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1、风电厂电气系统第六章 导体和电气设备的原理与选择 第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择教学内容本节教学内容一、电弧的形成与熄灭二、断路器开断短路电流时的工作状况分析三、高压断路器的选择四、隔离开关的选择首页 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择一、电弧的形成与熄灭 1) 电弧：是一种气体游离放电现象。 2) 产生电弧的条件：用开关电器开断电源电压大于10 20 V，电流大于80 100mA的电路时，就会发生电弧。 3) 电弧的特点：能量集中，
2、温度很高，亮度很强；电弧是良导体。 4) 电弧的利用：电弧在工业上有很多有益的应用，例如，利用其高温的电弧焊接机，电弧炼钢炉等。 5) 电弧的危害：在开关电器中，电弧是有害的，要求尽快地熄灭，否则会烧坏开关触头，误拉隔离开关会造成相间短路和人身伤亡。 第二节 高压短路器和隔离开关的原理与选择一、电弧的形成与熄灭 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择 加速运动：自由电子，在强电场的作用下，向阳极作加速运动。 碰撞游离：加速运动获得动能的自由电子在运
3、动中与中性质点发生碰撞，中性质点中的电子获得能量产生跃迁，跳到能级更高的轨道上，如果获得的能量足够大，自由电子就能脱离原子核的束缚，游离成自由电子和正离子。 雪崩：游离的结结果导导致触头间头间 自由电电子数量剧剧增 。 介质击穿产生电弧：剧剧增的电电子形成电流，介质被击穿而产生电弧。一、电弧的形成与熄灭 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择 2)电弧的维持与发展 由于电弧的 r 小，电弧形成后，触头间的电压和电场强度很低，强电场发射停止。 由于电弧在燃烧过程中温度很高，可达到几千度甚至上万度，阴极表面继续进行热电子发射。一、电弧的形成与熄
4、灭 另一方面介质的分子和原子在高温下将产生强烈的分子热运动，获得动能的中性质点之间不断地发生碰撞，游离成自由电子和正离子，此即所谓热游离。 热发射和热游离给弧隙提供了大量的自由电子，电流继续流过，电弧的燃烧得以维持。 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择3)电电弧的熄灭灭 复合去游离：正离子和负离子相互吸引而中和成为中性质点的过程。自由电子的 v 远大于正离子，它们直接复合的可能性很小，往往是自由电子先附着在中性质点上，形成负离子，运动速度大大减慢，此时正离子和负离子更容易复合。 扩散去游离：自由电子和正离子逸出电弧而进入周围介质中，被周
5、围介质冷却而复合的过程。 由于电弧内外的电荷浓度及温差的不同，自由电子和正离子将向浓度和温度都低的周围介质中扩散，在低温处，电子和离子的v减慢而复合成为中性质点。 一、电弧的形成与熄灭 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择 电弧的熄灭：电弧的燃烧是由游离过程维持的，但在电弧中同时还进行着相反的使带电质点数量减少的去游离过程。 游离作用等于去游离作用，新增加的带电质点数量与中和的数量相等，电弧稳定燃烧。 游离作用大于去游离作用，电弧燃烧加剧。 游离作用小于去游离作用，则电弧中的带电质点数量减少，最终导致电弧熄灭。一、电弧的形成与熄灭 风电
6、厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择2.交流电弧的熄灭 1）电弧电流交变，每半个周期过零一次，此时电弧因失去能量而自然熄灭。 2）由于热惯性，弧柱温度的变化滞后于快速变化的电流，所以交流电弧的伏安特性是动态的，如图2-1所示。在电流增大时，温度来不及增高，弧隙电阻来不及减小；在电流减小时，温度来不及减小，弧隙电阻来不及增大。故图6-1a中正方向电流增大时的曲线在电流减小时的上方。 A点是电弧产生时的电压，称为燃弧电压。 B点是电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压。 图6-1一、电弧的形成与熄灭 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二
7、节 高压断路器和隔离开关的原理与选择（1）交流电弧熄灭的条件 1）熄灭交流电弧的最佳时机：交流电弧每半周期自然熄灭是熄灭交流电弧的最佳时机。 2）在电流过零后，弧隙中存在着两个恢复过程。 a) 介质强度恢复过程: 由于去游离作用的加强，弧隙间的介质逐渐恢复其绝缘性能，以耐受的电压Ud (t) 表示。 b) 弧隙电压恢复过程: 电源电压要重新作用在触头上，弧隙电压将从熄弧电压逐渐恢复到电源电压，用Ur (t) 表示。 一、电弧的形成与熄灭 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择a.弧隙介质强度恢复过程 起始介质强度（近阴极效应） 在电流过零后
8、的0.1 1s 的短暂时间内，阴极附近出现现150 250V的起始介质强度，称为近阴极效应。 一、电弧的形成与熄灭图6-4 原因：在电流过零的瞬间，弧隙电压的极性发生变化，弧隙中的自由电子立即向新阳极运动，正离子质量大，基本未动，在新阴极附近就形成了只有正电荷的不导电薄层，阻碍阴极发射电子，呈现出一定的介质强度，如图6-4所示。 起始介质强度出现后的介质强度的恢复 这是一个复杂的过程，它与电弧电流、介质特性、冷却条件和触头分断速度有关。 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择b弧隙电压恢复过程 电弧为纯电阻性质，电弧电流与弧隙电压同相位，电
