供用電設備教學資料第4章開關電器

1、第4章 開關電器,4. 1 開關電器的基本工作原理 4. 2 高壓斷路器及其操動機構 4. 3 高壓隔離開關 4. 4 高壓負荷開關 4. 5 自動重合器和自動分段器,第4章 開關電器,4. 6 熔斷器 4. 7 低壓斷路器 4. 8 刀開關及其組合電器 4. 9 低壓控制電器 4. 10 漏電保護器,4.1 開關電器的基本工作原理,（一）開關電器的作用 （二）開關電器的電弧 （三）交流電弧的特性及熄滅 （四）開關電器的滅弧方法,（一）開關電器的作用 - 1,在供配電系統(tǒng)中，開關電器所承擔的任務是：,在正常工作情況下可靠地接通或開斷電路； 在改變運行方式時靈活地切換操作； 在系統(tǒng)發(fā)生故障時迅速

2、切除故障部分以保證非故障部分的正常運行； 在設備檢修時隔離帶電部分以保證工作人員的安全。,（一）開關電器的作用 - 2,（1）僅用來在正常工作情況下，接通或開斷正常工作電流的工作電器，如高壓負荷開關、低壓閘刀開關、接觸器、磁力啟動器等。 （2）僅用來開斷故障情況下的過負荷或短路電流的開關電器，如高壓熔斷器。 （3）既用來接通或開斷正常工作電流，也用來斷開過負荷電流或短路電流的開關電器，如高壓斷路器、低壓空氣開關等。 （4）不要求斷開或閉合電流，只用來在檢修時隔離電壓的開關電器，如隔離開關等。,根據(jù)開關電器在電路中擔負的任務，可以分為下列幾類：,一、電弧放電的特征和危害 二、電弧的形成 弧柱中自

3、由電子的主要來源 電弧形成的過程 三、電弧的熄滅 - 電弧的去游離形式,（二）開關電器的電弧, 一、電弧放電的特征和危害 - 1,開關電器在接通或開斷電路時，觸頭間都會產(chǎn)生電弧。電弧是一種氣體導電現(xiàn)象。各種形式的氣體導電統(tǒng)稱為氣體放電現(xiàn)象。 常溫下，氣體是不導電的，但在一定的條件下，氣體分子可能被分離成電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為游離。氣體放電就是游離氣體的導電質點，即自由電子和正離子，在電場力作用下定向運動的結果。 最常見的氣體放電現(xiàn)象有三種，即電暈放電、火花放電和電弧放電。開關電器中的電弧是氣體放電現(xiàn)象的一種。,電弧與氣體放電, 一、電弧放電的特征和危害 - 2,實踐證明，當開關電器切斷電路

4、時，如果觸頭間的電壓大于1020V、電流大于80100mA，在斷開的觸頭間就會出現(xiàn)電弧。 此時，觸頭雖已分開，但是電流以電弧的形式維持，電路仍處于接通狀態(tài)。只有在電弧熄滅后，電路才真正被切斷。電弧是開關電器在開斷過程中不可避免的現(xiàn)象。, 一、電弧放電的特征和危害 - 3,1. 電弧的概念 當開關電器開斷電路時，電壓和電流達到一定值時，觸頭 剛剛分離后，觸頭之間就會產(chǎn)生強烈的白光，稱為電弧。 2.電弧的本質 電弧的實質是一種氣體放電現(xiàn)象。 3. 電弧放電的特征 （1）電弧由三部分組成。包括陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)。 （2）電弧溫度很高。 （3）電弧是一束游離的的氣體。, 一、電弧放電的特征和危害

5、- 4,4. 電弧的危害 （1）電弧的存在延長了開關電器開斷故障電路的時間，加重了電力系統(tǒng)短路故障的危害。 （2）電弧產(chǎn)生的高溫，將使觸頭表面熔化和蒸化，燒壞絕緣材料。對充油電氣設備還可能引起著火、爆炸等危險。 （3）由于電弧在電動力、熱力作用下能移動，很容易造成飛弧短路和傷人，或引起事故的擴大。, 二、電弧的形成弧柱中自由電子的主要來源（1）,（1）熱電子發(fā)射 當斷路器的動、靜觸頭分離時，觸頭間的接觸壓力及接觸面積逐漸縮小，接觸電阻增大，使接觸部位劇烈發(fā)熱，導致陰極表面溫度急劇升高而發(fā)射電子 ，形成熱電子發(fā)射。 （2）強電場發(fā)射 開關電器分閘的瞬間，由于動、靜觸頭的距離很小，觸頭間的電場強度

