大工13春《发电厂电气部分》辅导资料四
大工13春《发电厂电气部分》辅导资料四主 题：第二章导体的发热、电动力及开关电器的灭弧原理（第5—9节）
学习时间：2013年4月22日—4月28日
内 容：
第二章导体的发热、电动力及开关电器的灭弧原理
这周我们将学习第二章中的第5—9节，这部分主要介绍导体短路的电动力 、开关电器中电弧的产生及熄灭、弧隙电压恢复过程分析、熄灭交流电弧的基本方法 。
第五节 导体短路的电动力
定义：电气设备中的载流导体当通过电流时，除了发热效应以外，还有载流导体相互之间的作用力，称为电动力。
计算电动力的目的是：为了校验导体或电器实际所受到的电动力是否超过其允许应力，以便选择适当强度的电气设备。这种校验称动稳定校验。
相关因素：载流导体之间电动力的大小和方向，取决于电流的大小和方向，导体的尺寸、形状和相互之间的位置以及周围介质的特性。
第六节 大电流封闭母线的电动力
全连式分相封闭母线，母线由铝管做成，每相母线分别用连续的铝质外壳封闭，三相外壳的两端用短路板连接并接地。
分相封闭母线的优点：
(1)不受自然环境和外物的影响，能防止相间短路，同时由于外壳多点接地，保证人员的安全；
(2)短路时母线间的电动力大大减小，可增大支持绝缘子的跨距；
(3)壳外磁场大大减弱，减少了母线附近的钢构的发热；
(4)外壳可兼作强迫冷却管道，提高母线的载流量；
(5)安装、维护工作量小。
主要缺点：
(1)母线散热条件较差
(2)外壳产生损耗
(3)有色金属消耗量增加
第七节 开关电器中电弧的产生及熄灭
2.7.1 电弧现象
电弧实质是介质被击穿的一种放电现象。
在电弧燃烧期间，电路中的电流仍以电弧方式维持着，电路未真正断开，只有电弧熄灭后，电路才被真正切断。
电弧的主要特征：
1.电弧是一种能量集中、温度很高、亮度很强的放电现象。
2.电弧由阴极区、弧柱区及阳极区3部分组成。
阴极区和阳极区：阴极和阳极附近的区域(约10-4cm)。阴极和阳极区较弧柱温度较低，自由电子的密度小，导电率低，电位梯度大。特别是阴极区，堆积了许多正离子，电位梯度最高。一般在靠近阴极的区间内有近似为常数的压降。
弧柱：在阴极和阳极间的明亮光柱。其温度极高。弧柱的直径很小，一般几毫米。在弧柱周围温度较低、亮度明显减弱的部分称弧焰。
3.电弧是一种自持放电，维持电弧稳定燃烧所需电压很低。
4.电弧是一束游离气体，质量很轻，容易变形。
在外力作用下会迅速移动、伸长或弯曲，对大气中的电弧尤为明显。
2.7.2 电弧的产生与维持
电弧的产生主要是触头间产生了大量自由电子
1.强电场发射 (阴极在强电场作用下发射电子）
加有电压的触头刚分离时，触头间隙很小，会形成很强的电场。
2.热发射(阴极在高温下发生热电子)
大电流切断，在阴极上有强烈的炽热点，有电子在高温下从阴极表面发射，称为热电子发射。
3.弧柱区产生碰撞游离
自由电子，在电场力的作用下，向阳极作加速运动，途中与介质的中性质点发生碰撞，如果电子的动能大于中性质点的游离能时，使中性质点游离为新的自由电子和正离子，这种游离过程称碰撞游离。
4.热游离(热游离使电弧维持和发展)
在电弧高温下，阴极继续热发射。
由于电弧的温度很高，介质的分子和原子将产生强烈的不规则的热运动，当那些具有足够动能的中性质点互相碰撞时，又可游离出自由电子和正离子，这种现象称热游离。
一般气体发生热游离的温度为9000—10000度，而金属蒸汽约为4000—5000度。
2.7.3 电弧的去游离
电弧游离的同时，还有去游离过程。
去游离的主要形式为复合和扩散。
1.复合
异号离子或正离子与自由电子互相吸引而中和成中性质点的现象，称复合去游离。
复合速率与带电质点的体积浓度成比例，与电弧直径平方成反比；拉长电弧，电场强度E下降，电子运动速度减慢，复合的可能性增大；加强电弧冷却，例如用液体、气体吹弧或将电弧挤入绝缘冷壁制成的狭缝中，可使电子热运动的速度减慢，有利于复合；加大气体介质的压力，可使带电质点的密度增大，自由行程减少，有利于复合。
2.扩散
自由电子与正离子从弧柱逸出而进入周围介质中的现象，称为扩散去游离。扩散去游离有三种形式：
①浓度差扩散。扩散速率与电弧直径成反比。
②温度差扩散。
③高速冷气吹弧增强扩散。
结论：
若游离作用大于去游离作用，则电弧电流增大，电弧愈加强烈燃烧；
若游离作用等于去游离作用，则电弧电流不变，电弧稳定燃烧；
若游离作用小于去游离作用，则电弧电流减小，电弧最终熄灭。
熄灭电弧的基本思路：采取措施加强去游离作用而削弱游离作用。
2.7.4 交流电弧的特性
(1)交流电弧的伏安特性为动态特性。
电弧的温度、电阻及电弧电压随交流电流瞬时值的周期性变化而变化。
电弧温度变化总是滞后于电流变化，这种现象称为电弧的热惯性。
