高壓電器與開關(guān)設(shè)備

1、第二章第二章 高壓電器與開關(guān)設(shè)備高壓電器與開關(guān)設(shè)備負(fù)荷開關(guān)負(fù)荷開關(guān)(fw)：用來在電路正常工作成過載時(shí)關(guān)合：用來在電路正常工作成過載時(shí)關(guān)合和開斷電路，不能開斷短路電流。和開斷電路，不能開斷短路電流。(2)限制電器，用來限制電路中電壓或電流的電器。它限制電器，用來限制電路中電壓或電流的電器。它包括：包括：電抗器電抗器(l)：主要用來限制電路中的短路電流。某些：主要用來限制電路中的短路電流。某些類型的熔斷器也有限制短路電流的作用。類型的熔斷器也有限制短路電流的作用。避雷器避雷器(bl)：用來限制電路中出現(xiàn)的過電壓。：用來限制電路中出現(xiàn)的過電壓。(3)變換電器，用來變換電路中的電壓和電流使之便于變換

2、電器，用來變換電路中的電壓和電流使之便于檢測(cè)的電器。它包括：檢測(cè)的電器。它包括：電流互感器電流互感器(lh)：用來變換電路中的電流，以便供：用來變換電路中的電流，以便供電給測(cè)量?jī)x表、繼電器或自動(dòng)裝置，并使之與高壓電電給測(cè)量?jī)x表、繼電器或自動(dòng)裝置，并使之與高壓電路隔離。路隔離。電壓互感器電壓互感器(yh)：用來變換電路中的電壓，以便供：用來變換電路中的電壓，以便供電給測(cè)量?jī)x表、繼電器或自動(dòng)裝置，并使之與高壓電電給測(cè)量?jī)x表、繼電器或自動(dòng)裝置，并使之與高壓電路隔離。路隔離。(4)組合電器。將上述某幾種電器，按一定的線路裝配組合電器。將上述某幾種電器，按一定的線路裝配成一個(gè)整體的電器組合。成一個(gè)整體的

3、電器組合。按照安裝地點(diǎn)，高壓電器可以分為：按照安裝地點(diǎn)，高壓電器可以分為：(1)戶內(nèi)式。裝在建筑物內(nèi)不具有防風(fēng)、雨、雷、灰戶內(nèi)式。裝在建筑物內(nèi)不具有防風(fēng)、雨、雷、灰塵、露、冰、濃霜等性能。戶內(nèi)式高壓電器的工作電壓塵、露、冰、濃霜等性能。戶內(nèi)式高壓電器的工作電壓一般為一般為35kv及以下的電壓等級(jí)。及以下的電壓等級(jí)。(2)戶外式。適于安裝在露天，能承受風(fēng)、雨、雷、灰戶外式。適于安裝在露天，能承受風(fēng)、雨、雷、灰塵、露、冰、濃霜等作用。戶外式高壓電器的工作電壓塵、露、冰、濃霜等作用。戶外式高壓電器的工作電壓一般都在一般都在35kv及以上電壓。及以上電壓。按照電流制式，高壓電器可以分為：按照電流制式，

4、高壓電器可以分為：(1)交流電器。工作于三相或單相工頻交流制的電器，交流電器。工作于三相或單相工頻交流制的電器，極少數(shù)工作在非工頻系統(tǒng)。極少數(shù)工作在非工頻系統(tǒng)。(2)直流電器。工作于直流制系統(tǒng)。直流電器。工作于直流制系統(tǒng)。對(duì)于電氣化鐵道及城市交通系統(tǒng)，交流電器是交流制電氣對(duì)于電氣化鐵道及城市交通系統(tǒng)，交流電器是交流制電氣化鐵道及城市地鐵供電系統(tǒng)中大量應(yīng)用的電器；直流電器化鐵道及城市地鐵供電系統(tǒng)中大量應(yīng)用的電器；直流電器則是直流制電氣化鐵道、城市地鐵及輕軌交通供電系統(tǒng)中則是直流制電氣化鐵道、城市地鐵及輕軌交通供電系統(tǒng)中大量使用的電器。大量使用的電器。按照高壓電器工作條件及所起作用的不同，其結(jié)構(gòu)和

5、工作按照高壓電器工作條件及所起作用的不同，其結(jié)構(gòu)和工作性能應(yīng)具有不同特點(diǎn)。高壓電器應(yīng)能可靠地在規(guī)定的工作性能應(yīng)具有不同特點(diǎn)。高壓電器應(yīng)能可靠地在規(guī)定的工作電壓及電流下工作，因此，應(yīng)具有足夠的絕緣強(qiáng)度和載流電壓及電流下工作，因此，應(yīng)具有足夠的絕緣強(qiáng)度和載流能力；用于切斷載流電路的開關(guān)設(shè)備，應(yīng)具有足夠的熄滅能力；用于切斷載流電路的開關(guān)設(shè)備，應(yīng)具有足夠的熄滅電弧的能力；對(duì)電路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、測(cè)量的電器元件電弧的能力；對(duì)電路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、測(cè)量的電器元件(例如電壓、電流互感器例如電壓、電流互感器)應(yīng)能滿足測(cè)量精度的要求；對(duì)電應(yīng)能滿足測(cè)量精度的要求；對(duì)電路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)用的電壓、電流互感器，除了應(yīng)

6、能滿路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)用的電壓、電流互感器，除了應(yīng)能滿足測(cè)量精度的要求外、還應(yīng)在高電壓或大電流作用下不至足測(cè)量精度的要求外、還應(yīng)在高電壓或大電流作用下不至于飽和。所有的高壓電器都應(yīng)滿足運(yùn)行可靠、工作靈活的于飽和。所有的高壓電器都應(yīng)滿足運(yùn)行可靠、工作靈活的要求，同時(shí)還必須考慮經(jīng)濟(jì)條件。要求，同時(shí)還必須考慮經(jīng)濟(jì)條件。第二節(jié)第二節(jié) 交、直流電弧的形成及熄弧原理與方法交、直流電弧的形成及熄弧原理與方法研究和使用高壓電器，尤其是高壓斷路器，要使它們研究和使用高壓電器，尤其是高壓斷路器，要使它們可靠地工作，必須對(duì)開關(guān)設(shè)備在開斷電路的過程中，可靠地工作，必須對(duì)開關(guān)設(shè)備在開斷電路的過程中，其觸頭間產(chǎn)生電弧的性

7、質(zhì)有一個(gè)清楚的了解，以便掌其觸頭間產(chǎn)生電弧的性質(zhì)有一個(gè)清楚的了解，以便掌握現(xiàn)代高壓電器設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，正確地進(jìn)行選擇和握現(xiàn)代高壓電器設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，正確地進(jìn)行選擇和使用。使用。開關(guān)設(shè)備一般由導(dǎo)電體、觸頭和絕緣介質(zhì)組成。介質(zhì)開關(guān)設(shè)備一般由導(dǎo)電體、觸頭和絕緣介質(zhì)組成。介質(zhì)由絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，使電流得以通過的現(xiàn)象，由絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，使電流得以通過的現(xiàn)象，叫做放電。在一定的光、熱和電場(chǎng)的作用下，介質(zhì)中叫做放電。在一定的光、熱和電場(chǎng)的作用下，介質(zhì)中的中性的、不導(dǎo)電的質(zhì)點(diǎn)將產(chǎn)生自由電子、正離子和的中性的、不導(dǎo)電的質(zhì)點(diǎn)將產(chǎn)生自由電子、正離子和負(fù)離于，從而形成游離。當(dāng)介質(zhì)達(dá)到一定的游離程度負(fù)離于，從

8、而形成游離。當(dāng)介質(zhì)達(dá)到一定的游離程度時(shí)。介質(zhì)將被擊穿而產(chǎn)生電弧。因此，研究電弧的形時(shí)。介質(zhì)將被擊穿而產(chǎn)生電弧。因此，研究電弧的形成必須掌握介質(zhì)的游離過程。介質(zhì)游離的過程如下。成必須掌握介質(zhì)的游離過程。介質(zhì)游離的過程如下。 （一）表面發(fā)射（一）表面發(fā)射由金屬電極由金屬電極(觸頭觸頭)表面發(fā)射電子、叫表面發(fā)射。表面發(fā)射電子、叫表面發(fā)射。(1)強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射。當(dāng)金屬表面存在較高的電場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射。當(dāng)金屬表面存在較高的電場(chǎng)強(qiáng)度(大干大干107vmm)時(shí)，自由電子可能逸出金屬，這種過程叫時(shí)，自由電子可能逸出金屬，這種過程叫強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射。斷路器觸頭剛分離時(shí)，強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射占主導(dǎo)地強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射。斷路器觸頭剛分離時(shí)，強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射占主

