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1、电气信息导论,大连理工大学 电气工程学院 2014,第二章 电机与电器基础,第一节 开关电器,一、概述,（一）开关电器概述 1 断路器：电力网正常工作和发生故障时关合和开断电路。 2 隔离开关：将高压设备与电源隔离，以保证检修工作人员的安全。 3 熔断器：电路发生故障或短路时,依靠熔件的熔断来开断电路。 4 低压控制电器：接通和分断低压交、直流的控制电路。 （二）开关电器技术参数 1 额定电压：额定电压是指开关电器设计时所采用的标称电压。,2 额定电流：开关电器在额定频率下能长期通过而各个金属部分和绝缘部分的温升不超过长期工作时最大容许温升的最大标称电流。 3 额定短时耐受电流：额定短时耐受电
2、流是高压开关电器在规定时间内能够通过而其温升不超过规定条件的最大标称电流，主要反映开关电器承受短路电流热效应的能力。 4 额定峰值耐受电流：额定峰值耐受电流是指开关电器在规定条件下能够通过，而不发生机械损坏的最大标称电流，主要反映开关电器承受短路电流电动力效应的能力。,二、低压断路器,（一）低压断路器概述 低压断路器主要用于配电线路和电气设备的过载、欠压、失压和短路保护，常在低压大功率电路中作为主控电器。按电源类型分为交流式和直流式低压断路器，按结构可分为万能式和装置式低压断路器。,（二）低压断路器的选择要点 （1）额定工作电压不小于线路额定电压。 （2）额定电流不小于线路计算负载电流。 （3
3、）额定短路通断能力不小于线路中可能出现的最大短路电流。 （4）线路末端单相对地短路电流不小于1.5倍断路器脱扣器整定电流。 （5）欠电压脱扣器额定电压等于线路额定电压；按使用场合的需要来确定是否需要带延时。 （6）注意断路器接触方向，母联断路器应选用可在下方进线的断路器。 （7）注意与其他电器的配合协调，各级断路器的过电流脱扣器整定值和延时应符合选择性配合要求。,（8）电动机保护断路器的瞬时动作电流应考虑电动机的启动条件（电动机的种类、启动电流倍数和时间）。 （三）断路器额定电流的确定 断路器壳架等级额定电流（指塑壳或框架中所能装的最大过流脱扣器的额定电流）和断路器额定电流（过电流脱扣器额定电
4、流）可确定为： 式中IN.QF为断路器壳架等级的额定电流；Ica为线路的计算负载电流；IN.OR为过电流脱扣器的额定电流。,三、低压控制电器,（一）低压接触器概述 低压接触器是电气传动和自动控制系统中应用最广的一种电器，适用于远距离频繁的接通和分断交、直流主电路及大容量控制电路，其主要控制对象是电动机，也可用于控制照明设备、电焊机、电容器、电热设备等负载。,交流接触器的结构,（二）低压接触器的选用 1、控制电动机负载 2、控制非电动机负载 （1）控制电热设备 （2）控制电容器 （3）控制变压器 （4）控制照明装置 （5）控制电磁铁 （三）控制继电器概述 电磁式控制继电器是根据电磁吸合和释放原理
5、而动作的继电器。常见的电磁式控制继电器有通用（电压、电流）继电器、中间继电器、时间继电器、热过载继电器等。,四、真空断路器,（一）真空断路器概述 利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器称为真空断路器。,（二）真空断路器的触头 1 圆盘形触头 圆盘形触头目前只用于开断电流要求不大的真空负荷开关和真空接触器上。,2 横向磁场触头 横向磁场就是与弧柱轴线相垂直的磁场，它与电弧电流产生的电磁力能使电弧在电极表面运动，防止电弧停留在某一点上，延缓阳极斑点的产生，提高了开断能力。,3 纵向磁场触头 在同样触头直径的情况下，纵向磁场触头能够开断的电流最大。,4 触头材料 触头材料除了要求具有一定的导电、
