低压电器讲义低压电器概论教学PPT.ppt

1,低压电器讲义 第一讲 低压电器概论,西安交通大学 刘志远 2006年7月,2,自我介绍,刘志远 1994沈阳工业大学电器本科毕业 1997沈阳工业大学电器硕士毕业 2001西安交通大学电器博士毕业 20012002通用电气公司研发中心 2003西安交通大学电器教研室 2005西安交通大学电气工程博士后出站,3,课程目标,在学习基础课程电器理论基础之后，学习有关低压电器的工作要求、工作原理、技术参数、结构性能分析和试验研究的基本知识。,4,达到要求,了解配电线路及用电设备对低压电器的基本技术要求及低压电器的主要技术参数； 熟悉主要典型电器结构原理及特性参数； 掌握低压电器试验的目的要求及基本方法。,5,内容安排,第一讲 低压电器概述 低压断路器的发展历史 低压配电线路和用电设备对低压电器的要求 低压电器的用途、分类和技术性能 第二讲 常见控制电器的结构、原理和应用 第三讲 常见配电电器的结构、原理和应用 第四讲 低压电器试验的目的要求及基本方法 低压电器复习和考试,6,为什么要了解低压电器？,电能在现代生活中的作用 电能的生产、输送和使用需要不同的电压 低压电网 交流50Hz或60Hz，额定电压在1200V及以下 直流额定电压在1500V及以下,7,低压电器的作用,在低压系统中，根据外界指定信号和要求，自动或手动接通和断开电路，断续或连续地改变电路参数实现对电路或非电对象切换、控制、保护、检测、变换和调节用的电气设备。,8,低压断路器,能够接通、承载及分断正常电路条件的电流，也能在规定的非正常条件下（如过载、短路、欠电压以及发生单相接地故障时）接通、承载一定时间和分断电流的开关电器。 过去称之为自动开关、空气开关和空气断路器。,9,低压断路器的功能,人为地闭合或断开供应电能的电路，以达到送电、停电、隔离和转换电路的目的。 当电路出现任何异常情况，例如过载、欠电压、短路和漏电时，可自动地将负载从电网中断开，以保证操作人员的安全和电气设备的正常运行，防止引起人身死亡事故或酿成火灾。,10,低压断路器的发展历程,19世纪中叶电能应用初期 刀开关和熔断器 1885年早期低压断路器 刀开关基础上加上过电流脱扣 1892年磁吹灭弧室 电弧冷却,11,低压断路器的发展历程,19世纪末三相交流系统出现 大短路电流，自由脱扣 自由脱扣指断路器合闸过程中如操动机构又接到分闸命令，则操动机构不应继续执行合闸命令面应立即分闸。断路器需要提供自由脱扣操作功能，是因为断路器关合预伏短路故障时，操动机构要提供能量使得断路器能开断这个短路故障。因此操动机构的合、分应是相互独立，互不干涉的。,12,低压断路器的发展历程,1930年代不同原理的灭弧室结构 金属栅片、绝缘栅片、矿物油作灭弧介质 万能式断路器 所有零件安装在一个绝缘的底板或基架上，易于制成各种操作方式，满足各种使用场合的要求。 1920年塑料外壳式断路器（欧洲）,13,低压断路器的发展历程,1950年代末限流技术（法国） 大大提高了低压断路器的短路分断能力，发热和电动力也大大减轻。,14,低压断路器的发展历程,保护特性 瞬动保护电磁式脱扣器 过载延时和短延时脱扣双金属片，油阻尼、空气阻尼等 1960年代半导体脱扣器 最新发展电子脱扣器和智能脱扣器,15,我国低压电器的发展历程,1949年以前空白 1953年仿苏 DW1、DW2系列万能式低压断路器 DZ1塑壳式低压断路器 1960年代初到1970年代初第一代产品 自行开发设计，相当于国外50年代水平 1970年代后期到1980年代第二代产品 引进国外技术完成更新换代，相当于国外70年代末、80年代初水平,16,我国低压电器的发展历程,1990年代第三代产品 跟踪国外新技术、新产品自行开发、设计、研制 达到国外1980年代末，90年代初水平 2004年准第四代产品 上海电器科学研究所 西安交通大学、河北工业大学、福州大学、哈尔滨工业大学等,17,低压电器的新技术发展,现代设计技术 三维计算机辅助设计系统与制造软件系统的引入（CAD，CAM） 电器开关特性的计算机模拟和仿真（CAE，ANSYS，ANSOFT，ADAMS，FLUENT） 现代化的样机测试手段 新型灭弧系统和限流技术 磁场、气压、双断点限流技术等,18,低压电器的新技术发展,计算机网络应用 现场总线技术 智能化电器与中央计算机通过接口构成自动化通信网络从集中式控制向分布式控制发展。 可靠性技术 机理研究；可靠性指标研究；可靠性实验装置；提高可靠性研究,19,低压电器的发展趋势,传统低压电器的发展 高性能 高可靠性 小型化 电器本身尺寸小 减小喷弧距离或实现“无飞弧”以缩小开关柜尺寸 组合化 不同功能的电器组合在一起，结构紧凑，保护特性得到良好配合。 