电气主系统第二章开关电器互感器的原理2版g

1、发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-1第二章第二章 开关电器和互感器的原理开关电器和互感器的原理第一节第一节 开关电器开关电器 第二节第二节 电流互感器电流互感器 第三节第三节 电压互感器电压互感器 第四节第四节 新型互感器简介新型互感器简介 本章计划学时：本章计划学时：4 6学时学时发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-2第一节第一节 开关电器开关电器一、开关电器的灭弧原理一、开关电器的灭弧原理 （一）电弧现象（一）电弧现象 电弧电弧：是一种气体游离放电现象。是一种气体游离放电现象。 产生电弧的条件产生电弧的条件：用开关电器开断电源电压大于用开关电器开断电源电压大于10 20 V，电流大于电流

2、大于80 100mA的电路时，就会发生电弧。的电路时，就会发生电弧。 电弧的特点电弧的特点：能量集中，温度很高，亮度很强；电弧是良导能量集中，温度很高，亮度很强；电弧是良导体。体。 电弧的利用电弧的利用：电弧在工业上有很多有益的应用，例如，利用电弧在工业上有很多有益的应用，例如，利用其高温的电弧焊接机，电弧炼钢炉等。其高温的电弧焊接机，电弧炼钢炉等。 电弧的危害电弧的危害：在开关电器中，电弧是有害的，要求尽快地熄在开关电器中，电弧是有害的，要求尽快地熄灭，否则会烧坏开关触头，误拉隔离开关会造成相间短路和人灭，否则会烧坏开关触头，误拉隔离开关会造成相间短路和人身伤亡。身伤亡。 发电厂电气主系统发

3、电厂电气主系统2-3（二）电弧的产生与熄灭（二）电弧的产生与熄灭 游离游离中性质点分解成自由电子和正离子中性质点分解成自由电子和正离子。 去游离去游离电子和正离子相互吸引还原为中性质点电子和正离子相互吸引还原为中性质点。1. 电弧的产生电弧的产生（1）强电场发射强电场发射：E=U / s 大于大于3106 V/m时，金属触头阴极时，金属触头阴极表面就会发射自由电子表面就会发射自由电子。（2）热电子发射热电子发射 ：在开关分闸时，动静触头之间的接触压力在开关分闸时，动静触头之间的接触压力和接触面积减小，接触电阻增大，接触表面发热严重，产生局和接触面积减小，接触电阻增大，接触表面发热严重，产生局部

4、高温，阴极金属材料中的电子获得动能而逸出成为自由电子。部高温，阴极金属材料中的电子获得动能而逸出成为自由电子。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-4（3）加速运动加速运动：自由电子，在强电场的作用下，向阳极作加自由电子，在强电场的作用下，向阳极作加速运动。速运动。（4）碰撞游离碰撞游离：加速运动获得动能的自由电子在运动中与中加速运动获得动能的自由电子在运动中与中性质点发生碰撞，中性质点中的电子获得能量产生跃迁，跳到性质点发生碰撞，中性质点中的电子获得能量产生跃迁，跳到能级更高的轨道上，如果获得的能量足够大，自由电子就能脱能级更高的轨道上，如果获得的能量足够大，自由电子就能脱离原子核的束缚，游

5、离成自由电子和正离子。离原子核的束缚，游离成自由电子和正离子。 （5）雪崩雪崩：游离的结果导致触头间自由电子数量剧增游离的结果导致触头间自由电子数量剧增 。（6）介质击穿产生电弧介质击穿产生电弧：剧增的电子剧增的电子形成电流，介质被击穿形成电流，介质被击穿而产生电弧。而产生电弧。强电场发射强电场发射热电子发射热电子发射加速加速运动运动碰撞碰撞游离游离雪崩雪崩介质击介质击穿产生穿产生电弧电弧 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-5（3）另一方面介质的分子和原子在高温下将产生强烈的分子）另一方面介质的分子和原子在高温下将产生强烈的分子热运动，获得动能的中性质点之间不断地发生碰撞，游离成自热运动，获

6、得动能的中性质点之间不断地发生碰撞，游离成自由电子和正离子，此即所谓热游离。由电子和正离子，此即所谓热游离。（4）热发射和热游离给弧隙提供了大量的自由电子，电流继）热发射和热游离给弧隙提供了大量的自由电子，电流继续流过，电弧的燃烧得以维持。续流过，电弧的燃烧得以维持。 3电弧的熄灭电弧的熄灭 复合去游离：复合去游离：正离子和负离子相互吸引而中和成为中性质正离子和负离子相互吸引而中和成为中性质点的过程。点的过程。 自由电子的自由电子的v远大于正离子，它们直接复合的可能性很小，远大于正离子，它们直接复合的可能性很小，往往是自由电子先附着在中性质点上，形成负离子，运动速度往往是自由电子先附着在中性质

7、点上，形成负离子，运动速度大大减慢，此时，正离子和负离子更容易复合。大大减慢，此时，正离子和负离子更容易复合。2电弧的维持与发展电弧的维持与发展 （1）由于电弧的）由于电弧的r小，电弧形成后，触头间的电压和电场强度小，电弧形成后，触头间的电压和电场强度很低，强电场发射停止。很低，强电场发射停止。（2）由于电弧在燃烧过程中温度很高，可达到几千度甚至上）由于电弧在燃烧过程中温度很高，可达到几千度甚至上万度，阴极表面继续进行热电子发射。万度，阴极表面继续进行热电子发射。发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-6 游离作用等于去游离作用，新增加的带电质点数量与中和的游离作用等于去游离作用，新增加的带电质点