9、導(dǎo)地位。位。(2)熱發(fā)射。當(dāng)金屬溫度升高列熱發(fā)射。當(dāng)金屬溫度升高列2000一一5000 k，金屬表，金屬表面的自由電子可能獲得足夠的動(dòng)能，克服將電子滯留面的自由電子可能獲得足夠的動(dòng)能，克服將電子滯留在金屬內(nèi)部的力量而逸出金屬，這種過程叫熱發(fā)射。在金屬內(nèi)部的力量而逸出金屬，這種過程叫熱發(fā)射。斷路器觸頭分離后期，熱發(fā)射較強(qiáng)烈。斷路器觸頭分離后期，熱發(fā)射較強(qiáng)烈。(3)光發(fā)射。當(dāng)紅外線、紫外線及其他射線照射列金屬光發(fā)射。當(dāng)紅外線、紫外線及其他射線照射列金屬表面時(shí)，引起電子從金屬表面逸出的過程，叫光發(fā)射。表面時(shí)，引起電子從金屬表面逸出的過程，叫光發(fā)射。光波越短，引起光發(fā)射的能力越強(qiáng)。觸頭分離過程中，光波

10、越短，引起光發(fā)射的能力越強(qiáng)。觸頭分離過程中，隨著電弧燃燒，存在著光發(fā)射現(xiàn)象。隨著電弧燃燒，存在著光發(fā)射現(xiàn)象。(4)二次發(fā)射。當(dāng)正離子在電場(chǎng)作用下高速撞擊陰極，或二次發(fā)射。當(dāng)正離子在電場(chǎng)作用下高速撞擊陰極，或者自由電子高速撞擊陽極時(shí)。也可能使金屬電極表面發(fā)者自由電子高速撞擊陽極時(shí)。也可能使金屬電極表面發(fā)射出電子，此過程叫二次發(fā)射。在氣壓較高的放電間隙射出電子，此過程叫二次發(fā)射。在氣壓較高的放電間隙中，通常陰極表面附近電場(chǎng)強(qiáng)度較高，所以陰極表面二中，通常陰極表面附近電場(chǎng)強(qiáng)度較高，所以陰極表面二次發(fā)射較強(qiáng)，并在氣體放電過程中起重要作用。次發(fā)射較強(qiáng)，并在氣體放電過程中起重要作用。(二二)空間游離空間游

11、離電極電極(觸頭觸頭)間的介質(zhì)在外界力量的影響下，其分子及原子間的介質(zhì)在外界力量的影響下，其分子及原子分裂成自由電子和正離子的過程，叫空間游離。分裂成自由電子和正離子的過程，叫空間游離。(1)光游離。中性粒子受到光的照射，當(dāng)光子的能量大于光游離。中性粒子受到光的照射，當(dāng)光子的能量大于介質(zhì)原于或分子的游離能時(shí)，在空間就產(chǎn)生光游離。光介質(zhì)原于或分子的游離能時(shí)，在空間就產(chǎn)生光游離。光的波長(zhǎng)越短，游離作同越強(qiáng)，可見光幾乎不能引起氣體的波長(zhǎng)越短，游離作同越強(qiáng)，可見光幾乎不能引起氣體游離。游離。(2)碰撞游離。由表面發(fā)射或光游離所產(chǎn)生的帶電粒子，碰撞游離。由表面發(fā)射或光游離所產(chǎn)生的帶電粒子，在觸頭間電場(chǎng)作

12、用下被加速而獲得動(dòng)能。在觸頭間電場(chǎng)作用下被加速而獲得動(dòng)能。 若運(yùn)動(dòng)中的電子從電場(chǎng)中獲得的動(dòng)能足夠大，當(dāng)它與中若運(yùn)動(dòng)中的電子從電場(chǎng)中獲得的動(dòng)能足夠大，當(dāng)它與中性質(zhì)點(diǎn)碰撞時(shí)，能從其中打出一個(gè)或幾個(gè)電子，使失去性質(zhì)點(diǎn)碰撞時(shí)，能從其中打出一個(gè)或幾個(gè)電子，使失去電子的中性質(zhì)點(diǎn)變成正離子。從中性質(zhì)點(diǎn)中打出的電子電子的中性質(zhì)點(diǎn)變成正離子。從中性質(zhì)點(diǎn)中打出的電子在向陽極運(yùn)動(dòng)的過程中又與其他中性質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞，造在向陽極運(yùn)動(dòng)的過程中又與其他中性質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞，造成新的中性質(zhì)點(diǎn)的游離。這樣的連鎖反應(yīng)，使大量的電成新的中性質(zhì)點(diǎn)的游離。這樣的連鎖反應(yīng)，使大量的電子產(chǎn)生，移向陽極，并使電極子產(chǎn)生，移向陽極，并使電極(觸頭觸

13、頭)間的介質(zhì)迅速大量間的介質(zhì)迅速大量游離。斷路器觸頭分離初期，碰撞游離起主導(dǎo)作用。游離。斷路器觸頭分離初期，碰撞游離起主導(dǎo)作用。(3)熱游離。當(dāng)氣體溫度達(dá)到熱游離。當(dāng)氣體溫度達(dá)到3000 一一4000k以上時(shí)，氣以上時(shí)，氣體中的中性原子或分子由于高速的熱運(yùn)動(dòng)而相互碰撞，體中的中性原子或分子由于高速的熱運(yùn)動(dòng)而相互碰撞，產(chǎn)生明顯的熱游離。在相同的溫度下，由于金屬蒸氣的產(chǎn)生明顯的熱游離。在相同的溫度下，由于金屬蒸氣的游離電位小于一般氣體的游離電位，所以金屬蒸氣更存游離電位小于一般氣體的游離電位，所以金屬蒸氣更存易產(chǎn)生熱游離。斷路器觸頭分離后期，熱游離起主導(dǎo)作易產(chǎn)生熱游離。斷路器觸頭分離后期，熱游離起

14、主導(dǎo)作用。用。開關(guān)設(shè)備在開斷電路過程中，觸頭間介質(zhì)達(dá)到一定開關(guān)設(shè)備在開斷電路過程中，觸頭間介質(zhì)達(dá)到一定游離程度時(shí)，觸頭間隙被擊穿而產(chǎn)生電弧。產(chǎn)生電弧游離程度時(shí)，觸頭間隙被擊穿而產(chǎn)生電弧。產(chǎn)生電弧的條件是電路內(nèi)的電流不小于的條件是電路內(nèi)的電流不小于80ma，觸頭間的電壓，觸頭間的電壓不小于不小于10 v一一20v。應(yīng)當(dāng)指出：光游離、熱游離及碰撞游離可能同時(shí)進(jìn)應(yīng)當(dāng)指出：光游離、熱游離及碰撞游離可能同時(shí)進(jìn)行，但在觸頭分離的不同階段，各種游離所起的作用行，但在觸頭分離的不同階段，各種游離所起的作用可能各不相同。在觸頭分離初期，開距小，電場(chǎng)強(qiáng)度可能各不相同。在觸頭分離初期，開距小，電場(chǎng)強(qiáng)度高，碰撞游離作

15、用明顯；在觸頭分離后期，開距大，高，碰撞游離作用明顯；在觸頭分離后期，開距大，電場(chǎng)強(qiáng)度減小，但電弧溫度較高電場(chǎng)強(qiáng)度減小，但電弧溫度較高(表面溫度可達(dá)表面溫度可達(dá)4000度度一一5000度，弧柱中心溫度可高達(dá)度，弧柱中心溫度可高達(dá)10000度度)，熱游離作，熱游離作用加強(qiáng)，使電弧得以維持；在熱游離和碰撞游離的同用加強(qiáng)，使電弧得以維持；在熱游離和碰撞游離的同時(shí)，電子與正離子復(fù)合時(shí)釋放的能量以光量子的形式時(shí)，電子與正離子復(fù)合時(shí)釋放的能量以光量子的形式輻射給周圍中性粒子使中性粒子游離。輻射給周圍中性粒子使中性粒子游離。二、電弧的特點(diǎn)二、電弧的特點(diǎn)(1)電弧是強(qiáng)功率的放電現(xiàn)象。在開斷幾十千安短路電電弧是