组合化低压电器CPS兼有接触器、断路器和过载继电器功能,20,低压电器的发展趋势,传统低压电器的发展 模块化 制造过程大为简便，不同模块积木式组合，实现不同功能要求。 新一代小容量接触器可机械联锁、延时元件、辅助触头和瞬态过电压抑制元件等模块。 模数化 使电器外型尺寸规范化，便于安装和组合。 以C45系列为代表的各种品牌的小型化高分断能力低压断路器，不同系列中不同额定值均可安装在35mm的安装轨上，并可与模数化的熔断器、隔离开关和电源插座等组合安装在一个安装平面上。 零件通用化,21,低压电器的发展趋势,可通信低压电器的发展 低压电器能与上位机或中央计算机进行双向通信，低压电器正在向电子化、集成化、智能化方向发展。,22,电器开关需要哪些性能？,取决于低压配电线路和用电设备对低压电器的要求,23,低压配电线路和用电设备对低压电器的要求,三个区间 主线路供电变压器至中央配电盘母线；配电电器，刀开关和断路器。 分支线路中央配电盘母线至车间动力配电盘；配电电器，熔断器和断路器。 馈电线路动力配电盘至负载（电动机）；控制电器，控制和操作负载，接触器，热继电器。配电电器，熔断器。,24,配电电器,从应用场所的不同要求分为配电电器与控制电器 配电电器主要用于配电系统中。 系统对配电电器的要求在正常工作及在故障工作情况下，工作可靠，有足够的热稳定与动稳定性。 常见配电电器刀开关、断路器、熔断器等,25,控制电器,控制电器主要用于电力拖动控制系统和用电设备中。 系统对电器的要求工作准确可靠、操作效率高、寿命长等。 常见控制电器接触器、控制继电器、主令电器、起动器、电磁铁等。,26,接触器,远距离操作，在正常工作条件下频繁地接通或分断线路，也能分断被控制对象处于非正常工作条件下的线路，但不能分断短路电流。,27,接触器和热继电器组成的控制线路,接触器线圈通电，启动电动机 常开触头闭合，线圈回路自锁 电动机过载时，双金属片弯曲，推动常闭触头使接触器线圈失电，切断电动机 即使热继电器触头复位，联锁触头断开，主回路不能接通,28,电器开关需要哪些性能？,低压电器主要用作配电线路和用电设备的保护和控制。 在线路中，不同的电器所承担的任务是不同的。由于通断线路的任务不同，因此对不同的低压电器的技术要求不同。 断路器主要任务接通和分断短路电流 接触器主要任务 接通起动电流是额定电流的67倍 分断电动机的额定电流,29,短路电流对电器的影响,巨大的电动力效应和热效应导体变形，绝缘破坏 用电负载或供电区域停电 减轻短路影响，保证电气装置安全可靠运行，应尽快按需要切除线路的故障部分。 为可靠分断短路电流而设计的低压电器断路器、熔断器 不能分断短路电流的电器，要能在短时间内经受住短路电流的冲击不致破坏。,30,系统对开关电器的要求,配电电器的通断能力和通断条件 短路一旦发生，要求线路上能开断短路电流的配电电器切断短路电流，如断路器ZK1，ZK2和熔断器RD。 开关电器在使用中可能碰到在故障下进行合闸的情况，因此要求一些配电电器能够接通此故障下的短路电流，而本身不应损坏。 即要求它有足够的接通和分断能力,31,短路电流接通能力,32,短路电流接通能力,电器的接通能力决定于短路电流的最大峰值，即短路冲击电流值，因为它产生的强大电动力可能使电器触头在接通过程中斥开，而导致触头熔焊。 表征配电电器接通能力的参数是额定短路接通能力，它是在规定的电压、频率以及规定的功率因数（交流电器）或时间常数（直流电器）下断路器能够接通的电流值，即最大短路电流的峰值。,33,短路电流接通能力,交流电器的接通能力一般用额定短路分断电流乘上峰值系数n来表示。,34,额定短路分断能力,在规定电压、频率以及一定的功率因数（或时间常数）下断路器能够分断的短路电流，交流电器是用周期性分量的有效值表示。 配电电器的通断能力要求与使用场所有关，不同的 配电线路、配电变压器的容量，以及不同的短路点，通断能力的要求也不一样。不同大小的短路电流相应的功率因数也不同。 短路电流随变压器容量的增大而增大 馈电线路短路电流小,35,电器的动稳定性,电器的动稳定性是电器承受短路电流的电动力作用而不致损坏的能力。 由于电动力与电流的平方成正比，所以电器的电动稳定性可用允许通过它的电流峰值（冲击电流）来表示。 对于交流配电电器取短路电流的冲击电流值，对直流配电电器取短路电流的最大值,36,电器的热稳定性,电器的热稳定性是指电器承受规定时间内短路电流产生的热效应而不致损坏的能力。 热稳定电流用短路电流周期分量的有效值表示。 短路电流的发热决定于电流平方值与时间的乘积(I2t)，低压电器标准规定取1s的热稳定电流。