电气设备精品课程教案2.doc

山 西 电 院 目 标 教 学 教 案任课教师 教研室主任 编写日期 年 月 日 审批日期 年 月 日授课日期班 级教学内容：任务2 断路器的认知素质目标：强烈的责任心和团队意识，安全第一的工作理念能力目标：能分析电弧的形成机理和熄灭方法能进行断路器操作能区分断路器的型号及其应用知识目标：电弧的危害熄灭电弧的基本方法断路器的作用及分类断路器的基本电气参数、型号意义和应用断路器的结构教学重点：电弧的产生与熄灭断路器的结构、操作机构的结构教学难点：电弧的熄灭条件断路器灭弧装置的结构以及灭弧过程教学方法：现场教学法、直观教学法、多媒体课件辅助布置作业：电弧是如何形成的？ 电弧的熄灭方法有哪些？断路器的作用是什么？断路器有哪些类型？课后分析：教 学 内 容 及 板 书过 程 设 计 及 提 示任务2 断路器的认知一、电弧的危害及特点电弧实际上就是一种气体放电现象。中心区温度可达到10000K以上，而且电弧还可以导电。危害：烧坏触头、使开关失去作用。二、电弧的产生空气中有足够多能发挥导电作用的自由电子，就由绝缘体变为导体，也就是电弧。产生自由电子的形式有：1、气体中金属表面的游离触头开断初瞬间自由电子的生成：由阴极表面强电场和热电子发射出自由电子。强电场发射电子：触头刚分离，触头间距离小，电场强度大，当E3106V/m时，阴极触头金属表面的自由电子在电场力作用下被拉出金属表面。发射的电子数由E决定。热电子发射：触头刚分离时，接触压力和面积使接触R，接触处温度，此处电子获得动能发射出来。发射电子数与阴极材料和表面温度有关。2、气体分子本身的游离碰撞游离：自由电子在电场力作用下向阳极加速运动，不断与其他中性气体质点（原子或分子）碰撞，当E足够大，电子所受力够大，两碰撞间自由行程够大，电子动能够多就能使中性质点游离，产生新的自由电子和正离子。热游离：由热状态引起的游离过程。处于高温下的中性质点由于高温作用而产生强烈的热运动，不断碰撞，产生热游离，供给弧隙大量电子和正离子。三、电弧的熄灭 电弧区导电的自由电子减少，导电性能会变差。电子越来越少，最终会熄灭。 带电质点消失的过程称为去游离，去游离的形式分为中和、扩散、复合。 1、在外电场的作用下，气隙中的正、负电荷分别向两电极作定向运动，到达两极后发生电荷传递而中和。2、复合：异性带电质点相遇，电荷中和成为中性质点的现象。3、扩散：电弧内的自由电子和正离子散溢到弧柱外面并与周围未被游离的冷介质相混合的过程。因此电弧熄灭的条件为：去游历作用游离作用。 四、熄灭电弧的基本方法1、吹弧用灭弧介质（油、气体）在灭弧室吹动电弧。吹弧方式：纵吹：吹动方向与电弧轴线一致，新鲜介质更好地与电弧相接触，把电弧吹成若干细条而冷却变细，易于熄灭。用于110KV及以上的断路器。横吹：吹动方向与电弧轴线相垂直，电弧拉长，表面积冷却效果好。灭弧室尺寸小，适用于较低电压的断路器。2、采用多断口每相两个或多个串联的开断口。多断口使电弧总长度加长（电弧被拉长的速度成倍），Rh；每个断口的行程，触头分离速度；加在每个断口上的电压，介质绝缘强度恢复，灭弧性好。3、近阴极效应的应用近阴极效应在阴极附近很薄的一层空间，一定的介质强度突然形成的现象。近阴极效应对低压短弧的熄灭有重要作用。高压长弧中近阴极介质强度与加在电弧上高压相比很小，故不起多大作用。低压开关中采用灭弧栅装置（由铁磁材料制成的金属片组成短弧栅格），就是利用近阴极效应将电弧分割为多个短弧，每个短弧产生150250V的起始介质强度，只要它们的总和足够大，电弧就不会重燃。4、利用固体介质的狭缝灭弧低压开关也广泛采用狭缝灭弧装置，它由石棉水泥或陶土材料压制成的灭弧罩和磁吹装置构成。触头间产生电弧后，在磁吹装置产生的磁场作用下，对电弧产生电磁力，将其拉入由灭弧片构成的狭缝中，使电弧拉长，并促使电弧与灭弧片冷壁紧密接触，加强冷却；另外，在灭弧罩上，电子更易附着在中性质点上形成负离子，使复合，灭弧效果好。五、高压断路器的用途要求和分类1、高压断路器的用途控制和保护作用2、高压断路器的基本要求（1）工作可靠性高；（2）足够断路能力、足够动、热稳定；（3）尽可能短的切断时间；（4）实现自动重合闸；（5）结构简单、价格低廉。3、高压断路器的分类按灭弧介质分为：（1） 油断路器（2）真空断路器（3）六氟化硫断路器按安装地点可分为：户内和户外式两种。