(2)电弧电压的波形呈马鞍形变化电弧电压随时间的变化波形呈马鞍形。
(3)电流每半周过零一次，电弧会暂时自动熄灭。
2.7.5 交流电弧的熄灭条件
在交流电流过零前后，弧隙变化包括两个过程：
①弧隙去游离和它的介质强度(即弧隙的绝缘能力，或称弧隙的耐压强度)的增大。
②加于弧隙的电压(称恢复电压)的增大。
1.弧隙介质强度恢复过程: 指电弧电流过零时，弧隙介质的绝缘能力由起始介质强度逐渐增强的过程。
(1)近阴极效应使弧隙出现起始介质强度。
近阴极效应：电弧电流过零后在新阴极附近的薄层空间介质强度突然升高的现象。
实验证明，电流过零后，约在0.1~1us的短暂时间内出现150-250V的起始介质强度(电极温度高，约为150V；如电极温度低，约为250V)。
近阴极效对高压断路器长弧中灭弧不起多大作用，因为起始介质强度与加在弧隙上的高电压相比，小得多。起决定作用的是弧柱区中的介质强度恢复过程；
常用灭弧介质有油(变压器油或断路器油)、压缩空气、真空、SF6等。
2.弧隙电压的恢复过程：电流过零时，经过由电路参数所决定的电磁振荡，弧隙电压逐渐由熄弧电压恢复到电源电压的过程。
弧隙电压的恢复过程与哪些因素有关：电路参数(L、C、R)及负荷性质(阻、感、容性)有关。
实际电路中，弧隙电压由熄弧电压恢复到电源电压u，需要一段恢复过程。
第八节 弧隙电压恢复过程分析
三相交流电路不同短路形式的工频恢复电压
1.开断单相短路
当电流过零时，工频恢复电压瞬时值为
u0=um（电源相电压的最大值）
2.开断中性点不直接接地系统的三相短路
三相交流电路中，三相电流不同时过零，断路器开断三相短路时，首先开断相断口的工频恢复电压最大，为相电压的1.5倍；其他两相为相电压的0.866倍；因此，断口电弧的熄灭关键在于首先开断相。
3.开断中性点直接接地系统中的三相接地短路
三相分别经大地构成回路，各相不同时过零。当系统零序阻抗与正序阻抗之比不大于3时，A相、B相和C相的工频恢复电压为相电压的1.3、1.25和1倍。（开断顺序为A、B、C）
4.开断两相短路电路
开断中性点直接接地系统中的两相接地短路时，工频恢复电压为1.3倍相电压；开断其余情况的两相短路时为0.866倍相电压。
第九节 熄灭交流电弧的基本方法
交流电弧是否熄灭，决定于电流过零时弧隙的介质强度和恢复电压两种过的竞争结果。
断路器中常采用的灭弧方法有下述几种：
1.采用灭弧能力强的灭弧介质
电弧中的去游离强度，在很大程度上取决于电弧周围介质的特性。对于高压断路器，常采用以下几种灭弧介质：
(1)变压器油
(2)压缩空气
(3)SF6气体
(4)真空
2.利用气体或油吹弧
吹弧方式有纵吹和横吹。
吹动方向与电弧弧柱轴线平行称纵吹。
吹动方向与电弧弧柱轴线垂直称横吹。
高压断路器中利用各种预先设计好的灭弧室，使气体或油在电弧高温下产生巨大压力，并利用喷口形成强烈吹弧。常采用纵、横吹混合吹弧方式。
吹弧原理：电弧被拉长、冷却变细，复合加强，同时吹弧也有利于扩散，最终使电弧熄灭。
3.在断路器的主触头两端加装低值并联电阻
并联电阻连接方式有两种：并联电阻r与主触头Q1并联后再与辅助触头Q2串联；并联电阻r与辅助触头Q2串联后再与主触头Q1并联。
分闸时：主触头Q1先打开，并联电阻r接入电路
主触头Q1间的电弧熄灭后，辅助触头Q2接着断开
合闸时：顺序相反
4.采用特殊金属材料作灭弧触头
常用的触头材料有铜、钨合金和银、钨合金等，在电弧高温下不易熔化和蒸发，有较高的抗电弧、抗熔焊能力，可以减少热电子发射和金属蒸气，抑制游离作用。
5.采用多断口熄弧
110kV及以上的高压断路器，常采用多个相同型式的灭弧室串联的积木式结构
6.提高断路器触头的分离速度
在高压断路器中加快触头的分离速度，迅速拉长电弧，使弧隙的电场强度骤降，同时使电弧的表面积突然增大，有利于电弧的冷却及带电质点的扩散和复合，削弱游离而加强去游离，从而加速电弧的熄灭。
7．低压开关中的熄弧方法
(1)拉长电弧
(2)开断电路时在电路中逐级串入电阻
(3)利用金属灭弧栅灭弧
(4)利用固体介质狭缝灭弧
习题：
(一) 填空题
1、导体通过电流时，相互之间的作用力称为______________。
答案：电动力
2、电弧由____________、_____________、______________3部分组成。
答案：阴极区、弧柱区、阳极区
（二）简答题
1、电弧熄灭的基本方法有哪些？
答案：
1.采用灭弧能力强的灭弧介质
2.利用气体或油吹弧
3.在断路器的主触头两端加装低值并联电阻
4.采用特殊金属材料作灭弧触头
5.采用多断口熄弧
6.提高断路器触头的分离速度
7．低压开关中的熄弧方法
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