8、数量与中和的数量相等，电弧稳定燃烧。数量相等，电弧稳定燃烧。 游离作用大于去游离作用，电弧燃烧加剧。游离作用大于去游离作用，电弧燃烧加剧。 游离作用小于去游离作用，则电弧中的带电质点数量减少，游离作用小于去游离作用，则电弧中的带电质点数量减少，最终导致电弧熄灭。最终导致电弧熄灭。（3）电弧的熄灭）电弧的熄灭 电弧的燃烧是由游离过程维持的，但在电弧中同时还进行着电弧的燃烧是由游离过程维持的，但在电弧中同时还进行着相反的使带电质点数量减少的去游离过程。相反的使带电质点数量减少的去游离过程。 （三）交流电弧的特性（三）交流电弧的特性 1. 1. 电弧电流交变，每半个周期过零一次，此时电弧因失去能电弧

9、电流交变，每半个周期过零一次，此时电弧因失去能量而自然熄灭。量而自然熄灭。 由于电弧内外的电荷浓度及温差的不同，自由电子和正离由于电弧内外的电荷浓度及温差的不同，自由电子和正离子将向浓度和温度都低的周围介质中扩散，在低温处，电子和子将向浓度和温度都低的周围介质中扩散，在低温处，电子和离子的离子的v减慢而复合成为中性质点。减慢而复合成为中性质点。 扩散去游离：扩散去游离：自由电子和正离子逸出电弧而进入周围介质中，自由电子和正离子逸出电弧而进入周围介质中，被周围介质冷却而复合的过程。被周围介质冷却而复合的过程。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-72. 2. 由于热惯性，弧柱温度的变化滞后于快速

10、变化的电流，所由于热惯性，弧柱温度的变化滞后于快速变化的电流，所以交流电弧的伏安特性是动态的，如图以交流电弧的伏安特性是动态的，如图2-32-3所示。所示。 在电流增大时，温度来不及增高（温度变化慢），弧隙电阻在电流增大时，温度来不及增高（温度变化慢），弧隙电阻来不及减小来不及减小, ,因此电压较高；因此电压较高； 在电流减小时，温度来不及降低，弧隙电阻来不及增大，电在电流减小时，温度来不及降低，弧隙电阻来不及增大，电压低。压低。故图故图2-3a2-3a中正方向电流增大时的曲线在电流减小时的上方。中正方向电流增大时的曲线在电流减小时的上方。 A点是电弧产生时的电压，称为燃弧电压。点是电弧产生时

11、的电压，称为燃弧电压。 B点是电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压。点是电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-8（四）交流电弧熄灭的条件（四）交流电弧熄灭的条件 熄灭交流电弧的最佳时机：交流电弧每半周期自然熄灭时。熄灭交流电弧的最佳时机：交流电弧每半周期自然熄灭时。 在电流过零后，弧隙中存在着两个恢复过程。在电流过零后，弧隙中存在着两个恢复过程。 1) 介质强度恢复过程介质强度恢复过程: 由于去游离作用的加强，弧隙间的介质由于去游离作用的加强，弧隙间的介质逐渐恢复其绝缘性能，以耐受的电压逐渐恢复其绝缘性能，以耐受的电压Ud (t) 表示。表示。 2) 弧隙电压恢复过程

12、弧隙电压恢复过程: 电源电压要重新作用在触头上，弧隙电电源电压要重新作用在触头上，弧隙电压将从熄弧电压逐渐恢复到电源电压，用压将从熄弧电压逐渐恢复到电源电压，用Ur (t) 表示。表示。1弧隙介质强度恢复过程弧隙介质强度恢复过程 起始介质强度（近阴极效应）起始介质强度（近阴极效应） 在电流过零后的在电流过零后的0.1 1s 的短暂时间内的短暂时间内，阴极附近出现，阴极附近出现150 250V的起始介质强度，称为近阴极效应。的起始介质强度，称为近阴极效应。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-9原因：在电流过零的瞬间，弧隙电压的极性发生变化，弧隙中原因：在电流过零的瞬间，弧隙电压的极性发生变化，

13、弧隙中的自由电子立即向新阳极运动，正离子质量大，基本未动，在的自由电子立即向新阳极运动，正离子质量大，基本未动，在新阴极附近就形成了只有正电荷的不导电薄层，阻碍阴极发射新阴极附近就形成了只有正电荷的不导电薄层，阻碍阴极发射电子，呈现出一定的介质强度，如图电子，呈现出一定的介质强度，如图2-4所示。所示。起始介质强度出现后的介质强度的恢复起始介质强度出现后的介质强度的恢复 这是一个复杂的过程，它与电弧电流、介质特性、冷却条这是一个复杂的过程，它与电弧电流、介质特性、冷却条件和触头分断速度有关。件和触头分断速度有关。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-102弧隙电压恢复过程弧隙电压恢复过程 电弧

14、为纯电阻性质，电弧电流与弧隙电压同相位，电弧电流过电弧为纯电阻性质，电弧电流与弧隙电压同相位，电弧电流过零时，弧隙电压接近零；零时，弧隙电压接近零； 短路时电路电阻很小，电路短路时电路电阻很小，电路呈感性呈感性 ，电弧电流与电源电压不同，电弧电流与电源电压不同相位，电弧电流过零时，电源电压不等于零；相位，电弧电流过零时，电源电压不等于零； 由于电路参数由于电路参数L、C的存在，电弧熄灭后，弧隙电压不可能立刻的存在，电弧熄灭后，弧隙电压不可能立刻由熄弧电压上升到电源电压，由熄弧电压上升到电源电压，一般一般弧隙恢复电压是一个过渡过程。弧隙恢复电压是一个过渡过程。它将从瞬态（振荡）恢复电压逐渐过渡到

