发电厂电气部分-发电厂电气部分-电气设备的原理和选择

发电厂电气部分东南大学电气工程学院主要电气一次设备原理3.1电弧的基本理论3.2高压开关电器3.3互感器3.4限流电器3.5其它高压电器3.6电气设备选择3.1电弧的基本理论电弧是电力系统及电能利用工程中常见的物理现象。随处可见的电弧焊接机是利用电弧产生的高热能进行焊接的电力设备，电弧炼钢炉也是利用电弧的大型用电设备。但是，对于电力系统中的开关电器，当开断有电流通过的电路时，在断开的触头间也会产生电弧。显然，开关电器中的电弧是不希望产生的，要求尽快地熄灭。在高电压大电流下，快速熄灭电弧有一定困难，因此电弧的产生对电力装置的正常操作与安全运行带来不利影响。学习中，要着重理解其物理概念。电流从金属导体(触头)通过空间气体、导电体,从而产生弧光放电现象，电弧的电特性与金属导体的电特性有很大差异。随着电弧的产生与熄灭，触头间的空间气体将由绝缘体向导电的等离子体转化，继而由等离子体向绝缘体转化、转化中电能——热能的转换起着重要的作用。教学内容•掌握电弧的形成及熄灭条件•熟悉电弧形成的物理过程、特性•掌握交流电弧的特性及熄灭条件•掌握开关电器常用的熄弧方法3.1.1电弧的形成和维持强电场发射热电子发射碰撞游离温度热游离电弧下节触头刚分离时，由于间隙很小，其间形成很高的电场强度，当电场强度超过10万伏／cm时，阴极触头表面的自由电子在强电场力的作用下，被拉出金属表面，这种靠电场力的作用将自由电子拉出而进入空间的现象称为强电场发射。返回阴极表面温度较高时，热能可以使金属表面的自由电子获得足够的动能，发射到四周空间，这种现象称为热电子发射。在开关触头开始分离时，触头间的接触压力和接触面积减小，接触电阻增大，从而使接触表面剧烈发热，局部温度很高，使此处自由电子获得动能发射出来。由于阴极触头表面电子的上述两种发射，使阴极附近出现了少量自由电子，这就是开关触头刚分离时发生的现象。返回碰撞游离形成电孤从阴极表面发射出来的自由电子，在触头间电场的作用下获得加速度，从而积累起动能，当这些具有一定数量动能的电子撞击到间隙中的气体中性质点时(原子或分子)，将其能量传递给中性质点，使其外层电子受到激发跳出原子壳层，成为自由电子，原中性质点成为正离子，这种游离过程称为碰撞游离。返回电弧产生后，由于电源不断地输送能量，弧柱的温度很高，此时，弧柱中的气体介质的原子和分子产生强烈的分子热运动，具有较大的热分子动能，它们之间不断地发生碰撞，互相传递能量，其结果使原子或分子游离成为正离子和电子，此即所谓热游离。电弧形成以后，弧隙电导很大，孤隙电压和电场强度很低，碰撞游离大大减小或停止。但是，由于电弧温度很高，此时的主要游离形式为热游离，气体介质已成为离子浓度很高的等离子体。返回3.1.2电弧熄灭的物理过程电弧为什么能稳定燃烧。这是由于弧隙中不但进行着游离过程，同时还进行着去游离过程。去游离过程是指自由电子和正离子相互吸引而中和的过程。在稳定燃烧的电弧中，一定的弧温之下，新增加的离子数与电子、正离子的中和数相等，使弧隙正负离子总数保持恒定，电导不变，从而达到平衡。如果去游离的强度大于游离的强度，弧隙等离于体中的导电离子数减少，电导下降。电弧将愈来愈小，弧温下降，致使热游离下降或停止，最终导致熄灭。去游离——由于复合和扩散使带电质子减少的过程。去游离方式有2种：复合：正负离子相互吸引，彼此中和。扩散：弧柱中的带电质点由于热运动逸出弧柱外浓度扩散、温度扩散。介质的游离作用→电弧产生介质的去游离作用→电弧熄灭当游离去游离——电弧电流↑当游离=去游离——电弧电流不变（稳定燃烧）当游离去游离——电弧电流↓→（熄灭）3.1.2直流电弧的熄灭方法灭弧的途径：（1）增高弧隙的静态伏安特性（2）增大回路电阻或减小电源电压熄灭方法:1.拉长电弧2.开断电路时在电路中逐级串入电阻3.在断口上装灭弧栅4.冷却电弧减小直流电弧熄灭时过电压的方法(a)并联电阻法;(b)并联RC支路法;(c)并联整流二极管法3.1.3交流电弧的特性及熄灭1交流电弧特性交流电路中产生的电弧叫交流电弧。