6、就非常大 ，使觸頭內部的電子在強電場作用下被拉出來 ，就形成強電場發(fā)射。, 電弧的形成 弧柱中自由電子的主要來源（2）,（3）碰撞游離（電場游離） 從陰極表面發(fā)射出的電子在電場力的作用下高速向陽極運動，在運動過程中不斷地與中性質點（原子或分子）發(fā)生碰撞。當高速運動的電子積聚足夠大的動能時，就會從中性質點中打出一個或多個電子，使中性質點游離，這一過程稱為碰撞游離。 （4）熱游離 弧柱中氣體分子在高溫作用下產(chǎn)生劇烈熱運動，動能很大的中性質點互相碰撞時，將被游離而形成電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為熱游離?；≈鶎щ娋褪强繜嵊坞x來維持的。,碰撞游離過程, 電弧的形成 電弧形成的過程,觸頭剛分離時突然解除接觸

7、壓力，陰極表面立即出現(xiàn)高溫熾熱點，產(chǎn)生熱電子發(fā)射；同時，由于觸頭的間隙很小，使得電壓強度很高，產(chǎn)生強電場發(fā)射。 從陰極表面逸出的電子在強電場作用下，加速向陽極運動，發(fā)生碰撞游離，導致觸頭間隙中帶電質點急劇增加，溫度驟然升高，產(chǎn)生熱游離并且成為游離的的主要因素，此時，在外加電壓作用下，間隙被擊穿，形成電弧。,斷路器斷開過程中電弧的形成:,電弧產(chǎn)生和維持的物理過程,結論：在斷路器觸頭間隙中，由熱電子發(fā)射和強電場發(fā)射產(chǎn)生電子，由碰撞游離（電場游離）產(chǎn)生電弧，由熱游離維持電弧燃燒。,三、電弧的熄滅 電弧的去游離,在電弧中，發(fā)生游離過程的同時還進行著一個相反的過程，也就是帶電粒子消失的過程，稱為去游離。

8、 在穩(wěn)定燃燒的電弧中，這兩個過程處于動態(tài)平衡狀態(tài)。如果游離過程大于去游離過程，電弧將繼續(xù)熾熱燃燒；如果去游離過程大于游離過程，電弧便愈來愈小，最后熄滅。,三、電弧的熄滅 電弧的去游離形式（1）,1. 復合 復合是正、負帶電質點相互結合變成不帶電質點的現(xiàn)象。 由于弧柱中電子的運動速度很快，約為正離子的1000倍，所以電子直接與正離子復合的幾率很小。 一般情況下，先是電子碰撞中性質點時，被中性質點捕獲變成負離子，然后再與質量和運動速度相當?shù)恼x子互相吸引而接近，交換電荷后成為中性質點。 還有一種情況就是電子先被固體介質表面吸附后，再被正離子捕獲成為中性質點。,電弧的去游離過程包括復合和擴散兩種形式

9、。, 電弧的熄滅 電弧的去游離形式（2）,2. 擴散 擴散是弧柱中的帶電質點逸出弧柱以外，進入周圍介質的現(xiàn)象。擴散有三種形式： （1）溫度擴散，由于電弧和周圍介質間存在很大溫差，使得電弧中的高溫帶電質點向溫度低的周圍介質中擴散，減少了電弧中的帶電質點； （2）濃度擴散，這是因為電弧和周圍介質存在濃度差，帶電質點就從濃度高的地方向濃度低的地方擴散，使電弧中的帶電質點減少； （3）利用吹弧擴散，在斷路器中采用高速氣體吹弧，帶走電弧中的大量帶電質點，以加強擴散作用。, 電弧的熄滅 電弧的去游離形式（3）,結論： 電弧的熄滅是電弧區(qū)域內已電離的質點不斷發(fā)生去游離的結果。 （1）復合：異號帶電質點的電荷

10、發(fā)生中和。 （2）擴散：自由電子和正離子從電弧區(qū)逸出，到達電弧 區(qū)以外。,（三）交流電弧的特性及熄滅,一、交流電弧的特性 二、交流電弧的熄滅條件 弧隙介質介電強度的恢復 弧隙電壓的恢復過程 交流電弧熄滅的條件, 交流電弧的特性（1）,在交流電路中，電流瞬時值隨時間變化，因而電弧的溫 度、直徑以及電弧電壓也隨時間變化，電弧的這種特性稱為 動特性。由于弧柱的受熱升溫或散熱降溫都有一定過程，跟 不上快速變化的電流，所以電弧溫度的變化總滯后于電流的 變化，這種現(xiàn)象稱為電弧的熱慣性。 經(jīng)過對圖4-5的分析，可見交流電弧在交流電流自然過零 時將自動熄滅，但在下半周隨著電壓的增高，電弧又重燃。 如果電弧過零

