《電氣設(shè)備》課程教學(xué)用電子講稿

第2單元

第二章電弧與電氣觸頭的基本知識

第一節(jié)電弧的形成與熄滅

一、電弧放電的特征和危害

電弧的實(shí)質(zhì)是一種氣體放電現(xiàn)象，但它又有別于電暈放電、火花放電等。電弧放電的主要特征有：（1）電弧由三部分組成。包括陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)。

（2）電弧溫度很高�；≈�中心可達(dá)10000℃左右，電弧表面也會達(dá)到3000～4000℃。（3）電弧是一種自持放電現(xiàn)象。極間的帶電質(zhì)點(diǎn)不斷產(chǎn)生和消失，處于動平衡狀態(tài)。（4）電弧是一束游離的的氣體。在外力作用下能迅速移動、伸長、彎曲和變形。電弧存在時會對電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備造成危害，主要有：

（1）電弧的存在延長了開關(guān)電器開斷故障電路的時間。

（2）電弧產(chǎn)生的高溫，將使觸頭表面熔化和蒸化，燒壞絕緣材料。

（3）電弧在電動力、熱力作用下能移動，易造成飛弧短路和傷人，使事故的擴(kuò)大。二、電弧的形成

電弧能成為導(dǎo)電通道，是由于電弧的弧柱中存在大量的自由電子，這些自由電子的定向運(yùn)動形成電弧。下面分析自由電子的產(chǎn)生以及電弧的形成。

（一）弧柱中自由電子的主要來源

1．熱電子發(fā)射2．強(qiáng)電場發(fā)射3．碰撞游離4．熱游離（二）電弧形成的過程

觸頭剛分離時突然解除接觸壓力，陰極表面立即出現(xiàn)高溫?zé)霟狳c(diǎn)，產(chǎn)生熱電子發(fā)射；同時，由于觸頭的間隙很小，使得電壓強(qiáng)度很高，產(chǎn)生強(qiáng)電場發(fā)射。從陰極表面逸出的電子在強(qiáng)電場作用下，加速向陽極運(yùn)動，發(fā)生碰撞游離，導(dǎo)致觸頭間隙中帶電質(zhì)點(diǎn)急劇增加，溫度驟然升高，產(chǎn)生熱游離并且成為游離的的主要因素，此時，在外加電壓作用下，間隙被擊穿，形成電弧。

三、電弧的熄滅

當(dāng)游離作用大于去游離作用時，電弧電流增加，電弧更加熾熱燃燒；當(dāng)兩者作用持平時，電弧維持穩(wěn)定燃燒；若去游離作用始終大于游離作用，則電弧電流減少，直至電弧熄滅。

電弧的去游離方式：去游離過程包括復(fù)合和擴(kuò)散兩種形式。1.復(fù)合：是正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)相互結(jié)合變成不帶電質(zhì)點(diǎn)的現(xiàn)象。2.擴(kuò)散：是弧柱中的帶電質(zhì)點(diǎn)逸出弧柱以外，進(jìn)入周圍介質(zhì)的現(xiàn)象。擴(kuò)散有三種形式：溫度擴(kuò)散、濃度擴(kuò)散和利用吹弧擴(kuò)散。（一）影響去游離的因素1.電弧溫度2.介質(zhì)的特性3.氣體介質(zhì)的壓力4.觸頭材料

第二節(jié)交流電弧的特性及熄滅

一、交流電弧的特性1.交流電弧的動特性。2.交流電弧的熱慣性。二、交流電弧的熄滅條件

交流電流過零后，電弧是否重燃取決于弧隙介質(zhì)強(qiáng)度和弧隙電壓的恢復(fù)。1.弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)

弧隙介質(zhì)能夠承受外加電壓作用而不致使弧隙擊穿的電壓稱為弧隙的介質(zhì)強(qiáng)度，以耐受的電壓Uj（t）表示。

弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過程Uj（t）主要取決于開關(guān)電器滅弧裝置的結(jié)構(gòu)和滅弧介質(zhì)的性質(zhì)。2.弧隙電壓的恢復(fù)過程

