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1、第三章 用户供配电一次接线与一次设备,电弧的产生与熄灭高压一次设备1,制作 ：南充水电设计院 杨道敏,第一节 电弧的产生与熄灭,一.电弧的产生 在电力系统中，将能接通、断开或转换高压电路的电器统称为“高压开关电器” 。分立使用的高压开关电器主要有：断路器隔离开关负荷开关熔断器 开关电器切断负荷电流和短路电流时，开关触头间隙中（弧隙）由于强电场和热游离等的作用，将出现电弧电流。 电弧现象：在开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头刚刚分离后，触头之间就会产生强烈的白光，称为电弧。,电弧放电的特征和危害,1.电弧的本质 电弧的实质是一种气体放电现象。 2. 电弧放电的特征 （1）电弧由三部
2、分组成。包括阴极区、阳极区和弧柱区。 （2）电弧温度很高。（弧柱处温度最高，可达67千到1万度以上）。 （3）电弧是一种自持放电现象。（维持电弧燃烧的电压很低）。 （4）电弧是一束游离的气体。（质量极轻，极易变形）,3. 电弧的危害,（1）电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。 （2）电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。 （3）由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。,1.弧隙中带电质点的产生,1.弧隙中带电质点的产生弧隙中的大量带电质点是由气体分子或原子分裂
3、和由电极表面发射电子产生的。游离的慨念：使电子从围绕原子核运动的轨道中解脱出来，成为自由电子。中性原子失去电子成为正离子（1）气体中带电质点产生的四种形式：根据引起气体分子或原子游离的因素不同可把气体分子或原子的游离分为三类 ：1）碰撞游离。（电场）2）光游离。 （光子）3）热游离。 （热能）4）负离子的形成 （阻碍放电）。,这几种游离都是发生于气体的空间。电弧中，1）2）3）均存在。,（2）金属表面游离的四种形式,表面游离：是金属表面电子接受外界能量后，飞出表面成为自由电子的现象。根据使电子逸出金属表面的方式不同可把金属的表面游离分为：1）热电子发射2）强电场发射3）二次发射4）光电发射这几
4、种游离都发生于金属表面。,电弧中，1）2）3) 均存在。,2.电弧的产生和维持,感性电路在断开时、容性电路在闭合时，都将产生电弧。以断路器为例： 电弧产生： 1）：断路器断开时，触头突然分离，触头间的接触压力和面积逐渐缩小，导致接触电阻增大，接触部位剧烈发热，产生热电子发射； 同时，由于动、静触头的间隙很小，故电场强度很大，使触头内部的电子在强电场作用下被拉出来 ，就形成强电场发射。 以上两种物理现象共同导致电子逸出触头金属表面。,2）从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极运动，在运动,过程中不断地与中性质点（原子或分子）发生碰撞。当高速运动的电子积聚足够大的动能时，就会从中性质点中
5、打出一个或多个电子，使中性质点游离，这一过程称为碰撞游离。另外，电子或离子轰击发射表面又会引起二次电子发射。这些都导致触头间隙中带电质点急剧增加，当间隙中质点浓度足够大时，间隙被电击穿而发生电弧。,电弧维持：,弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很大的中性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。 电弧的形成与维持的简示图：,注意：,断路器触头置于气体介质中（如SF6气体）当断路器分闸时，触头间的气体是绝缘的。气体从绝缘状态转变为导电状态，存在一个游离过程。电弧是由数量很多的正负带电质点形成的良导体。开关电器触头间的电弧未熄灭时，电