交流电弧的特点是。电弧电压和电弧电流的大小和相位都是随时间作用期性变化的，一周期内有两次过零值。当电流过零时，电弧自动熄灭，而后随着电压的增大，电弧又重新点燃。图3-1交流电弧的伏安特性曲线2交流电弧的熄灭（1）弧隙介质电强度的恢复过程ud:ud——弧隙介质能够承受而不至使弧隙去穿的最小电压。过程：电流过零前，很高，弧隙为良导电通道电流过零前后，，具有一定抗电强度电流过零后，恢复不是从零开始△近阴极效应：电流极性改善后的瞬间。（2）弧隙电压的恢复过程ur:ur——电压由熄弧电压恢复到电源电压的过程过程：电流过零前，很小，电源电压大部分降落在线路或负载的阻抗上电流过零时，电弧熄灭，最后变为绝缘介质，电源电压使全部加在弧隙上。3交流电弧的熄灭条件：drUU4交流电弧的灭弧方法（1）提高触头的分闸进度——迅速拉长电弧，E↓，冷却与扩散↑（2）采用多断口灭弧——拉长迅速↑，行程↓，灭弧时间↓提高了灭弧能力。多断口使电弧的总长度加长、从而导致弧隙电导下降，使每个断口的行程缩短，可以加快触头的分离速度，促使弧隙电导迅速下降，减少了能量的输入，所以介质强度恢复得快。另一方面，加在每一断口上的电压减小数倍，孤隙恢复电压幅值和恢复速度均降低了。这些都明显地加快了熄灭电弧的过程。（3）吹弧——加强冷却和扩散横吹——将电弧吹弯吹长纵吹——将电弧吹细（4）利用固体介质的狭缝狭沟灭弧——冷却，表面吸附电子，加强复合。如：介质纵缝灭弧罩介质填料灭弧管（5）利用短弧原理灭弧交流电路：电流自然过零时，每一短弧有150~250V电压。（6）磁吹——利用电磁力驱动和拉长电弧至固体介质灭弧罩或金属栅灭弧罩中（7）高压气体介质灭弧——碰撞游离↓，复合↑（8）真空灭弧——碰撞游离↓，热游离↓，扩散↑小结开断电路时，断路器触头间产生的电弧是触头分离瞬间产生的空间放电现象，电弧形成以后，孤隙空间成为电导不断变化的等离子体空间，如果弧隙等离子体完成了向绝缘体的转化，电弧即熄灭。从触头开始分离到电弧形成有一个演变过程，其后，由电弧等离子体向绝缘体转化，从而使电弧熄灭也有一转化过程。触头刚刚分离时，由于高电场和阴极炽热点的存在，产生电子的强电扬发射和热电子发射，使间隙有少量自由电子，它们在电场作用下，向阳极作加速运动时．撞击中性质点使其游离为电子和正离子，快速连续发生的碰撞游离，随即发展为雪崩式放电。电弧中心区温度可高达l0000K，因而导致热游离的进行，向弧隙提供了更多的导电离子，电导加大，使电弧得以持续燃烧。电弧能持续稳定燃烧说明弧隙游离与去游离处于平衡状态，弧隙保持了一定的电导。游离和去游离是弧隙中同时进行着的性质相反的物理过程。当游离占优势时，电弧就发生、维持燃烧；当去游离占优势时．电弧就趋于熄灭。加强去游离即可加速电弧的熄灭。电弧特性主要用伏安特性表示，其伏安特性有明显的非线性特性，这是由于弧隙复杂的电、热相互转换的物理过程所致。通过伏安特性及波形变化(交流电弧的电流、电压波形)，可以方便地研究电弧的熄灭原理和过程。直流电弧的熄灭是基于将稳定工作点向电流减小的方向移动的原理。为此，应迅速地拉长电弧，使弧隙电压加大，弧温降低，热游离下降，去游离加强，电弧伏安特性则不断上移，最后进入不稳定区，促使电弧熄灭。交流电弧电流每10ms(半个周波)要通过一次零值，此刻电源停止向弧隙输送能量，热游离减弱，去游离加强，所以交流电弧比直流电弧容易熄灭。交流电弧能否熄灭，要看电流达到零值及以后的短时间内，弧隙介质强度恢复得是否足够高，并且始终超过弧隙电压的恢复水平。为作到达一点，必须对弧柱加强冷却，抑制热游离的进行，加强去游离过程，以便提高介质强度的恢复速度和水平。另一方面，也应设法降低弧隙电压的恢复速度和水平。触头间接入并联电阻．可以使电路不发生高频振荡、恢复电压上升速度和水平均显著降低。断路器中开断电弧要经过起弧——数次重燃——最后熄灭的过程才能完成。六氟化硫气体介质的应用．给提高断路器的开断能力提供了新的途径．并得到了迅速发展。