15、工频恢复电压。它将从瞬态（振荡）恢复电压逐渐过渡到工频恢复电压。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-113交流电弧熄灭的条件交流电弧熄灭的条件 如果弧隙电压恢复过程上升速度较快，幅值较大，如果弧隙电压恢复过程上升速度较快，幅值较大， 弧隙电压弧隙电压恢复过程大于弧隙介质强度恢复过程，介质被击穿，电弧重燃，恢复过程大于弧隙介质强度恢复过程，介质被击穿，电弧重燃，如图如图2-6a所示。所示。 如果弧隙介质强度恢复过程始终大于弧隙电压恢复过如果弧隙介质强度恢复过程始终大于弧隙电压恢复过 程，则程，则电弧熄灭，电弧熄灭，如图如图2-6b和和2-6c所示。所示。 电流过零后，电弧能否熄灭取决于两个恢复

16、过程作用的结果：电流过零后，电弧能否熄灭取决于两个恢复过程作用的结果：故交流电弧熄灭的条件应为：故交流电弧熄灭的条件应为： Ud (t) Ur (t) 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-12（五）断路器开断短路电流时的弧隙电压恢复过程（五）断路器开断短路电流时的弧隙电压恢复过程 如果能够采取措施，防止如果能够采取措施，防止弧隙恢复电压弧隙恢复电压振荡，将周期性振振荡，将周期性振荡特性的恢复电压转变为非周期性恢复过程，电弧就更容易熄荡特性的恢复电压转变为非周期性恢复过程，电弧就更容易熄灭，如图灭，如图2-6c所示。所示。 目的：找出恢复电压不振荡目的：找出恢复电压不振荡的条件及防止振荡的方法。

17、的条件及防止振荡的方法。 断路器开断短路电流时的断路器开断短路电流时的电路如图电路如图2 2-7a a所示，其等效电所示，其等效电路如图路如图2 2-7b b所示，所示，R、L为电源为电源和变压器的电阻和电感，和变压器的电阻和电感，C可以可以认为是变压器绕组及连接线对认为是变压器绕组及连接线对地的分布电容，地的分布电容，r为断路器触头为断路器触头并联电阻。并联电阻。发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-13（1 1）熄弧后，从瞬态恢复电压过渡到电源电压的时间很短，）熄弧后，从瞬态恢复电压过渡到电源电压的时间很短，一般不超过几百微秒，可近似认为一般不超过几百微秒，可近似认为电源电压电源电压不变，故

18、电源用不变，故电源用直直流电源流电源U0 来代替。来代替。 假设与初始条件：假设与初始条件：（）（）0dd0010 tuCiuutCrC，时，时，（）（）i = 0时是时间的起点，即时是时间的起点，即t = 0rCuu 断路器开断短路电流时的弧断路器开断短路电流时的弧隙电压恢复过程相当于二阶电路过隙电压恢复过程相当于二阶电路过渡过程中，电渡过程中，电容容C两端的电压变化过程，即。两端的电压变化过程，即。如图如图2-7b所示，当开关所示，当开关S闭合时，有闭合时，有 0CddUutiLRi rutuCiiiCC21dd 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-140CC2C21ddddUurRtur

19、LRCtuLC 整理得：整理得：此为二阶常系数线性微分方程，其特征根为此为二阶常系数线性微分方程，其特征根为 LCrCLRrCLR114112122, 1 ttCAArRrUu21ee210 tCtAArRrUu1e)(210 当特征根不等时，非齐次通解为当特征根不等时，非齐次通解为当特征根为重根时，非齐次通解为当特征根为重根时，非齐次通解为发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-15LCrCLR11412 rRrUuA00r2121 rRrUuA00r2112 1）当当时，特征根为不等时，特征根为不等负负实根。实根。可解得可解得: :0dd0010 tuCiuutCrC，时时，根根据据初初始始条

20、条件件： rRrUurRrUuutt00r12210rC21ee1 代入非齐次通解可解得代入非齐次通解可解得: :发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-16rR 00rUu 一般变压器绕组电阻一般变压器绕组电阻 ， 略去不计，得略去不计，得 ttUu21ee1112210r 从上式可以看出，由于从上式可以看出，由于特征根为特征根为负实根，故弧隙电压恢复过负实根，故弧隙电压恢复过程为非周期性的，如图程为非周期性的，如图2-8曲线曲线3所示。所示。 21 tt12ee21 一般一般，略去不计，故上式最大值不会超过略去不计，故上式最大值不会超过U0 ，进一步化简得，进一步化简得 )e1(10rtUu

21、忽略忽略R后，特征根为：后，特征根为：LCrrCrCLCrCrC22141212112121 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-171404122 LCrLCr，211xx 根据近似计算，当根据近似计算，当x很小时，很小时，LrLCrrCrC 241212121 )e1(0rtLrUu 对上式微分，可得电流过零时的恢复电压上升速度对上式微分，可得电流过零时的恢复电压上升速度(V/s )为：为：00rddULrtut 由上式可知，触头并联电阻由上式可知，触头并联电阻r可以降低恢复电压的上升速度，可以降低恢复电压的上升速度，r越小，恢复电压的上升速度越低。越小，恢复电压的上升速度越低。 发电厂电

22、气主系统发电厂电气主系统2-182）当当LCrCLR11412 时，特征根为共轭复根。时，特征根为共轭复根。0222, 1j1411j1211141121 rCLRLCrCLRLCrCLRrCLR rCLR121 201411 rCLRLC 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-1901j02j将将、代入代入 ttUu21ee1112210r 利用欧拉公式化简，得利用欧拉公式化简，得 tttUu ecossin10000r从式从式(2-11)可以看出，可以看出，1、2为共轭复根时，弧隙电压恢复为共轭复根时，弧隙电压恢复过程为衰减的周期性振荡过程，如图过程为衰减的周期性振荡过程，如图2-8曲线曲线

