开关设备应用教程

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1、开关设备应用教程 一.概述1. 开关电器简介 在发电厂和变电站必不可少地需要使用大量的开关设备，以完成对发电厂和变电站大量电气设备、机械设备以及电路的控制和保护作用。通常可按以下两种方式对开关装置进行分类：1.1 按电压等级分： （1）额定电压大于或等于1kV 的开关设备 称为高压开关。如：断路器、负荷开关、隔离开关、高压熔断器 （2）额定电压低于1kV的开关设备称为低压开关。如：自动空气开关、接触器、磁力起动器、闸刀开关、低压熔断器1.2 按作用分： （1）只用于接通和断开电路正常负荷电流的开关设备。如：负荷开关、接触器 （2）只能用于断开不正常状态和故障电流的开关设备。如：熔断器 （3）既

2、能接通和断开正常负荷电流又能接通和断开不正常状态和故障电流的开关设备。如：断路器、自动空气开关 （4）不能用于断开负荷电流，也不能用于断开不正常及故障电流的开关设备。如：隔离开关、闸刀开关2. 电弧的形成和熄灭 开关电器在切断电压大于1020V、电流大于80100mA的电路时，在触头刚分离的瞬间，触头间产生电弧。这时虽然电路触头分离，但电弧继续燃烧，电流仍在触头间通过，直到触头分开至足够长的距离时，电弧熄灭，电路才算真正的切断。 电弧的温度很高，表面温度可达300040000C，电弧中心温度可高达100000C以上。这种高温，即使作用的时间很短，触头表面也会因剧烈熔化和蒸发而损坏，触头附近的绝

3、缘材料（包括绝缘油、电工瓷、有机绝缘材料）被严重烧损，以致设备损坏。所以，在切断电路时，必须采取措施尽快地熄灭电弧。2.1 电弧的形成 电弧的形成是触头间中性质点（分子和原子）被游离的过程，这一过程很复杂，产生电弧放电和维持电弧的主要原因和过程如下 (1) 高电场发射 当通过电流的开关触头刚分离时，触头间距离很小，由于外加电压的作用，在这很小的间隙中，形成很高的电场强度（可超过100010000kV/cm），足以从阴极表面拉出电子，这就是高电场发射。随着触头间的距离增大，电场强度减小，高电场发射的作用将减弱。(2) 热电子发射 当触头刚分离时，由于触头间的压力和接触点减少，使触头接触电阻迅速增

4、大，在电极表面出现局部集中的电流，使电极上出现炽热点，阴极中的电子因此获得足够的动能逸出到空间。这种因炽热使电极表面向周围空间发射电子现象，称为热电子发射。(3) 碰撞游离 从阴极表面发射出来的自由电子，在电场的作用下，向阳极做加速运动，并不断地与触头间介质的中性质点碰撞。当自由电子在加速运动过程中所积累起来的动能大于中性质点的游离能（使电子释放出来的能量）时，中性质点被碰撞分离为电子和正离子，称为碰撞游离。新产生的电子和原来的电子一起向阳极做加速运动。当他们和其他中性质点碰撞时又再一次发生碰撞游离，碰撞游离连续进行的结果，将在触头间产生了大量的电子和正离子，使介质击穿，引起电弧。 使触头间介

5、质被击穿的电压称为击穿电压。(4) 热游离 介质在高温作用下产生游离称为热游离。在电弧产生后，弧隙温度很高，此时在高温下的介质分子和原子的无规则热运动将更严重加剧，中性质点间也会因此碰撞而发生碰撞游离，游离出电子和正离子。 电弧稳定燃烧时，弧柱温度很高，电弧电压和弧柱的电场强度很低，碰撞游离作用减弱，此时弧柱的游离作用由热游离维持。当电弧温度很高时，一方面阴极表面发射电子，另一方面会引起金属触头熔化、蒸发，以致介质中混有金属蒸气，使弧隙电导增加，电弧将继续炽热燃烧。 从以上可见，阴极表面在高电场作用下发射电子，这些电子在触头间电压作用下产生碰撞游离，形成电弧。在电弧高温下阴极表面热发射及介质中

6、的热游离，使电弧得以维持和发展。这就是电弧的形成过程。2.2电弧的熄灭 游离是在外加电压和电弧电流作用下，电子和离子不断产生的过程，也就是电弧的产生和维持的过程。与此同时，在弧柱中还存在着电子和离子消失（减少）的过程，使电弧电流减少，以致使电弧熄灭，称为去游离。在稳定燃烧的电弧中，这两个过程处于动态平衡。如果游离现象大于去游离现象，电弧将继续炽热燃烧；如果去游离大于游离，电弧越来越弱，最后熄灭。因此使去游离大于游离就是电弧熄灭的基本原理。去游离的方式主要是复合与扩散：(1)复合 弧隙中带正电或带负电的质点，在运动中彼此结合形成中性质点的过程，称为复合。电子的运动速度约为离子运行速度的1000倍