11、后，電弧不發(fā)生重燃，電弧就此熄滅。, 交流電弧的特性（2）, 交流電弧的特性（3）,結論： (1)電弧電流數(shù)值隨時間變動，電弧的功率也跟隨電弧電流變動。 (2)電弧有熱慣性。 (3)交流電流每隔半個周期要經(jīng)過零值一次，稱為“自然過零”。,交流電弧的熄滅條件1弧隙介質介電強度的恢復,弧隙介質能夠承受外加電壓作用而不致使弧隙擊穿的電壓稱為弧隙的介質強度。 當電弧電流過零時電弧熄滅，而弧隙的介質強度要恢復到正常狀態(tài)值還需一定的時間，此恢復過程稱之為弧隙介質強度的恢復過程，以耐受的電壓Uj（t）表示。,圖-介質強度恢復過程曲線, 交流電弧的熄滅條件2弧隙電壓的恢復過程,電流過零前，弧隙電壓呈馬鞍形變化

12、，電壓值很低，電源 電壓的絕大部分降落在線路和負載阻抗上。電流過零時，弧隙 電壓正處于馬鞍形的后峰值處。電流過零后，弧隙電壓從后峰 值逐漸增長，一直恢復到電源電壓，這一過程中的弧隙電壓稱 為恢復電壓，其電壓恢復過程以Uhf（t）表示。 電壓恢復過程與線路參數(shù)、負荷性質等有關。受線路參數(shù) 等因素的影響，電壓恢復過程可能是周期性的變化過程，也可 能是非周期性的變化過程。, 交流電弧的熄滅條件交流電弧的熄滅條件,如果弧隙介質強度在任 何情況下都高于弧隙恢復電 壓，則電弧熄滅；反之，如 果弧隙恢復電壓高于弧隙介 質強度，弧隙就被擊穿，電 弧重燃。因此，交流電弧的 熄滅條件為： Uj（t） Uhf（t）

13、 Uj（t）弧隙介質強度； Uhf（t）弧隙恢復電壓。,圖4-6 介質強度與恢復電壓曲線,（四）開關電器的滅弧方法,一、提高觸頭的分閘速度 二、吹弧 吹弧氣流產(chǎn)生的方法 吹弧的方向 三、采用多斷口 四、短弧原理滅弧 五、利用固體介質的狹縫狹溝滅弧 六、采用耐高溫金屬材料制作觸頭、采用優(yōu)質滅弧介質, 一、提高觸頭的分閘速度,熄滅交流電弧的關鍵在于電弧電流過零后，弧隙的介質強 度的恢復過程能否始終大于弧隙電壓的恢復過程。為了加強冷 卻，抑制熱游離，增強去游離，在開關電器中裝設專用的滅弧 裝置或使用特殊的滅弧介質，以提高開關的滅弧能力。 迅速拉長電弧，有利于迅速減小弧柱中的電位梯度，增加 電弧與周圍

14、介質的接觸面積，加強冷卻和擴散的作用。因此， 現(xiàn)代高壓開關中都采取了迅速拉長電弧的措施滅弧，如采用強 力分閘彈簧，其分閘速度已達16m/s以上。, 二、吹弧 吹弧氣流產(chǎn)生法.（1）,用新鮮而且低溫的介質吹拂電弧時，可以將帶電質點吹到弧隙以外，加強了擴散，由于電弧被拉長變細，使弧隙的電導下降。吹弧還使電弧的溫度下降，熱游離減弱，復合加快。按吹弧氣流的產(chǎn)生方法和吹弧方向的不同，吹弧可分為以下幾種。 1. 吹弧氣流產(chǎn)生的方法有： （1）用油氣吹弧 用油氣作吹弧介質的斷路器稱為油斷路器。在這種斷路器 中，有用專用材料制成的滅弧室，其中充滿了絕緣油。當斷路器觸頭分離產(chǎn)生電弧后，電弧的高溫使一部分絕緣油迅

15、速分解為氫氣、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳等氣體，其中氫的滅弧能力是空氣的7.5倍。這些油氣體在滅弧室中積蓄能量，一旦打開吹口，即形成高壓氣流吹弧。,吹弧 吹弧氣流產(chǎn)生法.（2）,（2）用壓縮空氣或六氟化硫氣體吹弧 將20個左右大氣壓的壓縮空氣或5個大氣壓左右的六氟化硫氣體（SF6）先儲存在專門的儲氣罐中，斷路器分閘時產(chǎn)生電弧，隨后打開噴口，用具有一定壓力的氣體吹弧。 （3）產(chǎn)氣管吹弧 產(chǎn)氣管由纖維、塑料等有機固體材料制成，電弧燃燒時與管的內壁緊密接觸，在高溫作用下，一部分管壁材料迅速分解為氫氣、二氧化碳等，這些氣體在管內受熱膨脹，增高壓力，向管的端部形成吹弧。, 吹弧 吹弧方向法 （1）,2.