16、強(qiáng)功率的放電現(xiàn)象。在開斷幾十千安短路電流時(shí)以焦耳熱形式發(fā)出的功率可達(dá)流時(shí)以焦耳熱形式發(fā)出的功率可達(dá)10000 kw。與此。與此有關(guān)，電弧可具有上萬攝氏度或更高的溫度及強(qiáng)輻射，有關(guān)，電弧可具有上萬攝氏度或更高的溫度及強(qiáng)輻射，在其作用下，任何固體、液體或氣體都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的物在其作用下，任何固體、液體或氣體都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的物理及化學(xué)變化。在有的開關(guān)中，電弧燃燒時(shí)間比正常情理及化學(xué)變化。在有的開關(guān)中，電弧燃燒時(shí)間比正常情況只多況只多10ms-20ms，開關(guān)就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)龎模踔帘?，開關(guān)就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)龎?，甚至爆炸。炸?2)電弧是一種自持放電現(xiàn)象。不用很高的電壓就能維電弧是一種自持放電現(xiàn)象。不用很高的電壓

17、就能維持相當(dāng)長(zhǎng)的電弧穩(wěn)定燃燒而不熄滅。例如：在大氣中，持相當(dāng)長(zhǎng)的電弧穩(wěn)定燃燒而不熄滅。例如：在大氣中，每厘米長(zhǎng)電弧的維持電壓只需每厘米長(zhǎng)電弧的維持電壓只需15v左右，在左右，在100 kv電壓電壓下開斷僅下開斷僅5a的電流時(shí)，電弧長(zhǎng)度可達(dá)的電流時(shí)，電弧長(zhǎng)度可達(dá)7m電流更大時(shí)，電流更大時(shí)，可達(dá)可達(dá)30m。因此單純采用拉長(zhǎng)電弧的方法來熄滅電弧。因此單純采用拉長(zhǎng)電弧的方法來熄滅電弧是不可取的。是不可取的。(3)電弧是等離子體，質(zhì)量極輕，極易改變形狀（電孤區(qū)電弧是等離子體，質(zhì)量極輕，極易改變形狀（電孤區(qū)內(nèi)氣體的流動(dòng)包括自然對(duì)流及外界甚至電弧電流本身產(chǎn)內(nèi)氣體的流動(dòng)包括自然對(duì)流及外界甚至電弧電流本身產(chǎn)生的

18、磁場(chǎng)都會(huì)使電弧受力，改變形狀，有的時(shí)候運(yùn)動(dòng)速生的磁場(chǎng)都會(huì)使電弧受力，改變形狀，有的時(shí)候運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)每秒幾百米）。因此，可利用這一特點(diǎn)來快速熄度可達(dá)每秒幾百米）。因此，可利用這一特點(diǎn)來快速熄弧并預(yù)防電弧的不利影響及破壞作用?；〔㈩A(yù)防電弧的不利影響及破壞作用。三、電弧熄滅的物理過程三、電弧熄滅的物理過程在電弧存在的過程中，介質(zhì)發(fā)生游離過程的同時(shí)也存在電弧存在的過程中，介質(zhì)發(fā)生游離過程的同時(shí)也存在著帶電離子消失的去游離過程。如果在單位時(shí)間內(nèi)，在著帶電離子消失的去游離過程。如果在單位時(shí)間內(nèi)，電弧中產(chǎn)生的帶電離子數(shù)和消失約帶電離子數(shù)相等，則電弧中產(chǎn)生的帶電離子數(shù)和消失約帶電離子數(shù)相等，則通過電弧的電流不

19、變，電弧燃燒是穩(wěn)定的；如果離子消通過電弧的電流不變，電弧燃燒是穩(wěn)定的；如果離子消失的數(shù)量各多于產(chǎn)生的數(shù)量，則電弧電流減弱，直至最失的數(shù)量各多于產(chǎn)生的數(shù)量，則電弧電流減弱，直至最后熄滅。后熄滅。 游離氣體的去游離作用由下述因素造成：游離氣體的去游離作用由下述因素造成：(1)復(fù)合。帶電粒子在弧隙中運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果正負(fù)兩種帶復(fù)合。帶電粒子在弧隙中運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果正負(fù)兩種帶電質(zhì)點(diǎn)相互接觸，交換各自多余的電荷，則形成中性質(zhì)電質(zhì)點(diǎn)相互接觸，交換各自多余的電荷，則形成中性質(zhì)點(diǎn)。在弧柱內(nèi)復(fù)合的是不同極性的離子，電子和正離子點(diǎn)。在弧柱內(nèi)復(fù)合的是不同極性的離子，電子和正離子直接復(fù)合的機(jī)會(huì)極小，這是因?yàn)殡娮舆\(yùn)動(dòng)的速度幾乎高

20、直接復(fù)合的機(jī)會(huì)極小，這是因?yàn)殡娮舆\(yùn)動(dòng)的速度幾乎高出正離子出正離子100倍的緣故。復(fù)合強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度成反比、倍的緣故。復(fù)合強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度成反比、電場(chǎng)強(qiáng)度低時(shí)，離子運(yùn)動(dòng)的速度低，則進(jìn)行復(fù)合的概率電場(chǎng)強(qiáng)度低時(shí)，離子運(yùn)動(dòng)的速度低，則進(jìn)行復(fù)合的概率增加。當(dāng)觸頭間電壓接近零時(shí)，復(fù)合特別強(qiáng)烈。復(fù)合強(qiáng)增加。當(dāng)觸頭間電壓接近零時(shí)，復(fù)合特別強(qiáng)烈。復(fù)合強(qiáng)度也與電弧溫度有關(guān)，溫度越低，弧柱截面越小，則復(fù)度也與電弧溫度有關(guān)，溫度越低，弧柱截面越小，則復(fù)合越烈。合越烈。(2)擴(kuò)散?；≈械膸щ娰|(zhì)點(diǎn)由于弧柱與周圍氣體介質(zhì)擴(kuò)散?；≈械膸щ娰|(zhì)點(diǎn)由于弧柱與周圍氣體介質(zhì)間的溫差很大，并且質(zhì)點(diǎn)的濃度差也很大，因而大量地間的溫差很大

21、，并且質(zhì)點(diǎn)的濃度差也很大，因而大量地?cái)U(kuò)散到周圍的氣體介質(zhì)中去，與氣體中的自由電子或負(fù)擴(kuò)散到周圍的氣體介質(zhì)中去，與氣體中的自由電子或負(fù)離子復(fù)合而失去電荷。擴(kuò)散使電弧內(nèi)的正離子數(shù)目減少，離子復(fù)合而失去電荷。擴(kuò)散使電弧內(nèi)的正離子數(shù)目減少，使電弧的電導(dǎo)變小，加強(qiáng)電弧的去游離。使電弧的電導(dǎo)變小，加強(qiáng)電弧的去游離。 (3)氣體分離。氣體分子落列電弧高溫區(qū)內(nèi)時(shí)，產(chǎn)生極氣體分離。氣體分子落列電弧高溫區(qū)內(nèi)時(shí)，產(chǎn)生極快的熱運(yùn)動(dòng)，如果氣體溫度足夠高，使氣體分子的運(yùn)動(dòng)快的熱運(yùn)動(dòng)，如果氣體溫度足夠高，使氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度極高，在分子相互碰撞之下，會(huì)使其分離成原子。速度極高，在分子相互碰撞之下，會(huì)使其分離成原子。分子在分

22、離成原子時(shí)，吸收大量的能量分子在分離成原子時(shí)，吸收大量的能量(熱能熱能)。這些原。這些原子從電弧區(qū)域擴(kuò)散到周圍氣體介質(zhì)中，然后再結(jié)合成分子從電弧區(qū)域擴(kuò)散到周圍氣體介質(zhì)中，然后再結(jié)合成分子而釋放分解時(shí)吸收的熱能。如此周而復(fù)始，使電弧的子而釋放分解時(shí)吸收的熱能。如此周而復(fù)始，使電弧的冷卻加速，熱游離減弱而加強(qiáng)復(fù)合。冷卻加速，熱游離減弱而加強(qiáng)復(fù)合。四、電弧電壓分布四、電弧電壓分布離子的去游離也發(fā)生在電極附近，弧柱中的正離子移離子的去游離也發(fā)生在電極附近，弧柱中的正離子移向陰極，在離開陰極很近的地方向陰極，在離開陰極很近的地方(約約103mm)，正離于的，正離于的濃度最大，形成正體積電荷。正體積電荷在

