《电气设备》课程教学用电子讲稿

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第2单元

第二章电弧与电气触头的基本知识

第一节电弧的形成与熄灭

一、电弧放电的特征和危害

电弧的实质是一种气体放电现象，但它又有别于电晕放电、火花放电等。电弧放电的主要特征有：（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。弧柱中心可达10000℃左右，电弧表面也会达到3000～4000℃。（3）电弧是一种自持放电现象。极间的带电质点不断产生和消失，处于动平衡状态。（4）电弧是一束游离的的气体。在外力作用下能迅速移动、伸长、弯曲和变形。电弧存在时会对电力系统和电气设备造成危害，主要有：

（1）电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间。

（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。

（3）电弧在电动力、热力作用下能移动，易造成飞弧短路和伤人，使事故的扩大。二、电弧的形成

电弧能成为导电通道，是由于电弧的弧柱中存在大量的自由电子，这些自由电子的定向运动形成电弧。下面分析自由电子的产生以及电弧的形成。

（一）弧柱中自由电子的主要来源

1．热电子发射2．强电场发射3．碰撞游离4．热游离（二）电弧形成的过程

触头刚分离时突然解除接触压力，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。

三、电弧的熄灭

当游离作用大于去游离作用时，电弧电流增加，电弧更加炽热燃烧；当两者作用持平时，电弧维持稳定燃烧；若去游离作用始终大于游离作用，则电弧电流减少，直至电弧熄灭。

电弧的去游离方式：去游离过程包括复合和扩散两种形式。1.复合：是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。2.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：温度扩散、浓度扩散和利用吹弧扩散。（一）影响去游离的因素1.电弧温度2.介质的特性3.气体介质的压力4.触头材料

第二节交流电弧的特性及熄灭

一、交流电弧的特性1.交流电弧的动特性。2.交流电弧的热惯性。二、交流电弧的熄灭条件

交流电流过零后，电弧是否重燃取决于弧隙介质强度和弧隙电压的恢复。1.弧隙介质强度的恢复

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，以耐受的电压Uj（t）表示。

弧隙介质强度的恢复过程Uj（t）主要取决于开关电器灭弧装置的结构和灭弧介质的性质。2.弧隙电压的恢复过程

电流过零后，弧隙电压从后蜂值逐渐增长，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。

3.交流电弧的熄灭条件

交流电弧的熄灭条件为

Uj（t）>Uhf（t）

式中Uj（t）弧隙介质强度；

Uhf（t）弧隙恢复电压。

第三节开关电器中熄灭交流电弧的基本方法

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。目前，在开关电器中广泛采用的灭弧方法有以下几种。一、提高触头的分闸速度

迅速拉长电弧，减小弧柱中的电位梯度，增加电弧与周围介质的接触面积，加强冷却和扩散的作用。

二、采用多断口

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。

三、吹弧

吹弧时由于电弧被拉长变细，弧隙的电导下降，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.用油气吹弧

2.用压缩空气或六氟化硫气体吹弧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。

按吹弧的方向分为：

1．纵吹2．横吹3．纵横吹四、短弧原理灭弧

这种灭弧方法常用于低压开关电器中。其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。

五、固体介质的狭缝狭沟灭弧

低压开关电器中也广泛应用狭缝灭弧装置。触头间产生电弧后，在磁吹装置产生的磁场作用下，将电弧吹入又灭弧片构成的狭缝中，把电弧迅速拉长的同时，使电弧与灭弧片的内壁紧密接触，对电弧的表面进行冷却和吸附，产生强烈的去游离。

