高压电器与电气设备讲义

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1、第2章 高压电器与开关设备,在电力系统和各种用户系统中，高压电器和开关设备均具有重要的地位和作用，各种高压和开关设备的工作原理和功能各不相同，构成供变电工程的各个组成部分。 第1节 高压电器的作用和分类每一种类电器设备，都有其代表符号，目前，我国电器表示符号有老的标准和新的标准两套，这两种标准目前在我国并用。,文字符号:新旧标准可查看电气技术中的文字符号制订通则(GB 715987)和电工设备文字符号编制通则(GB 31564)。 图形符号: GB /T 4728电气简图用图形符号，等同采用IEC 60617 database电气简图用图形符号数据库标准中的相应内容。 GB /T 5465一1

2、996 电气设备用图形符号绘制原则 ，等同采用IEC 416:1988设备用图形符号绘制原则 GB/T 5465.2一1996电气设备用图形符号 ，等同采用IEC 417:1994设备用图形符号目录、索引、一览表和活页资料汇编,按照用途不同，把高压电器进行以下分类：（注：以下文字符号列出新、旧两个标准） 开关设备 用于对电能或信号通路进行分或合的操作，这些开关设备有：断路器（QF,DL），用于分和合正常电路或故障电路，是变电站等进行倒闸操作的主要设备；隔离开关（QS,G），用于把高压设备于带电部分隔离开来，以便工作人员对相应的高压设备进行检修；,熔断器（FU,RD），熔断器兼有开关设备和保护设

3、备两个功能，主要的功能是保护设备，用于当流过熔断器的电流超过允许值时，断开电路；负荷开关（QL,FW），是电路进行正常操作开/合电路的一种开关，与断路器不同的是，断路器可以开/合故障电流，而负荷开关只能开/合负荷电流。 限制电器 用于对电路中电流或电压的水平进行限制的高压电器（通常是限制电流超过某些值或电压超过某些值）电抗器（L,DK），作用是限制短路电流；,避雷器（F,BL），作用是限制大气过电压或操作过电压，保护其它电器设备的安全； 变换电器 用于把高压系统电气参数转换为测量、计量、保护等系统能接受的信号。电压互感器（TV,YH），用于把高压转换为低压；电流互感器（TA,LH），用于把大电

4、流转换为小电流。 组合电器 把一定功能的电器设备组合成一体的电器组合。 按照安装位置不同，高压电器又可以分为：,户内式 顾名思义，是安装在室内的高压电器设备； 户外式 当然是安装在室外的高压电器设备。按照电能制式不同，有直流电器和交流电器的分类。 高压电器都应满足可靠、灵活、经济的基本要求。根据高压电器工作条件及所起作用的不同，其结构和工作性能应其有不同特点。如开关能力、精度要求等。,第2节 交、直流电弧的形成及熄弧原理和方法,开关设备在高压电器中占有重要地位，在开关电器的分/合闸操作过程中，有可能存在一个在触头之间产生电弧、电弧存续和熄灭的过程，对开关能否完成所进行的操作有重要影响，因此有必

5、要对电弧的产生和熄灭机理进行研究。 电弧的形成 开关电器一般由导体（用于提供电能从开关外部到开关触头之间的通路）、触头（对电能通路进行分开和闭合，分动触头和静触头）和绝缘介质组成。,放电：带电体周围介质从绝缘状态变为导通状态，从而使电能通过的现象，称为放电。开关设备进行切断电路或关合电路时，当动触 头和静触头之间电场强度大于介质强度时，触头之 间将会击穿，从而出现电弧。增强电弧的因素作用的结果，我们称为游离， 而削弱电弧的因素作用的结果，我们称为去游离。 所以，电弧具体的发展方向取决于是游离强还是去 游离强。动、静触头之间的电弧从出现、燃烧到最终熄灭，是一个过程，这一过程中，存在一些增强电弧燃

6、烧的因素，也有一些因素对电弧的熄灭起作用，对电弧的发展方向（增强还是减弱）起作用的有外部因素和内部因素。,具体在电弧燃烧过程中，出现了哪些物理运动过程，其运动机理如何解释。我们很难在课堂上用短时间讨论清楚。以下几个主要方面或因素是电弧燃烧过程中的游离现象： （1）表面发射 强场发射，导体在电场的作用下，其中的自由电子挣脱束缚从金属表面逸出，并在电场作用下加速运动。 热发射，当金属温度足够高，金属表面的自由电子可能获得足够的动能，克服将电子滞留在金属内部的力量而逸出金属。断路器触头分离后期，热发射较强烈。,光发射，红外线、紫外线及其他射线照射到金属表面时，引起电子从金属表而逸出的过程。光波越短，