23、陰極表面形濃度最大，形成正體積電荷。正體積電荷在陰極表面形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，其強(qiáng)度足以形成強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射。同時(shí)該強(qiáng)電成很強(qiáng)的電場(chǎng)，其強(qiáng)度足以形成強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射。同時(shí)該強(qiáng)電場(chǎng)也可以把帶電正離子加速，使其和陰極表面碰撞，從場(chǎng)也可以把帶電正離子加速，使其和陰極表面碰撞，從陰極打出自由電子。從陰極拉出的電子，由于陰極區(qū)有陰極打出自由電子。從陰極拉出的電子，由于陰極區(qū)有大量正離子堆積，一部分消耗在與正離子的復(fù)合方面，大量正離子堆積，一部分消耗在與正離子的復(fù)合方面，一部分被電場(chǎng)推向陽極。一部分被電場(chǎng)推向陽極。出離于復(fù)合而形成的中性質(zhì)點(diǎn)，由于慣性繼續(xù)向陰極出離于復(fù)合而形成的中性質(zhì)點(diǎn)，由于慣性繼續(xù)向陰極運(yùn)動(dòng)，并碰撞陰極表而，

24、結(jié)果陰極表面發(fā)熱，觸頭的運(yùn)動(dòng)，并碰撞陰極表而，結(jié)果陰極表面發(fā)熱，觸頭的金屬發(fā)生熔化和噴散現(xiàn)象。陰極表面最熱的部分稱為金屬發(fā)生熔化和噴散現(xiàn)象。陰極表面最熱的部分稱為陰極斑點(diǎn)，在陰極斑點(diǎn)處也可以產(chǎn)生熱電子發(fā)射現(xiàn)象。陰極斑點(diǎn)，在陰極斑點(diǎn)處也可以產(chǎn)生熱電子發(fā)射現(xiàn)象。在靠近陰極的在靠近陰極的“陰極區(qū)陰極區(qū)”內(nèi)，正離了不斷地消失，使內(nèi)，正離了不斷地消失，使電弧在這一區(qū)域內(nèi)的電導(dǎo)變小，形成陰極區(qū)電壓降。電弧在這一區(qū)域內(nèi)的電導(dǎo)變小，形成陰極區(qū)電壓降?；≈鶅?nèi)形成的負(fù)離子，一部分與正離子復(fù)合，一部分弧柱內(nèi)形成的負(fù)離子，一部分與正離子復(fù)合，一部分移向陽極。在離開陽極不遠(yuǎn)處，電子從負(fù)離于脫出而移向陽極。在離開陽極不遠(yuǎn)

25、處，電子從負(fù)離于脫出而進(jìn)入陽極，所形成的中性質(zhì)點(diǎn)，由于慣件而繼續(xù)向陽進(jìn)入陽極，所形成的中性質(zhì)點(diǎn)，由于慣件而繼續(xù)向陽極運(yùn)動(dòng)，并沖擊陽極。因此，在靠近陽極的空間內(nèi)，極運(yùn)動(dòng)，并沖擊陽極。因此，在靠近陽極的空間內(nèi)，離子的密度也是不大的，形成陽極區(qū)電壓降。離子的密度也是不大的，形成陽極區(qū)電壓降。在陰極區(qū)和陽極區(qū)以外的弧柱部分，正負(fù)電荷的數(shù)量在陰極區(qū)和陽極區(qū)以外的弧柱部分，正負(fù)電荷的數(shù)量大約相等，其電導(dǎo)近似為一不變的常數(shù)。大約相等，其電導(dǎo)近似為一不變的常數(shù)。沿電弧的電壓分布如圖沿電弧的電壓分布如圖2.1所示。在陰極區(qū)所示。在陰極區(qū)lo內(nèi)，集內(nèi)，集中著正體積電荷，陰極區(qū)電壓降中著正體積電荷，陰極區(qū)電壓降uk

26、達(dá)達(dá)10 -20v。陽極。陽極區(qū)電壓降區(qū)電壓降ua略小些。略小些。顯然，只有當(dāng)加列電極上的電壓總是大于陰極區(qū)電壓顯然，只有當(dāng)加列電極上的電壓總是大于陰極區(qū)電壓降時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生電弧。在低壓短電弧情況下，陰極區(qū)降時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生電弧。在低壓短電弧情況下，陰極區(qū)電壓降具有重大意義，因?yàn)樗茧娀∩想妷航惦妷航稻哂兄卮笠饬x，因?yàn)樗茧娀∩想妷航祏h的的比重較大；而在高壓長(zhǎng)電弧的情況下，陰極區(qū)電壓降比重較大；而在高壓長(zhǎng)電弧的情況下，陰極區(qū)電壓降與弧柱電壓降與弧柱電壓降uhz相比則是較小的。相比則是較小的。五、直流電弧的熄滅條件五、直流電弧的熄滅條件從電路的角度看，電弧是一個(gè)非線性電阻，其阻值隨從電路的角度看，電

27、弧是一個(gè)非線性電阻，其阻值隨電流以及其他因素而變化。對(duì)于如圖電流以及其他因素而變化。對(duì)于如圖22(a)所示的具所示的具有電弧的有電弧的rl直流電路，當(dāng)燃弧后其電壓平衡方程式直流電路，當(dāng)燃弧后其電壓平衡方程式為：為：hudtdilire huire 式中：式中：e為電源電壓；為電源電壓；ir為電阻壓降；為電阻壓降；ldi/dt為電感為電感壓降；壓降；uh為電弧壓降。為電弧壓降。當(dāng)游離與去游離處于動(dòng)平衡狀態(tài)，電弧穩(wěn)定燃燒，當(dāng)游離與去游離處于動(dòng)平衡狀態(tài)，電弧穩(wěn)定燃燒，di/dt=0時(shí)，由時(shí)，由(2.1)式有式有若將若將f(i)e-ir定義為電路的伏安持性，定義為電路的伏安持性，uh定義為電弧定義為電

28、弧的靜伏安特性。的靜伏安特性。如圖所示，兩曲線的交點(diǎn)如圖所示，兩曲線的交點(diǎn)a和和b能滿足能滿足(22)式式a點(diǎn)與點(diǎn)與b點(diǎn)是電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)。點(diǎn)是電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)。r點(diǎn)為穩(wěn)定燃燒點(diǎn)，這是因?yàn)?；如果點(diǎn)為穩(wěn)定燃燒點(diǎn)，這是因?yàn)?；如果i2略有增加則略有增加則e一一iruh，電源電壓減去電阻壓降不足補(bǔ)償電弧燃燒所需，電源電壓減去電阻壓降不足補(bǔ)償電弧燃燒所需壓降，那么，電流自然又減小至壓降，那么，電流自然又減小至i2值；如果值；如果i2略有減小，略有減小，則因則因eiruh，使電流又回升到，使電流又回升到i2值。值。a點(diǎn)為視在穩(wěn)定燃燒點(diǎn)，這是因?yàn)椋喝酎c(diǎn)為視在穩(wěn)定燃燒點(diǎn)，這是因?yàn)椋喝鬷l略有減少，因略有減少，

29、因e一一iruh，則電弧電流繼續(xù)減小至電弧熄滅；若，則電弧電流繼續(xù)減小至電弧熄滅；若i1略略有增加，則有增加，則eiruh，電流將繼續(xù)增加最后穩(wěn)定在，電流將繼續(xù)增加最后穩(wěn)定在i2值。值。在使用開關(guān)電器開斷或閉合電路時(shí)。人們自然不希望在使用開關(guān)電器開斷或閉合電路時(shí)。人們自然不希望電弧穩(wěn)定燃燒，而是力求其熄滅。從圖電弧穩(wěn)定燃燒，而是力求其熄滅。從圖2.2(b)來分析，來分析，若將電弧靜伏安特性提高到虛線位置，使兩條曲線沒有若將電弧靜伏安特性提高到虛線位置，使兩條曲線沒有交叉點(diǎn)、則電弧熄滅。即直流電弧的熄滅條件為交叉點(diǎn)、則電弧熄滅。即直流電弧的熄滅條件為huire 六、交流電弧的熄滅條件與熄滅過程六

