供用电设备教学资料第4章开关电器

1、第4章 开关电器,4. 1 开关电器的基本工作原理 4. 2 高压断路器及其操动机构 4. 3 高压隔离开关 4. 4 高压负荷开关 4. 5 自动重合器和自动分段器,第4章 开关电器,4. 6 熔断器 4. 7 低压断路器 4. 8 刀开关及其组合电器 4. 9 低压控制电器 4. 10 漏电保护器,4.1 开关电器的基本工作原理,（一）开关电器的作用 （二）开关电器的电弧 （三）交流电弧的特性及熄灭 （四）开关电器的灭弧方法,（一）开关电器的作用 - 1,在供配电系统中，开关电器所承担的任务是：,在正常工作情况下可靠地接通或开断电路； 在改变运行方式时灵活地切换操作； 在系统发生故障时迅速

2、切除故障部分以保证非故障部分的正常运行； 在设备检修时隔离带电部分以保证工作人员的安全。,（一）开关电器的作用 - 2,（1）仅用来在正常工作情况下，接通或开断正常工作电流的工作电器，如高压负荷开关、低压闸刀开关、接触器、磁力启动器等。 （2）仅用来开断故障情况下的过负荷或短路电流的开关电器，如高压熔断器。 （3）既用来接通或开断正常工作电流，也用来断开过负荷电流或短路电流的开关电器，如高压断路器、低压空气开关等。 （4）不要求断开或闭合电流，只用来在检修时隔离电压的开关电器，如隔离开关等。,根据开关电器在电路中担负的任务，可以分为下列几类：,一、电弧放电的特征和危害 二、电弧的形成 弧柱中自

3、由电子的主要来源 电弧形成的过程 三、电弧的熄灭 - 电弧的去游离形式,（二）开关电器的电弧, 一、电弧放电的特征和危害 - 1,开关电器在接通或开断电路时，触头间都会产生电弧。电弧是一种气体导电现象。各种形式的气体导电统称为气体放电现象。 常温下，气体是不导电的，但在一定的条件下，气体分子可能被分离成电子和正离子，这种现象称为游离。气体放电就是游离气体的导电质点，即自由电子和正离子，在电场力作用下定向运动的结果。 最常见的气体放电现象有三种，即电晕放电、火花放电和电弧放电。开关电器中的电弧是气体放电现象的一种。,电弧与气体放电, 一、电弧放电的特征和危害 - 2,实践证明，当开关电器切断电路

4、时，如果触头间的电压大于1020V、电流大于80100mA，在断开的触头间就会出现电弧。 此时，触头虽已分开，但是电流以电弧的形式维持，电路仍处于接通状态。只有在电弧熄灭后，电路才真正被切断。电弧是开关电器在开断过程中不可避免的现象。, 一、电弧放电的特征和危害 - 3,1. 电弧的概念 当开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头 刚刚分离后，触头之间就会产生强烈的白光，称为电弧。 2.电弧的本质 电弧的实质是一种气体放电现象。 3. 电弧放电的特征 （1）电弧由三部分组成。包括阴极区、阳极区和弧柱区。 （2）电弧温度很高。 （3）电弧是一束游离的的气体。, 一、电弧放电的特征和危害

5、- 4,4. 电弧的危害 （1）电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。 （2）电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。 （3）由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。, 二、电弧的形成弧柱中自由电子的主要来源（1）,（1）热电子发射 当断路器的动、静触头分离时，触头间的接触压力及接触面积逐渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致阴极表面温度急剧升高而发射电子 ，形成热电子发射。 （2）强电场发射 开关电器分闸的瞬间，由于动、静触头的距离很小，触头间的电场强度

6、就非常大 ，使触头内部的电子在强电场作用下被拉出来 ，就形成强电场发射。, 电弧的形成 弧柱中自由电子的主要来源（2）,（3）碰撞游离（电场游离） 从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极运动，在运动过程中不断地与中性质点（原子或分子）发生碰撞。当高速运动的电子积聚足够大的动能时，就会从中性质点中打出一个或多个电子，使中性质点游离，这一过程称为碰撞游离。 （4）热游离 弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很大的中性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。,碰撞游离过程, 电弧的形成 电弧形成的过程,触头刚分离时突然解除接触

7、压力，阴极表面立即出现高温炽热点，产生热电子发射；同时，由于触头的间隙很小，使得电压强度很高，产生强电场发射。 从阴极表面逸出的电子在强电场作用下，加速向阳极运动，发生碰撞游离，导致触头间隙中带电质点急剧增加，温度骤然升高，产生热游离并且成为游离的的主要因素，此时，在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧。,断路器断开过程中电弧的形成:,电弧产生和维持的物理过程,结论：在断路器触头间隙中，由热电子发射和强电场发射产生电子，由碰撞游离（电场游离）产生电弧，由热游离维持电弧燃烧。,三、电弧的熄灭 电弧的去游离,在电弧中，发生游离过程的同时还进行着一个相反的过程，也就是带电粒子消失的过程，称为去游离。