6、导热和机械性能外，还必须具备下述要求： （1）耐弧性能好。真空断路器的特点是不需检修，因此要求触头能够耐受少则812次，多则3050次开合额定短路电流时对触头的烧损，还要求具有开合几千上万次额定电流的能力。 （2）截断电流小。真空断路器使用中的一个严重问题是截流过电压高，往往使被控制的电器设备的绝缘受到损坏，降低这种过电压的有效措施是减小截断电流值，而截流值的大小与触头材料有关。 （3）抗熔焊性能好。 （4）含气量低。放气量太多会影响灭弧室的真空度，放气量的多少取决于材料的性质。,（三）真空灭弧室的基本结构 真空灭弧室主要由以下部件组成： 1 绝缘外壳 2 屏蔽罩 3 波纹管 4 动、静触头,
7、1 绝缘外壳 2 屏蔽罩 1）主屏蔽罩作用 （1）有效地防止金属蒸气喷溅到绝缘外壳的内表面，避免内表面绝缘性能下降。 （2）屏蔽罩可使交流电流过零时，灭弧室内剩余的金属 蒸气和导电粒子径向快速地扩散到屏蔽罩上冷却、复合和 凝结，有利于电流过零后弧隙介质强度的提高。 （3）提高触头间绝缘强度。,2）主屏蔽罩分类 （1）固定电位式。 （2）悬浮电位式。,3 波纹管 （1）液压成形波纹管。长度有限，最大压缩行程为自由长度的2030，寿命数万次。 （2）薄片焊接成形波纹管。长度任意，最大压缩行程可达自由长度的60，寿命几百万次。,五、六氟化硫断路器,（一）六氟化硫断路器概述 六氟化硫（SF6）断路器是
8、利用SF6气体作绝缘与灭弧介质的断路器。 优点：与油断路器比较，SF6断路器具有断流能力强，灭弧速度快，电绝缘性能好，检修周期长的优点。比较适于频繁操作，而且没有燃烧爆炸的危险。 缺点：要求断路器加工精度很高，密封性能要求很严，因此价格比较昂贵。 （二）双压式SF6断路器,（三）单压式SF6断路器 与双压式SF6断路器相比，单压式SF6断路器具有结构简单和开断电流大的特点。,（四）自能式气自吹SF6断路器,灭弧室的压力变化特性曲线,六、熔断器,（一）熔断器概述 电路中通过短路电流或长期过负载电流时，利用熔体本身产生的热量将自己熔断，从而切断电路，达到保护电气设备和载流导体的目的。 熔断器按电压
9、可分为高压熔断器和低压熔断器；按装设地点可分为户内式和户外式；按结构可分为螺旋式、插片式和管式；此外，还可分为限流式和无限流式等。 熔断器的基本结构由金属熔体、支持熔体的触头和外壳组成。,（二）熔断器的安秒特性 熔体的熔断时间与通过的电流的关系称为熔断器的安秒特性。 （三）熔断器过电压 高压熔断器的额定电压必须大于或等于电网的额定电压。对于充填石英砂限流的熔断器，在电流达最大值之前就将电流截断而产生过电压，这将对电气设备造成威胁。过电压倍数与电路的参数、熔体的长度有关。,第二节 变换电器,一、变压器基本原理,（一）变压器的工作原理 变压器是通过电磁感应原理，通过电磁耦合实现电能传递的一种静止电
10、气设备，主要由铁芯及绕在铁芯上的两个绕组组成。,变压器原理图,（二）变压器的结构 1 油浸式变压器 2 干式变压器 用环氧树脂浇注的变压器称为环氧树脂干式变压器。,（三）变压器基本参数及性能指标 1 基本参数 （1）额定电压U1N, U2N。三相变压器指线电压。 （2）额定容量SN。 （3）额定电流I1N, I2N 。根据额定电压和额定容量计算得出。 （4）额定频率fN。我国规定工业用电频率为50Hz。 2 基本参数 （1）变压器负载运行，二次侧端电压变化率u%。,变压器外特性,（2）变压器损耗p。 （3）变压器效率。,（四）变压器分类,（五）变压器应用综述 1 电力变压器,电力变压器用途示意
11、图,我国的电压等级及相应的输电容量和输电距离,2 特种变压器,特种变压器用途表,二、变压器等值电路,（一）空载运行等值电路,空载运行示意图,空载运行等值电路,（二）负载运行等值电路,负载运行示意图,负载运行等值电路,三、三相变压器,（一）三相变压器的磁路结构 1 三相组式变压器 2 三相芯式变压器,（二）三相变压器的连接组 三相变压器和三相变压器组可以连接成星形、三角形和曲折形。对应于高压和低压侧分别用Y、D、Z和y、d、z来表示。当有中性点引出时，用YN 、 ZN和yn 、 zn表示。 若规定高压侧绕组的某感应线电压相量始终指向钟表的12点，则低压侧绕组所对应的感应线电压相量所指的小时数就称
