電氣設(shè)備精品課程教案2

1、山 西 電 院 目 標(biāo) 教 學(xué) 教 案任課教師 教研室主任 編寫日期 年 月 日 審批日期 年 月 日授課日期班 級教學(xué)內(nèi)容：任務(wù)2 斷路器的認(rèn)知素質(zhì)目標(biāo)：強(qiáng)烈的責(zé)任心和團(tuán)隊(duì)意識，安全第一的工作理念能力目標(biāo)：能分析電弧的形成機(jī)理和熄滅方法能進(jìn)行斷路器操作能區(qū)分?jǐn)嗦菲鞯男吞柤捌鋺?yīng)用知識目標(biāo)：電弧的危害熄滅電弧的基本方法斷路器的作用及分類斷路器的基本電氣參數(shù)、型號意義和應(yīng)用斷路器的結(jié)構(gòu)教學(xué)重點(diǎn)：電弧的產(chǎn)生與熄滅斷路器的結(jié)構(gòu)、操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)教學(xué)難點(diǎn)：電弧的熄滅條件斷路器滅弧裝置的結(jié)構(gòu)以及滅弧過程教學(xué)方法：現(xiàn)場教學(xué)法、直觀教學(xué)法、多媒體課件輔助布置作業(yè)：電弧是如何形成的？ 電弧的熄滅方法有哪些？斷路器

2、的作用是什么？斷路器有哪些類型？課后分析：教 學(xué) 內(nèi) 容 及 板 書過 程 設(shè) 計(jì) 及 提 示任務(wù)2 斷路器的認(rèn)知一、電弧的危害及特點(diǎn)電弧實(shí)際上就是一種氣體放電現(xiàn)象。中心區(qū)溫度可達(dá)到10000K以上，而且電弧還可以導(dǎo)電。危害：燒壞觸頭、使開關(guān)失去作用。二、電弧的產(chǎn)生空氣中有足夠多能發(fā)揮導(dǎo)電作用的自由電子，就由絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體，也就是電弧。產(chǎn)生自由電子的形式有：1、氣體中金屬表面的游離觸頭開斷初瞬間自由電子的生成：由陰極表面強(qiáng)電場和熱電子發(fā)射出自由電子。強(qiáng)電場發(fā)射電子：觸頭剛分離，觸頭間距離小，電場強(qiáng)度大，當(dāng)E3×106V/m時，陰極觸頭金屬表面的自由電子在電場力作用下被拉出金屬表面。發(fā)

3、射的電子數(shù)由E決定。熱電子發(fā)射：觸頭剛分離時，接觸壓力和面積使接觸R，接觸處溫度，此處電子獲得動能發(fā)射出來。發(fā)射電子數(shù)與陰極材料和表面溫度有關(guān)。2、氣體分子本身的游離碰撞游離：自由電子在電場力作用下向陽極加速運(yùn)動，不斷與其他中性氣體質(zhì)點(diǎn)（原子或分子）碰撞，當(dāng)E足夠大，電子所受力夠大，兩碰撞間自由行程夠大，電子動能夠多就能使中性質(zhì)點(diǎn)游離，產(chǎn)生新的自由電子和正離子。熱游離：由熱狀態(tài)引起的游離過程。處于高溫下的中性質(zhì)點(diǎn)由于高溫作用而產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱運(yùn)動，不斷碰撞，產(chǎn)生熱游離，供給弧隙大量電子和正離子。三、電弧的熄滅 電弧區(qū)導(dǎo)電的自由電子減少，導(dǎo)電性能會變差。電子越來越少，最終會熄滅。 帶電質(zhì)點(diǎn)消失的過程