高压断路器采取多断口和吹弧灭弧室等措施，提高了灭弧能力。低压开关易采用近阴极效应的原理、装没灭弧栅灭弧。习题及思考题1．碰撞游离和热游离的产生条件是什么?为什么电弧能稳定地燃烧？2．为什么金属蒸气的游离电位低?3．真空中产生电弧的特点是什么?4．直流电流迅速降为零时，电弧伏安特性怎样变化？5．交流电弧特性为何用电流及电压波形图描述?6．解释直流电弧的熄灭原理。7．交流电弧的特点是什么?为何会重燃?8．弧隙电压恢复的含义是什么：怎样降低弧隙电压恢复的上升速度9．弧隙介质强度的恢复合义是什么?怎样提高它的上升速率?10．熄灭交流电弧的条件是什么?3.2高压开关电器开关电器的分类•高压开关、低压开关•户内、户外•既能开断正常工作电流又能开断故障电流——断路器只开断电压——隔离开关类能开断正常工作电流和过电流——负荷开关类只能开断故障电流——熔断器3.2.1高压断路器1高压断路器（1）高压断路器的功能正常工作时开断与闭合电路；配合继电保护装置，自动开断电网中的短路故障；在跳闸后能够自动重合闸。工程图中符号（2）高压断路器种类多油断路器：利用绝缘油作为灭弧介质、相间及相对地绝缘介质。少油断路器：绝缘油只作灭弧介质。载流部分是借空气和陶器绝缘材料或有机绝缘材料来绝缘，灭弧方式多为横向吹动电弧。空气断路器：利用压缩空气的吹动来熄灭电弧的。和控制断路器的分合阐动作。SF6断路器：用SF6气体作绝缘和灭弧介质。磁吹式断路器：当电弧电流通过吹弧线圈以产生磁束来吹弧及消弧。真空断路器：利用真空灭弧和绝缘，灭弧时间一般只有半个周波。（3）断路器的分类-/型号特征S─少油断路器额定断流容量，MVAD─多油断路器额定电流，AK─空气断路器派生标志Q─气动断路器C─带有手车装置Z─真空断路器G─改进型L─六氟化硫断路器D─带有电磁操作结构C─磁吹断路器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ─断流容量安装条件N─户内额定电压，kVW─户外设计序号2高压断路器的基本参数(1)额定电压高压断路器的额定电压反映了相间、相对地以及触头间隙的绝缘水平，在此电压下断路器可以长期正常工作，额定电压是指线电压。(2)额定电流高压断路器的额定电流是在规定条件下长期允许通过的电流，即高压断路器长期通过此电流时，断路器的各部分均不会超过长期允许发热温度。额定电流的国家标准有200、400、600、1000、1500、2000、3000、4000、5000、6000、8000、10000A等。（3)额定开断电流这是一个表明断路器熄灭电弧能力的技术参数。在额定电压下，高压断路器能可靠开断的最大电流，称为额定开断电流Iekd。在低于额定电压下运用时，其开断电流可以高于Iekd，但有一极限值．称其为极限开断电流。(4)额定开断容量身Sekd因为断路器的开断能力不但取决于被开断的电流值，还与工作电压有关，所以用三相额定开断容星表征开断能力最为全面，额定开断容量：ekdeekdIUS3(5)热稳定电流热稳定电流表明断路器耐受短路电流热效应能力的参数，当这—电流通过高压断路器时，在规定时间内，其载流部分不会超过短时允许发热温度。显然．其指标应为It为通过时间t的热稳定电流。通常，国家规定的标推时间为4s，其相应的热稳定电流即等于断路器的额定开断电流，即(6)动稳定电流动稳定电流是表明高压断路器在冲击短路电流作用下，承受电动力能力的参数，它由高压断路器裁流部分和绝缘等支承部分的机械强度决定。它的指标为瞬时最大电流值，如果流过的电流超过此值，产生的相应电动力将使断路器损坏。tIt2ekdtII(7)分闸时间分闸时间是指从分闸命令发出，使断路器操动机构的跳闸线圈通电、动作，直到高压断路器三相触头电弧完全熄灭为止所经历的全部时间。它是断路器的固有分闸时间与燃弧时间之和。固有分闸时间是指断路器接到分闸命令到触头刚刚分离的一段时间，燃弧时间是指从触头分离到三相电弧均熄灭的一段时间。这是高压断路器动作性能的一个重要指标。显然