30、、交流電弧的熄滅條件與熄滅過程（一）交流電弧的熄滅條件（一）交流電弧的熄滅條件交流電弧與直流電弧有所不同，交流電流限時(shí)值隨時(shí)交流電弧與直流電弧有所不同，交流電流限時(shí)值隨時(shí)間變化，每周期內(nèi)有兩次通過零點(diǎn)。因此，交流電弧間變化，每周期內(nèi)有兩次通過零點(diǎn)。因此，交流電弧一直處于動(dòng)態(tài)過程，并且在電流過零時(shí)電弧自行熄滅，一直處于動(dòng)態(tài)過程，并且在電流過零時(shí)電弧自行熄滅，以后在一定條件下又重燃。以后在一定條件下又重燃。如圖如圖2.3(a)所示的交流電路，當(dāng)電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，所示的交流電路，當(dāng)電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，且電弧長(zhǎng)度不變時(shí)，其伏安特性如圖且電弧長(zhǎng)度不變時(shí)，其伏安特性如圖2.3(b)所示。從圖所示。從圖2.3

31、(b)可以看出：電流由負(fù)位過零瞬間，電弧暫時(shí)熄滅，可以看出：電流由負(fù)位過零瞬間，電弧暫時(shí)熄滅，此時(shí)，電源電壓加于觸頭之間。當(dāng)觸頭間電壓上升到此時(shí)，電源電壓加于觸頭之間。當(dāng)觸頭間電壓上升到電弧點(diǎn)燃電壓電弧點(diǎn)燃電壓udr時(shí)，重新燃弧。出于電弧的熱游離相時(shí)，重新燃弧。出于電弧的熱游離相當(dāng)強(qiáng)，特性曲線當(dāng)強(qiáng)，特性曲線ab段是下降的。從段是下降的。從b點(diǎn)以后，電流由點(diǎn)以后，電流由峰值逐漸減小，電弧電壓相應(yīng)地回升，但因弧柱存在峰值逐漸減小，電弧電壓相應(yīng)地回升，但因弧柱存在熱慣性，因此，熱慣性，因此，bc段低于段低于ab段。當(dāng)電弧趨近于零，段。當(dāng)電弧趨近于零，c點(diǎn)電壓通常稱為熄弧電壓點(diǎn)電壓通常稱為熄弧電壓ux

32、m。 電弧過零后，又反向重燃，伏安特性與正半周對(duì)稱。電弧過零后，又反向重燃，伏安特性與正半周對(duì)稱。從電弧電流在前半周熄滅時(shí)起，到后半周重新燃弧時(shí)從電弧電流在前半周熄滅時(shí)起，到后半周重新燃弧時(shí)止的一段時(shí)間，稱為零休期間。在零休期間，弧隙中止的一段時(shí)間，稱為零休期間。在零休期間，弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過程與電壓恢復(fù)過程是同時(shí)進(jìn)行的，并且的介質(zhì)恢復(fù)過程與電壓恢復(fù)過程是同時(shí)進(jìn)行的，并且互有影響。電弧是否重燃，取決于兩個(gè)過程的互有影響。電弧是否重燃，取決于兩個(gè)過程的“競(jìng)競(jìng)賽賽”。如圖如圖24(a)中，介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)曲線中，介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)曲線ujf上升較為緩慢，上升較為緩慢，一段時(shí)間后恢復(fù)電壓曲線一段時(shí)間后恢復(fù)電壓

33、曲線uhf就超過了曲線就超過了曲線ujf，電弧重，電弧重燃。燃。圖圖2，4(b)中，由于介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度曲線中，由于介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度曲線ujf高于電壓恢高于電壓恢復(fù)曲線復(fù)曲線uhf，兩曲線沒有交點(diǎn)，所以電弧不會(huì)重燃。，兩曲線沒有交點(diǎn)，所以電弧不會(huì)重燃。(二二)交流電弧的熄滅過程交流電弧的熄滅過程1純電阻負(fù)載時(shí)，交流電弧的熄滅純電阻負(fù)載時(shí)，交流電弧的熄滅圖圖25表示開斷電阻電路時(shí)交流電弧電壓疆表示開斷電阻電路時(shí)交流電弧電壓疆uh及電及電弧電流弧電流i 的波形。的波形。(1)設(shè)在設(shè)在to時(shí)刻，觸頭分開起弧，當(dāng)弧電流小到一定程度時(shí)刻，觸頭分開起弧，當(dāng)弧電流小到一定程度后，電弧就在后，電弧就在t1時(shí)刻暫時(shí)熄滅

34、了。時(shí)刻暫時(shí)熄滅了。(2)在零休期間在零休期間(t1t2)，觸頭間有兩種矛盾著的因素在，觸頭間有兩種矛盾著的因素在“競(jìng)賽競(jìng)賽”。一為弧隙游離狀態(tài)逐漸消失，向介質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)化。一為弧隙游離狀態(tài)逐漸消失，向介質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)化。圖中圖中ujf代表電流第一次過零后弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)曲線。代表電流第一次過零后弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)曲線。另一種另一種“競(jìng)賽競(jìng)賽”因素為觸頭兩端電壓不斷交化。在純電阻因素為觸頭兩端電壓不斷交化。在純電阻負(fù)載時(shí)，觸頭兩端恢復(fù)電壓變化曲線負(fù)載時(shí)，觸頭兩端恢復(fù)電壓變化曲線uhf即為電源電壓即為電源電壓u。由于曲線由于曲線ujf1與電源電壓與電源電壓u有交點(diǎn)，所以在有交點(diǎn)，所以在t1時(shí)電弧重時(shí)電弧重燃

35、，此時(shí)燃，此時(shí)ujf1uhf。當(dāng)電流第二次過零時(shí)。當(dāng)電流第二次過零時(shí)(t2)，此時(shí)觸頭，此時(shí)觸頭間距離更大了，去游離作用更強(qiáng)烈，所以弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢間距離更大了，去游離作用更強(qiáng)烈，所以弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)曲線復(fù)曲線ujf2高于電源電壓曲線高于電源電壓曲線u，電弧不會(huì)重燃。，電弧不會(huì)重燃。2電感性電路中，交流電弧的熄滅電感性電路中，交流電弧的熄滅在電感性電路中，電壓超前于電流，如圖在電感性電路中，電壓超前于電流，如圖26所示，設(shè)所示，設(shè)在在t0時(shí)觸頭分開起弧，在電流第一次過零后，兩種因素時(shí)觸頭分開起弧，在電流第一次過零后，兩種因素“競(jìng)賽競(jìng)賽”的結(jié)果，電弧重燃。的結(jié)果，電弧重燃。在第二次過零后由于同樣原

36、因又重燃。在第三次過零時(shí)，在第二次過零后由于同樣原因又重燃。在第三次過零時(shí)，由于介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度曲線高于恢復(fù)電壓曲線由于介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度曲線高于恢復(fù)電壓曲線uhf，電弧熄滅。，電弧熄滅。由圖可見在各半波中電流波形畸變?cè)絹碓絿?yán)重，在由圖可見在各半波中電流波形畸變?cè)絹碓絿?yán)重，在t3時(shí)時(shí)刻電弧雖然熄滅，觸頭間還有剩余電流刻電弧雖然熄滅，觸頭間還有剩余電流is。 七、熄滅電弧的基本方法七、熄滅電弧的基本方法在現(xiàn)代高壓開關(guān)電器中，除在觸頭間隙采用不同滅弧介在現(xiàn)代高壓開關(guān)電器中，除在觸頭間隙采用不同滅弧介質(zhì)外質(zhì)外(如空氣、油、如空氣、油、sf6、真空等介質(zhì)、真空等介質(zhì))，廣泛采用的基本，廣泛采用的基本滅孤方法可以

37、歸納為下列幾種：滅孤方法可以歸納為下列幾種：(1)加速觸頭的分離速度，迅速拉長(zhǎng)電弧。這加速觸頭的分離速度，迅速拉長(zhǎng)電弧。這措施是措施是通過在斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)中安裝強(qiáng)力而靈敏的分閘彈簧通過在斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)中安裝強(qiáng)力而靈敏的分閘彈簧來實(shí)現(xiàn)的。來實(shí)現(xiàn)的。(2)采用未游離的流體采用未游離的流體(如油或壓縮空氣等如油或壓縮空氣等)吹動(dòng)電弧。當(dāng)吹動(dòng)電弧。當(dāng)流體與電孤接觸后，電弧表面或內(nèi)部的帶電粒子被不斷流體與電孤接觸后，電弧表面或內(nèi)部的帶電粒子被不斷吹走，擴(kuò)散作用增強(qiáng)；同時(shí)電弧受冷卻作用，熱游離減吹走，擴(kuò)散作用增強(qiáng)；同時(shí)電弧受冷卻作用，熱游離減弱而復(fù)合作用有所加強(qiáng)。吹動(dòng)方式可以是沿電弧的縱向弱而復(fù)合作用