4、稱為去游離，去游離的形式分為中和、擴(kuò)散、復(fù)合。 1、在外電場的作用下，氣隙中的正、負(fù)電荷分別向兩電極作定向運(yùn)動，到達(dá)兩極后發(fā)生電荷傳遞而中和。2、復(fù)合：異性帶電質(zhì)點(diǎn)相遇，電荷中和成為中性質(zhì)點(diǎn)的現(xiàn)象。3、擴(kuò)散：電弧內(nèi)的自由電子和正離子散溢到弧柱外面并與周圍未被游離的冷介質(zhì)相混合的過程。因此電弧熄滅的條件為：去游歷作用>游離作用。 四、熄滅電弧的基本方法1、吹弧用滅弧介質(zhì)（油、氣體）在滅弧室吹動電弧。吹弧方式：縱吹：吹動方向與電弧軸線一致，新鮮介質(zhì)更好地與電弧相接觸，把電弧吹成若干細(xì)條而冷卻變細(xì)，易于熄滅。用于110KV及以上的斷路器。橫吹：吹動方向與電弧軸線相垂直，電弧拉長，表面積冷卻效果

5、好。滅弧室尺寸小，適用于較低電壓的斷路器。2、采用多斷口每相兩個或多個串聯(lián)的開斷口。多斷口使電弧總長度加長（電弧被拉長的速度成倍），Rh；每個斷口的行程，觸頭分離速度；加在每個斷口上的電壓，介質(zhì)絕緣強(qiáng)度恢復(fù)，滅弧性好。3、近陰極效應(yīng)的應(yīng)用近陰極效應(yīng)在陰極附近很薄的一層空間，一定的介質(zhì)強(qiáng)度突然形成的現(xiàn)象。近陰極效應(yīng)對低壓短弧的熄滅有重要作用。高壓長弧中近陰極介質(zhì)強(qiáng)度與加在電弧上高壓相比很小，故不起多大作用。低壓開關(guān)中采用滅弧柵裝置（由鐵磁材料制成的金屬片組成短弧柵格），就是利用近陰極效應(yīng)將電弧分割為多個短弧，每個短弧產(chǎn)生150250V的起始介質(zhì)強(qiáng)度，只要它們的總和足夠大，電弧就不會重燃。4、利用

6、固體介質(zhì)的狹縫滅弧低壓開關(guān)也廣泛采用狹縫滅弧裝置，它由石棉水泥或陶土材料壓制成的滅弧罩和磁吹裝置構(gòu)成。觸頭間產(chǎn)生電弧后，在磁吹裝置產(chǎn)生的磁場作用下，對電弧產(chǎn)生電磁力，將其拉入由滅弧片構(gòu)成的狹縫中，使電弧拉長，并促使電弧與滅弧片冷壁緊密接觸，加強(qiáng)冷卻；另外，在滅弧罩上，電子更易附著在中性質(zhì)點(diǎn)上形成負(fù)離子，使復(fù)合，滅弧效果好。五、高壓斷路器的用途要求和分類1、高壓斷路器的用途控制和保護(hù)作用2、高壓斷路器的基本要求（1）工作可靠性高；（2）足夠斷路能力、足夠動、熱穩(wěn)定；（3）盡可能短的切斷時間；（4）實(shí)現(xiàn)自動重合閘；（5）結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉。3、高壓斷路器的分類按滅弧介質(zhì)分為：（1） 油斷路器（2）

7、真空斷路器（3）六氟化硫斷路器按安裝地點(diǎn)可分為：戶內(nèi)和戶外式兩種。六、高壓斷路器的技術(shù)參數(shù)和型號含義1、技術(shù)參數(shù)（1）額定電壓：長時間運(yùn)行能承受的正常工作電壓。決定QF的絕緣水平、總體尺寸和滅弧條件。（2）最高工作電壓：220KV及以下為1.15Ue，330kv以上為1.1Ue。（3）額定電流：在Se下允許長期通過的工作電流。決定QF的觸頭及導(dǎo)電部分的截面、結(jié)構(gòu)。（4）額定開斷電流：在Ue下，QF能可靠切斷的最大電流。（5）額定斷流容量：表明QF的切斷能力。（6）動穩(wěn)定電流：QF在沖擊短路電流有作用下，承受電動力的能力。（7）熱穩(wěn)定電流：QF在某一規(guī)定時間內(nèi)允許通過的最大電流。（8）合閘時間：