23、2所示，从图中曲所示，从图中曲线线2可以看出，周期性振荡过程的恢复电压上升速度较快，幅值可以看出，周期性振荡过程的恢复电压上升速度较快，幅值较大，给电弧的熄灭带来困难较大，给电弧的熄灭带来困难 。,0 LCf1200 如果断路器触头没有装设并联电阻，即如果断路器触头没有装设并联电阻，即r=时，忽略时，忽略R， 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-20)cos1(00rtUuuC 周期性振荡过程中的弧隙恢复电压最大值可达周期性振荡过程中的弧隙恢复电压最大值可达2U0 ，如图，如图2-8曲线曲线1所示。所示。 上升速度取固有上升速度取固有振荡频率的半个周期内的平均速度振荡频率的半个周期内的平均速度

24、 ，由，由 tUtu000rsindd 3）当当LCrCLR11412 时，为相等的负实根时，为相等的负实根(重根重根)。根据初始条件和公式根据初始条件和公式 tCtAArRrUu1e)(210 ,01UA 012UA 及其微分表达式，可求得及其微分表达式，可求得不计不计R，从而得从而得 e)1(1110rttUu 0000000r00avr4dsin ddddd00UfttUttutu 得得发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-21 当当 r rcr 时，弧隙电压恢复过程为非周期性。时，弧隙电压恢复过程为非周期性。在断路器触头在断路器触头间并联低值电阻（几至几十欧），可以改变弧隙电压恢复过间并

25、联低值电阻（几至几十欧），可以改变弧隙电压恢复过程的上升速度和幅值，程的上升速度和幅值，可以将弧隙恢复电压由周期性振荡特可以将弧隙恢复电压由周期性振荡特性恢复电压转变为非周期性恢复电压，大大降低了恢复电压性恢复电压转变为非周期性恢复电压，大大降低了恢复电压的上升速度和幅值，改善了断路器的灭弧条件的上升速度和幅值，改善了断路器的灭弧条件 。 当当 r rcr 时，弧隙电压恢复过程为周期振荡性过程，对电时，弧隙电压恢复过程为周期振荡性过程，对电弧熄灭不利。弧熄灭不利。 t0rUu 由罗彼塔法则可知：由罗彼塔法则可知：时，时，0e1limelim111 ttttt 故当故当在此种情况下，弧隙电压恢复

26、过程仍是非周期性的，在此种情况下，弧隙电压恢复过程仍是非周期性的，如图如图2-8曲线曲线3所示，所示，但处在临界情况。忽略但处在临界情况。忽略R，临界并联电阻值为，临界并联电阻值为CLr21rc 结论：结论：发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-22（六）熄灭交流电弧的基本方法（六）熄灭交流电弧的基本方法 加强弧隙的去游离、提高介质强度的恢复速度和降低弧加强弧隙的去游离、提高介质强度的恢复速度和降低弧隙电压的上升速度与幅值，是高压断路器中熄灭电弧的基本隙电压的上升速度与幅值，是高压断路器中熄灭电弧的基本方法。方法。 1利用灭弧介质利用灭弧介质 在高压断路器中，广泛采用去游离作用强的灭弧介质灭弧。

27、在高压断路器中，广泛采用去游离作用强的灭弧介质灭弧。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-232吹弧吹弧 吹弧是指利用各种结构形式的灭弧室，使高温分解的气吹弧是指利用各种结构形式的灭弧室，使高温分解的气体或具有很大压力的新鲜且低温的气体在灭弧室中按特定的通体或具有很大压力的新鲜且低温的气体在灭弧室中按特定的通路，吹动电弧，加强扩散和复合去游离而使电弧熄灭的方法。路，吹动电弧，加强扩散和复合去游离而使电弧熄灭的方法。 3采用特殊金属材料作灭弧触头采用特殊金属材料作灭弧触头 采用铜、钨合金和银、钨合金等特殊金属材料作触头。这采用铜、钨合金和银、钨合金等特殊金属材料作触头。这些材料在高温下不易熔化和

28、蒸发、抗熔焊，可以减少热电子发些材料在高温下不易熔化和蒸发、抗熔焊，可以减少热电子发射和高温分解产生的金属蒸气，削弱了游离作用。射和高温分解产生的金属蒸气，削弱了游离作用。 4提高断路器触头的分离速度提高断路器触头的分离速度 加快断路器触头的分离速度，可以迅速拉长电弧，使弧隙加快断路器触头的分离速度，可以迅速拉长电弧，使弧隙的电场强度骤降，弧隙电阻和电弧的表面积突然增大，电弧的的电场强度骤降，弧隙电阻和电弧的表面积突然增大，电弧的冷却加快，有利于带电质点的扩散和复合去游离。冷却加快，有利于带电质点的扩散和复合去游离。 5采用多断口灭弧采用多断口灭弧 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-24 某

29、些电压等级较高的断路器采用多个灭弧室串联的多断口灭某些电压等级较高的断路器采用多个灭弧室串联的多断口灭弧方式。弧方式。（1）多断口将电弧分割成多段，在相同触头行程下，增加了）多断口将电弧分割成多段，在相同触头行程下，增加了电弧的总长度，弧隙电阻迅速增大，介质强度恢复速度加快。电弧的总长度，弧隙电阻迅速增大，介质强度恢复速度加快。（2）使每个断口上的恢复电压减小，降低了恢复电压的上升）使每个断口上的恢复电压减小，降低了恢复电压的上升速度和幅值，提高了灭弧能力。速度和幅值，提高了灭弧能力。 加装均压电容，来解决加装均压电容，来解决各断口的电压分配不均衡的问题：各断口的电压分配不均衡的问题：（1）不

30、装均压电容时）不装均压电容时)/(1QQCX )/(100CX 断口等效电容：断口等效电容： 两断口连接处对地的两断口连接处对地的等效电容：等效电容：发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-25分配在两断口上的电压为分配在两断口上的电压为(CQ C0 ) ： UUCCCCUXXXXUQ3220001QQQQ/UUCCCUXXXXXUQ3120002QQQQ/ 可以看出，第一个断口的工作条件比第二个要恶劣，如其可以看出，第一个断口的工作条件比第二个要恶劣，如其电弧不能熄灭，电压将全部加在第二断口上，它也将被击穿。电弧不能熄灭，电压将全部加在第二断口上，它也将被击穿。 （2）在断口上并联均压电容）在断