電流過零后，弧隙電壓從后蜂值逐漸增長，一直恢復(fù)到電源電壓，這一過程中的弧隙電壓稱為恢復(fù)電壓，其電壓恢復(fù)過程以Uhf（t）表示。

3.交流電弧的熄滅條件

交流電弧的熄滅條件為

Uj（t）>Uhf（t）

式中Uj（t）弧隙介質(zhì)強(qiáng)度；

Uhf（t）弧隙恢復(fù)電壓。

第三節(jié)開關(guān)電器中熄滅交流電弧的基本方法

熄滅交流電弧的關(guān)鍵在于電弧電流過零后，弧隙的介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過程能否始終大于弧隙電壓的恢復(fù)過程。目前，在開關(guān)電器中廣泛采用的滅弧方法有以下幾種。一、提高觸頭的分閘速度

迅速拉長電弧，減小弧柱中的電位梯度，增加電弧與周圍介質(zhì)的接觸面積，加強(qiáng)冷卻和擴(kuò)散的作用。

二、采用多斷口

在熄弧時，多斷口把電弧分割成多個相串聯(lián)的小電弧段。多斷口使電弧的總長度加長，導(dǎo)致弧隙的電阻增加；在觸頭行程、分閘速度相同的情況下，電弧被拉長的速度成倍增加，使弧隙電阻加速增大，提高了介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度，縮短了滅弧時間。

三、吹弧

吹弧時由于電弧被拉長變細(xì)，弧隙的電導(dǎo)下降，電弧的溫度下降，熱游離減弱，復(fù)合加快。按吹弧氣流的產(chǎn)生方法和吹弧方向的不同，吹弧可分為以下幾種。1.用油氣吹弧

2.用壓縮空氣或六氟化硫氣體吹弧3.產(chǎn)氣管吹弧

產(chǎn)氣管由纖維、塑料等有機(jī)固體材料制成，電弧燃燒時與管的內(nèi)壁緊密接觸，在高溫作用下，一部分管壁材料迅速分解為氫氣、二氧化碳等，這些氣體在管內(nèi)受熱膨脹，增高壓力，向管的端部形成吹弧。

按吹弧的方向分為：

1．縱吹2．橫吹3．縱橫吹四、短弧原理滅弧

這種滅弧方法常用于低壓開關(guān)電器中。其滅弧裝置是一個金屬柵滅弧罩，利用將電弧分為多個串聯(lián)的短弧的方法來滅弧。

五、固體介質(zhì)的狹縫狹溝滅弧

低壓開關(guān)電器中也廣泛應(yīng)用狹縫滅弧裝置。觸頭間產(chǎn)生電弧后，在磁吹裝置產(chǎn)生的磁場作用下，將電弧吹入又滅弧片構(gòu)成的狹縫中，把電弧迅速拉長的同時，使電弧與滅弧片的內(nèi)壁緊密接觸，對電弧的表面進(jìn)行冷卻和吸附，產(chǎn)生強(qiáng)烈的去游離。

六、用耐高溫金屬材料制作觸頭

觸頭材料對電弧中的去游離也有一定影響，用熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量大的耐高溫金屬制作觸頭，可以減少熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸汽，從而減弱了游離過程，有利于熄滅電弧。

七、采用優(yōu)質(zhì)滅弧介質(zhì)

滅弧介質(zhì)的特性，如導(dǎo)熱系數(shù)、電強(qiáng)度、熱游離溫度、熱容量等，對電弧的游離程度具有很大影響，這些參數(shù)值越大，去游離作用就越強(qiáng)。

在高壓開關(guān)中，廣泛采用壓縮空氣、六氟化硫（SF6）氣體、真空等作為滅弧介質(zhì)。

擴(kuò)展閱讀：第21單元 互感器的選擇

第21單元

第三節(jié)互感器的選擇

一、電流互感器的選擇

（一）電流互感器一次回路額定電壓和電流選擇電流互感器一次回路額定電壓和電流選擇應(yīng)滿足：

UN1≥UNs（7-11）IN1≥I.max（7-12）

式中UN1、IN1電流互感器一次額定電壓和電流。

為了確保所供儀表的準(zhǔn)確度，互感器的一次側(cè)額定電流應(yīng)盡可能與最大工作電流接近。（二）二次額定電流的選擇

電流互感器的二次額定電流有5A和1A兩種，一般強(qiáng)電系統(tǒng)用5A，弱電系統(tǒng)用1A。（三）電流互感器種類和型式的選擇

在選擇互感器時，應(yīng)根據(jù)安裝地點(diǎn)(如屋內(nèi)、屋外)和安裝方式(如穿墻式、支持式、裝入式等)選擇相適應(yīng)的類別和型式。選用母線型電流互感器時，應(yīng)注意校核窗口尺寸。