6、路中的电流始终保持流通，所以虽然触头已经分离，但电路并未真正断开。直到电弧完全熄灭，电路才真正断开。开关电器的开断性能，即指开关电器的灭弧能力。,去游离包括：复合与扩散,扩散:由于游离质点的热运动或外来作用，使自由电子从电弧区域逸出， 到达电弧区域外,弧隙间的电子和正离子在电场力的作用下，运行方向相反。运动中的自由电子和正离子相互吸引也会发生复合使弧隙间的自由电子减少去游离。,复合:带有异性电荷的质点相遇而结合成中性质点的现象称为复合。,在电弧燃烧过程中，中性介质发生游离的同时，还存在着去游离。,三.电弧中的去游离,熄灭电孤，要加强去游离过程。加强去游离过程就是实际断路器中的灭弧装置原理。,扩
7、散是弧柱中的带电质点逸出弧柱以外，进入周围介质的现象。 扩散有三种形式： （1）温度扩散，由于电弧和周围介质间存在很大温差，使得电弧中的高温带电质点向温度低的周围介质中扩散，减少了电弧中的带电质点；,（2）浓度扩散，这是因为电弧和周围介质存在浓度差，带电质点就从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使电弧中的带电质点减少； （3）利用吹弧扩散，在断路器中采用高速气体吹弧，带走电弧中的大量带电质点，以加强扩散作用。,2 . 扩散,1. 复合 复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。 空间复合：在弧隙空间内，自由电子和正离子相遇，复合成一中性质点。 表面复合：在金属表面进行的复合。,2.1 电
8、弧温度 电弧是由热游离维持的，降低电弧温度就可以减弱热游离，减 少新的带 电质点的的产生。同时，也减小了带电质点的运动速度，加强了复合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动电弧，或使电弧与固体介质表面接触等，都可以降低电弧的温度。 2.2.介质的特性 电弧燃烧时所在介质的特性在很大程度上决定了电弧中去游离的强度，这些特性包括：导热系数、热容量、热游离温度、介电强度等。若这些参数值大，则去游离过程就越强，电弧就越容易熄灭。,2. 电弧的影响去游离的因素,2.3 气体介质的压力 气体介质的压力对电弧去游离的影响很大。因为，气体的压力越大，电弧 中质点的浓度就越大，质点间的距离就越小，复合作用越强，
9、电弧就越容易熄灭。在高度的真空中，由于发生碰撞的几率减小，抑制了碰撞游离，而扩散作用却很强。因此，真空是很好的灭弧介质。 2.4 触头材料 触头材料也影响去游离的过程。当触头采用熔点高、导热能力强和热容量大的耐高温金属时，减少了热电子发射和电弧中的金属蒸汽，有利于电弧熄灭。 除了上述因素以外，去游离还受电场电压等因素的影响。,三.交流电弧的熄灭,交流过零，电弧暂灭，能否重燃，视两过程： 介质恢复过程和电压恢复过程。 1、介质恢复过程： 弧隙中电离气体从导电状态迅速变为绝缘状态，使弧隙能承受电压作用而不发生电弧重燃的过程。2、电压恢复过程：熄弧后电路将被开断，电源电压加到弧隙两端触头上的过程。3
10、.在交流电弧熄灭过程中，介质强度恢复过程和电压恢复过程是同时进行的。电弧能否熄灭取决于两个过程的发展速度。,两过程在“竞赛”,uhf,ujf1,ujf1,交流电弧过零后，弧隙中的介质恢复过程和弧隙上的电压恢复过程,若介质恢复强度曲线Ujf 大于电压恢复强度曲线Uhf，则电弧趋于熄灭；否则，若某一瞬间Ujf小于Uhf，则电弧将继续燃烧。,（1）、弧隙区介质强度恢复过程：,在交流电流过零后的熄弧过程中 弧隙介质恢复过程分两种情况,弧柱区的介质恢复过程： 1）当弧柱电流过零且弧隙温度在30004000K以上时，弧隙具有剩余电导，如弧隙两端输入功率大于散发功率，弧柱将被加热而使电弧重燃，称为热击穿,2
