华工自动化企业供电第5章 电气设备及其选择综述

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1、第五章 电气设备及其选择,本章主要内容 本章首先介绍供配电系统中电气设备触头间电弧产生和熄灭的有关知识，然后介绍主要的电气设备，重点讲述其功用、结构特点、型号，以及使用过程中的注意事项和操作要求。本章是供配电设计、操作和维护必备的基础。,第五章 电气设备及其选择,第一节 电弧的基本知识,一、电弧基本概念 1电弧：有触点的开关电器在动作时，静触头和动触头之间产生的弧光。 电弧是开关设备在操作过程中发生的一种物理现象；实质：一种极强烈的电游离现象或者为气体放电现象。 游离：中性质点转化为带电质点的过程； 开关电器的动、静触头之间的空气由绝缘变成导体的过程电游离的过程。,第一节 电弧的基本知识,2电

2、弧的危害： （1）使开关电器在操作时延长了切断时间； （2）电弧温度很高，容易烧毁电气设备，严重时会发生火灾和爆炸事故。平均温度高达5000度；（高温） （3）弧光会严重影响人的视力，甚至会导致失明； （强光）,第一节 电弧的基本知识,3电弧产生的物理过程： 物理过程：空气由绝缘状态转变成导体的过程即是电弧产生的过程； 电弧产生的四个阶段： （1）强电场发射：触头分离瞬间，全电路的电压全部加在两个触头上，电场强度极大，阴极触头表面上的电子很容易在强电场中成为自由电子，向阳极高速运动。,第一节 电弧的基本知识,（2）热电场发射触头分开瞬间，由于触头之间的压力和接触面积减小，接触电阻很大，短时间内

3、能够获取很大的热能，自由电子获取足够的速度和动能，最终能够摆脱原子核的吸引成为自由电子，在外部电场的作用下向阳极运动。 （3）碰撞游离电子碰撞中性质点，产生自由电子和正离子，此过程连锁反应，产生“雪崩效应” ；当离子浓度达到一定程度之后，中性介质变为导体，在外施电压作用下产生电流，开始弧光放电； （4）热游离维持电弧；电弧温度表面3000-4000度，电弧中心高达10000度；在此高温下，电弧中的中性质点可游离为正离子和自由电子，从而维持电弧；热游离维持电弧的燃烧。,第一节 电弧的基本知识,二、电弧熄灭的条件 达到一定浓度的带电粒子的存在使得电弧形成；减少内部带电粒子浓度是灭弧的关键。 1去游

4、离减少带电质点的过程。 2去游离的方法 （1）正负带电质点的复合：电弧中电场强度越弱，电弧的温度越低，电弧截面越小，则带电质点的复合越强。（能量小） （2）正负带电质点的扩散：扩散的原因存在温度差，浓度差；,第一节 电弧的基本知识,3灭弧条件,灭弧的条件：电弧中的去游离速度大于游离速度。,第一节 电弧的基本知识,三、交流电弧的基本特点 1.交流电流过零时，电弧会暂时熄灭，此时弧隙温度骤降，热游离终止，去游离增强，弧隙间的介质强度增加；,第一节 电弧的基本知识,2在阴极附近很小的弧隙区域内有较大的介质强度近阴极效应。阴极附近积聚大量的正离子，电位跃变；交流电弧在电流过零瞬间，阴极附近在0.1us

5、-1us时间内，立即会出现150250V的介质强度。当外加电压小于此电压时，电弧会熄灭。,第一节 电弧的基本知识,四、开关电器中灭弧的基本方法（抑制游离，增强去游离） 1速拉灭弧法：迅速拉长电弧，使弧隙的电场强度骤降，离子复合迅速增强，加速灭弧。此方法是开关电器中较为基本的灭弧方法，高压开关 中装设断路弹簧，用于加快触头的分断速度，迅速拉长电弧。 2冷却灭弧法：降低电弧的温度，减弱电弧中的热游离，正负离子的复合增强，有助于电弧加速熄灭，也是一种基本的灭弧方法。,第一节 电弧的基本知识,3吹弧灭弧法： 利用外力（气流、油流或者电磁力等）吹动电弧，使电弧加速冷却，同时拉长电弧，降低电弧中的电场强度