31、口上并联均压电容C 时时UUCCCCUCCCCCCU21)(2)(2)(QQ0Q0Q1 C=2000pF，远大于，远大于C0 (几十几十pF)，则，则发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-26UUCCCCUCCCCCU21)(2)(2QQ0QQ2 可见并联均压电容后，断口上的电压分布均匀，在可见并联均压电容后，断口上的电压分布均匀，在 i 过零过零后，两断口上的电弧可以同时熄灭。后，两断口上的电弧可以同时熄灭。 6在断路器主触头两端加装低值并联电阻在断路器主触头两端加装低值并联电阻 主触头主触头Q1先断开，产生电弧，因有并联电阻，恢复电压为非先断开，产生电弧，因有并联电阻，恢复电压为非周期性，降

32、低了恢复电压的上升速度和幅值，主触头上的电弧周期性，降低了恢复电压的上升速度和幅值，主触头上的电弧很快熄灭。很快熄灭。 接着断开的辅助触头接着断开的辅助触头Q2，由于由于r的的限流和限流和阻尼作用，阻尼作用，辅辅助触头上的助触头上的电弧也容电弧也容易熄灭。易熄灭。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-27二、高压断路器二、高压断路器 （一）高压断路器的作用和类型（一）高压断路器的作用和类型 1高压断路器的作用高压断路器的作用 高压断路器内有灭弧介质和灭弧装置，可以熄灭接通或高压断路器内有灭弧介质和灭弧装置，可以熄灭接通或开断电路时产生的电弧，其作用是开断电路时产生的电弧，其作用是:(1)在正常

33、运行时接通或断开有负荷电流的电路；在正常运行时接通或断开有负荷电流的电路；(2)在电气设备出现故障时，能够在继电保护装置的控制下自在电气设备出现故障时，能够在继电保护装置的控制下自动切断短路电流。动切断短路电流。 2高压断路器的分类高压断路器的分类 根据灭弧介质的不同，高压断路器可以分为以下几种类型。根据灭弧介质的不同，高压断路器可以分为以下几种类型。 （1）油断路器）油断路器 以具有绝缘能力的矿物油作为灭弧介质的断路器。以具有绝缘能力的矿物油作为灭弧介质的断路器。 多油断路器：多油断路器：断路器中的油除作为灭弧介质外，还作为触头断断路器中的油除作为灭弧介质外，还作为触头断开后的间隙绝缘介质和

34、带电部分与接地外壳间的绝缘介质。开后的间隙绝缘介质和带电部分与接地外壳间的绝缘介质。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-28少油断路器：少油断路器：油只作为灭弧介质和触头断开后的间隙绝缘介质，油只作为灭弧介质和触头断开后的间隙绝缘介质，而带电部分对接地之间采用固体绝缘（例如瓷绝缘）。而带电部分对接地之间采用固体绝缘（例如瓷绝缘）。 （2）六氟化硫）六氟化硫(SF6)断路器断路器 采用采用SF6气体作为灭弧介质和触头断开后的间隙绝缘介质的断气体作为灭弧介质和触头断开后的间隙绝缘介质的断路器路器 。SF6气体是一种无色、无味、无毒、不燃的惰性气体，气体是一种无色、无味、无毒、不燃的惰性气体，具有

35、优良的灭弧性能和绝缘性能。具有优良的灭弧性能和绝缘性能。 （3）真空断路器）真空断路器 以真空的高介质强度实现灭弧和绝缘的断路器。以真空的高介质强度实现灭弧和绝缘的断路器。 （4）压缩空气断路器）压缩空气断路器 采用压缩空气作为灭弧介质和触头断开后的间隙绝缘介质的断采用压缩空气作为灭弧介质和触头断开后的间隙绝缘介质的断路器。路器。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-2935kV多油多油断路器断路器发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-30SF6SF6断路器与电流互感器断路器与电流互感器(110kV)(110kV)发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-311额定电压额定电压 额定电压是指高压断路器

36、长期正常工作的线电压有效值，额定电压是指高压断路器长期正常工作的线电压有效值，该参数表征了断路器长期正常工作的绝缘能力。该参数表征了断路器长期正常工作的绝缘能力。 2额定电流额定电流 额定电流是指高压断路器在规定条件下，可以长期通过的额定电流是指高压断路器在规定条件下，可以长期通过的最大电流，最大电流，该参数表征了断路器承受长期工作电流产生的发热该参数表征了断路器承受长期工作电流产生的发热量的能力。量的能力。 3额定开断电流额定开断电流 在额定电压下，高压断路器能可靠开断的最大短路电流有在额定电压下，高压断路器能可靠开断的最大短路电流有效值，效值，该参数表征了断路器的灭弧能力。该参数表征了断路

37、器的灭弧能力。 NbrININU4额定关合电流额定关合电流 额定关合电流是指在规定条件下，断路器能关合不致产生额定关合电流是指在规定条件下，断路器能关合不致产生触头熔焊及其他妨碍继续正常工作的最大电流峰值。触头熔焊及其他妨碍继续正常工作的最大电流峰值。 Ncli高压断路器的技术性能常用以下技术参数来表征：高压断路器的技术性能常用以下技术参数来表征： （二）高压断路器的技术参数（二）高压断路器的技术参数 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-32热稳定电流是指在断路器在合闸位置热稳定电流是指在断路器在合闸位置t（单位为（单位为秒）时间所能秒）时间所能承受的最大电流有效值。承受的最大电流有效值。5热

