电力开关设备复习资料.docx

第八、九章 电力系统的关合与开断1.短路与短路形式主要由六种不同情况：中性点接地系统的单相接地短路 中性点接地系统的两相接地短路 两相不接地短路 中性点接地系统的三相接地短路 三相不接地短路 中性点不接地系统中断路器异侧两相接地短路2.单相短路电流图1-23.短路故障的关合开关设备要求能关合短路的原因有（为何要进行短路关合P2）： （1）系统中存在“预伏故障”，接通电路时实际上关合了短路故障。电网中在电路接通前已存在或接通瞬间发生的短路故障称为预伏故障。这是非人能预知和控制的。 （2）自动重合闸操作的需要：短路故障大多数是临时性故障、约占85；只有少数是永久性故障，约占5。为保证供电可靠性和自动区分故障线路（自动重合器与分段器的配合），需要断路器和重合器去关合短路。我们常称这种重合闸为试探性重合闸。 （3）人为接地短路操作。 （4）误操作关合短路。这是人为因素的事故，应尽量避免。4.关合空载输电线时的过电压（下面有开断的情况）产生过电压的机理P6：空载线路合闸过电压通常分为两种情况，即正常操作和自动重合闸。产生根本原因是电容、电感的振荡，其振荡电压叠加在稳态电压上所致的。正常合闸时，由于电压波在线路上行进到末端发生反射从而产生过电压；如果是重合闸，线路上有一定残余电荷和初始电压，过电压将更高。现已采用的降低过电压的措施P6有：断路器加装合闸用并联电阻；选相合闸：在关合空载长线时，使断路器在电源电压与初始电压同极性时关合。5.关合电容器组时的涌流简单计算单组投入时的幅值和频率P47.1图1.3涌流的限制P11：一是串联电抗器，用一个约为容抗56的感抗与电容器组串联，就可大大限制涌流的幅值，又可限制短路电流和正常工作时的谐波电流。另一是串联阻尼电阻来接通电容器，通常是在合闸断路器上加装并联电阻来使涌流减少。6.开断电流定义P16：分断操作时，电弧起始瞬间所流过开关一极的电流。短路开断电流通常用两个参数来表征：周期（交流）分量的有效值及直流分量的百分数（相对值）对称开断：不含直流分量或直流分量的影响小到可以忽略的短路故障的分断非对称开断：直流分量的影响不可忽略的短路故障的分断7.恢复电压的基本概念恢复电压P16：开断电流熄弧后，出现于开关一个极的两端子间的电压。该电压可以认为是连续的两段，起初是瞬态恢复电压，接着是工频恢复电压。瞬态恢复电压：具有显著瞬态特性时间内的恢复电压。工频恢复电压：瞬态电压现象消失后的恢复电压。瞬态恢复电压最大值与工频恢复电压幅值之间的比值称为振幅系数。8.弧隙参数对电压恢复的影响影响P23：弧隙参数对恢复电压的影响主要就是残余电阻所起的影响，而残余电阻的存在降低了恢复电压的幅值和恢复速度，即对电压恢复过程起阻尼作用。9.首开极系数K1首开极系数P25：首开极的恢复电压工频分量有效值与电源相电压有效值之比。10.瞬态恢复电压的表示方法（P26、P42）在某些情况下，特别是电压高于100kV的系统中，短路电流相对于所考虑点的最大短路电流而言是比较大的，瞬态恢复电压包括一个高上升率的起始阶段，继之而来的后一阶段上升率比较低。这种波形一般适宜于用四参数法确定的三条线段所组成的包络线来表示。在另外一些情况下，特别是在电压低于100kV的系统中，或系统电压虽高于100kV而短路电流相对较小且经变压器供电的条件下，瞬态恢复电压接近于一种阻尼的单频振荡波，这种波形适宜用于两参数法确定的两条线段所组成的包络线来表示。11.近区故障近区故障是指在大容量的系统中，距断路器出线端几百米至几公里的架空线路上发生的短路故障，也有称为近距故障。近区故障难以开断的原因：其弧隙电压起始部分的上升速度很高，甚至大于弧隙介质强度的恢复速度。12.失步故障当两个电源因故障失去同步时，即发生失步故障，断路器必须开断，使系统解列失步开断时的特点，即失步开断时开断电流比额定开断电流要小，而工频恢复电压却比电源电压要高。13.