8、從發(fā)出合閘命令（合閘線圈通電）起至QF接通為止所經(jīng)過的時間。（9）分閘時間：從發(fā)出分閘命令（分閘線圈通電）起至三相電弧完全熄滅所經(jīng)過的時間。為QF固有分閘時間和熄弧時間之和。2、高壓斷路器型號的含義 1 2 3 4 5 6 7 1產(chǎn)品名稱 S少油、D多油、K空氣、LSF6、Z真空、Q產(chǎn)氣、C磁吹2裝設(shè)地點(diǎn) N戶內(nèi)、W戶外3設(shè)計(jì)序號4Ue（kv）5補(bǔ)充工作特性 G改進(jìn)型、F分相操作6Ie（A）7額定斷流容量（MVA）七、高壓斷路器的基本結(jié)構(gòu)主要有三大部分和其他附件組成：1、導(dǎo)電系統(tǒng)2、滅弧裝置3、操作機(jī)構(gòu)4、其他附件（一）少油斷路器油作用：滅弧介質(zhì)、觸頭間絕緣。不作相與相或相與地絕緣（用空氣、陶

9、瓷或有機(jī)絕緣材料）特點(diǎn)：用油量少（同參數(shù)多油QF的10%），V小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，省鋼材，防火防爆，價廉。缺點(diǎn)：檢修周期短，戶外受氣候影響大，配套性差。應(yīng)用：6220KV（20KV下戶內(nèi)、35KV及以上戶外）1、在油中開斷電流的情況電弧使油蒸發(fā)、分解，產(chǎn)生氫氣、CH4、乙烯、乙炔，形成氣泡，并在氣泡中燃燒。H2占7080%，熱導(dǎo)率高，很強(qiáng)的擴(kuò)散作用。H2及其他冷、熱氣體對弧道產(chǎn)生冷卻和去游離作用，ih0時更強(qiáng)烈，利于滅弧。滅弧室：P，油流動，與電弧接觸，滅弧。2、油吹滅弧室原理（1）縱吹由滅弧隔板和絕緣筒構(gòu)成（隔板間油囊）。（2）橫吹滅弧橫的吹弧道口、貯氣室合閘時動觸頭自上而下與靜觸頭接觸，

10、動觸頭桿恰好將橫吹弧道口堵死。分閘時動、靜觸頭分離，產(chǎn)生電弧，滅弧室下部的油汽化、分解產(chǎn)生高壓力氣泡，當(dāng)動觸頭桿打開橫吹弧道口時，油、氣體橫向吹弧，拉長電弧冷卻熄滅。（3）機(jī)械油吹導(dǎo)電桿帶動活塞快速運(yùn)動產(chǎn)生附加油流。3、SN1010系列少油斷路器結(jié)構(gòu)先進(jìn)、性能良好的輕型開關(guān)，廣泛用于廠、所、用戶配電室。4、SW2-110、SW2-220系列少油斷路器主要部件組成：底座和支持絕緣子、中間傳動機(jī)構(gòu)、導(dǎo)電系統(tǒng)、滅弧室、并聯(lián)電容器、絕緣拉桿、合閘保持彈簧、注油、放油及密封等。滅弧室結(jié)構(gòu)：鋁帽、玻璃鋼絕緣筒、滅弧斷口絕緣子、接線座以及裝在絕緣筒內(nèi)的滅弧管等。雙筒結(jié)構(gòu)、橫、縱吹滅弧原理。（二）真空斷路器1

11、、原理利用真空度為6.6×10-2Pa以上的高真空作為內(nèi)絕緣和滅弧介質(zhì)。真空的絕緣強(qiáng)度比油、1個大氣壓下的SF6和空氣的高。2、基本結(jié)構(gòu)和滅弧過程總體結(jié)構(gòu)分為懸臂式和落地式兩種。主要由真空滅弧室、支架和操動機(jī)構(gòu)三部分組成。真空斷路器的觸頭一般采用磁吹對接式，要求導(dǎo)電性好，耐弧性能、耐熱性能好、可靠開斷大電流。觸頭的中間是一接觸面四周開有三條螺旋槽的吹弧面，觸頭閉合時，只有接觸面相互接觸。開斷電流時，最初在接觸面上產(chǎn)生電弧，在電弧磁場作用下，驅(qū)使電弧沿觸頭四周切線方向運(yùn)動，即在觸頭外緣上不斷旋轉(zhuǎn)，避免了電弧固定在觸頭某處而燒壞觸頭。3、真空QF的優(yōu)點(diǎn)：（1）熄弧過程在真空滅弧室完成，電

