第九章 高压电器的原理

教学内容

第一节电力开关的开断及电弧现象

知识要点:电弧现象的物理本质、物理特征、电弧产生过程、交流电弧熄灭、加快交流电弧熄灭的方法。


第二节高压断路器

知识要点:高压断路器在电网中的主要作用、高压断路器的种类和型号、基本结构、技术参数、六氟化硫断路器的特点、性能和适用场所、真空断路器的特点、性能和适用场所、断路器的操动机构。


第三节隔离开关

知识要点:隔离开关的作用、特点、种类、结构、操动机构、隔离开关闭锁装置。


第四节其他开关电器

知识要点:高压熔断器的结构、原理、工作性能、型号、种类、接地开关、高压负荷开关。


第五节互感器

知识要点:互感器的分类、主要作用、电流互感器的结构、分类、型号等、电流互感器的工作原理和特点、电流互感器的配置及接线、电压互感器的分类、型号、结构、工作原理和特点、电压互感器配置及其接线。


第六节六氟化硫全封闭组合电器

知识要点:组合电器的分类及主要结构、特点。


教学重点与难点

1.教学重点:电弧现象的物理特征、电弧产生过程、交流电弧熄灭、加快交流电弧熄灭的方法、高压断路器在电网中的主要作用、真空断路器的特点、隔离开关的作用、隔离开关闭锁装置、高压熔断器、电流互感器的特点和作用、电压互感器的特点和作用。

2.教学难点:高压断路器在电网中的主要作用、互感器。


本章大纲

发电厂、变电所的任务是生产和分配电能,除了必要的接线方式外,它们还需要一次设备和二次设备。

一次设备指接触高压部分的设备,它直接生产和分配电能,常见的一次设备有高压开关设备(断路器、隔离开关)、高压保护设备(熔断器、避雷器、电抗器)、高压测量设备(互感器)。

二次设备不直接联系电能,它的作用是监测、控制、保护一次设备。

比如说测量仪表检测、控制电缆控制、继电保护装置保护一次设备。


电弧是一种自持气体放电现象。当开关触头分离时,如果电流超过几百毫安以及电压达到几十伏,就会产生电弧。

电弧燃烧后以热能的形式散发能量,温度极高。因此高压开关必须装设灭弧装置

电弧的特点除了上述的温度高之外,它是一种等离子体,因此质量极小,易形变(灭弧室的气、液流动,甚至是本身产生的电磁力),人们可以利用这一特点快速熄弧。

同时,电弧电流密度大、弧柱区的场强低

电弧的构成

电弧的产生主要和碰撞电离、热电离以及表面电离有关,电弧的消失和带电质点的复合和扩散有关。

产生和消失达到平衡时,电弧稳定燃烧。

交流电路中,无论是开断短路故障电路还是正常运行电路电流,都会产生交流电弧,它的波形是正弦波,每半个周期自然过零一次,过零瞬间弧隙呈150~250V的起始介质强度,我们称其为近阴极效应

交流电弧的灭弧方式有三种:强迫熄弧、截流开断、过零熄弧。

加快交流电弧熄灭的方法有五种:用气或液体吹弧(降低弧间温度,加快去电离过程,绝缘水平随温度降低而增强)、多断口灭弧、快速拉长电弧、电弧分段、用特殊金属材料触头。


高压断路器的作用是控制保护,前者是在正常运行的情况下,后者是在出现故障的情况下,快速切除故障,保证系统的正常运行。

高压断路器需要具备灭弧装置以及操动装置。其中,灭弧装置是断路器的重要组成部分,因此一般具有专门的灭弧室。

高压断路器的分类有很多种,最常见的是分为:油断路器、压缩空气断路器、真空断路器以及六氟化硫(SF6)断路器。

油断路器在如今已经很少见,在此不多做要求。

压缩空气断路器的优点为灭弧强、熄弧快、体积小。

缺点是结构复杂、工艺要求高、有色金属耗量大、需专门的压缩空气制备装置。

在说SF6断路器的特点之前,不得不提下SF6气体的性能。

SF6气体的物理性质是无色、无味、无毒、不可燃亦不助燃的非金属化合物,化学性质稳定。

SF6气体的优点是绝缘好、灭弧强、安全方便、温压范围大、无噪声和无线电干扰、减小设备体积和重量。

SF6气体的缺点是电弧分解物有毒、纯度(杂质)影响设备和气体绝缘灭弧特性、电场均匀度影响绝缘特性。

SF6断路器的优点是:

(1)绝缘好、灭弧强、熄弧快、体积重量小、结构紧凑、安全方便;

(2)开断能力强:开断电流大,开断小电流(电容、电感)时无大过电压,开断声音小、弧压低→触头表面烧损轻微→寿命长。

SF6断路器的缺点是工艺要求高、价格贵。

SF6断路器的灭弧方式有四种:单、双压式灭弧,自能式灭弧以及旋弧式灭弧。

真空灭弧器的特点(优点)是:

(1)绝缘好、灭弧强、熄弧快、体积重量小、安全方便;

(2)触头开距小,开断能力强:开断声音小、弧压低→触头表明烧损轻微→寿命长;

(3)动导杆惯性小、适合频繁操作;

(4)密封容器熄弧:污染小、噪声小;

(5)真空灭弧室结构简单。

总结一下,三种断路器共有的优点是灭弧强、绝缘好、熄弧快、体积重量小、方便安全。

SF6断路器和真空断路器共有的优点是开断能力强。

压缩空气断路器和SF6断路器的共有缺点是工艺要求高。


隔离开关必须串联断路器,只有断路器断开后它才能操作。

隔离开关和断路器及接地刀闸之间要有防误闭锁装置

隔离开关的作用主要是分断无电流的电路,形成明显的断口。

隔离开关没有专用的灭弧装置,结构简单,操作频繁。


互感器的作用是连接转换隔离保护,它连接一次回路和二次回路,将一次回路的高电压、大电流转换为二次回路的低电压、小电流。

隔离作用则是防止强电耦合弱电。

互感器分为电流互感器和电压互感器两大类。

电流互感器的一次绕组串联在回路上,且匝数少;二次绕组相当于短路运行。

电流互感器

电压互感器的一次绕组并联在回路,且匝数多;二次绕组相当于空载(开路)运行。

电压互感器

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