第2章电气设备

第二章电气设备第一节电弧的形成及灭弧措施第二节高压电气设备第三节低压电气设备思考题第一节电弧的形成及灭弧措施开关电器切除有电流通过的电路时，动、静触头之间会产生电弧。电弧的影响：（1）延长了短路电流的作用时间。（2）产生高温：①可能烧损触头②烧毁电气设备及导线电缆③可能引起电路的弧光短路④可能引起火灾和爆炸事故（3）损害人的视力。研究电弧的产生与熄灭过程，对制造厂家和运行部门都是非常重要的。一、电弧的形成（1）强电场发射触头刚分离的瞬间，触头间具有很高的电场强度E(V/m)，当E大于一定值时，金属触头表面的电子被将从阳极拉出，成为自由电子，在电场力的作用下，自由电子向阳极加速运动。这种现象称强电场发射。（2）热电发射触头即将分开的瞬间，由于触头间压力和接触面积减小，接触电阻R增大，从而电能损耗I2R增大，在阳极表面出现炽热点。金属触头在高温作用下，亦将发射电子，这种现象称热电发射。一、电弧的形成（3）碰撞游离向阳极运动的自由电子，在运动过程中，碰撞到中性介原子，使其外围电子被撞出，分离成为自由电子和正离子的现象称为碰撞游离。当触头间的自由电子、正离子达到一定浓度时，中性介质被击穿变成了导电体，在外加电压作用下，大量的电子连续流向阳极，形成电流，开始了弧光放电。这是电弧产生的最初阶段，随着触头距离增大，E减小，强电场发射与碰撞游离作用减弱。(4)热游离当电弧产生以后，介质分子在高温作用下，产生迅速且不规则的运动，并有很大的动能，它们相互碰撞时，同样可游离出自由电子和正离子，这种靠高温产生游离的方式，称为热游离。热游离是维持电弧燃烧的主要原因。二、熄灭电弧的常用方法（1）冷却灭弧法：降低电弧的温度，使离子运动速度减慢，这样不但使热游离作用减弱，同时离子的复合作用也增强，有利于电弧的熄灭。在交流电弧中，当触头间电压过零时，复合现象特别强烈。复合的速度也与电弧的温度有关，温度愈低，复合作用就愈强烈，因此电弧就愈易熄灭。（2）速拉灭弧法：电弧的燃烧必须有一定的电弧电压来维持。如在开关触头断开时，加速触头分离，将电弧迅速拉长，从而降低了开关触头之间的电场强度，或者说电弧电压不足以维持电弧的燃烧，而使电弧熄灭。二、熄灭电弧的常用方法（3）短弧灭弧法：将长电弧切成几个短电弧是有利于灭弧的。一般均采用绝缘夹板夹着许多金属栅片组成灭弧栅，罩住开关触头的全行程。当开关触头分离时，长电弧在电动力和磁场力的作用下迅速移入灭弧栅，结果长电弧被灭弧片切割成一连串的短电弧，使触头间的电压不足以再击穿所有栅片间的气隙，而使这些短电弧同时熄灭，并且不再复燃。图2－1为钢灭弧栅(又称去离子栅)将长弧切成若干短弧的情形。电弧进入钢片，一是利用了图2－2所示的电动力吹弧，另一是利用了图2－3所示的铁磁吸弧。钢片对电弧还有冷却降温的作用。图2－1钢灭弧栅对电弧的作用1一钢栅片2一电弧3一触头二、熄灭电弧的常用方法电弧进入钢灭弧栅钢片后，除短弧灭弧外，还有以下三种灭弧作用：①电动力吹弧，图2－2所示②铁磁吸弧，图2－3所示③钢片对电弧还有冷却降温的作用图2－2电动力吹弧(分闸时)图2－3铁磁吸弧1-电弧；2-钢片二、熄灭电弧的常用方法（4）狭缝灭弧法：利用狭缝窄沟灭弧是使电弧与固体介质接触，将电弧冷却，加强去游离。同时电弧在狭缝窄沟中燃烧，压力增大，特别是有产气材料时使去游离作用更加强烈，有利于电弧的熄灭。有的熔断器在熔管中充填石英砂，就是利用狭沟灭弧原理。有一种用耐弧的绝缘材料(如陶瓷)制成的灭弧栅，也同样利用了这种狭沟灭弧原理，如图2－4所示。图2－4绝缘灭弧栅对电弧的作用1一绝缘栅片2一电弧3一触头二、熄灭电弧的常用方法（5）吹弧灭弧法按吹弧的方向分，有横吹和纵吹两种，如图2－5所示按外力的性质分，有气吹、油吹、电动力吹和磁力吹等方式。低压刀开关迅速拉开刀闸时，不仅迅速拉长了电弧，而且其本身回路电流产生的电动力作用于电弧，也吹动电弧使之加速拉长，如图2－2所示。有的开关采用专门的磁吹线圈来吹动电弧，如图2－6所示。