六、高压断路器的技术参数和型号含义1、技术参数（1）额定电压：长时间运行能承受的正常工作电压。决定QF的绝缘水平、总体尺寸和灭弧条件。（2）最高工作电压：220KV及以下为1.15Ue，330kv以上为1.1Ue。（3）额定电流：在Se下允许长期通过的工作电流。决定QF的触头及导电部分的截面、结构。（4）额定开断电流：在Ue下，QF能可靠切断的最大电流。（5）额定断流容量：表明QF的切断能力。（6）动稳定电流：QF在冲击短路电流有作用下，承受电动力的能力。（7）热稳定电流：QF在某一规定时间内允许通过的最大电流。（8）合闸时间：从发出合闸命令（合闸线圈通电）起至QF接通为止所经过的时间。（9）分闸时间：从发出分闸命令（分闸线圈通电）起至三相电弧完全熄灭所经过的时间。为QF固有分闸时间和熄弧时间之和。2、高压断路器型号的含义 1 2 3 4 5 6 7 1产品名称 S少油、D多油、K空气、LSF6、Z真空、Q产气、C磁吹2装设地点 N户内、W户外3设计序号4Ue（kv）5补充工作特性 G改进型、F分相操作6Ie（A）7额定断流容量（MVA）七、高压断路器的基本结构主要有三大部分和其他附件组成：1、导电系统2、灭弧装置3、操作机构4、其他附件（一）少油断路器油作用：灭弧介质、触头间绝缘。不作相与相或相与地绝缘（用空气、陶瓷或有机绝缘材料）特点：用油量少（同参数多油QF的10%），V小，重量轻，结构简单，省钢材，防火防爆，价廉。缺点：检修周期短，户外受气候影响大，配套性差。应用：6220KV（20KV下户内、35KV及以上户外）1、在油中开断电流的情况电弧使油蒸发、分解，产生氢气、CH4、乙烯、乙炔，形成气泡，并在气泡中燃烧。H2占7080%，热导率高，很强的扩散作用。H2及其他冷、热气体对弧道产生冷却和去游离作用，ih0时更强烈，利于灭弧。灭弧室：P，油流动，与电弧接触，灭弧。2、油吹灭弧室原理（1）纵吹由灭弧隔板和绝缘筒构成（隔板间油囊）。（2）横吹灭弧横的吹弧道口、贮气室合闸时动触头自上而下与静触头接触，动触头杆恰好将横吹弧道口堵死。分闸时动、静触头分离，产生电弧，灭弧室下部的油汽化、分解产生高压力气泡，当动触头杆打开横吹弧道口时，油、气体横向吹弧，拉长电弧冷却熄灭。（3）机械油吹导电杆带动活塞快速运动产生附加油流。3、SN1010系列少油断路器结构先进、性能良好的轻型开关，广泛用于厂、所、用户配电室。4、SW2-110、SW2-220系列少油断路器主要部件组成：底座和支持绝缘子、中间传动机构、导电系统、灭弧室、并联电容器、绝缘拉杆、合闸保持弹簧、注油、放油及密封等。灭弧室结构：铝帽、玻璃钢绝缘筒、灭弧断口绝缘子、接线座以及装在绝缘筒内的灭弧管等。双筒结构、横、纵吹灭弧原理。（二）真空断路器1、原理利用真空度为6.610-2Pa以上的高真空作为内绝缘和灭弧介质。真空的绝缘强度比油、1个大气压下的SF6和空气的高。2、基本结构和灭弧过程总体结构分为悬臂式和落地式两种。主要由真空灭弧室、支架和操动机构三部分组成。真空断路器的触头一般采用磁吹对接式，要求导电性好，耐弧性能、耐热性能好、可靠开断大电流。触头的中间是一接触面四周开有三条螺旋槽的吹弧面，触头闭合时，只有接触面相互接触。开断电流时，最初在接触面上产生电弧，在电弧磁场作用下，驱使电弧沿触头四周切线方向运动，即在触头外缘上不断旋转，避免了电弧固定在触头某处而烧坏触头。3、真空QF的优点：（1）熄弧过程在真空灭弧室完成，电弧和炽热气体不会向外喷油，不污染周围环境。（2）熄弧能力强，触头行程小，操作机构的操作小，整个QF的体积小、重量轻，安装方便。（3）熄弧时间短，电弧压力低、电弧能量小、触头磨损小分断次数多，寿命长，适于频繁操作。（4）开关操作时噪音小，振动轻微，适于城区或要求安静的地方。（5）灭弧介质为真空 ，与海拨无关，没有火灾危险性。（6）灭弧室使用期限内，触头不需维修、检查。（三）SF6断路器（简称GCB）1、 SF6气体性质及对SF6断路器的影响无色、无味、无毒、不燃的惰性气体，易液化（与压力有关），分子量146为空气5.1倍，化学性能稳定，不与其他物质发生化学反应，对金属没有腐蚀作用。绝缘性能好。灭弧性能好高温下少量SF6气体分解并产生化学反应，生成物在电弧消失后能很快重新组合成SF6分子。SF6气体长期密封多次使用不会变质减少。2、 SF6断路器性能特点（1）灭弧能力强，介质强度高，可提高单断口的额定电压和开断电流，工作可靠，性能稳定。