12、为标号。,双绕组变压器常用连接组,双绕组变压器常用连接组,（三）变压器的并联运行 变压器并联运行条件： （1）各台变压器的一、二次侧的额定电压相同，变压器连接组的标号相同。 （2）各台变压器的阻抗电压相对值相等，各变压器的短路阻抗幅角相等。,双绕组变压器常用连接组,四、多绕组变压器、分裂变压器和自耦变压器,（一）多绕组变压器 具有两个以上绕组的变压器称为多绕组变压器。 1 三绕组变压器,三绕组变压器 （a）升压变压器（b）降压变压器,（二）分裂绕组变压器 1 分裂绕组变压器结构 分裂绕组变压器低压侧绕组中有一个或几个绕组被分裂成额定容量相等的几个分裂绕组，各分裂绕组间无电气联系，而仅有较弱的磁
13、联系。,单相双绕组双分裂变压器 （a）接线图（b）等值电路,分裂绕组变压器在正常运行和低压侧短路时所呈现的电抗值不同，可完成电能变换的同时实现短路电流的限制。,双柱式单相双绕组双分裂变压器 （a）接线图（b）等值电路,2 分裂绕组变压器的应用,分裂变压器电机连接示意图 （a）接线图（b）等值电路,正常工作时，流入变压器的工作电流遇到的等效阻抗为穿越电抗XD=X10.5X2 。 当低压侧一台发电机出口处短路时，来自另外一台发电机的短路电流遇到的电抗为分裂电抗XF=X2X2 ,来自母线的电流遇到的电抗为半穿越电抗XB=X1X2 。,（三）自耦变压器 1 自耦变压器的结构 2 优缺点,优点：用料省，
14、体积小，效率高，造价低； 缺点：自耦变压器变比的减小会使自耦变压器的短路阻抗值 减小，短路故障电流增大。,自耦变压器,五、互感器,互感器是利用变压器的电磁感应原理，将大电量信号变换为小电量信号以方便测量的一种设备，可分为电流互感器和电压互感器。,（一）电流互感器（TA） 1、工作原理,电流互感器工作原理图,2、使用注意事项 （1）电流互感器二次侧绕组绝对不允许开路。 （2）电流互感器的二次侧绕组和外壳必须可靠接地，以防止因绝缘击穿而危害人身安全。 （二）电压互感器(TV) 电压互感器按工作原理可分为电磁式电压互感器和电容式电压互感器。 1、电磁式电压互感器 （1）工作原理,电压互感器工作原理图
15、,（2）电磁式电压互感器使用时的注意事项： 1）电压互感器的二次侧绕组绝对不允许短路。 2）电压互感器的二次侧绕组和铁芯必须可靠接地。 3）电压互感器的二次侧负载不易接太多，以免降低负载阻抗，影响测量准确性。,2、电容式电压互感器（CVT）,电容式电压互感器,电容式电压互感器理想情况下输出电压U2L的计算公式： 其中，k1=c1/(c1+c2);k2为中间变压器的变换比。 电容式电压互感器具有结构简单、体积小、成本低等优点，可用于110-500kV中性点直接接地系统中的电压测量。其缺点主要是输出容量较小，误差较大。,第三节 限制电器,一、电力电容器,（一）电力电容器分类和用途 电容器是一种基本
16、的电器元件，两个相互靠近的平行板即可构成一个最简单的电容器，两极板间的绝缘材料称为电介质。应用在电力系统中的电容器称为电力电容器，其基本功能是存储电能（电荷），可用来实现对电网的无功补偿（限制功率因数下降）、滤除高次谐波（限制高次谐波电流）等功能，对提高电能质量、提高电网运行的经济性、可靠性有重要的作用。 根据电力电容器用途的不同，下表列出了详细的分类。,电容器的电性能很大程度上取决于绝缘介质的材料性能，通常总是希望介质的耐压性能好、介电常数大、损耗角正切小、体积电阻率高、耐老化性能好、介质无污染。根据介质的形态，电力电容器常用的介质见下表所示。,电力电容器常用介质分类,随着聚丙烯电工薄膜等材料的出现，电力电容器很快由全纸介质经过纸膜复合介质向全膜介质发展。全膜电力电容器具有击穿场强高、局部放电电压大、介质损耗低、体积电阻率高、运行寿命长、安全可靠等诸多优点，在我国得到了广泛的应用。,（二）电力电容器参数 1 基本参数 （1）额定电容CN,电力电容器的设计值； （2）额定电压UN,表示正常运行时加到电容器上的额定电压(有效值)；