16、 按吹弧的方向分為： （1）縱吹 吹弧的介質（氣流或油流）沿電弧方向的吹拂稱為縱吹，縱吹能增強弧柱中的帶電質點向外擴散，使新鮮介質更好地與熾熱電弧接觸，加強電弧的冷卻，有利于迅速滅弧。 （2）橫吹 橫吹時氣流或油流的方向與觸頭運動方向是垂直的，或者說與電弧軸線方向垂直。橫吹不但能加強冷卻和增強擴散，還能將電弧迅速吹彎吹長。有介質滅弧柵的橫吹滅弧室，柵片能更充分地冷卻和吸附電弧，加強去游離。在相同的工作條件下，橫吹比縱吹效果要好。, 吹弧 吹弧方向法（2）, 吹弧 吹弧方向法（3）,（3）縱橫吹 橫吹滅弧室在開斷小電流時因室內壓力太小，開斷性能較差。為了改善開斷小電流時的滅弧性能，可將縱吹和橫吹

17、結合起來。在大電流時主要靠橫吹，小電流時主要靠縱吹，這就是縱橫吹滅弧室。,橫吹滅弧室示意圖, 三、采用多斷口,每一相有兩個或多個斷口相串聯(lián)。在熄弧時，多斷口把電 弧分割成多個相串聯(lián)的小電弧段。多斷口使電弧的總長度加 長，導致弧隙的電阻增加；在觸頭行程、分閘速度相同的情況 下，電弧被拉長的速度成倍增加，使弧隙電阻加速增大，提高 了介質強度的恢復速度，縮短了滅弧時間。 采用多斷口時，加在每一斷口上的電壓成倍減少，降低了 弧隙的恢復電壓，亦有利于熄滅電弧。在要求將電弧拉到同樣 的長度時，采用多斷口結構成倍減小了觸頭行程，也就減小了 開關電器的尺寸。如圖4-8所示：, 采用多斷口圖4-8, 四、短弧原

18、理滅弧,滅弧裝置是一個金屬柵滅弧罩，利用將電弧分為多個串聯(lián)的短弧的方法來滅弧。由于受到電磁力的作用，電弧從金屬柵片的缺口處被引入金屬柵片內，一束長弧就被多個金屬片分割成多個串聯(lián)的短弧。如果所有串聯(lián)短弧陰極區(qū)的起始介質強度,或陰極區(qū)的電壓降的總和永遠大于觸頭間的外施電壓，電弧就不再重燃而熄滅。采用缺口鐵質柵片，是為了減少電弧進入柵片的阻力，縮短燃弧時間。, 五、利用固體介質的狹縫狹溝滅弧,滅弧裝置的滅弧片是由石棉水泥或陶土制成的。觸頭間產(chǎn)生電弧后，在磁吹裝置產(chǎn)生的磁場作用下，將電弧吹入有滅弧片構成的狹縫中，把電弧迅速拉長的同時，使電弧與滅弧片內壁緊密接觸，對電弧的表面進行冷卻和吸附，產(chǎn)生強烈的去游離。原理圖如4-13所示。 石英砂熔斷器中的熔絲熔斷時，在石英砂的狹溝中產(chǎn)生電弧。由于受到石英砂的冷卻和表面吸附作用，使電弧迅速熄滅。同時，熔絲氣化時產(chǎn)生的金屬蒸汽滲入石英砂中遇冷而迅速凝結，大大減少了弧隙中的金屬蒸汽，使得電弧容易熄滅。原理圖如4-14所示。, 利用固體介質的狹縫狹溝滅弧,圖4-13 狹縫滅弧裝置的工作原理,圖4-14 石英砂滅弧原理, 六、用耐高溫金屬材料作觸頭、優(yōu)質滅弧介質,觸頭材料對電弧中的去游離也有一定影響，用熔點高、導熱系數(shù)和熱容量大的耐高溫金屬制作觸頭，可以減少熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