,37,电器的热稳定性,配电电器在线路上经受短路电流作用的时间不相同，不同短路持续时间t的热稳定电流可用给定的1s热稳定电流的I2t乘积保持相等来换算。 电器的热稳定电流也称短时耐受电流。 我国低压电器标准规定：电器的电动稳定性可取短时耐受电流与峰值系数的乘积作为允许通过的短路冲击电流值。,38,限流断路器和限流熔断器,使用限流电器可使得截断电流峰值、焦耳积分值I2t都较原先小，所以线路承受的短路电流的热和电动力效应大为减轻，即能承受的预期短路电流增大了。,39,控制电器的通断能力,控制电器是用来控制用电设备在正常工作下的通电和断电。通常的用电设备是电阻炉和各种类型的交直流电动机。 电阻元件负载，起动电流与起动后工作电流基本相同 电动机负载，接通和分断条件有很大差别。 绕线型电动机，起动电流是额定电流的2.5倍；如果在起动过程中分断电流，分断电流基本上与起动电流相等。 笼型电动机，起动电流是额定电流的6倍以上；如果在正常运行状态下分断，分断电流为电动机的额定电流；电动机点动运行时，分断电流接近起动电流。 控制电器的特点是频繁操作，电寿命长,40,配电线路与用电设备的保护,低压配电线路和用电设备在运行中应该安全可靠，当发生各种故障对用电设备和人身安全造成威胁时，要求安装在低压配电线路上的各种低压保护电器能够按需要及时切除线路的故障部分。,41,对不同用途低压电器的要求,过电流保护 欠压与失压保护 断相保护 漏电保护,42,过电流保护,短路和过载都属于过电流现象，是低压系统最常见的故障。 过电流保护特性保护电器动作时间t与通过它的电流的函数关系。动作时间指从短路或过载开始到切除故障所需的时间。 t=f(I)或t=f(I/IN),43,过电流保护,过载保护电器，其保护特性不是要求快速切断故障线路，而是与被保护设备的过载热特性有良好的配合。 充分利用电动机的过载能力反时限保护特性（如双金属热继电器）。,44,过电流保护,当配电线路发生短路故障后，从减轻对线路破坏的角度看，要求线路上保护短路故障的电器瞬时动作。但是这样势必造成配电线路大范围停电，是不允许的。 选择性开断各级保护电器的动作时间有差别，越靠近电源的电器动作时间越长。,45,过电流保护选择性,46,过电流保护选择性,反时限动作部件长延时过电流脱扣器 短路故障动作部件瞬时过电流脱扣器 短延时动作部件短延时过电流脱扣器,47,欠压和失压保护,低压配电线路运行时，由于短路故障等原因，会出现短时间内线路中电压大幅度降低甚至消失的现象，给线路和用电设备带来损伤。 电压降低到一定程度时，会出现电动机疲倒、堵转，使大批电动机同时出现几倍的过电流。 已停转的电动机在电压复原瞬间会同时自起动，线路电压重新大幅度下降。,48,欠压和失压保护,临界电压引起电动机疲倒时的电源电压称为临界电压。 欠压保护当线路电压降低到临界电压时，要求保护电器就动作。 失压保护当电源电压恢复正常时，保护电器（如接触器）线圈不能自动通电，只有在操作人员再次按下起动按钮后电动机才会起动。,49,断相保护,单相运转是三相感应电动机烧坏的主要原因之一。 单相运行原因： 熔断器一相熔断 电源线或电动机绕组一相断线 电机绕组引出线和接线端子间联接松开 刀开关、断路器、熔断器或接触器一相触头接触不良或变压器一次侧一相开路等。,50,断相保护,断相保护电机断相运行时采取保护手段，如采用热继电器。 电机绕组为星形联接时，线路中的热继电器直接反映各相绕组的电流值，用三相热继电器可对电动机进行断相保护。 电机绕组为三角形联接时，可能出现绕组电流超过额定值，但流过热继电器的电流却小于动作电流，使得一般的热继电器不能正确反映绕组电流变化。热继电器应附加差动机构。,51,漏电保护,触电电流和触电持续时间的乘积为30mAs作为安全临界值。 专门用于漏电保护的电器剩余电流动作断路器(Residual current operated breaker, RCOB)或剩余电流动作保护器(Residual current protection device, RCD)。以前称漏电开关，或漏电保护断路器。,52,漏电保护,由断路器本体、零序电流互感器和脱扣器组成。 正常情况下三相平衡，通过零序电流互感器的电流过零。 当有接地漏电触电事故时，漏电电流或触电电流通过大地回到变压器中性点，因而三相电流矢量和不为零。 零序电流互感器的二次线圈中有感应电流产生，达到动作值时，漏电脱扣器动作，推动断路器分断线路。,53,保护特性的配合,电器与被保护对象特性的良好配合； 保护电器之间特性的良好配合。,54,电动机保护,曲线1为电动机允许过载特性 曲线2与曲线1配合良好 曲