12、弧和熾熱氣體不會向外噴油，不污染周圍環(huán)境。（2）熄弧能力強(qiáng)，觸頭行程小，操作機(jī)構(gòu)的操作小，整個QF的體積小、重量輕，安裝方便。（3）熄弧時間短，電弧壓力低、電弧能量小、觸頭磨損小分?jǐn)啻螖?shù)多，壽命長，適于頻繁操作。（4）開關(guān)操作時噪音小，振動輕微，適于城區(qū)或要求安靜的地方。（5）滅弧介質(zhì)為真空 ，與海撥無關(guān)，沒有火災(zāi)危險(xiǎn)性。（6）滅弧室使用期限內(nèi)，觸頭不需維修、檢查。（三）SF6斷路器（簡稱GCB）1、 SF6氣體性質(zhì)及對SF6斷路器的影響無色、無味、無毒、不燃的惰性氣體，易液化（與壓力有關(guān)），分子量146為空氣5.1倍，化學(xué)性能穩(wěn)定，不與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對金屬沒有腐蝕作用。絕緣性能好。滅

13、弧性能好高溫下少量SF6氣體分解并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成物在電弧消失后能很快重新組合成SF6分子。SF6氣體長期密封多次使用不會變質(zhì)減少。2、 SF6斷路器性能特點(diǎn)（1）滅弧能力強(qiáng)，介質(zhì)強(qiáng)度高，可提高單斷口的額定電壓和開斷電流，工作可靠，性能穩(wěn)定。（2）滿容量開斷次數(shù)多，檢修周期長。SF6氣體分解物不含氧氣，觸頭不會被氧化。（3）開斷性能好。開斷大電流時間短，小電流不會截流而產(chǎn)生過電壓。（4）結(jié)構(gòu)簡單，斷口少，占地少，污染和噪音小，無爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，利于生產(chǎn)、維護(hù)和管理。（5）缺點(diǎn)是要求加工精度高，密封好，對水分和氣體的測量和控制要求嚴(yán)。3、 SF6斷路器結(jié)構(gòu)類型110KV及以上的高壓GCB，一般

14、采用瓷柱式和落地罐式。（1）瓷柱式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，用氣量少，金屬量少，系列性好（單元串），缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差，不能裝CT。（2）落地罐式優(yōu)點(diǎn)是抗震性好，滅弧斷口間電場好，斷流容量大，可裝CT。還易組成全封閉組合電器。缺點(diǎn)是系列性差，金屬量多，用氣量大，制造難度大，價高。（3）中壓級GCB 旋弧式、氣自吹式、壓氣式。35KV及以下的GCB總體結(jié)構(gòu)常做成小車式。4、滅弧室結(jié)構(gòu)及滅弧過程（1）單壓式（也稱壓氣式）只有一種壓力系統(tǒng)，一般3-6個大氣壓（常用0.6Mpa）的SF6氣體作內(nèi)絕緣，分閘過程中，壓氣缸與動觸頭同時運(yùn)動，將壓氣室內(nèi)的SF6氣體壓縮，建立較高電壓，觸頭分離時觸頭噴口間產(chǎn)生高速氣流，通過

15、噴嘴射向電弧，形成縱吹。分?jǐn)嘟Y(jié)束后，壓氣作用也結(jié)束，觸頭間恢復(fù)低壓力狀態(tài)。結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，可靠性高，維護(hù)容易。開斷電流小，時間長。（2）雙壓力式滅弧室有高低壓兩個氣壓系統(tǒng)，據(jù)滅弧室內(nèi)壓力分為常充高壓式和瞬時充高壓式。低壓力區(qū)（3-6個大氣壓）SF6氣體作內(nèi)絕緣，高壓力區(qū)（10-15個大氣壓）SF6氣體滅弧。分閘時，排氣閥打開，高壓氣體向低壓區(qū)放氣，吹熄電弧，電弧熄滅后，排氣閥關(guān)閉，高壓力區(qū)噴向低壓力區(qū)的氣體經(jīng)氣體循環(huán)系統(tǒng)及壓縮機(jī)打回高壓區(qū)。開斷電流大，動作快，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，維護(hù)困難，要嚴(yán)格控制水分。八、斷路器的操動機(jī)構(gòu)操動機(jī)構(gòu)帶動高壓斷路器傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行合閘和分閘的機(jī)構(gòu)。1、操動機(jī)構(gòu)的基