38、有所加強(qiáng)。吹動(dòng)方式可以是沿電弧的縱向吹動(dòng)，也可以是垂直于電弧的橫向吹動(dòng)及縱、橫向混合吹動(dòng)，也可以是垂直于電弧的橫向吹動(dòng)及縱、橫向混合吹動(dòng)，如圖吹動(dòng)，如圖27、圖、圖28、圖、圖29所示。吹弧能源可以所示。吹弧能源可以是如圖是如圖28所示的油斷路器自能式吹孤，也可以是如圖所示的油斷路器自能式吹孤，也可以是如圖29所示的空氣斷路器外能式吹弧。所示的空氣斷路器外能式吹弧。(3)用磁吹法滅弧。按左手定則，當(dāng)電弧電流垂直于用磁吹法滅弧。按左手定則，當(dāng)電弧電流垂直于外磁場(chǎng)方向通過時(shí)、將受到力的作用。外磁場(chǎng)可以由外磁場(chǎng)方向通過時(shí)、將受到力的作用。外磁場(chǎng)可以由互為反向的電弧電流建立互為反向的電弧電流建立(如圖

39、如圖210所示所示)，亦可使，亦可使電流通過安裝于觸頭外側(cè)或觸頭兩側(cè)的線圈產(chǎn)生電流通過安裝于觸頭外側(cè)或觸頭兩側(cè)的線圈產(chǎn)生(如如圖圖211所示所示)。因。因211的線圈安裝方法是使其產(chǎn)生的線圈安裝方法是使其產(chǎn)生的磁場(chǎng)垂直于通過觸頭的電弧電流，且其磁吹力向上。的磁場(chǎng)垂直于通過觸頭的電弧電流，且其磁吹力向上。磁吹法熄弧多用于直流斷路器中，交流真空斷路器也磁吹法熄弧多用于直流斷路器中，交流真空斷路器也采用磁吹法滅弧，在本章第四節(jié)將給以介紹。采用磁吹法滅弧，在本章第四節(jié)將給以介紹。(4)把長(zhǎng)電弧分成短電弧。當(dāng)電弧被分短以后，每段短弧把長(zhǎng)電弧分成短電弧。當(dāng)電弧被分短以后，每段短弧在新的陰極和陽極區(qū)都要產(chǎn)生

40、新的陰極壓降和陽極壓降，在新的陰極和陽極區(qū)都要產(chǎn)生新的陰極壓降和陽極壓降，當(dāng)兩觸頭問的電壓不變時(shí)，這許多短弧無疑增加了觸頭當(dāng)兩觸頭問的電壓不變時(shí)，這許多短弧無疑增加了觸頭間總的壓降，如果這個(gè)壓降值大于觸頭端電壓，則電弧間總的壓降，如果這個(gè)壓降值大于觸頭端電壓，則電弧即行熄滅。增加高壓斷路據(jù)斷口的數(shù)目即行熄滅。增加高壓斷路據(jù)斷口的數(shù)目(圖圖2.13)及在觸及在觸頭外側(cè)加設(shè)金屬熄弧柵頭外側(cè)加設(shè)金屬熄弧柵(圖圖213)，都可將長(zhǎng)電弧分成，都可將長(zhǎng)電弧分成短弧，達(dá)到快速熄弧的目的。短弧，達(dá)到快速熄弧的目的。 圖圖213(b)中，電弧在缺口鋼片中，電弧在缺口鋼片(柵片柵片)a處流動(dòng)。在處流動(dòng)。在a處的電

41、弧電流于鋼片中建立的磁場(chǎng)可以把電弧電流處的電弧電流于鋼片中建立的磁場(chǎng)可以把電弧電流拉向拉向b點(diǎn)，迫使電孤進(jìn)入熄弧柵中，這較冷的熄弧柵，點(diǎn)，迫使電孤進(jìn)入熄弧柵中，這較冷的熄弧柵，除了把長(zhǎng)弧分成短弧外，還有幫助電弧散熱，增加復(fù)除了把長(zhǎng)弧分成短弧外，還有幫助電弧散熱，增加復(fù)合面的多重作用。一旦電弧進(jìn)入熄弧柵，就易于熄滅。合面的多重作用。一旦電弧進(jìn)入熄弧柵，就易于熄滅。這種方法也多用于交直流開關(guān)設(shè)備中。這種方法也多用于交直流開關(guān)設(shè)備中。此外，還可利用把電弧分成許多支并聯(lián)細(xì)電弧或增此外，還可利用把電弧分成許多支并聯(lián)細(xì)電弧或增大復(fù)合表面等方法強(qiáng)制熄弧。這里就不一一贅述了。大復(fù)合表面等方法強(qiáng)制熄弧。這里就不

42、一一贅述了。第三節(jié)第三節(jié) 斷路器開斷短路電流的斷路器開斷短路電流的工作狀態(tài)及暫態(tài)分析工作狀態(tài)及暫態(tài)分析斷路器要能閉合和開斷各種性質(zhì)的電路。以單相電路為斷路器要能閉合和開斷各種性質(zhì)的電路。以單相電路為模型，電力系統(tǒng)中常遇到的電路有如下幾種：圖模型，電力系統(tǒng)中常遇到的電路有如下幾種：圖214(a)為電阻性電路，圖為電阻性電路，圖214(b)為電感性電路為電感性電路(感感性小電流性小電流)，圖，圖214(c)為電容性電路為電容性電路(容性電流容性電流)，圖，圖214(d)為系統(tǒng)短路時(shí)的電路為系統(tǒng)短路時(shí)的電路(感性大電流感性大電流)。除電阻性。除電阻性電路外，開斷和閉合其他性質(zhì)的電路時(shí)均將在系統(tǒng)中電路

43、外，開斷和閉合其他性質(zhì)的電路時(shí)均將在系統(tǒng)中引起暫態(tài)過程，出現(xiàn)異常的電壓和電流，危害設(shè)備的安引起暫態(tài)過程，出現(xiàn)異常的電壓和電流，危害設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，對(duì)斷路器觸頭在開斷電路時(shí)的恢復(fù)電壓全運(yùn)行。因此，對(duì)斷路器觸頭在開斷電路時(shí)的恢復(fù)電壓進(jìn)行暫態(tài)分析，不但可以使我們了解在不同電路參數(shù)下進(jìn)行暫態(tài)分析，不但可以使我們了解在不同電路參數(shù)下觸頭恢復(fù)電壓的建立過程，而且為改善斷路器的滅弧能觸頭恢復(fù)電壓的建立過程，而且為改善斷路器的滅弧能力，提高開斷容量，保證電力系統(tǒng)供電的可靠性提供了力，提高開斷容量，保證電力系統(tǒng)供電的可靠性提供了科學(xué)依據(jù)。科學(xué)依據(jù)?，F(xiàn)以圖現(xiàn)以圖2.14(d)斷路器開斷單相接地故障為例，說明

44、弧斷路器開斷單相接地故障為例，說明弧隙電壓的恢復(fù)過程，圖隙電壓的恢復(fù)過程，圖2.14(d)的等值電路如圖的等值電路如圖2.15所所示。示。圖圖214(d)中中l(wèi)和和r為電源電感和電阻：為電源電感和電阻：dl為斷路器；為斷路器；zf為負(fù)荷阻抗。當(dāng)在斷路器出口發(fā)生單相短路時(shí)，為負(fù)荷阻抗。當(dāng)在斷路器出口發(fā)生單相短路時(shí)，zf被被短接，斷路器中通過單相短路電流短接，斷路器中通過單相短路電流id1，其波形如圖，其波形如圖2.16所示，其中所示，其中u為電源電壓。為電源電壓。 在在t1時(shí)，斷路器觸頭分?jǐn)喽l(fā)生電弧，斷口兩端電壓時(shí)，斷路器觸頭分?jǐn)喽l(fā)生電弧，斷口兩端電壓為為uh。t2時(shí)電流過零，電弧熄滅，電壓

45、恢復(fù)過程開時(shí)電流過零，電弧熄滅，電壓恢復(fù)過程開始，電源電壓始，電源電壓u逐漸加到斷路器兩端。電源側(cè)對(duì)地電逐漸加到斷路器兩端。電源側(cè)對(duì)地電容容c恰好與斷路器斷口并聯(lián)，如圖恰好與斷路器斷口并聯(lián)，如圖215所示。因此所示。因此斷路器斷路器dl斷口電壓恢復(fù)過程，就是交流電壓斷口電壓恢復(fù)過程，就是交流電壓u通過通過r、l對(duì)電容對(duì)電容c充電的過程。充電的過程。 從熄弧角度看，電弧是否重燃，主要決定于電流過零從熄弧角度看，電弧是否重燃，主要決定于電流過零后很短時(shí)間內(nèi)的電壓恢復(fù)過程。在這短時(shí)間內(nèi)，電源后很短時(shí)間內(nèi)的電壓恢復(fù)過程。在這短時(shí)間內(nèi)，電源電壓變動(dòng)很小，因此在分析電壓恢復(fù)過程時(shí)，可以近電壓變動(dòng)很小，因此