38、稳定电流热稳定电流 tI该参数表征了断路器耐受短路电流热效应的能力。该参数表征了断路器耐受短路电流热效应的能力。t 称为热稳称为热稳定时间。定时间。6动稳定电流动稳定电流 动稳定电流是指断路器在合闸位置所能承受的最大电流峰值，动稳定电流是指断路器在合闸位置所能承受的最大电流峰值，该参数表征了断路器承受短路电流电动力效应的能力。该参数表征了断路器承受短路电流电动力效应的能力。 esi7分闸时间分闸时间 分闸时间（也称全开断时间）是指断路器从接到分闸命令起分闸时间（也称全开断时间）是指断路器从接到分闸命令起到各相触头电弧完全熄灭为止的一段时间，它等于断路器的到各相触头电弧完全熄灭为止的一段时间，它

39、等于断路器的固有分闸时间与燃弧时间之和。固有分闸时间是指从接到分固有分闸时间与燃弧时间之和。固有分闸时间是指从接到分闸命令起到触头刚刚分离的一段时间。燃弧时间从触头分离闸命令起到触头刚刚分离的一段时间。燃弧时间从触头分离到各相电弧均熄灭的一段时间。到各相电弧均熄灭的一段时间。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-338合闸时间合闸时间 合闸时间是指断路器从接到合闸命令起到各相触头完全接触合闸时间是指断路器从接到合闸命令起到各相触头完全接触为止的一段时间。为止的一段时间。 三、隔离开关三、隔离开关 隔离开关没有专门的灭弧装置，不能用来接通或切断负荷隔离开关没有专门的灭弧装置，不能用来接通或切断负

40、荷电流和短路电流，电流和短路电流，否则，将产生强烈的电弧，造成人身伤亡，否则，将产生强烈的电弧，造成人身伤亡，设备损坏或引起相间短路故障。设备损坏或引起相间短路故障。隔离开关的作用：隔离开关的作用： （1）隔离电源。在检修电气设备时，为了安全，需要用隔离）隔离电源。在检修电气设备时，为了安全，需要用隔离开关将停电检修的设备与带电运行的设备隔离，形成明显可开关将停电检修的设备与带电运行的设备隔离，形成明显可见的断口。隔离电源是隔离开关的主要用途。见的断口。隔离电源是隔离开关的主要用途。 （2）倒闸操作。在双母线接线倒换母线或接通旁路母线时，）倒闸操作。在双母线接线倒换母线或接通旁路母线时，某些隔

41、离开关可以在某些隔离开关可以在“等电位等电位”的情况下进行分、合闸，配的情况下进行分、合闸，配合断路器完成改变运行方式的倒闸操作。合断路器完成改变运行方式的倒闸操作。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-34（3）分、合小电流电路。可用来合电压互感器、避雷器和空）分、合小电流电路。可用来合电压互感器、避雷器和空载母线；分、合励磁电流小于载母线；分、合励磁电流小于2A的空载变压器；关合电容电流的空载变压器；关合电容电流不超过不超过5A的空载线路的空载线路 。2隔离开关的型式隔离开关的型式 隔离开关的型式较多，按装设地点可分为屋内式（隔离开关的型式较多，按装设地点可分为屋内式（GN型）型）和屋外式

42、（和屋外式（GW型）；按绝缘支柱的数目可分为单柱式、双柱型）；按绝缘支柱的数目可分为单柱式、双柱式和三柱式；按极数屋内式可分为单极和三极式。式和三柱式；按极数屋内式可分为单极和三极式。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-35GW5-35kV隔离开关隔离开关发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-36GW5-110kV隔离开关隔离开关发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-37GW4-110kV隔离开关隔离开关发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-38户外单臂伸缩型隔离开关户外单臂伸缩型隔离开关( (断开状态断开状态) )户外单臂伸缩型隔离开关户外单臂伸缩型隔离开关( (闭合状态闭合状态) )发电厂电气

43、主系统发电厂电气主系统2-39第二节第二节 电流互感器电流互感器 电流互感器的作用：电流互感器的作用： 变换：将一次回路的大电流变为二次回路的小电流（变换：将一次回路的大电流变为二次回路的小电流（5A或或1A），供电给测量仪表和保护装置继电器的电流线圈，使测量），供电给测量仪表和保护装置继电器的电流线圈，使测量仪表和继电器标准化、小型化、结构轻巧、价格便宜。仪表和继电器标准化、小型化、结构轻巧、价格便宜。 隔离：使电气二次设备与一次高压部分隔离，并且互感器的隔离：使电气二次设备与一次高压部分隔离，并且互感器的二次侧均接地，从而保证二次设备和人身安全。二次侧均接地，从而保证二次设备和人身安全。一

44、、电磁式电流互感器的工作原理一、电磁式电流互感器的工作原理 1. 工作原理工作原理 与变压器相似。图与变压器相似。图2-13所示为电磁式电流互感器的原理结所示为电磁式电流互感器的原理结构与接线图。构与接线图。发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-402. 特点特点 TA的一次绕组串联于电气一次电路中，且匝数很少，流过的一次绕组串联于电气一次电路中，且匝数很少，流过一次绕组的电流一次绕组的电流就是负荷电流，与二次绕组中的电流大小无关。就是负荷电流，与二次绕组中的电流大小无关。 二次负载的阻抗二次负载的阻抗(电流线圈电流线圈)都非常小，所以正常情况下，都非常小，所以正常情况下，TA二次侧接近于短路状

45、态下运行。二次侧接近于短路状态下运行。 3. 额定电流比额定电流比 电流互感器额定一次电流电流互感器额定一次电流IN1与额定二次电流与额定二次电流IN2之比。它之比。它近似等于二次绕组匝数近似等于二次绕组匝数N2与一次绕组匝数与一次绕组匝数N1的比值，即的比值，即 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-41可以看出：与可以看出：与 在数值上和相位上都不相等，测量结在数值上和相位上都不相等，测量结果有误差。果有误差。激磁电流与磁饱和是产生误差的原因激磁电流与磁饱和是产生误差的原因。 ki =IN1 / IN2 N2 / N1 二、电流互感器的误差二、电流互感器的误差 1电流互感器的误差分析电流互感