16、本要求（1）足夠的操作功率 合閘功率比分閘功率大（2）動作迅速 全分閘時間不大于0.08s，甚至0.02-0.04s。固有分閘時間占一半以上。（3）工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、操作方便。2、操動機(jī)構(gòu)的類型及特點(diǎn)（1）手動式：靠人力合閘、彈簧力分閘、有自由脫扣機(jī)構(gòu)、構(gòu)造簡單、Ikde6.3KA。缺點(diǎn)是受人力限制，合閘時間長，不能實(shí)現(xiàn)自動重合閘。（2）電磁式：用電磁鐵將電能變?yōu)闄C(jī)械能作合閘動力。結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、能用于自動重合閘和遠(yuǎn)距離操作。多用于1035KVQF。（3）彈簧式：用彈簧預(yù)先貯存的能量作合閘動力。成套性強(qiáng)、耗用功率小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工工藝及材料性能要求高、機(jī)構(gòu)本身重量隨操作功

17、率增加而。（4）液壓式：用壓縮氣體（N2）作能源，以液壓油作傳遞能量的媒介，推動活塞做功，使QF合閘或分閘。壓力高、出力大、體積小、傳遞快、延時小、動作準(zhǔn)確、出力均勻。用于110KV及以上少油QF和SF6QF。（5）氣動式：用壓縮空氣分閘、用彈簧力合閘，結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠。3、操動機(jī)構(gòu)的組成（1）作功與貯能部分：將其他形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。（2）傳動系統(tǒng)：改變力的方向、位置、行程及運(yùn)動性質(zhì)。機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)，要求機(jī)械能量損失小、動作準(zhǔn)確、壽命長。（3）維持機(jī)構(gòu)與脫扣機(jī)構(gòu)：將已完成的合閘操作可靠保持在合閘狀態(tài)，有時稱“搭鉤”，后者為解除合閘的機(jī)構(gòu)“一碰即脫”。小結(jié)：1、 電弧的產(chǎn)生與熄滅。2、 各

18、類斷路器的結(jié)構(gòu)。3、 操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。引入：從下雨閃電時就是一種強(qiáng)烈的氣體放電現(xiàn)象，也就是一個非常壯觀的電弧引入本節(jié)內(nèi)容。電弧的本質(zhì)：氣體放電。特點(diǎn)：高溫、導(dǎo)電。并不是所有的電弧都有危害，比如可以利用電弧進(jìn)行電弧焊接、電弧爐冶煉、電除塵等?？偨Y(jié)：電弧產(chǎn)生的過程可分為以下幾個階段：首先，在強(qiáng)電場的作用下，由陰極表面強(qiáng)電場和熱電子發(fā)射出自由電子；然后，由碰撞游離產(chǎn)生大量的新的電子，形成電??；最后，由熱游離維持放電進(jìn)行，維持電弧穩(wěn)定燃燒。另外，由于熱平衡，電弧溫度達(dá)某一值后不再升高，電導(dǎo)達(dá)某一值后也不再升高，熱游離將在一定強(qiáng)度穩(wěn)定下來，達(dá)到平衡。提示：電子的速度比離子的快得多，因此電子與離子復(fù)合的概率比正、負(fù)離子復(fù)合的概率小得多。一般情況下，電子先附在中性質(zhì)點(diǎn)形成負(fù)離子，速度變小，再與正離子復(fù)合。另外，復(fù)合概率與弧溫和截面積有關(guān)，溫度低，截面小，易復(fù)合；與E有關(guān)，Ev復(fù)合。擴(kuò)散是由于電弧與周圍溫度之差和濃度之差引起的。多斷口滅弧性能好的原因： 1、拉長了電弧的長度。 2、觸頭分離速度快。 3、每個斷口的電壓小。