8、 在稳定燃烧的电弧中，这两个过程处于动态平衡状态。如果游离过程大于去游离过程，电弧将继续炽热燃烧；如果去游离过程大于游离过程，电弧便愈来愈小，最后熄灭。,三、电弧的熄灭 电弧的去游离形式（1）,1. 复合 复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。 由于弧柱中电子的运动速度很快，约为正离子的1000倍，所以电子直接与正离子复合的几率很小。 一般情况下，先是电子碰撞中性质点时，被中性质点捕获变成负离子，然后再与质量和运动速度相当的正离子互相吸引而接近，交换电荷后成为中性质点。 还有一种情况就是电子先被固体介质表面吸附后，再被正离子捕获成为中性质点。,电弧的去游离过程包括复合和扩散两种形式

9、。, 电弧的熄灭 电弧的去游离形式（2）,2. 扩散 扩散是弧柱中的带电质点逸出弧柱以外，进入周围介质的现象。扩散有三种形式： （1）温度扩散，由于电弧和周围介质间存在很大温差，使得电弧中的高温带电质点向温度低的周围介质中扩散，减少了电弧中的带电质点； （2）浓度扩散，这是因为电弧和周围介质存在浓度差，带电质点就从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使电弧中的带电质点减少； （3）利用吹弧扩散，在断路器中采用高速气体吹弧，带走电弧中的大量带电质点，以加强扩散作用。, 电弧的熄灭 电弧的去游离形式（3）,结论： 电弧的熄灭是电弧区域内已电离的质点不断发生去游离的结果。 （1）复合：异号带电质点的电荷

10、发生中和。 （2）扩散：自由电子和正离子从电弧区逸出，到达电弧 区以外。,（三）交流电弧的特性及熄灭,一、交流电弧的特性 二、交流电弧的熄灭条件 弧隙介质介电强度的恢复 弧隙电压的恢复过程 交流电弧熄灭的条件, 交流电弧的特性（1）,在交流电路中，电流瞬时值随时间变化，因而电弧的温 度、直径以及电弧电压也随时间变化，电弧的这种特性称为 动特性。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟 不上快速变化的电流，所以电弧温度的变化总滞后于电流的 变化，这种现象称为电弧的热惯性。 经过对图4-5的分析，可见交流电弧在交流电流自然过零 时将自动熄灭，但在下半周随着电压的增高，电弧又重燃。 如果电弧过零

11、后，电弧不发生重燃，电弧就此熄灭。, 交流电弧的特性（2）, 交流电弧的特性（3）,结论： (1)电弧电流数值随时间变动，电弧的功率也跟随电弧电流变动。 (2)电弧有热惯性。 (3)交流电流每隔半个周期要经过零值一次，称为“自然过零”。,交流电弧的熄灭条件1弧隙介质介电强度的恢复,弧隙介质能够承受外加电压作用而不致使弧隙击穿的电压称为弧隙的介质强度。 当电弧电流过零时电弧熄灭，而弧隙的介质强度要恢复到正常状态值还需一定的时间，此恢复过程称之为弧隙介质强度的恢复过程，以耐受的电压Uj（t）表示。,图-介质强度恢复过程曲线, 交流电弧的熄灭条件2弧隙电压的恢复过程,电流过零前，弧隙电压呈马鞍形变化

12、，电压值很低，电源 电压的绝大部分降落在线路和负载阻抗上。电流过零时，弧隙 电压正处于马鞍形的后峰值处。电流过零后，弧隙电压从后峰 值逐渐增长，一直恢复到电源电压，这一过程中的弧隙电压称 为恢复电压，其电压恢复过程以Uhf（t）表示。 电压恢复过程与线路参数、负荷性质等有关。受线路参数 等因素的影响，电压恢复过程可能是周期性的变化过程，也可 能是非周期性的变化过程。, 交流电弧的熄灭条件交流电弧的熄灭条件,如果弧隙介质强度在任 何情况下都高于弧隙恢复电 压，则电弧熄灭；反之，如 果弧隙恢复电压高于弧隙介 质强度，弧隙就被击穿，电 弧重燃。因此，交流电弧的 熄灭条件为： Uj（t） Uhf（t）

13、 Uj（t）弧隙介质强度； Uhf（t）弧隙恢复电压。,图4-6 介质强度与恢复电压曲线,（四）开关电器的灭弧方法,一、提高触头的分闸速度 二、吹弧 吹弧气流产生的方法 吹弧的方向 三、采用多断口 四、短弧原理灭弧 五、利用固体介质的狭缝狭沟灭弧 六、采用耐高温金属材料制作触头、采用优质灭弧介质, 一、提高触头的分闸速度,熄灭交流电弧的关键在于电弧电流过零后，弧隙的介质强 度的恢复过程能否始终大于弧隙电压的恢复过程。为了加强冷 却，抑制热游离，增强去游离，在开关电器中装设专用的灭弧 装置或使用特殊的灭弧介质，以提高开关的灭弧能力。 迅速拉长电弧，有利于迅速减小弧柱中的电位梯度，增加 电弧与周围