46、器的误差分析 20201IkIIIIi由由TA的等效电路得的等效电路得1I2Iki发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-42从相量图上可见，从相量图上可见，I2N2 - - I1N1= 。 电流误差电流误差 (%)ii100100111122112NININIIIIkf)sin(10 NIbcbd于是得到于是得到）（%)sin(%)i1001001110111122NININININIf 相位误差相位误差 )()cos(sinii34401110NINIoaac2. 电流互感器电流互感器TA的运行参数对误差的影响的运行参数对误差的影响 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-43 根据电磁感应定律有

47、根据电磁感应定律有E2 = 4.44BSf N2 和和等效电路中二次回等效电路中二次回路电压方程路电压方程E2 = I2(Z2+Z2L) 及及 I2 = I1 / ki ，得，得SNZZNIBL222211222)( av10HLNI HB 计及计及和和(%)sin()(L2i100222222SNLZZfav)()cos()(L2i3440222222SNLZZav 运行参数对误差的影响运行参数对误差的影响 1) 一次电流一次电流I1的影响的影响 当一次电流为额定电流时，当一次电流为额定电流时，值最大，误差最小。值最大，误差最小。 得得发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-44电流互感器二次绕

48、组开路时，电流互感器二次绕组开路时，I 2 = 0, 2) 二次负荷阻抗二次负荷阻抗Z2L及功率因数及功率因数cos2 的影响的影响故在选择故在选择TA时，时，一定要使一次电流一定要使一次电流I1接近于接近于TA的的IN1 。Z2L增大增大fi和和i都增大。都增大。 cos2降低降低 2增大增大 (二次总阻抗角二次总阻抗角)增大增大 fi增大和增大和i减小；反之，减小；反之，fi减小和减小和i增大。增大。 电流互感器在运行中，二次绕组不允许开路。电流互感器在运行中，二次绕组不允许开路。 原因：原因：221011NININI ,1011NINI 一次安匝全部变成激磁安匝，一次安匝全部变成激磁安匝

49、，铁心严重饱和，铁心严重饱和， 变为平顶波。变为平顶波。二次绕组的感应电动势二次绕组的感应电动势e2 与与磁通的变化率磁通的变化率d /dt成正比，因此成正比，因此磁通过零时，磁通过零时，磁通的变化率磁通的变化率d /dt很大，很大，在二次绕组感应产生在二次绕组感应产生很高的尖顶波电动势很高的尖顶波电动势e2 ，如图如图216所示。所示。发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-451) 危及人身安全和仪表、继电器绝缘；危及人身安全和仪表、继电器绝缘； 2) 由于磁感应强度剧增，由于磁感应强度剧增，引起铁心和引起铁心和绕组过热；绕组过热； 3) 在铁心中产生剩磁，使互感器特性在铁心中产生剩磁，使互感

50、器特性变坏。变坏。 三、电流互感器的准确级和额定容量三、电流互感器的准确级和额定容量 1. 电流互感器的准确级电流互感器的准确级 电流互感器的准确级：指在规定的二次负荷范围内，一次电流电流互感器的准确级：指在规定的二次负荷范围内，一次电流为额定值时的最大电流误差百分数。为额定值时的最大电流误差百分数。 根据用途的不同，可分为测量级和保护级。根据用途的不同，可分为测量级和保护级。 测量级测量级 按测量与计量表计的不同，划分为若干准确级按测量与计量表计的不同，划分为若干准确级次，如次，如0.2级、级、0.5级、级、1级、级、3级等。级等。0.2级用于精密测量；级用于精密测量； 0.5级级用于电度计

51、量；用于电度计量；1、3级用于其他盘式仪表。级用于其他盘式仪表。 避免避免TA二次绕组开路的措施：拆除仪表前先将二次线圈短路。二次绕组开路的措施：拆除仪表前先将二次线圈短路。 此高电压会造成此高电压会造成 ：发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-462) 保护级保护级 在旧型号产品中，型号中有在旧型号产品中，型号中有B、C、D等字样的为保等字样的为保护级。护级。 在短路情况下，保护级的电流误差在短路情况下，保护级的电流误差 fI 不应大于不应大于10 。当。当短路电流短路电流I1 = nIN1时，时， fI 达达10，则比值，则比值n称为称为10额定一额定一次电流倍数，简称次电流倍数，简称10电

52、流倍数。电流倍数。 n的数值与二次负荷阻抗的数值与二次负荷阻抗Z2L 的大小有关，二者之间的关系曲的大小有关，二者之间的关系曲线，称为电流互感器的线，称为电流互感器的10误差曲线，如图误差曲线，如图2-18所示，此曲线所示，此曲线由电流互感器制造厂家提供。由电流互感器制造厂家提供。 使用时，根据使用时，根据n = I1 / IN1 ，从曲线上查出相应的从曲线上查出相应的Z 2L，只要实，只要实际负载阻抗际负载阻抗小于查出的小于查出的Z 2L，就能保证误差在，就能保证误差在10范围内。范围内。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-472. 电流互感器的额定容量电流互感器的额定容量SN2 电流互感

