高压开关设备概述3.doc

3 高压开关电器的基础知识 3.1 发热 高压开关电器在运行中由于电流通过回路电阻做功发热，使电器的温度上升，正确设计的高压开关电器能保证长期运行发热过于稳定状态，并使其各部件温度低于规定值（允许温升值） 3.1.1 允许温升及其确定 3.1.1.1 对于任何高压开关电器，GB规定了环境温度限制（如+40℃~-5℃）如再规定允许温升，实际上就规定了其最高允许使用温度。 3.1.1.2 允许温升的确定主要考虑三个因素： 金属材料的机械强度（如铜在长期工作时温度大于100℃，在短时发热温度大于300℃时机械强度会明显下降） 绝缘材料的老化（绝缘性能下降）趋势 电接触连接的接触电阻的稳定性 3.1.1.3 GB765《交流高压电器在长期工作时的最大允许发热温度和允许温升》针对不同情况作了不同的温升值的规定。 这些情况分别是： 导体是否与绝缘体接触 导体表面是否有抗氧化的镀层（Ag、Si） 使用何种介质（油、空气、六氟化硫） 电连接接触方式（弹簧压紧、滑动、紧固） 3.1.2 热的产生 3.1.2.1 电阻损耗发热 （w） I—电流（A），R—导电部分回路电阻（Ω） —接触电阻（Ω） —导体电阻（Ω） —交流附加损耗系数（与集肤效应有关） 可查曲线得到：d—导体直径（m） f—电流频率（Hz） ρ—电阻率（Ω·m） 对于一般的开关电器实际上趋于1，但对于诸如发电机断路器，工作电流很大（如8000A）趋表效应比较严重而必须考虑的影响。 （μ?） —材料系数（可查手册，在80-140之间） —触头终压力（Kg） （Ω） — 导体在20℃时的电阻率（Ω·m） — 电阻温度系数（1/K） （K为温升单位，如85K） — 导体温度（℃） 从以上发热机制可知，导电回路接触不良，表面氧化等会造成温度不断上升的恶性循环，后果非常严重。 3.1.2.2 铁磁损耗 导体附近的铁磁材料中形成的涡流磁滞损耗称为铁磁损耗，会发热、使温度提升。为此技术上常用各种办法减小铁磁损耗，如改用非磁性材料（黄铜、硅铝合金等）；镶嵌非磁性间隙；采用短路环。 3.1.2.3 短时发热的升温近似作为绝热过程，从而得到短路时，可将温升限制在允许温升之内的允许电流密度。 所谓绝热过程即在很短时间内忽略热量散发，假设全部留存在导体内，那么按能量平衡：此时温度与电阻Ｒ均为时间ｔ的函数（变量）。 　—　导体的热容量（ｊ／Ｋ） 　—　导体的质量（Kg） 　—　导体的比热[J/（Kg·K）]材料的物理常数可以查手册得到。 （为导体材料比重） 对于某一温度为的瞬间（dt） 可具体为： （1） 对此微分方程在时间段0至热稳定时间（）的积分可以求得 （2） 从此公式可看出：constant，称为电器的热稳定性。 同时可得到：= 标准规定可取的为1s，2s与4s。 为选用导体尺寸，需规定电流密度值。（即允许电流密度） 根据计算和实验结果，有短时状态下允许的电流密度的经验数据。 （A/mm2） 热稳定时间 材料 1s 2s 3s 铜 152 107 76 铝 80 63 45 黄铜 73 52 37 以下补充说明从式（1）推导到式（2）的过程： 从 I(1+)dt=cAd (1) 得到 I= (2) 根据式（1） 可以得到 dt== (3) 对此微分方程在时间段0至热稳定时间t的积分 = (4) 解此积分方程可得 －1] (5) 由此得到式（2） 3.2 电动力 3.2.1 电动力的计算 称载流导体之间的力为“电动力”。 按物理学的电磁场分析，在磁场Ｂ中，以ｖ速前进的运动电荷Ｑ受到一个称为洛仑兹力 的作用，洛仑兹力，为Ｂ与Ｑ速度方向的夹角。 电动力的计算方法： 对于一长度为，通过电流的简单导线， Ｆ、、Ｂ的方向符合左手定则。 用以上原理可以推导出二根无限长平行导体的电动力： （Ｎ）　　（ａ为导体间的距离） 最终对于复杂结构的电动力： （Ｎ） ｃ－电动力回路系数，可查手册获得（免去复杂的计算）。 3.2.2 交流电动力 在交流高压开关电器中，一般通过外来大（短路）电流是正弦或非正弦的同一交流电， （N），若代入： （N） 电动力最大值为：（N） 平均值为：（N） I — 交流电流有效值（A） 3.2.3 短路时的电动力 短路状态下， 短路电流周期分量的最大值 电流非周期分量的衰减系数 短路电流周期分量 短路电流非周期分量 通过电动力的分析，我们可以估算电动力的大小与方向。设计时要考