六、用耐高温金属材料制作触头

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汽，从而减弱了游离过程，有利于熄灭电弧。

七、采用优质灭弧介质

灭弧介质的特性，如导热系数、电强度、热游离温度、热容量等，对电弧的游离程度具有很大影响，这些参数值越大，去游离作用就越强。

在高压开关中，广泛采用压缩空气、六氟化硫（SF6）气体、真空等作为灭弧介质。

扩展阅读：第21单元 互感器的选择

第21单元

第三节互感器的选择

一、电流互感器的选择

（一）电流互感器一次回路额定电压和电流选择电流互感器一次回路额定电压和电流选择应满足：

UN1≥UNs（7-11）IN1≥I.max（7-12）

式中UN1、IN1电流互感器一次额定电压和电流。

为了确保所供仪表的准确度，互感器的一次侧额定电流应尽可能与最大工作电流接近。（二）二次额定电流的选择

电流互感器的二次额定电流有5A和1A两种，一般强电系统用5A，弱电系统用1A。（三）电流互感器种类和型式的选择

在选择互感器时，应根据安装地点(如屋内、屋外)和安装方式(如穿墙式、支持式、装入式等)选择相适应的类别和型式。选用母线型电流互感器时，应注意校核窗口尺寸。

（四）电流互感器准确级的选择

为保证测量仪表的准确度，互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。例如:装于重要回路(如发电机、调相机、变压器、厂用馈线、出线等)中的电能表和计费的电能表一般采用0.5~1级表，相应的互感器的准确级不应低于0.5级；对测量精度要求较高的大容量发电机、变压器、系统干线和500kV级宜用0.2级。供运行监视、估算电能的电能表和控制盘上仪表一般皆用1~1.5级的，相应的电流互感器应为0.5~1级。供只需估计电参数仪表的互感器可用3级的。当所供仪表要求不同准确级时，应按相应最高级别来确定电流互感器的准确级。

（五）二次容量或二次负载的校验

为了保证互感器的准确级，互感器二次侧所接实际负载Z2l或所消耗的实际容量荷S2应不大于该准确级所规定的额定负载ZN2或额定容量SN2（ZN2及SN2均可从产品样本或附录3查到），即SN2≥S2=IN22Z2l(7-13)

或ZN2≥Z2l≈Rwi+Rtou+Rm+Rr(7-14)

品样本或附录9中查得。

Rwi电流互感器二次联接导线的电阻。

Rtou电流互感器二次连线的接触电阻，一般取为0.1Ω。

将(7-13)代入(7-12)并整理得：

Rwi≤

SN2IN2(RtouRmRr)IN222

式中Rm，Rr电流互感器二次回路中所接仪表内阻的总和与所接继电器内阻的总和，可由产

（7-15）

因为A=

lcaRwi，所以A≥

lca(ZN2RtouRmRr)(7-16)

2

式中A，lca一电流互感器二次回路连接导线截面积（mm）及计算长度（mm）。按规程要求联接导线应采用不得小于1.5mm的铜线，实际工作中常取2.5mm的铜线。当截面选定之后，即可计算出联接导线的电阻Rwi。有时也可先初选电流互感器，在已知其二次侧连接的仪表及继电器型号的情况下，利用式（7-16）确定连接导线的截面积。但须指出，只用一只电流互感器时电阻的计算长度应取连接长度2倍，如用三只电流互感器接成完全星形接线时，由于中线电流近于零，则只取连接长度为电阻的计算长度。若用两只电流互感器接成不完全星形结线时，其二次公用线中的电流为两相电流之向量和，其值与相电流相等，但相位差为60，故应取连接长度的3倍为电阻的计算长度。

（六）热稳定和动稳定校验

（1）电流互感器的热稳定校验只对本身带有一次回路导体的电流互感器进行。电流互感器热稳定能力常以1S允许通过的一次额定电流IN1的倍数Kh来表示，故热稳定应按下式校验

(KhIN1)2≥I∞2tdz(7-17)

22

式中Kh，IN1由生产厂给出的电流互感器的热稳定倍数及一次侧额定电流。

I∞，tdz短路稳态电流值及热效应等值计算时间。

（2）电流互感器内部动稳定能力，常以允许通过的一次额定电流最大值的倍数kmo一动稳定电

流倍数表示，故内部动稳定可用下式校验

2KmoIN1≥ich(7-18)

式中Kmo，IN1由生产厂给出的电流互感器的动稳定倍数及一次侧额定电流。

ich故障时可能通过电流互感器的最大三相短路电流冲击值。

由于邻相之间电流的相互作用，使电流互感器绝缘瓷帽上受到外力的作用，因此，对于瓷绝缘型电流互感器应校验瓷套管的机械强度。瓷套上的作用力可由一般电动力公式计算，故外部动稳定应满足

Fal≥0.5×1.73×10ich

-72

la(N)(7-19)

式中Fal作用于电流互感器瓷帽端部的允许力；

l一电流互感器出线端至最近一个母线支柱绝缘子之间的跨距。

系数0.5表示互感器瓷套端部承受该跨上电动力的一半。

[例7-2]试就[例7-1]中已知条件，选择图7-1中所示的电流互感器。拟将电流互感器装在

JYN2-10型高压开关柜内，并选取两个铁芯级的，其中一个供给仪表，所接仪表的电路，如图7-2所示。另一个供给继电保护。解：根据UN=l0kV、Imax=433A，选择户内型0.5/P级的LZZJB7-10型，一次额定电流为600A的电流互感器。其中0.5级供测量仪表，P级供继电保护装置用。