11、）当弧柱温度在30004000K以下，热电离作用已基本上停止，Rz，无电弧。若此时外加电压，将产生电场。 如电场强度足够高，则可能产生间隙击穿而使电弧重燃，即电击穿。,综上所述，在电流过零后的熄弧过程中，电弧的熄灭基本上要经过两个阶段：热击穿阶段和电击穿阶段。 前者弧隙具有一定的电阻，流过一定的电流；后者弧隙电阻趋于无穷大，但因介质温度高，击穿比较容易。,弧柱区,近阴极区,弧隙区介质强度恢复过程实例,1 有些绝缘介质并不是被击穿后就永久失去绝缘强度的，例如空气绝缘、SF6绝缘以及其他气体绝缘，在被击穿后，一旦电弧能量降低，周围的空气就会迅速冷却并熄灭电弧，空气隙就重新恢复原有的绝缘强度。这就是
12、介质强度恢复的过程。,（2）、近阴极区的介质恢复过程：,近阴极效应：电流过零期间，弧隙两端电压也过零，此时弧隙中的正负带电粒子由于热运动而处于均匀分布状态。电流过零后，当弧隙两端电压极性改变时，电子迅速向正极方向运动，而离子由于质量很大，加速缓慢，几乎未动，故在阴极附近形成不导电的正电荷空间。阻碍阴极发射电子。从电路的角度看，好象弧隙在电流过零后立即获得一定的耐压强度。这一现象叫做近阴极效应；而电流过零后弧隙立即能承受的电压值就称为介质初始恢复强度Ujf0。,2 弧隙中的电压恢复过程,电压恢复过程：1）. 电流过零后，弧隙两端电压由零逐渐变化为电源电压的过程。相应于此时弧隙上的电压，称为恢复电
13、压。2）、恢复电压 工频恢复电压是瞬态恢复电压消失后弧隙上出现的电压，是恢复电压稳态值 暂态恢复电压很复杂，但只出现在电弧电流过零后的几百微秒内。又称瞬态恢复电压。 弧柱区的介质恢复过程对熄灭交流长弧具有重要意义，是所有高压电器和部分低压电器设计的理论基础。,暂态恢复电压,工频恢复电压,总结,交流电弧熄灭条件：在交流电流过零后，弧隙中的实际介质恢复强度特性总是高于加在弧隙上的实际恢复电压特性。,用真空灭弧过程中电流电压图说明电弧产生与熄灭,（因切断短路电流，触头在此分离，）,（因电弧导电，到此才能开断短路。）,（电弧产生后，维持燃烧的电压低且不稳定。）,（该电压幅度如超过介质强度恢复的幅度，电
14、弧复燃,23,2、特点：有完善的灭弧装置， 足够大的断流能力； 配备手力(CS型)，电磁(CD型)，弹簧储能(CT型)操动机构。,第二节 高压一次设备,文字符号：QF图形符号：,3.符号：,1.作用：通断正常负荷电流 接通和承受一定时间的短路电流 在保护装置作用下自动跳闸，迅速切除短路故障。,一.高压断路器：,电力系统最重要的开关设备,高压断路器的基本类型,压缩空气断路器,油断路器,少油断路器,多油断路器,分类,真空断路器,SF6断路器,固体产气断路器,按断路器安装地点，又可将其分为（1）屋内式（2）屋外式。,按灭弧介质的不同分类,磁吹断路器,25,国产断路器的型号,表示断路器1的字母代号 S
15、少油；D多油； Z真空；K空气；LSF6；,2安装场所代号 N表示屋内型；W表示屋外型,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）,MVA：兆伏安 1兆伏安=1千千瓦,26,高压断路器的型号说明,SN10-10I /630 300,产品名称代号S少油D多油Z真空K空气LSF6,安装场所代号N屋内型W屋外型,设计序号,额定电压（kV),其他标志代号,额定电流(A),额定开断电流（kA或MVA）,如：SN10-10I/630-300表示户内式10kV少油断路器额定电流630A,额定开断容量300MVA,27,按国家标准，额定电压在220KV及以下的电气设备，其最高工作电压为额定电压的1.15倍；对于330KV及以上电气设备，规定为 1.1倍。,