9、弧电流过零时，弧隙电压接近零； 短路时电路电阻很小，电路呈感性 ，电弧电流与电源电压不同相位，电弧电流过零时，电源电压不等于零； 由于电路参数L、C的存在，电弧熄灭后，弧隙电压不可能立刻由熄弧电压上升到电源电压，一般弧隙恢复电压是一个过渡过程。它将从瞬态（振荡）恢复电压逐渐过渡到工频恢复电压。 图6-5 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择3) 交流电弧熄灭的条件 电流过零后，电弧能否熄灭取决于两个恢复过程作用的结果： 如果弧隙电压恢复过程上升速度较快，幅值较大，弧隙电压恢复过程大于弧隙介质强度恢复过程，介质被击穿，电弧重燃，如图6-6a
10、所示。 如果弧隙介质强度恢复过程始终大于弧隙电压恢复过程，则电弧熄灭，如图图6-6b和6-6c所示。 故交流电弧熄灭的条件应为： Ud (t) Ur (t) 图6-6 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择 如果能够够采取措施，防止弧隙恢复电压电压 振荡荡，将周期性振荡荡特性的恢复电压转变为电压转变为 非周期性恢复过过程，电电弧就更容易熄灭灭，如图图6-6c所示。 图6-6一、电弧的形成与熄灭 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择（2）熄灭交流电弧的基本方法 加强弧隙的去游离、提高介质
11、强度的恢复速度和降低弧隙电压的上升速度与幅值，是高压断路器中熄灭电弧的基本方法。 1)利用灭弧介质 在高压断路器中，广泛采用去游离作用强的灭弧介质灭弧。 2)采用特殊金属材料作灭弧触头 采用铜、钨合金和银、钨合金等特殊金属材料作触头。这些材料在高温下不易熔化和蒸发、抗熔焊，可以减少热电子发射和高温分解产生的金属蒸气，削弱了游离作用。 一、电弧的形成与熄灭 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择一、电弧的形成与熄灭3)利用气体或油吹动电弧 吹弧是指利用各种结构形式的灭弧室，使高温分解的气体或具有很大压力的新鲜且低温的气体在灭弧室中按特定的通路
12、，吹动电弧，加强扩散和复合去游离而使电弧熄灭的方法。 4)采用多断口熄弧 某些电压等级较高的断路器采用多个灭弧室串联的多断口灭弧方式。多断口将电弧分割成多段，在相同触头行程下，增加了电弧的总长度，弧隙电阻迅速增大，介质强度恢复速度加快。使每个断口上的恢复电压减小，降低了恢复电压的上升速度和幅值，提高了灭弧能力。 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择5) 提高断路器触头的分离速度 加快断路器触头的分离速度，可以迅速拉长电弧，使弧隙的电场强度骤降，弧隙电阻和电弧的表面积突然增大，电弧的冷却加快，有利于带电质点的扩散和复合去游离。 一、电弧的形
13、成与熄灭 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择二、断路器开断短路电流时的工作状况分析 目的：找出恢复电压不振荡的条件及防止振荡的方法。 断路器开断短路电流时的电路如图6-4a所示，其等效电路如图6-4b所示，R、L为电源和变压器的电阻和电感，C可以认为是变压器绕组及连接线对地的分布电容，r为断路器触头并联电阻。图6-4 1.弧隙电压恢复过程分析二、断路器开断短路电流时的工作状况分析 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择 熄弧后，从瞬态恢复电压过渡到电源电压的时间很短，一般不超过几百微
14、秒，可近似认为电源电压不变，故电源用直流电电源U0来代替。 假设与初始条件： i = 0时是时间的起点，即t = 0 断路器开断短路电电流时时的弧隙电压电压 恢复过过程相当于二阶阶电电路过过渡过过程中，电电容C两端的电压变电压变 化过过程，即。如图图6-7b所示，当开关S闭闭合时时，有: 二、断路器开断短路电流时的工作状况分析 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择整理后,可得线性常系数微分方程：其特征根为: 微分方程通解为:二、断路器开断短路电流时的工作状况分析式中 c1、c2 积分常数,其值由初始条件决定. 风电 厂电气系统第六章 导体
15、和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择1)当时，特征根为不等负负实根。可解得:代入微分方程的通解可得短路器触头的恢复电压为:二、断路器开断短路电流时的工作状况分析 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择二、断路器开断短路电流时的工作状况分析一般变压变压 器绕组电绕组电 阻 ， 略去不计计，得 从上式可以看出，由于特征根为负实为负实 根，故弧隙电压电压 恢复过过程为为非周期性的，如图图6-8曲线线3所示。 一般，略去不计计，故上式最大值值不会超过过U0 ，进进一步化简简得: 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的
16、原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择二、断路器开断短路电流时的工作状况分析 忽略高压电压电 网的R后，若电电网参数满满足4r2C/L0.25时特征根为为:则:UtoUrUr0图6-5 恢复电压非周期性变化过程 可见,恢复电压最大值不会超过U0.如图6-5所示. 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择二、断路器开断短路电流时的工作状况分析 对上式微分，可得电流过零时的恢复电压上升速度(V/s )为: 由上式可知，触头头并联电联电 阻r可以降低恢复电压电压 的上升速度，r越小，恢复电压电压 的上升速度越低。 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择当时，特征根为共轭复根。式中, -衰减系数; -电路固有震荡频率. 二、断路器开断短路电流时的工作状况分析 风电 厂电气系统第六章 导体和电气设备 的原理与选择第二节 高压断路器和隔离开关的原理与选择将、代入，得:利用欧拉公式化简简，得: 从上式可以看出，1、2为为共轭轭复根时时，弧隙电压电压 恢复过过程为为衰减的周期性振荡过荡
