6 额定电流，A； 7额定开断能力（KA或MVA）； 8特殊环境代号。,电气工程基础第六章 开关电器,电气工程基础第六章 开关电器,隔离开关是一种没有灭弧装置的开关设备。它一般只用来关合和开断有电压无负荷的线路，而不能用以开断负荷电流和短路电流，它需要与断路器配合使用，由断路器来完成关合、开断任务。,第三节 隔离开关,GN22-12户内 高压隔离开关,GN30-12户内 高压隔离开关,GW5-40.5-126 高压隔离开关