46、在分析電壓恢復(fù)過程時(shí)，可以近似地把交流電源簡(jiǎn)化為直流電源，其電壓取值為交流似地把交流電源簡(jiǎn)化為直流電源，其電壓取值為交流恢復(fù)電壓恢復(fù)電壓u0。于是，斷路器。于是，斷路器dl電壓的恢復(fù)過程，相電壓的恢復(fù)過程，相當(dāng)于電壓為當(dāng)于電壓為u0的直流電源和電感的直流電源和電感l(wèi)，電阻，電阻r及電容及電容c組成的串聯(lián)電路，在突然合閘時(shí)電容組成的串聯(lián)電路，在突然合閘時(shí)電容c兩端的電壓變兩端的電壓變化過程。這樣可以用圖化過程。這樣可以用圖217的電路來分析電壓恢復(fù)的電路來分析電壓恢復(fù)過程。過程。0uudtdilriccc dtduccic 22dtucdcdtdic 022uucdtducrcdtucdlc 0

47、22uucdtucdlc tatauuc0201sincos0 lcflc 212100 或或tata0201sincos 當(dāng)當(dāng)t0時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)k突然閉合，電路中有電流突然閉合，電路中有電流ic通過。假設(shè)斷路器弧隙電阻在電流過零時(shí)為無限大，則通過。假設(shè)斷路器弧隙電阻在電流過零時(shí)為無限大，則電路的回路方程式為電路的回路方程式為 則得：則得：通常通常r值很小，可以忽略不計(jì)，當(dāng)忽略值很小，可以忽略不計(jì)，當(dāng)忽略ric部分時(shí)，則部分時(shí)，則上式等于上式等于式中：式中：u0為微分方程的特解，或稱穩(wěn)態(tài)解。為微分方程的特解，或稱穩(wěn)態(tài)解。為相應(yīng)的齊次方程的通解，或稱為暫態(tài)解。為相應(yīng)的齊次方程的通解

48、，或稱為暫態(tài)解。a1a2為待定常數(shù)，由初始條件決定。為待定常數(shù)，由初始條件決定。100auuh )(001uuah 0 ci0 dtduccictatadtduc020010cossin 020 a 02 atuuuuuhchf0000cos)( 1初始條件即電路電流過零時(shí)的狀態(tài)初始條件即電路電流過零時(shí)的狀態(tài)(1)t0時(shí)電容器電壓時(shí)電容器電壓uc即為電弧電壓即為電弧電壓uh0。即即 t0，ucuh0 將代入將代入(28)式得式得(2)t0時(shí)，電流過零，由于電路中存在電感，電流不能時(shí)，電流過零，由于電路中存在電感，電流不能跳變，因此跳變，因此根據(jù)根據(jù)(2.16)式，可以畫出恢復(fù)電壓波形圖如圖式，

49、可以畫出恢復(fù)電壓波形圖如圖2.18，它，它是圍繞是圍繞u0的振蕩電壓波，振蕩頻率為的振蕩電壓波，振蕩頻率為f0。因此。因此u0相當(dāng)相當(dāng)于恢復(fù)電壓的穩(wěn)態(tài)值，即相當(dāng)于工頻恢復(fù)電壓。當(dāng)于恢復(fù)電壓的穩(wěn)態(tài)值，即相當(dāng)于工頻恢復(fù)電壓。當(dāng)tm1/2f0時(shí)，恢復(fù)電壓達(dá)最大值，等于電流過零時(shí)電源時(shí)，恢復(fù)電壓達(dá)最大值，等于電流過零時(shí)電源電壓的兩倍。電壓的兩倍。實(shí)際電路中，恢復(fù)電壓最大值實(shí)際電路中，恢復(fù)電壓最大值ushm達(dá)不列電源電壓的達(dá)不列電源電壓的兩倍。一般在兩倍。一般在u0的的1.31.6倍以下倍以下(圖圖2.19)。由圖。由圖2.19也可看出，恢復(fù)電壓由兩部分組成，瞬態(tài)部分和工頻也可看出，恢復(fù)電壓由兩部分組成

50、，瞬態(tài)部分和工頻部分。瞬態(tài)部分即瞬態(tài)恢復(fù)電壓以高頻振蕩形式出現(xiàn)，部分。瞬態(tài)部分即瞬態(tài)恢復(fù)電壓以高頻振蕩形式出現(xiàn)，其振蕩頻率與電網(wǎng)參數(shù)省關(guān)。在實(shí)際電路中，這個(gè)瞬其振蕩頻率與電網(wǎng)參數(shù)省關(guān)。在實(shí)際電路中，這個(gè)瞬態(tài)部分衰減很快，持續(xù)時(shí)間很短。工頻部分就是交流態(tài)部分衰減很快，持續(xù)時(shí)間很短。工頻部分就是交流50 hz正弦電壓正弦電壓ugh。 第四節(jié)第四節(jié) 高壓斷路器的構(gòu)造及工作原理高壓斷路器的構(gòu)造及工作原理在電力系統(tǒng)中，高壓斷路器是一種重要的控制和在電力系統(tǒng)中，高壓斷路器是一種重要的控制和保護(hù)電器，高壓斷路器一般由下列各部分組成：保護(hù)電器，高壓斷路器一般由下列各部分組成：(1)觸頭。用來實(shí)現(xiàn)電路通斷的重要

51、部件，觸頭閉觸頭。用來實(shí)現(xiàn)電路通斷的重要部件，觸頭閉合則電路關(guān)合，觸頭分離則電路開斷。斷路器中的合則電路關(guān)合，觸頭分離則電路開斷。斷路器中的觸頭分動(dòng)觸頭和靜觸頭兩種，有時(shí)為了增加斷口數(shù)觸頭分動(dòng)觸頭和靜觸頭兩種，有時(shí)為了增加斷口數(shù)目，還設(shè)置中間觸頭。動(dòng)觸頭由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，而目，還設(shè)置中間觸頭。動(dòng)觸頭由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，而靜觸頭則固定在斷路器的一端。靜觸頭則固定在斷路器的一端。(2)滅弧室。在動(dòng)靜觸頭間隙發(fā)生電弧時(shí)，一般被滅弧室。在動(dòng)靜觸頭間隙發(fā)生電弧時(shí)，一般被限制在具備滅弧裝置的滅弧室中，電弧在滅弧室中限制在具備滅弧裝置的滅弧室中，電弧在滅弧室中被縱向或橫向吹長(zhǎng)、冷卻而熄滅。滅弧空的結(jié)構(gòu)必被縱向或橫

52、向吹長(zhǎng)、冷卻而熄滅。滅弧空的結(jié)構(gòu)必須滿足斷路器一定開斷容量下滅弧的要求。須滿足斷路器一定開斷容量下滅弧的要求。按照絕緣和滅弧介質(zhì)的不同，高壓斷路器可以分成油按照絕緣和滅弧介質(zhì)的不同，高壓斷路器可以分成油斷路器、斷路器、sf6斷路器、真空斷路器等，本節(jié)將分別予斷路器、真空斷路器等，本節(jié)將分別予以介紹。以介紹。一、對(duì)高壓斷路器的技術(shù)要求及其基本參數(shù)一、對(duì)高壓斷路器的技術(shù)要求及其基本參數(shù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)荷的性質(zhì)是多種多樣的，作電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)荷的性質(zhì)是多種多樣的，作為控制、保護(hù)元件的高壓斷路器，為了保證電力系統(tǒng)為控制、保護(hù)元件的高壓斷路器，為了保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行對(duì)其要求是多方面的