也有的开关利用铁磁物质如钢片来吸动电弧，如图2－3所示，这相当于反向吹弧。图2－5吹弧方式a)横吹b)纵吹1-电弧；2-触头图2－6磁力吹弧1-磁吹线圈；2-灭弧触头；3-电弧二、熄灭电弧的常用方法（6）真空灭弧法：真空具有较高的绝缘强度，如将开关触头置于真空容器中，则当电流过零时即能熄灭电弧。为防止产生过电压，应当不使触头分开时电流突变为零。为此，宜在触头间产生少量金属蒸汽，以便形成电弧通道。当交流电流自然下降过零前后，这些等离子态的金属蒸汽便在真空中迅速飞散而熄灭电弧。上述灭弧方法中，通常以冷却灭弧为基础，再配合其他灭弧方法，构成各种开关电器的灭弧装置。如高压隔离开关采用冷却灭弧加速拉灭弧；在充填石英砂的管形熔断器中，利用狭缝灭弧加冷却灭弧；在低压自动空气开关、接触器和带灭弧罩的刀开关中，采用短弧灭弧加冷却灭弧的方法；在压缩气断路器及负荷开关中，广泛利用气吹灭弧的方法。近年来，采用SF6作为高压断路器、高压负荷开关的灭弧介质，以及真空灭弧法应用于真空断路器中，都得到了广泛的应用，取得了良好的效果。三、电气触头电气触头是开关电器的重要部件。开关电器工作的可靠程度，与触头的结构和状况有着密切的关系。高低压开关电器的电气触头必须满足以下几项基本要求:(1)具有足够的断流能力。在开断所规定的最大负荷电流或短路电流时，触头不应被电弧过度烧损，更不应发生熔焊现象。为了保证触头在闭合时尽量减少触头电阻，而在通断时又使触头能经受电弧高温的作用，因此有些开关的触头分为工作触头和灭弧触头两部分。工作触头采用导电性好的铜(或镀银)触头，灭弧触头则采用耐高温的铜钨等合金触头。通路时，电流主要由工作触头通过。通断电流时，电弧基本上在灭弧触头间产生，不致使工作触头烧损。(2)具有足够的动稳定度和热稳定度。在可能发生的最大短路冲击电流通过时，触头不致因电动力作用而损坏；并在可能最长的短路时间内通过短路电流时所产生的热量，不致使触头过度烧损或熔焊。(3)满足正常负荷的发热要求。正常负荷电流长期通过触头时，触头的发热温度不应超过允许值。为此，触头必须接触紧密良好，尽量减小或消除触头表面的氧化层，尽量降低接触电阻。(4)具有足够的机械强度。能经受规定的通断次数而不致发生机械故障或损坏。第二节供配电系统中常用的高压电气设备一、电力变压器二、高压断路器三、隔离开关四、负荷开关五、高压熔断器六、互感器七、高压开关柜一、电力变压器1.变压器的作用电力变压器（文字符号为T或TM)是变电所的核心设备，通过它将一种电压的交流电能转换成另一种电压的交流电能，以满足输电或用电的需要2.变压器的分类①按功能可分为：降压变压器、升压变压器、联络变压器；②按相数可分为：单相变压器、三相变压器；③按绕组形式可分为：双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变压器；④按调压方式可分为：无载调压变压器及有载调压变压器；⑤按绕组绝缘类型可分为：油浸式变压器、干式变压器、充气式变压器；⑥按用途可分为：普通变压器、全封闭变压器、防雷变压器等。3.变压器的结构3.变压器的结构图2－7油浸自冷式三相电力变压器1防暴管2油枕3高压端子4低压端子5散热管6线圈7变压器油8铁芯9轮子10铭牌11瓦斯继电器12油箱功能：不仅能通断正常负荷电流，而且能接通和承受一定时间的短路电流，并能在保护装置作用下自动跳闸，切除故障。二、高压断路器弹簧操动机构电磁操动机构永磁操动机构操动机构(按合闸所需能量分)类型(按灭弧介质分)油断路器SF6断路器真空断路器QF符号结构：触头装置、灭弧室、基座框架、传动机构（配操动机构）以油作为灭弧介质已逐步淘汰以SF6气体作绝缘介质和灭弧介质，可频繁操作利用“真空”作绝缘和灭弧介质，可频繁操作交流或直流操作电源，合闸所需能量小直流操作电源，合闸所需能量大直流操作电源，合闸所需能量小高压油断路器少油断路器结构SN10－10少油断路器外形和剖视图（a）外形图(b)剖视图1-放油塞；2-油缓冲器；3-动触头；4-下引线座；5-滚动触头；6-绝缘筒；7-铝压圈；8-密封垫；9-隔弧片；10-螺纹套；11-油标；12-静触头；13-绝缘套；14-顶罩;15-油气分离器；16-空心螺栓；17-盖子；18-小轴；19-上引线座；20-支座；21-支持资套；22-绝缘连杆；23-油箱；24-机构室；25-基座；26-塞杆；27-导轨1.