根据附录9查得各种仪表每个电流线圈的负载值，分别列于图7-2中，由图可知，A相电流互感器的仪表线圈最多，其总负载值为Rm=0.12+0.058+0.02+0.02=0.218Ω，取导线的接触电阻Rtou=0.1Ω，如果联接导线采用2.5mm2的铜线，则导线的电阻为

Rwi=

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

又根据附录3查得LZZJB7-10型电流互感器0.5级的ZN2=0.4Ω。显然ZN2>Z2l，按二次容量校验合格。同时由附录3尚可查得LZZJB7-10型电流互感器的动稳定倍数Kmo=70与ls的热稳定倍数kh=55，则短路的稳定性校验:

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

飞

2222

2KmoIN1=2×0.6×70=59.4kA>ich=14kA

故选取LZZJB6106000.5/P型的电流互感器完全适合。

二、电压互感器的选择

（一）电压互感器一次回路额定电压选择

为了确保电压互感器安全和在规定的准确级下运行，电压互感器一次绕组所接电力网电压应在（1.1~0.9）UN1范围内变动，即满足下列条件

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

式中UN1电压互感器一次侧额定电压。

选择时，满足UN1=UNs即可。

（二）电压互感器二次侧额定电压的选择

电压互感器二次侧额定线间电压为100V，要和所接用的仪表或继电器相适应。（三）电压互感器种类和型式的选择

电压互感器的种类和型式应根据装设地点和使用条件进行选择，例如：在6~35kV屋内配电装置中，一般采用油浸式或浇注式；110~220kV配电装置通常采用串级式电磁式电压互感器；220kV及其以上配电装置，当容量和准确级满足要求时，也可采用电容式电压互感器。

（四）准确级选择

和电流互感器一样，供功率测量、电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择0.5级或1级的，只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压互感器为宜。

（五）按准确级和额定二次容量选择

首先根据仪表和继电器接线要求选择电压互感器接线方式，并尽可能将负荷均匀分布在各相上，然后计算各相负荷大小，按照所接仪表的准确级和容量选择互感器的准确级额定容量。有关电压互感器准确级的选择原则，可参照电流互感器准确级选择。一般供功率测量、电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择0.5级或1级的，只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压互感器为宜。电压互感器的额定二次容量（对应于所要求的准确级）SN2，应不小于电压互感器的二次负荷S2，即SN2≥S2(7-21)

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

式中S0、P0、Q0各仪表的视在功率、有功功率和无功功率。

cos各仪表的功率因数。

如果各仪表和继电器的功率因数相近，或为了简化计算起见，也可以将各仪表和继电器的视在功率直接相加，得出大于S2的近似值，它若不超过SN2，则实际值更能满足式(7-21)的要求。由于电压互感器三相负荷常不相等，为了满足准确级要求，通常以最大相负荷进行比较。计算电压互感器各相的负荷时，必须注意互感器和负荷的接线方式。

[例7-3]已知某35kV变电所低压侧10kV母线上接有有功电能表10只、有功功率表3只、无功功率表1只、母线电压表及频率表各1只，绝缘监视电压表3只、电压互感器及仪表接线和负荷分配如图7-3和表7-5所示。试选择供10kV母线测量用的电压互感器。图7-3测量仪表与电压互感器的连接图

图7-3测量仪表与电压互感器的连线图

解鉴于10.5kV为中性点不接地系统，电压互感器除供测量仪表外，还用来作交流电网绝缘监视，因此，查附录4，选用JSJW-10型三相五柱式电压互感器(也可选用3只单相JDZJ-10型浇注绝缘TV，但不能用JDJ或JDZ型TV接成星形)，其一、二次电压为

103/0.1/

0.13kV。由于回路中接有计费用电

能表，故电压互感器选用0.5准确级。与此对应，互感器三相总的额定容量为120VA。电压互感器接线为YN，yn，d0。查附录9得各仪表型号及参数，连同初步计算结果列于表7-5中。

表7-5电压互感器备相负荷分配(不完全星形负荷部分)

仪表名称及型号每线圈消耗功率(VA)0.60.51.51.20.3仪表电压线圈COSsin110.38110.925仪表数目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无功功率表46D1-var有功电能表DS1频率表46L1-Hz电压表16L1-V总计

根据表7-5可求出不完全星形部分负荷为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

由于每相上还接有绝缘监视电压表V（P=0.3W，Q=0），故A相负荷为

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相负荷为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)

显而易见，B相负荷较太，故应按B相总负荷进行校验SBPBQB=9.0414.2=16.8

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