（2）满容量开断次数多，检修周期长。SF6气体分解物不含氧气，触头不会被氧化。（3）开断性能好。开断大电流时间短，小电流不会截流而产生过电压。（4）结构简单，断口少，占地少，污染和噪音小，无爆炸和火灾危险，利于生产、维护和管理。（5）缺点是要求加工精度高，密封好，对水分和气体的测量和控制要求严。3、 SF6断路器结构类型110KV及以上的高压GCB，一般采用瓷柱式和落地罐式。（1）瓷柱式优点是结构简单，用气量少，金属量少，系列性好（单元串），缺点是稳定性差，不能装CT。（2）落地罐式优点是抗震性好，灭弧断口间电场好，断流容量大，可装CT。还易组成全封闭组合电器。缺点是系列性差，金属量多，用气量大，制造难度大，价高。（3）中压级GCB 旋弧式、气自吹式、压气式。35KV及以下的GCB总体结构常做成小车式。4、灭弧室结构及灭弧过程（1）单压式（也称压气式）只有一种压力系统，一般3-6个大气压（常用0.6Mpa）的SF6气体作内绝缘，分闸过程中，压气缸与动触头同时运动，将压气室内的SF6气体压缩，建立较高电压，触头分离时触头喷口间产生高速气流，通过喷嘴射向电弧，形成纵吹。分断结束后，压气作用也结束，触头间恢复低压力状态。结构简单，易于制造，可靠性高，维护容易。开断电流小，时间长。（2）双压力式灭弧室有高低压两个气压系统，据灭弧室内压力分为常充高压式和瞬时充高压式。低压力区（3-6个大气压）SF6气体作内绝缘，高压力区（10-15个大气压）SF6气体灭弧。分闸时，排气阀打开，高压气体向低压区放气，吹熄电弧，电弧熄灭后，排气阀关闭，高压力区喷向低压力区的气体经气体循环系统及压缩机打回高压区。开断电流大，动作快，结构复杂，价格高，维护困难，要严格控制水分。八、断路器的操动机构操动机构带动高压断路器传动机构进行合闸和分闸的机构。1、操动机构的基本要求（1）足够的操作功率 合闸功率比分闸功率大（2）动作迅速 全分闸时间不大于0.08s，甚至0.02-0.04s。固有分闸时间占一半以上。（3）工作可靠、结构简单、体积小、重量轻、操作方便。2、操动机构的类型及特点（1）手动式：靠人力合闸、弹簧力分闸、有自由脱扣机构、构造简单、Ikde6.3KA。缺点是受人力限制，合闸时间长，不能实现自动重合闸。（2）电磁式：用电磁铁将电能变为机械能作合闸动力。结构简单、运行可靠、能用于自动重合闸和远距离操作。多用于1035KVQF。（3）弹簧式：用弹簧预先贮存的能量作合闸动力。成套性强、耗用功率小，结构复杂、加工工艺及材料性能要求高、机构本身重量随操作功率增加而。（4）液压式：用压缩气体（N2）作能源，以液压油作传递能量的媒介，推动活塞做功，使QF合闸或分闸。压力高、出力大、体积小、传递快、延时小、动作准确、出力均匀。用于110KV及以上少油QF和SF6QF。（5）气动式：用压缩空气分闸、用弹簧力合闸，结构简单、动作可靠。3、操动机构的组成（1）作功与贮能部分：将其他形式的能量转换为机械能。（2）传动系统：改变力的方向、位置、行程及运动性质。机械连杆机构，要求机械能量损失小、动作准确、寿命长。（3）维持机构与脱扣机构：将已完成的合闸操作可靠保持在合闸状态，有时称“搭钩”，后者为解除合闸的机构“一碰即脱”。小结：1、 电弧的产生与熄灭。2、 各类断路器的结构。3、 操作机构的结构。引入：从下雨闪电时就是一种强烈的气体放电现象，也就是一个非常壮观的电弧引入本节内容。电弧的本质：气体放电。特点：高温、导电。并不是所有的电弧都有危害，比如可以利用电弧进行电弧焊接、电弧炉冶炼、电除尘等。总结：电弧产生的过程可分为以下几个阶段：首先，在强电场的作用下，由阴极表面强电场和热电子发射出自由电子；然后，由碰撞游离产生大量的新的电子，形成电弧；最后，由热游离维持放电进行，维持电弧稳定燃烧。另外，由于热平衡，电弧温度达某一值后不再升高，电导达某一值后也不再升高，热游离将在一定强度稳定下来，达到平衡。提示：电子的速度比离子的快得多，因此电子与离子复合的概率比正、负离子复合的概率小得多。一般情况下，电子先附在中性质点形成负离子，速度变小，再与正离子复合。另外，复合概率与弧温和截面积有关，温度低，截面小，易复合；与E有关，Ev复合。扩散是由于电弧与周围温度之差和浓度之差引起的。多断口灭弧性能好的原因： 1、拉长了电弧的长度。 2、触头分离速度快。 3、每个断口的电压小。控