53、器的额定容量电流互感器的额定容量SN2：指在额定二次电流：指在额定二次电流IN2 （5A）和额）和额定二次负荷阻抗定二次负荷阻抗ZN2下运行时，二次绕组所输出的容量，即下运行时，二次绕组所输出的容量，即2N22N2NZIS 对同一台电流互感器来说，由于误差随二次负荷阻抗变化，对同一台电流互感器来说，由于误差随二次负荷阻抗变化，电电流互感器所接二次负荷阻抗不同时，误差（测量精度）也不同。流互感器所接二次负荷阻抗不同时，误差（测量精度）也不同。为了使用户知道所接二次负荷阻抗下的误差为了使用户知道所接二次负荷阻抗下的误差(准确级准确级)，厂家一厂家一般给出几个准确级，不同准确级具有不同的额定容量。般

54、给出几个准确级，不同准确级具有不同的额定容量。例如，例如，LMZ1103000/5型电流互感器在型电流互感器在0.5级工作时，级工作时，ZN21.6（40VA）；在）；在1级工作时，级工作时，ZN22.4（60VA），）， 当当Z2L ZN2时，时，TA的准确级将下降。的准确级将下降。 Z2L =1.5时为时为0.5级，级， Z2L =1.7时为时为1级，级，Z2L =2.5时误差大于时误差大于1级。级。四、电流互感器的分类与结构四、电流互感器的分类与结构1电流互感器的分类电流互感器的分类 按安装地点可分为屋内式和屋外式。按安装地点可分为屋内式和屋外式。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-4

55、8 按一次绕组匝数可分为单匝式按一次绕组匝数可分为单匝式(一次绕组为一匝，又可分为贯一次绕组为一匝，又可分为贯穿式与母线式穿式与母线式)和复匝式和复匝式(又称多匝式，一次线圈为多匝又称多匝式，一次线圈为多匝)。 按绝缘可分为干式按绝缘可分为干式(用绝缘胶浸渍，用于屋内低压用绝缘胶浸渍，用于屋内低压)、浇注式、浇注式(用环氧树脂浇注，用于用环氧树脂浇注，用于35kV及以下的屋内式及以下的屋内式)、油浸式、油浸式(铁心铁心和绕组放于铁箱或磁箱内，用油浸泡，多用于屋外式和绕组放于铁箱或磁箱内，用油浸泡，多用于屋外式)和气体和气体式式(用用SF6气体绝缘，多用于气体绝缘，多用于110kV及以上的屋外式

56、及以上的屋外式) 。2.电流互感器的结构电流互感器的结构 图图2-21示出了单匝式和复匝式电流互感器的结构示意图。示出了单匝式和复匝式电流互感器的结构示意图。 在同一回路中，往往需要多只电流互感器，用以供给各种测量在同一回路中，往往需要多只电流互感器，用以供给各种测量与各种保护。为了节约材料和降低投资，高压电流互感器常由与各种保护。为了节约材料和降低投资，高压电流互感器常由多个没有磁联系的独立铁心和二次绕组与共用的一次绕组构成多个没有磁联系的独立铁心和二次绕组与共用的一次绕组构成具有同一电流比、多个二次绕组的电流互感器，如图具有同一电流比、多个二次绕组的电流互感器，如图2-21b所示所示为具有

57、为具有3个二次绕组的电流互感器结构。个二次绕组的电流互感器结构。 按安装方式可分为支持式按安装方式可分为支持式(安装在支柱上安装在支柱上)、穿墙式、穿墙式(安装在墙安装在墙壁、楼板或金属结构的孔中壁、楼板或金属结构的孔中)和装入式和装入式(套装在变压器或高压断套装在变压器或高压断路器的引出套管中路器的引出套管中)。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-49图图2-21 电流互感器结构原理图电流互感器结构原理图a) 单匝式单匝式 b) 多匝式多匝式1 一次绕组一次绕组 2 绝缘绝缘 3 铁心铁心 4 二次绕组二次绕组发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-50第三节第三节 电压互感器电压互感器 电压

58、互感器的作用：电压互感器的作用： 变换：将一次回路的高电压变为二次回路的低电压变换：将一次回路的高电压变为二次回路的低电压(100 V)，供电给测量仪表和保护装置继电器的电压线圈，使测量仪表和供电给测量仪表和保护装置继电器的电压线圈，使测量仪表和继电器标准化、小型化、结构轻巧、价格便宜。继电器标准化、小型化、结构轻巧、价格便宜。 隔离：使电气二次设备与一次高压部分隔离，并且互感器的隔离：使电气二次设备与一次高压部分隔离，并且互感器的二次侧均接地，从而保证二次设备和人身安全。二次侧均接地，从而保证二次设备和人身安全。一、电磁式电压互感器一、电磁式电压互感器 1. 电磁式电压互感器的工作原理电磁式

59、电压互感器的工作原理 其工作原理与变压器相同，相当于一台小容量变压器。其工作原理与变压器相同，相当于一台小容量变压器。 电磁式电压互感器的特点电磁式电压互感器的特点 电压互感器一次绕组匝数很多，与被测电路并联。电压互感器一次绕组匝数很多，与被测电路并联。 二次侧所接测量仪表和继电器的电压线圈阻抗很大，近于开二次侧所接测量仪表和继电器的电压线圈阻抗很大，近于开路（空载）状态运行。路（空载）状态运行。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-51UN2已统一为已统一为100V或或100/ V。 额定变压比：电压互感器一次、二次绕组额定电压之比称为额定变压比：电压互感器一次、二次绕组额定电压之比称为额定

60、变压比，即额定变压比，即 ku =UN1/UN232. TV的误差的误差 发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-52 )(j)()j(21221211021xxIrrIxrIUU 由等效电路可得由等效电路可得 2121|,| UU 可以看出，测量有误差，误差由励磁电流和内阻抗造成。可以看出，测量有误差，误差由励磁电流和内阻抗造成。电压相量图如图电压相量图如图2-23所示。所示。发电厂电气主系统发电厂电气主系统2-53 相位误差相位误差 uu sin 电压误差电压误差 (%)100112uu UUUkf(%)100sin)(cos)(cossin12212221211010 UxxIrrIUxIr