6、，使离子的复合和扩散增强，从而加速灭弧。,第一节 电弧的基本知识,吹弧方向：横吹和纵吹； 吹弧方式：气吹、油吹、电动力吹、磁吹等；,第一节 电弧的基本知识,4长弧切短灭弧法 广泛采用金属栅片将长弧分成许多短弧，利用近阴极效应灭弧，如图长电弧被分割成许多串联短弧，在电弧电流过零电弧熄灭时，每两个栅片之间产生150-250V的介质强度，则灭弧栅片总的介质强度变为n(150-250)V，若作用触头间的电压小于该值时，不能维持电弧燃烧，电弧自然熄灭。电弧的电压主要降落在阴极和阳极上，弧柱上的电压降很小。,第一节 电弧的基本知识,5粗弧分细灭弧法 将粗大的电弧分成平行的细小电弧，使之与周围介质的接触面积

7、增加，改善电弧的散热条件，降低电弧温度。熔断器中工作熔丝分成若干根，相当于将粗弧分成了几个细弧。 6狭缝灭弧原理 使电弧在固体介质所形成的狭缝中燃烧，由于电弧的冷却条件改善，从而使得电弧去游离增强，介质表面的复合增强，从而使得电弧加速熄灭。比如在熔断器中填充石英砂。,第一节 电弧的基本知识,7真空灭弧法 真空具有较强的介质强度，如果将开关触头放在真空容器内，则在电流过零时就能立即灭弧。比如真空断路器，真空中没有中性质点。 8特殊气体灭弧法 如：SF6断路器。SF6具有优良的绝缘性能和灭弧性能，稳定性高，其绝缘强度约为空气的3倍，其介质强度恢复速度约为空气的100倍。,第一节 电弧的基本知识,五

8、、对电气设备触头的基本要求 1满足正常负荷的发热要求，且接触电阻小。需要附加特殊材料，比如交流接触器的触头上镀银。 2具有足够的机械强度；能够经受规定的通断次数而不至于发生机械故障或者损坏。 3具有足够的动稳定度和热稳定度；能够承受得住短路冲击电流电流产生的电动力和高温。 4具有足够的断流能力；能够在开断规定的最大负荷电流或者短路电流时，触头不应被电弧过度烧损，更不应该发生熔焊现象。,第二节导体和电气设备选择的一般规定,导体和电气设备的选择是变电所设计的主要内容之一为保证设备可靠运行，各种电气设备均按照正常条件下的额定电压和额定电流选择，并按照短路条件校验动稳定性和热稳定性。,第二节导体和电气

9、设备选择的一般规定,一、按正常工作条件选择 1电压 安装地点电网的实际工作电压（或者额定电压）；,2电流,；或,其中：,额定环境温度下长期允许通过的电流；,设备安装回路的最大持续工作电流；,第二节导体和电气设备选择的一般规定,由于设备实际安装地点的温度不一定等于额定环境温度，长期允许的电流或者额定电流需要进行修正。如裸体导线：,为修正系数； 导体额定工作温度，一般导体额定工作温度为25度，电器设备为40度； 环境温度为 时的允许电流； 导体或者设备正常发热允许的最高温度； 设备在额定温度下的允许长期工作电流；,第二节导体和电气设备选择的一般规定,对于电气设备而言：当使用环境温度高于40度时，环

10、境温度每增高1度，建议允许电流减少 ，但温度最高不得超过60度；当环境温度低于40度时，每降低1度建议允许电流增加 ，但增加的最大过负荷电流不超过 。 但在选择设备的时候，不仅注意到工作环境的温度修正问题，还应注意到工作点海拔的要求。,第二节导体和电气设备选择的一般规定,二、按短路条件校验 1热稳定校验 短路电流通过时，导体和电器各部件温度不超过短路时发热最高允许值，即：,设备安装地点稳态三相短路电流； 发热等值时间（短路电流假想时间） 厂家给出t秒热稳定电流（t秒内允许通过的短路电流值）； 厂家给出的热稳定计算时间；,第二节导体和电气设备选择的一般规定,2动稳定校验 主要校验导体和电器承受短

11、路电流机械应力的能力； 满足：,设备安装地点短路冲击电流； 厂家给出的设备允许通过的电流峰值；,对于下列情况可不校验动稳定或热稳定： （1）用熔断器保护的电器，热稳定性不必校验，由熔断器的熔断时间保证；但动稳定性需要校验； （2）电压互感器的及其回路的导线和电器可不必校验动稳定和热稳定； （3）电缆的动稳定由厂家保证，但热稳定性要校验。,第二节导体和电气设备选择的一般规定,三开关电器断流能力的校验 对具有断流能力的高压开关设备（断路器、熔断器等）需校验其断流能力，开关设备的断流容量不小于安装地点最大三相短路容量。 四高压开关设备的选择（总结） 高压断路器、高压隔离开关、高压熔断器和高压负荷开关