53、、分述如下。的安全可靠運(yùn)行對(duì)其要求是多方面的、分述如下。(一一)開斷、關(guān)合電路方面開斷、關(guān)合電路方面1開斷負(fù)荷電路和短路故障開斷負(fù)荷電路和短路故障斷路器在開斷電路時(shí)，主要的困難是熄滅電弧。除了斷路器在開斷電路時(shí)，主要的困難是熄滅電弧。除了要求斷路器能開斷工作電路外，尤其要求斷路器能開要求斷路器能開斷工作電路外，尤其要求斷路器能開斷各種形式的短路故障電路，因?yàn)槎搪冯娏饕日喔鞣N形式的短路故障電路，因?yàn)槎搪冯娏饕日Ｘ?fù)荷電流大得多，這時(shí)電路最難開斷。負(fù)荷電流大得多，這時(shí)電路最難開斷。標(biāo)志高壓斷路器開斷短路故障能力的主要參數(shù)是：標(biāo)志高壓斷路器開斷短路故障能力的主要參數(shù)是：ekeedius3 m

54、vased8000212203 額定電壓額定電壓ue(kv)；額定開斷電流額定開斷電流iek（ka）；）；額定斷流容量額定斷流容量sed(mva)，現(xiàn)在很少采用。對(duì)于三相，現(xiàn)在很少采用。對(duì)于三相電路，電路，sed的計(jì)算公式是的計(jì)算公式是例如：例如：ue220kv，iek為為21ka的斷路器。額定斷流容量為；的斷路器。額定斷流容量為；選擇斷路器時(shí)，首先要校核的參數(shù)就是斷路器開斷短選擇斷路器時(shí)，首先要校核的參數(shù)就是斷路器開斷短路故障電路的能力。路故障電路的能力。2快速開斷快速開斷電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，要求繼電保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作越電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，要求繼電保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作越快、斷路器開斷越快越好。這樣

55、可以縮短系統(tǒng)的故障快、斷路器開斷越快越好。這樣可以縮短系統(tǒng)的故障時(shí)間，減輕故障對(duì)電氣設(shè)備及線路的危害并提高系統(tǒng)時(shí)間，減輕故障對(duì)電氣設(shè)備及線路的危害并提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。運(yùn)行的穩(wěn)定性。(3)絕緣介質(zhì)?？梢苑譃闇缁∮媒^緣介質(zhì)及支持用絕緣絕緣介質(zhì)?？梢苑譃闇缁∮媒^緣介質(zhì)及支持用絕緣介質(zhì)。滅弧用絕緣介質(zhì)可以是變壓器油、專用開關(guān)油、介質(zhì)。滅弧用絕緣介質(zhì)可以是變壓器油、專用開關(guān)油、sf6氣體、壓縮空氣或真空等。支持用絕緣介質(zhì)可以是氣體、壓縮空氣或真空等。支持用絕緣介質(zhì)可以是電工瓷、環(huán)氧樹脂或玻璃鋼等。電工瓷、環(huán)氧樹脂或玻璃鋼等。(4)殼體結(jié)構(gòu)。把觸頭、滅弧室、絕緣介質(zhì)等組裝在一殼體結(jié)構(gòu)。把觸頭、滅弧室、

56、絕緣介質(zhì)等組裝在一起，用以實(shí)現(xiàn)斷路器工作的目的。它多由鋼材、電工瓷、起，用以實(shí)現(xiàn)斷路器工作的目的。它多由鋼材、電工瓷、密封緊固件等組成，殼體構(gòu)架必須滿足斷路器在電氣絕密封緊固件等組成，殼體構(gòu)架必須滿足斷路器在電氣絕緣方面、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方面以及工作環(huán)境的各種要求。緣方面、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方面以及工作環(huán)境的各種要求。 (5)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。是使可動(dòng)觸頭在規(guī)定范圍內(nèi)動(dòng)作的聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。是使可動(dòng)觸頭在規(guī)定范圍內(nèi)動(dòng)作的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，多由具有絕緣性能和一定材觸強(qiáng)度的連桿機(jī)動(dòng)機(jī)構(gòu)，多由具有絕緣性能和一定材觸強(qiáng)度的連桿機(jī)構(gòu)組成，如在少油斷路器戶用得最多的橢圓構(gòu)組成，如在少油斷路器戶用得最多的橢圓直線直線連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以

57、直接和斷路器的操動(dòng)機(jī)連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以直接和斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)連接。執(zhí)行操動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)斷路器的操作。構(gòu)連接。執(zhí)行操動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)斷路器的操作。標(biāo)志斷路器開斷過程快慢的參數(shù)是開斷時(shí)間標(biāo)志斷路器開斷過程快慢的參數(shù)是開斷時(shí)間tg(s)，tg是從斷路器接到開斷信號(hào)到短路電流終止是從斷路器接到開斷信號(hào)到短路電流終止(電弧熄滅電弧熄滅)的的全部時(shí)間，它又分為：全部時(shí)間，它又分為：1.固有分閘時(shí)間固有分閘時(shí)間tgf(s)：它是從：它是從斷路器接到分閘命令到滅弧觸頭完全分離的時(shí)間；斷路器接到分閘命令到滅弧觸頭完全分離的時(shí)間；2.燃燃弧時(shí)間弧時(shí)間trh(s)：它是從觸頭分離到電弧全部熄滅的時(shí)間。：它是從觸頭分離到電

58、弧全部熄滅的時(shí)間。低速動(dòng)作斷路器低速動(dòng)作斷路器tg0.12s中速動(dòng)作斷路器中速動(dòng)作斷路器 tg0.080.12s高速動(dòng)作斷路器高速動(dòng)作斷路器 tg0.08s 3關(guān)合短路故障關(guān)合短路故障電力系統(tǒng)中的電器設(shè)備或輸電線路有可能在末投入運(yùn)電力系統(tǒng)中的電器設(shè)備或輸電線路有可能在末投入運(yùn)行前就已存在絕緣故障，甚至處于短路狀態(tài)，這種故障行前就已存在絕緣故障，甚至處于短路狀態(tài)，這種故障稱為稱為“預(yù)伏故障預(yù)伏故障”。當(dāng)斷路器關(guān)合有預(yù)伏故障的電路。當(dāng)斷路器關(guān)合有預(yù)伏故障的電路時(shí)在關(guān)合過程中，通常在動(dòng)、靜觸頭尚未機(jī)械接觸前，時(shí)在關(guān)合過程中，通常在動(dòng)、靜觸頭尚未機(jī)械接觸前，觸頭間隙在電壓作用下即被擊穿觸頭間隙在電壓作

59、用下即被擊穿(稱為預(yù)擊穿稱為預(yù)擊穿)，隨即，隨即出現(xiàn)短路電流，短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力往往對(duì)斷路器的出現(xiàn)短路電流，短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力往往對(duì)斷路器的關(guān)合產(chǎn)生很大的阻力。有些情況下甚至產(chǎn)生動(dòng)觸頭關(guān)合關(guān)合產(chǎn)生很大的阻力。有些情況下甚至產(chǎn)生動(dòng)觸頭關(guān)合不到底的情況，這樣在觸頭間會(huì)形成持續(xù)的電弧，可能不到底的情況，這樣在觸頭間會(huì)形成持續(xù)的電弧，可能造成斷路器的損壞或爆炸。為了避免出現(xiàn)這一情況，斷造成斷路器的損壞或爆炸。為了避免出現(xiàn)這一情況，斷路器應(yīng)具有足夠的關(guān)合短路電流的能力。標(biāo)志關(guān)合短路路器應(yīng)具有足夠的關(guān)合短路電流的能力。標(biāo)志關(guān)合短路電流能力的參數(shù)是斷路器的額定短路關(guān)合電流電流能力的參數(shù)是斷路器的額定短路

60、關(guān)合電流ieg(ka)，用峰值表示。用峰值表示。 4.自動(dòng)重合閘自動(dòng)重合閘在電力系統(tǒng)輸電線路中因雷擊閃電和鳥害等將發(fā)生大在電力系統(tǒng)輸電線路中因雷擊閃電和鳥害等將發(fā)生大量的瞬時(shí)性故障，對(duì)此，自動(dòng)重合閘是提高供電可靠性量的瞬時(shí)性故障，對(duì)此，自動(dòng)重合閘是提高供電可靠性的有力措施。在短路故障發(fā)生時(shí)，斷路器開斷，然后，的有力措施。在短路故障發(fā)生時(shí)，斷路器開斷，然后，經(jīng)很短時(shí)間再重新關(guān)合。如瞬時(shí)性故障已經(jīng)消失，則重經(jīng)很短時(shí)間再重新關(guān)合。如瞬時(shí)性故障已經(jīng)消失，則重合成功；如短路故障仍未消除，斷路器必須重新開斷。合成功；如短路故障仍未消除，斷路器必須重新開斷。采用自動(dòng)重合閘的斷路器，其重合閘隔時(shí)間一般為采用自