7、引起光发射的能力越强。触头分离过程中，随着电弧燃烧，存在着光发射现象。 二次发射，正离子在电场作用下高速撞击阴极，或者自由电子高速撞击阳极时，也可能使金属电极表面发射出电子。在气压较高的放电间隙中，通常阴极表面附近电场强度较高，所以阴极表面二次发射较强，并在气体放电过程中起重要作用。 （2）空间游离 热游离，温度升高使介质粒子无规则运动增强，粒子之间碰撞几率增大，碰撞发生时，可能从中性粒子中把电子撞出，从而出现带正电的离子和带负电的电子，这两者在电场作用下向相反的方向运动。,光游离，电子与正离子复合时释放的能量以光量子的形式辐射出来，在这样的电弧光线照射下，自由电子也可能从介质粒子中逸出。 碰

8、撞游离，电子在触头间电场作用下被加速，从而获得动能，与中性质点碰撞时，能从其中打出一个或几个电子，形成游离，这些电子在向阳极运动的过程中又与其他中性质点发生碰撞，造成新的游离。这样的连锁反应产生了大量电子，并使电极(触头)间的介质迅速大量游离。断路器触头分离初期，碰撞游离起主导作用。 在触头分离初期，开距小，电场强度高，强场发射、碰撞游离作用明显。在触头分离后期，电弧温度较高，热发射、热游离作用强，使电弧得以维持。光发射、二次放射、光游离也会同时进行。,在电弧燃烧过程中，也有一些因素使得带电离子消失，削弱电弧，这些去游离因素主要有： 复合，从导体或粒子中逃逸出来的电子在电场作用下运动，在运动过

9、程中可能与正离子发生碰撞，从而可能被正离子俘获，当正离子俘获足够的电子后，会成为中性粒子。温度、速度越低，电弧越细，复合越强。 散热，电弧在燃烧过程中其温度极高，而周围环境温度要低得多，因此，电弧的能量主要地通过辐射和对流的方式向周围扩散。 扩散，电弧中的带电质点浓度高，电子质量很小，会向周围的绝缘介质扩散。,电弧的特点 电弧具有以下特点： 电弧是一种大功率放电现象，伴随着电弧，是大量的电能转化为热能的形式，使电弧处温度极高，同时电弧处的绝缘介质发生物理、化学等方面的变化，如介质的气化等； 电弧燃烧时的维持条件不高，只需要不高的电压和不是很大的电流就可以维持电弧的稳定； 电弧是高温下的等离子体

10、，质量轻，在轻微的外部力量作用下，电弧的路径会发生变化。,电弧熄灭的物理过程 研究电弧产生的机理和其中对电弧发展作用的因素，目的在于熄灭电弧，在开关设备中，当发生游离时，也同时存在游离的相反过程，对开关灭弧的研究就在于如何强化去游离的强度，当去游离强度大于游离的强度后，电弧将趋于熄灭，因此，熄灭电弧的措施也就是强化去游离因素。,电弧电压分布 电弧本身是一个非线性电阻、电感的综合。沿着电弧，存在着电压分布，这种电压分布可以划分为三部分：阴极电压、阳极电压和弧体电压。,l,u,交、直流电弧的熄灭条件 去游离强度加强有利于介质的绝缘强度的恢复，当介质的绝缘强度恢复到电子无法从电极表面发射时，就意味着

11、电弧无法继续燃烧下去。介质绝缘强度的恢复用一个参数表示，即恢复电压，指的是导致绝缘介质无法发生击穿的最大电压。电弧是一个非线性电阻和电感，受外界因素的影响较多，当电弧电流发生变化时，电弧体的粒子浓度也就发生了变化，从而电阻和电感也就发生了变化。,为便于分析，把开关设备操作时的电气变化过程用以下等值电路表示。其电压平衡方程式为：其中： 为电弧电压。,当电弧稳定燃烧时，有：从以上方程式可以看出：当施加在断路器触头两侧的电压大于或等于电弧电压时，电弧将继续燃烧，否则电弧将熄灭。通过电弧燃烧时电压平衡方程，我们分别讨论在开关设备中直流电弧和交流电弧的熄灭条件。,直流断路器：在上述方程中，施加在断路器断