（四）電流互感器準(zhǔn)確級的選擇

為保證測量儀表的準(zhǔn)確度，互感器的準(zhǔn)確級不得低于所供測量儀表的準(zhǔn)確級。例如:裝于重要回路(如發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、變壓器、廠用饋線、出線等)中的電能表和計(jì)費(fèi)的電能表一般采用0.5~1級表，相應(yīng)的互感器的準(zhǔn)確級不應(yīng)低于0.5級；對測量精度要求較高的大容量發(fā)電機(jī)、變壓器、系統(tǒng)干線和500kV級宜用0.2級。供運(yùn)行監(jiān)視、估算電能的電能表和控制盤上儀表一般皆用1~1.5級的，相應(yīng)的電流互感器應(yīng)為0.5~1級。供只需估計(jì)電參數(shù)儀表的互感器可用3級的。當(dāng)所供儀表要求不同準(zhǔn)確級時，應(yīng)按相應(yīng)最高級別來確定電流互感器的準(zhǔn)確級。

（五）二次容量或二次負(fù)載的校驗(yàn)

為了保證互感器的準(zhǔn)確級，互感器二次側(cè)所接實(shí)際負(fù)載Z2l或所消耗的實(shí)際容量荷S2應(yīng)不大于該準(zhǔn)確級所規(guī)定的額定負(fù)載ZN2或額定容量SN2（ZN2及SN2均可從產(chǎn)品樣本或附錄3查到），即SN2≥S2=IN22Z2l(7-13)

或ZN2≥Z2l≈Rwi+Rtou+Rm+Rr(7-14)

品樣本或附錄9中查得。

Rwi電流互感器二次聯(lián)接導(dǎo)線的電阻。

Rtou電流互感器二次連線的接觸電阻，一般取為0.1Ω。

將(7-13)代入(7-12)并整理得：

Rwi≤

SN2IN2(RtouRmRr)IN222

式中Rm，Rr電流互感器二次回路中所接儀表內(nèi)阻的總和與所接繼電器內(nèi)阻的總和，可由產(chǎn)

（7-15）

因?yàn)锳=

lcaRwi，所以A≥

lca(ZN2RtouRmRr)(7-16)

2

式中A，lca一電流互感器二次回路連接導(dǎo)線截面積（mm）及計(jì)算長度（mm）。按規(guī)程要求聯(lián)接導(dǎo)線應(yīng)采用不得小于1.5mm的銅線，實(shí)際工作中常取2.5mm的銅線。當(dāng)截面選定之后，即可計(jì)算出聯(lián)接導(dǎo)線的電阻Rwi。有時也可先初選電流互感器，在已知其二次側(cè)連接的儀表及繼電器型號的情況下，利用式（7-16）確定連接導(dǎo)線的截面積。但須指出，只用一只電流互感器時電阻的計(jì)算長度應(yīng)取連接長度2倍，如用三只電流互感器接成完全星形接線時，由于中線電流近于零，則只取連接長度為電阻的計(jì)算長度。若用兩只電流互感器接成不完全星形結(jié)線時，其二次公用線中的電流為兩相電流之向量和，其值與相電流相等，但相位差為60，故應(yīng)取連接長度的3倍為電阻的計(jì)算長度。

（六）熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定校驗(yàn)

（1）電流互感器的熱穩(wěn)定校驗(yàn)只對本身帶有一次回路導(dǎo)體的電流互感器進(jìn)行。電流互感器熱穩(wěn)定能力常以1S允許通過的一次額定電流IN1的倍數(shù)Kh來表示，故熱穩(wěn)定應(yīng)按下式校驗(yàn)

(KhIN1)2≥I∞2tdz(7-17)

22

式中Kh，IN1由生產(chǎn)廠給出的電流互感器的熱穩(wěn)定倍數(shù)及一次側(cè)額定電流。

I∞，tdz短路穩(wěn)態(tài)電流值及熱效應(yīng)等值計(jì)算時間。

（2）電流互感器內(nèi)部動穩(wěn)定能力，常以允許通過的一次額定電流最大值的倍數(shù)kmo一動穩(wěn)定電

流倍數(shù)表示，故內(nèi)部動穩(wěn)定可用下式校驗(yàn)

2KmoIN1≥ich(7-18)