14、介质的接触面积，加强冷却和扩散的作用。因此， 现代高压开关中都采取了迅速拉长电弧的措施灭弧，如采用强 力分闸弹簧，其分闸速度已达16m/s以上。, 二、吹弧 吹弧气流产生法.（1）,用新鲜而且低温的介质吹拂电弧时，可以将带电质点吹到弧隙以外，加强了扩散，由于电弧被拉长变细，使弧隙的电导下降。吹弧还使电弧的温度下降，热游离减弱，复合加快。按吹弧气流的产生方法和吹弧方向的不同，吹弧可分为以下几种。 1. 吹弧气流产生的方法有： （1）用油气吹弧 用油气作吹弧介质的断路器称为油断路器。在这种断路器 中，有用专用材料制成的灭弧室，其中充满了绝缘油。当断路器触头分离产生电弧后，电弧的高温使一部分绝缘油迅

15、速分解为氢气、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳等气体，其中氢的灭弧能力是空气的7.5倍。这些油气体在灭弧室中积蓄能量，一旦打开吹口，即形成高压气流吹弧。,吹弧 吹弧气流产生法.（2）,（2）用压缩空气或六氟化硫气体吹弧 将20个左右大气压的压缩空气或5个大气压左右的六氟化硫气体（SF6）先储存在专门的储气罐中，断路器分闸时产生电弧，随后打开喷口，用具有一定压力的气体吹弧。 （3）产气管吹弧 产气管由纤维、塑料等有机固体材料制成，电弧燃烧时与管的内壁紧密接触，在高温作用下，一部分管壁材料迅速分解为氢气、二氧化碳等，这些气体在管内受热膨胀，增高压力，向管的端部形成吹弧。, 吹弧 吹弧方向法 （1）,2.

16、 按吹弧的方向分为： （1）纵吹 吹弧的介质（气流或油流）沿电弧方向的吹拂称为纵吹，纵吹能增强弧柱中的带电质点向外扩散，使新鲜介质更好地与炽热电弧接触，加强电弧的冷却，有利于迅速灭弧。 （2）横吹 横吹时气流或油流的方向与触头运动方向是垂直的，或者说与电弧轴线方向垂直。横吹不但能加强冷却和增强扩散，还能将电弧迅速吹弯吹长。有介质灭弧栅的横吹灭弧室，栅片能更充分地冷却和吸附电弧，加强去游离。在相同的工作条件下，横吹比纵吹效果要好。, 吹弧 吹弧方向法（2）, 吹弧 吹弧方向法（3）,（3）纵横吹 横吹灭弧室在开断小电流时因室内压力太小，开断性能较差。为了改善开断小电流时的灭弧性能，可将纵吹和横吹

17、结合起来。在大电流时主要靠横吹，小电流时主要靠纵吹，这就是纵横吹灭弧室。,横吹灭弧室示意图, 三、采用多断口,每一相有两个或多个断口相串联。在熄弧时，多断口把电 弧分割成多个相串联的小电弧段。多断口使电弧的总长度加 长，导致弧隙的电阻增加；在触头行程、分闸速度相同的情况 下，电弧被拉长的速度成倍增加，使弧隙电阻加速增大，提高 了介质强度的恢复速度，缩短了灭弧时间。 采用多断口时，加在每一断口上的电压成倍减少，降低了 弧隙的恢复电压，亦有利于熄灭电弧。在要求将电弧拉到同样 的长度时，采用多断口结构成倍减小了触头行程，也就减小了 开关电器的尺寸。如图4-8所示：, 采用多断口图4-8, 四、短弧原

18、理灭弧,灭弧装置是一个金属栅灭弧罩，利用将电弧分为多个串联的短弧的方法来灭弧。由于受到电磁力的作用，电弧从金属栅片的缺口处被引入金属栅片内，一束长弧就被多个金属片分割成多个串联的短弧。如果所有串联短弧阴极区的起始介质强度,或阴极区的电压降的总和永远大于触头间的外施电压，电弧就不再重燃而熄灭。采用缺口铁质栅片，是为了减少电弧进入栅片的阻力，缩短燃弧时间。, 五、利用固体介质的狭缝狭沟灭弧,灭弧装置的灭弧片是由石棉水泥或陶土制成的。触头间产生电弧后，在磁吹装置产生的磁场作用下，将电弧吹入有灭弧片构成的狭缝中，把电弧迅速拉长的同时，使电弧与灭弧片内壁紧密接触，对电弧的表面进行冷却和吸附，产生强烈的去游离。原理图如4-13所示。 石英砂熔断器中的熔丝熔断时，在石英砂的狭沟中产生电弧。由于受到石英砂的冷却和表面吸附作用，使电弧迅速熄灭。同时，熔丝气化时产生的金属蒸汽渗入石英砂中遇冷而迅速凝结，大大减少了弧隙中的金属蒸汽，使得电弧容易熄灭。原理图如4-14所示。, 利用固体介质的狭缝狭沟灭弧,图4-13 狭缝灭弧装置的工作原理,图4-14 石英砂灭弧原理, 六、用耐高温金属材料作触头、优质灭弧介质,触头材料对电弧中的去游离也有一定影响，用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属制作触头，可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