多有断路器（略）2.少油断路器少油断路器工作原理工作原理：跳闸时导电杆向下运动。当导电杆离开静触头座时，便产生电弧，使绝缘油分解，形成封闭气泡，使静触头周围的油压剧增，迫使静触头座内的钢球（逆止阀）上升，堵住中孔。这时电弧在近乎封闭的空间燃烧，使灭弧室内的压力迅速提高。当导电杆继续向下运动，相继打开一、二、三道横吹口及下面纵吹口时，油气混合体强烈地横吹和纵吹电弧，同时导电杆向下运动，在灭弧室内形成附加油流射向电弧。由于这种机械油吹和上述纵横吹的综合使用，使电弧在很短时间内迅速熄灭。适用场所在不经常操作的变配电装置中，应用广泛。SN10—10型少油断路器外形图SW6-110型少油断路器外形图2.高压真空断路器（1）高压真空断路器的结构ZN5－10型高压真空断路器1－软连接；2－上导电夹；3－绝缘支架；4－上接线板；5－真空灭弧室；6－下接线板；7－下导电夹；8－联接头；9－绝缘子；10－跳闸线圈；11－跳闸按钮；12－主轴；13－支座；14－合闸铁芯；15－合闸线圈；16－分闸弹簧；17－底座图2—10真空灭弧室的结构1一静触头；2一动触头；3一屏蔽罩；4一波纹管；5一与外壳封接的金属法兰盘；6一波纹管屏蔽罩；7一玻壳真空断路器VS1-12真空断路器绝缘套筒内有真空灭弧室及触头上接线端子下接线端子手车式框架二次接线插头就地操作箱续上页VSm－12真空断路器（配永磁操动机构）ZW7系列断路器适用于三相交流50Hz，40.5kV电力系统中，作为分，合负荷电流，过载电流及短路电流之用。它既可用于发电厂，变电所（站）对电力设备和电力线路的控制和保护，也可用于频繁操作的场所。是40.5kV老变电所无油化改造的更新换代的理想产品。高压真空断路器的适用场所与特点（2）.特点①体积小、重量轻、寿命长②开断能力强、性能稳定、动作快(燃弧时间一般不大于半个周期0.01s)③安全可靠、维护简单（3）.适用场所①适用于频繁操作②广泛应用于10kV以下配电系统中3.高压六氟化硫断路器六氟化硫断路器的结构LN2－10型SF6断路器1－吹弧线圈；2－弧触指；3－环形电极；4－导电杆；5－助吹装置；6－分闸弹簧；7－自封阀盖；8－推杆；9－上接线座；10－静触指；11－下接线座；12－吸附器；13－主轴；14－分闸缓冲；15－主拐臂；16－合闸缓冲LW□-252/3150-50型六氟化硫罐式断路器额定电压252kVLW□-252/3150-50型六氟化硫罐式断路器绝缘支柱式SF6断路器落地罐式SF6断路器LN2-10户内手车式SF6断路器高压六氟化硫断路器的特点与适用场所特点优点：断流能力强、灭弧速度快、电绝缘性能好、适于频繁操作、可靠性高且无燃烧爆炸的危险。缺点：要求制造断路器的加工精度很高，密封性能要好，对SF6气体的检测控制更严，因而造价较其它断路器要高。适用场所应用在需频繁操作及有易燃易爆危险的场所以及超高压电力系统中，用以通断主电路。三、隔离开关功能：主要用来隔离高压电源以保证其他设备的安全检修。它没有专门的灭弧装置，因此不允许带负荷操作。但它可以用来通断一定的小电流电路等。即①隔离电源；②倒闸操作；③通断小电流。QS符号结构：触头装置、绝缘瓷瓶、底座及传动机构等。高压隔离开关一般采用手力操动机构。隔离开关的结构高压隔离开关GN19-10型实物图片GN19-10C型实物图片隔离闸刀上接线端子下接线端子操作手柄传动机构GW5-110D户外隔离开关隔离开关操作注意事项严禁带负荷拉合隔离开关一般必须与高压断路器配合使用，且要严格遵守操作顺序：①停电时，应先使断路器跳闸，然后再拉开隔离