12、口之间的电压基本不变，因此要把电弧燃烧的条件从维持稳定燃烧降下来是一件相当困难的事情。实际的直流断路器熄灭电弧只能通过一些外部条件来实现，如通过外力把电弧柱体拉长、强化对电弧的冷却、通过外力把电弧推到多断口装置中以利用两极压降梯度大于电弧柱体压降梯度的有利因素，使需要维持电弧稳定燃烧的电压增大。,A,B,交流断路器：相对于直流电路，交流电弧的熄灭要容易一些，交流电压在其交变周期中，有两次电压为零，这种电压由正变负或由负变正的过程，我们称为过零。在电源电压交变过程中，每周期有两段零休时间电源电压是无法维持电弧稳定燃烧的，但也并非电源电压过零期间电弧就一定会熄灭。,从原理上来说，交流断路器的电弧会

13、可能在电源电压过零时熄灭，但在电源电压绝对值达到一定水平后，如果电场强度仍然足以把触头之间介质击穿，则电弧依然会燃烧，电弧在熄灭后又重新燃烧的现象称为重燃。 电弧是否重燃，取决于介质恢复过程与电压恢复过程两个过程的“竞赛”。,对于交流电路来说，由电源提供能量的负荷可能是电阻性负荷、电感性负荷或者电容性负荷，不同负荷性质对电弧的熄灭是有一定的影响的。 1）电阻负载对于纯电阻负载，如果绝缘介质的恢复强度高于开关触头间电场强度，电弧在电压过零后就熄灭。,2）电感性负载大家都知道，对于感性负载来说，电压和电流不是同相位的，电压超前于电流。同样地，从电路理论的角度出发，我们知道，电感元件中电流是不能突变

14、的，因此，开关在开断感性负载时，不熄灭的因素有所增加：,开关触头绝缘介质的恢复速度；电压和电流的相位差，当电流为零时如果电压也为零，无疑开关触头间的绝缘介质强度恢复最好，如果当电压为零时，电流不为零，说明触头之间仍然存在着带电粒子的运动，这种运动将妨碍到绝缘介质强度的恢复。 3）电容性负载与电感性负载性质相同。 6、常用熄灭电弧的基本方法根据电弧的发生机理和电弧熄灭的过程，,目前断路器中普遍采用的熄灭电弧的方法有： 加快触头分离速度 迅速使触头之间距离变长； 使用未游离介质填充触头之间空间 降低电弧中带粒子浓度，同时，填充到触头之间的新鲜介质的流也使电弧变长，把触头之间油或气室设计成不同形来达

15、到该目的，有横吹、纵吹和混合吹几种； 磁吹灭弧 电弧在磁场中将受到力的作用，通常是在开关中安装磁性材料做成的器件或线圈，使电弧生变形从而使电弧变长； 采用多断口结构 从前面电弧电压分布中我们知道：电弧电压由三部分组成，电极的阳极电压降和阴极电压降斜率比电弧体电压降的斜率大，当把触头之间用多块导体隔离开后，就整个触头之间的压,降就由多个阳极电压、多个阴极电压和多个电弧体电压组成，它们的总和要比原来没有隔开的电弧压降大。采用介质强度高的绝缘材料 如六氟化硫；降低带电粒子在触头之间的碰撞几率 如真空。,第3节 断路器开断短路电流的工作状态及暂态分析,该节主要是对不同负载性质电流进行开断时，对不同的等

16、值电路进行微分方程的求解过程。,用于恢复电压计算的等值电路,恢复电压波形电压恢复速度实际的恢复电压波形,带并联电阻的双触头断路器,第4节 高压断路器的构造及工作原理高压断路器主要由以下部分组成：触头 是电路通断的重要部分，一般分为动触头和静触头两部分：在开关进行分闸或合闸操作时，静触头不运动，动触头运动； 灭弧室 熄灭电弧的地方；绝缘介质 分为灭弧用绝缘介质和支持用绝缘介质，前者在熄灭电弧中起作用，一般有矿物油（又称绝缘油）、SF6气体、真空等；后者用于支持运动机构、触头、灭弧室等，一般有电工瓷、环氧树脂等；壳体结构 断路器的各个部分安装为一体；,运动机构 推动动触头运动的机构，多由连杆机构组成。 1、对高压断路器的技术要求及其基本参数对高压断路器的技术要求及其基本参数的了解，是进行供变电工程设计和运营的基础。 1）开断负荷电路和短路故障断路器在工作中，如果在正常情况下，需要承受工作电压、流过负荷电流、开断各种不同性质的负荷，在设备发生故障时，则要承受过电压、过电流，如果需要，还要开断故障电流。因此，对开关的开断和关合能力方面，主要从以下参数体现。 额定电压： (kV)，如220kV电压等级的就选该等级的断路器；,