式中Kmo，IN1由生產(chǎn)廠給出的電流互感器的動穩(wěn)定倍數(shù)及一次側(cè)額定電流。

ich故障時可能通過電流互感器的最大三相短路電流沖擊值。

由于鄰相之間電流的相互作用，使電流互感器絕緣瓷帽上受到外力的作用，因此，對于瓷絕緣型電流互感器應(yīng)校驗(yàn)瓷套管的機(jī)械強(qiáng)度。瓷套上的作用力可由一般電動力公式計(jì)算，故外部動穩(wěn)定應(yīng)滿足

Fal≥0.5×1.73×10ich

-72

la(N)(7-19)

式中Fal作用于電流互感器瓷帽端部的允許力；

l一電流互感器出線端至最近一個母線支柱絕緣子之間的跨距。

系數(shù)0.5表示互感器瓷套端部承受該跨上電動力的一半。

[例7-2]試就[例7-1]中已知條件，選擇圖7-1中所示的電流互感器。擬將電流互感器裝在

JYN2-10型高壓開關(guān)柜內(nèi)，并選取兩個鐵芯級的，其中一個供給儀表，所接儀表的電路，如圖7-2所示。另一個供給繼電保護(hù)。解：根據(jù)UN=l0kV、Imax=433A，選擇戶內(nèi)型0.5/P級的LZZJB7-10型，一次額定電流為600A的電流互感器。其中0.5級供測量儀表，P級供繼電保護(hù)裝置用。

根據(jù)附錄9查得各種儀表每個電流線圈的負(fù)載值，分別列于圖7-2中，由圖可知，A相電流互感器的儀表線圈最多，其總負(fù)載值為Rm=0.12+0.058+0.02+0.02=0.218Ω，取導(dǎo)線的接觸電阻Rtou=0.1Ω，如果聯(lián)接導(dǎo)線采用2.5mm2的銅線，則導(dǎo)線的電阻為

Rwi=

35532.5=0.065Ω，故Z2l≈Rwi+Rtou+Rm=0.218+0.065+0.1=0.383Ω

又根據(jù)附錄3查得LZZJB7-10型電流互感器0.5級的ZN2=0.4Ω。顯然ZN2>Z2l，按二次容量校驗(yàn)合格。同時由附錄3尚可查得LZZJB7-10型電流互感器的動穩(wěn)定倍數(shù)Kmo=70與ls的熱穩(wěn)定倍數(shù)kh=55，則短路的穩(wěn)定性校驗(yàn):

(KhIN1)2=(55×0.6)=1089kAs>I∞2tdz=5.5×1.1=33.3kAs

飛

2222

2KmoIN1=2×0.6×70=59.4kA>ich=14kA

故選取LZZJB6106000.5/P型的電流互感器完全適合。

二、電壓互感器的選擇

（一）電壓互感器一次回路額定電壓選擇

為了確保電壓互感器安全和在規(guī)定的準(zhǔn)確級下運(yùn)行，電壓互感器一次繞組所接電力網(wǎng)電壓應(yīng)在（1.1~0.9）UN1范圍內(nèi)變動，即滿足下列條件

1.1UN1>UNs>0.9UN1(7-20)

式中UN1電壓互感器一次側(cè)額定電壓。

選擇時，滿足UN1=UNs即可。

（二）電壓互感器二次側(cè)額定電壓的選擇

電壓互感器二次側(cè)額定線間電壓為100V，要和所接用的儀表或繼電器相適應(yīng)。（三）電壓互感器種類和型式的選擇

電壓互感器的種類和型式應(yīng)根據(jù)裝設(shè)地點(diǎn)和使用條件進(jìn)行選擇，例如：在6~35kV屋內(nèi)配電裝置中，一般采用油浸式或澆注式；110~220kV配電裝置通常采用串級式電磁式電壓互感器；220kV及其以上配電裝置，當(dāng)容量和準(zhǔn)確級滿足要求時，也可采用電容式電壓互感器。

（四）準(zhǔn)確級選擇

和電流互感器一樣，供功率測量、電能測量以及功率方向保護(hù)用的電壓互感器應(yīng)選擇0.5級或1級的，只供估計(jì)被測值的儀表和一般電壓繼電器的選用3級電壓互感器為宜。