12、具体选择如下： 1根据使用环境和安装条件选择设备的型号； 2按正常条件选择设备的额定电压和额定电流；,第二节导体和电气设备选择的一般规定,3动稳定校验 式中，imax为电气设备的极限通过电流峰值；Imax为电气设备的极限通过电流有效值。 4热稳定校验 式中，It为电气设备的热稳定电流；t为热稳定时间。,第二节导体和电气设备选择的一般规定,5开关电器断流能力校验 对具有断流能力的高压开关设备需校验其断流能力。开关电气设备的断流容量不小于安装地点最大三相短路容量，即：,式中，Ioc 、Soc为制造厂提供的最大开断电流和开断容量。,第三节 高压开关设备及其选择,一、高压断路器 高压断路器：high-

13、voltage circuit-breaker,文字符号QF，图形符号 1作用： （1）正常运行时：能够通、断正常负荷电流； （2）系统故障时：能够配合继电保护装置，切除故障电流；因为断路器具有完善的灭弧装置和足够的灭弧能力。,第三节 高压开关设备及其选择,2型号表示及含义,第三节 高压开关设备及其选择,3分类 根据灭弧介质，主要包括以下几种： （1）少油断路器 绝缘油的作用： a灭弧介质； b绝缘：动、静触头之间的绝缘介质； 注意：少油断路器对地绝缘靠空气、套管以及其他的绝缘材料完成；而多油断路器的油还作为带电导体对外壳的绝缘介质。二者的区别。,第三节 高压开关设备及其选择,SN10-10型

14、户内少油断路器的外型结构及内部灭弧原理如图所示； 可以配合相应的电磁操动机构，操动机构中均带有跳闸以及合闸线圈，可以通过控制电磁操动机构的线圈，即可实现自动操作，也为远动提供方便。,第三节 高压开关设备及其选择,油断路器在使用中的注意问题： a.防止漏油和渗油，油位指示器良好；过高或者过低均不允许； b.油温正常；断路器的上层油温不应超过 c.绝缘子清洁，完好；,第三节 高压开关设备及其选择,（2）真空断路器 灭弧和绝缘介质是“真空”，气压大约10-210-6Pa；利用真空的高绝缘强度熄灭电弧：由于真空中中性原子很少，很难产生电弧且不能稳定燃烧； 特点：动作快，体积小，断流容量大，但制造复杂。

15、主要适用于220KV及以上系统，以及防火、防爆的场合。,第三节 高压开关设备及其选择,由于真空中没有可被游离的气体，只有高电场发射和热电发射使触头之间产生真空电弧，电弧高温使得金属表面产生金属蒸气，触头设计特殊，在电流通过时产生横向磁场，使得真空电弧在主触头表面切线方向上快速移动，在屏蔽罩内壁上凝结部分金属蒸气，电弧在自然过零时暂时熄灭，触头间的介质强度迅速恢复；电流过零之后，外加电压虽然恢复，但触头间隙不会被击穿，所以真空电弧在电流第一次过零之后就能完全熄灭。,第三节 高压开关设备及其选择,（3）SF6断路器 灭弧和绝缘介质： SF6气体； SF6特点： 无色、无味、无毒且不易燃烧，在150

16、以下时，其化学性能相当稳定。 不含碳（C）元素，对于灭弧和绝缘介质来说，具有极为优越的特性。 不含氧（O）元素，不存在触头氧化问题。 具有优良的电绝缘性能，在电流过零时，电弧暂时熄灭后，SF6能迅速恢复绝缘强度，从而使电弧很快熄灭 。,第三节 高压开关设备及其选择,在电弧的高温作用下，SF6会分解出氟（F2），具有较强的腐蚀性和毒性； 能与触头的金属蒸汽化合为一种具有绝缘性能的白色粉末状的氟化物。,第三节 高压开关设备及其选择,4几种断路器的特点对比： 少油断路器： 重量轻、体积小、节约油以及钢材、价格低等优点，但不能频繁操作，主要用于635KV的室内配电装置； 真空断路器： 不易爆炸、噪声低，体积小，重量轻、寿命长、结构简单，无污染、可靠性高等优点，因此在35KV配电系统及以下电压等级中处于主导地位，但价格昂