7、，因此，电子和离子的直接复合可能性很小。但是，电子在碰撞时先附着在中性质点上形成负离子，然后与运动速度大致相等的正离子相互吸引、接触而形成中性质点（中性分子）。 复合过程的快慢，主要决定于离子运动的速度。使弧柱场强减小，降低电弧温度，增大气体压力，升高气体密度等，均可减小离子运动速度，增加离子间接触机会，加强复合。(2) 扩散扩散是弧柱中的自由电子及正离子由于热运动从弧柱内逸出进入周围介质的一种现象。电弧中的高温自由电子和正离子由密集的空间向周围密度小、温度低的介质扩散，并与介质中带异性电的质点结合，形成中性分子。电弧与周围介质温度差以及离子浓度差愈大，扩散作用愈强。采用冷的、新鲜的、未游离的

8、气体吹动电弧，可使电弧在周围介质中移动，加强与新鲜介质接触，一方面带走电弧的热量，另一方面增大电弧与周围介质的温差，加强扩散，有利于灭弧。 电弧熄灭与否，取决于游离与去游离两个因素作用的结果。当弧柱中去游离大于游离时，电弧中离子减小，电弧电阻增加，电流减小，最后电弧趋于熄灭。 直流电弧的熄灭 在开断直流电路时，若灭弧能力过强，灭弧速度过快，将会产生过电压。因为电路中有电感存在，在电流变化时，在电路中产生自感电势，这电势叠加在电源电压上，在线路上产生操作过电压，危及线路中的电器绝缘，并会使电弧重燃。过电压的数值与线路电感和电流变化速度有关。线路电感一定，熄弧时电流下降的速度愈快，过电压愈高。 在

9、高电压大容量的直流电路（如大容量发电机的励磁回路），多采用冷却电弧原理等方法来熄弧；也可采用逐渐增大串联电阻的方法来灭弧。这样就增大了灭弧能力，又限制了电流下降的速度，避免产生过高电压。交流电流每半个周期经过一次零值。此时，电源停止向弧隙输入能量，而弧隙由于不断散出热量，温度下降，热游离作用迅速减弱，电弧暂时熄灭。但是由于弧隙的温度很高，热游离尚在继续，在弧隙电压的作用下，弧隙仍有电流通过，电源仍向弧隙输入能量，使弧隙温度升高，热游离加强。若输入能量大于散出能量，即弧隙中游离过程大于去游离过程，电弧将重燃。这种由于热游离而引起电弧的重燃称热击穿。反之，如果电流过零后，输入能量小于散出能量，弧隙

10、温度将继续下降，热游离基本停止，弧隙由导电状态向介质状态转变，电弧即熄灭。电流过零时，电弧暂时熄灭，但弧隙介质绝缘能力要恢复到正常情况需要一定时间，称为介质强度恢复过程。在此过程中，弧隙所承受而不致使弧隙击穿重燃的临界电压称为介质的击穿电压uj（t）。与此同时，弧隙电压由熄弧电压，经一定时间，逐渐恢复到电源电压，这是弧隙电压的恢复过程。随着电压的升高，游离因素加强，可能引起间隙再击穿，称为电击穿，电弧重燃。交流电弧的熄灭 交流电流过零后，电弧熄灭是否会重熄，取决于介质强度恢复过程与弧隙电压恢复过程相互作用的结果。只要电流过零后，弧隙的介质击穿电压uj永远大于弧隙恢复电压uhf，弧隙不被击穿，电

11、弧即熄灭。否则，电弧将重燃，如图6.1-1。因此交流电弧的熄灭条件是：电流自然过零后，弧隙介质强度恢复曲线高于电压恢复曲线，uj（t）uhf（t）。交流电弧的熄灭3.3 熄灭电弧的方法 加强弧隙的去游离，或减小弧隙电压的恢复速度，都可以促进电弧熄灭。广泛采用的灭弧方法，有以下几种。(1)吹弧温度对熄弧影响很大，温度愈低，热游离愈不易发生，能加快去游离，而且介质的绝缘强度随温度的降低而增加。介质强度恢复的快慢，在很大程度上决定于弧隙温度降低的速度。因此，冷却电弧是熄弧的重要方法之一。用气体或液体介质吹弧，既能起到对流换热、强烈冷却弧隙的作用，也可以部分取代原弧隙中游离气体或高温气体。气体流速大，