（五）按準(zhǔn)確級和額定二次容量選擇

首先根據(jù)儀表和繼電器接線要求選擇電壓互感器接線方式，并盡可能將負(fù)荷均勻分布在各相上，然后計(jì)算各相負(fù)荷大小，按照所接儀表的準(zhǔn)確級和容量選擇互感器的準(zhǔn)確級額定容量。有關(guān)電壓互感器準(zhǔn)確級的選擇原則，可參照電流互感器準(zhǔn)確級選擇。一般供功率測量、電能測量以及功率方向保護(hù)用的電壓互感器應(yīng)選擇0.5級或1級的，只供估計(jì)被測值的儀表和一般電壓繼電器的選用3級電壓互感器為宜。電壓互感器的額定二次容量（對應(yīng)于所要求的準(zhǔn)確級）SN2，應(yīng)不小于電壓互感器的二次負(fù)荷S2，即SN2≥S2(7-21)

S2=(S0cos)2(S0sin)222(P0)(Q0)(7-22)

式中S0、P0、Q0各儀表的視在功率、有功功率和無功功率。

cos各儀表的功率因數(shù)。

如果各儀表和繼電器的功率因數(shù)相近，或?yàn)榱撕喕��?jì)算起見，也可以將各儀表和繼電器的視在功率直接相加，得出大于S2的近似值，它若不超過SN2，則實(shí)際值更能滿足式(7-21)的要求。由于電壓互感器三相負(fù)荷常不相等，為了滿足準(zhǔn)確級要求，通常以最大相負(fù)荷進(jìn)行比較。計(jì)算電壓互感器各相的負(fù)荷時，必須注意互感器和負(fù)荷的接線方式。

[例7-3]已知某35kV變電所低壓側(cè)10kV母線上接有有功電能表10只、有功功率表3只、無功功率表1只、母線電壓表及頻率表各1只，絕緣監(jiān)視電壓表3只、電壓互感器及儀表接線和負(fù)荷分配如圖7-3和表7-5所示。試選擇供10kV母線測量用的電壓互感器。圖7-3測量儀表與電壓互感器的連接圖

圖7-3測量儀表與電壓互感器的連線圖

解鑒于10.5kV為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，電壓互感器除供測量儀表外，還用來作交流電網(wǎng)絕緣監(jiān)視，因此，查附錄4，選用JSJW-10型三相五柱式電壓互感器(也可選用3只單相JDZJ-10型澆注絕緣TV，但不能用JDJ或JDZ型TV接成星形)，其一、二次電壓為

103/0.1/

0.13kV。由于回路中接有計(jì)費(fèi)用電

能表，故電壓互感器選用0.5準(zhǔn)確級。與此對應(yīng)，互感器三相總的額定容量為120VA。電壓互感器接線為YN，yn，d0。查附錄9得各儀表型號及參數(shù)，連同初步計(jì)算結(jié)果列于表7-5中。

表7-5電壓互感器備相負(fù)荷分配(不完全星形負(fù)荷部分)

儀表名稱及型號每線圈消耗功率(VA)0.60.51.51.20.3儀表電壓線圈COSsin110.38110.925儀表數(shù)目311011AB相Pab1.80.55.71.29.2Qab13.913.9Pbc1.80.55.70.38.3BC相Qbc13.913.9有功功率表46D1-W無功功率表46D1-var有功電能表DS1頻率表46L1-Hz電壓表16L1-V總計(jì)

根據(jù)表7-5可求出不完全星形部分負(fù)荷為Sab=cosSbc=cosPabQab229.213.922=16.7(VA)

ab=56.6

o

ab=Pab/Sab=9.2/16.7=0.552

PbcQbc228.313.92=16.2(VA)

bc=59.2

o

bc=Pbc/Sbc=8.3/16.2=0.51

由于每相上還接有絕緣監(jiān)視電壓表V（P=0.3W，Q=0），故A相負(fù)荷為

1313PA=

Sabcos(ab-30

o

1)+Pa=×16.7cos(56.6o-30o)+0.3=8.62(W)

3QA=

Sabsin(ab-30

o)=

13×16.7sin(56.6-30)=4.3(var)

oo

B相負(fù)荷為PB=

1313[Sabcos(ab+30

o

)+Sbccos(bc-30

o

)]+Pb

=[16.7cos(56.6+30)+16.2cos(59.2-30)]+0.3=9.04(W)

oooo

QB=

13[Sabsin(ab+30

o

)+Sbcsin(bc-30

o)]=

13[16.7sin(56.6o+30o)+16.2sin(59.2o-30o)]=14.2(var)

顯而易見，B相負(fù)荷較太，故應(yīng)按B相總負(fù)荷進(jìn)行校驗(yàn)SBPBQB=9.0414.2=16.8

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