三电力系统的一次设备.docVIP

第三章 电力系统的一次设备 本章讲述了开关电器中电弧产生的原因和熄灭电弧的方法；介绍了高压断路器、高压隔离开关、熔断器、负荷开关、互感器、电抗器等电力系统一次设备的结构和工作原理，并列举了一些常用的开关设备；最后简单介绍了一些低压开关电器。 第一节 概述 发电厂和变电所的电气设备根据它们的功能分为一次设备和二次设备。 变配电所中担负输送和分配电能任务的电路，称为一次电路或一次回路，亦称主电路。一次电路中所有的电器设备，称为一次设备或一次元件。例如电力变压器、断路器、电压互感器、电流互感器、避雷器等。 凡用来控制、指示、监测和保护一次设备运行的电路，称为二次电路。二次电路中的所有电气设备称为二次设备或二次元件。一、二次电路通过互感器联接，通常二次电路接在互感器的二次侧。例如电流表、电压表、继电器等。 第二节 开关电器中电弧的产生与熄灭 　　当开关电器断开通有电流的电路时，在动、静触头的间隙中就会出现电弧，如图3-1所示。对于220V的低压刀开关，当开断不大的负荷电流时，就可见到电弧；在高压电路中开断大电流时，会产生极强烈的电弧。在电弧燃烧期间，虽然触头已分开，但电路中的电流仍以电弧的方式维持着，电路并未真正的断开，只有电弧熄灭后，电路才算真正被切断。 图3-1电弧示意图 电弧是介质被击穿的放电现象，是触头间中性质点被游离的结果。 一、电弧的产生 1.强电场发射 加有电压的开关电器触头在开始分离时，触头间的距离很小，触头间会形成很强的电场强度。当电场强度超过3×106V/m以上时，在强电场作用下，阴极触头表面的自由电子就会被拉出，在电场的作用下向正极发射，形成强电场发射。 2.热电子发射 触头是由金属材料制成的，在常温下，金属内部就存在大量的自由电子，当开关电器动静触头开始分离时，由于动静触头间的接触压力不断降低，接触面积减少，使接触电阻迅速增加，当触头分离到最后时，只剩下几点还接触，电流流过使这些接触点处的温度急剧升高，阴极表面自由电子在获得足够的热能后从阴极表面向四周发射，形成热电子发射。 3．碰撞游离 如图3-2所示，由于强电场发射和热电子发射，在空间产生大量自由电子，触头间（从阴极发射出来）的自由电子，在电场力的作用下，向阳极作加速运动，能量逐渐增加。在向阳极运动的过程中不断与介质（空气或别的物质）发生碰撞，使中性质点游离正、负离子，这种现 图3-2 碰撞游离过程 象就称为碰撞游离。 碰撞游离使介质带电质点剧增，在外加电压作用下，触头间介质被击穿，大量的电子向阳极运动，触头间形成电流，发出巨大的声响和强烈的白光，这就是电弧。 4．热游离 电弧的温度很高(5000K以上)，在高温作用下，阴极表面继续产生热电子发射，并在介质中产生热游离，使电弧得以维持和发展。 由上述可知，碰撞游离产生电弧，而维持电弧燃烧的主要因素是热游离。 二、电弧的熄灭条件 由电弧产生的原因可知，要熄灭电弧，必须减少触头间的正负离子 ，即去游离。去游离过程包括复合和扩散两种形式。 （1）复合去游离 　弧柱中带正电和带负电的质点，在运动过程中互相吸引结合成中性质点的现象称复合去游离。复合的快慢与电场强度、电弧的温度和截面积有关。复合速率与带电质点的体积浓度成比例，因而与电弧直径平方成反比；拉长电弧，可以使电场强度下降，电子运动速度减慢，复合的可能性增大；加强电弧冷却，如利用液体、气体吹弧或将电弧挤入绝缘冷壁制成的狭缝中，能迅速冷却电弧，减小离子运动速度，加强复合过程；此外加大气体介质的压力，可使带电质点的密度增大，自由行程减少，也可以加强复合过程。 （2）扩散去游离 弧柱中正、负离子从电弧内逸出，进入周围介质中的现象，称为扩散去游离。扩散出去的带电粒子使弧柱内的带电粒子减少，因此，扩散有助于电弧的熄灭。 游离和去游离是同时存在的。当游离作用大于去游离作用，电弧电流增大，电弧增强；若游离作用等于去游离作用，则电弧电流保持不变，电弧稳定燃烧；若去游离作用大于游离作用，则电弧电流减小，最终使电弧熄灭。由此可知，要使电弧熄灭，则必须设法使去游离速度大于游离速度。 三、电弧的特性及熄灭条件 1.交流电弧的伏安特性及熄灭条件 由于交流电流的瞬时值不断的随时间作周期性变化，因而电弧的温度、电阻及电弧电压也随时间而变化，故交流电弧的伏安特性应为动态特性，且电弧的热惯性使电弧温度的变化总是滞后于电流的变化。 由于交流电流每半个周期要经过零值一次，因而电流过零时电弧将暂时熄灭，对于稳定燃烧的电弧，在电弧电流过零熄灭后，在下半周又会重新燃烧。所以交流电弧每一个周期（电角度）要暂时熄灭两次。 当电弧电流按正弦变化时，如图3-3（a）中曲线所示。电弧在稳定燃烧的情况下，如果弧长不变，且介质