开断小电感电流时的过电压机理P33：开断小电感电流，在线路中主要是在开断空载变压器、空载高压电动机时发生，此时负载电感很大，而线路的电流很小，若断路器对小电流灭弧能力很强，就会发生小电流的突然截断，产引起系统的电压。截流过电压：电容CT上可能得到的电压最大值为：计算：P47.414.开断电容性电流时的过电压（上面有关合的情况）机理P33：一方面是由于电弧电流过零后，电容上存在残余电压，另一方面是因为断路器弧隙介质恢复强度弱而发生重击穿所致。复燃和重击穿P33复燃是指开关在开断过程中，电弧电流过零后，在14工频周期内，触头间重新出现电流的现象。重击穿是指开关在开断过程中，电弧电流过零后，在大于14工频周期或更长时间内，触头间重新出现电流的现象。在开断电容电流时，复燃并不产生过电压；只有重击穿时才会产生过电压。第十章 高压开关设备的技术参数与使用条件断路器基本技术参数P51开断时间分闸+燃弧时间合闸时间=关合+预击穿时间第十一章 SF6断路器1.六氟化硫气体特性与灭弧原理SF6气体的临界温度高，临界温度表示气体可以被液化的最高温度。SF6气体的导热系数要比空气小；总的热传输特性比空气要好25倍六氟化硫气体绝缘特性P58好的主要原因：SF6气体具有很强的电负性气体原子或分子能够吸附自由电子而形成负离子的性能称为电负性。SF6具有强电负性。分子易吸附自由电子而形成负离子，活动性变差。SF6气体分子直径大，电子在SF6气体中的平均自由行程短，不易积累足够的动能，碰撞电离的可能性减小。六氟化硫气体灭弧性能P57特别强的主要原因：SF6气体的分解温度（2000K）比空气（主要是氮气，分解温度约7000K）低，而需要的分解能却（22.4eV）比空气（9.7eV）高，因此在分解时吸收的能量多，对弧柱的冷却作用强。SF6在高温时分解出S原子、F原子和正负离子，与其他灭弧介质相比，有较大的游离度。在维持相同游离度时，弧柱温度就较低（空气需要更高温来维持游离度）。因此，SF6气体中电弧电压也较低，燃弧时的电弧能量较小，对灭弧有利。由于SF6的强电负性，能吸附电子和正离子复合，故复合作用快，去游离作用强。尤其在电流过零前后，可使弧隙中带电粒子减少，导电率下降。SF6气体电弧的时间常数也很小，为微秒级或更小，在电弧电流过零后，弧柱温度将急剧下降，分解物急剧复合。因此SF6弧隙的介质强度及其恢复速度都很高，能耐受很高的恢复电压作用，电弧在电流过零后不易重燃。SF6的灭弧原理：热化学性质和强电负性2.六氟化硫断路器的灭弧装置按利用能源不同分类P60：外能式灭弧装置；自能式灭弧装置；混合式灭弧装置按工作特点不同分类：气吹式；热膨胀式；磁吹旋转电弧式；混合式2.1气吹式灭弧装置 （1）双压式SF6断路器（2）单压式SF6断路器（3）混合压气式灭弧室2.2自能式灭弧装置2.3旋弧式灭弧装置2.4混合式灭弧装置3.六氟化硫断路器的结构P67瓷柱式：称为外壳带电断路器，也称之为绝缘支柱式断路器。罐式：称为外壳接地断路器，又称落地罐式断路器4.SF6断路器的突出优点P67单端口电压高；开断性能好；结构简单、品种多样；开断小电流的性能好，不易产生高的过电压；少维护；易于发展GIS第十二章 真空断路器1.真空绝缘特性（不确定）：真空气体分子十分稀少，真空间隙电击穿需要在非常高的电压下才有可能形成。2.真空击穿机理P68：场致发射；高电场强度集中于阴极表面的微小突起部分，引起电子发射；团粒的作用；附着在电极表面上的团粒（金属屑）受到电场作用从一极加速通过真空间隙到达另一极，团粒和电极碰撞，使团粒熔化和蒸发，金属蒸汽被电子游离，导致绝缘击穿；电极的二次发射；间隙中的正离子和光子等，撞击阴极而引起二次电子发射，或加强了场致发射而引起绝缘击穿。当真空间隙很小时，击穿主要由场致发射引起，较大时，团粒的作用成为击穿的主要原因，而二次发射造成击穿的可能性很小。3.真空电弧的形态P69扩散形真空电弧：也称为小电流真空电弧集聚形真空电弧：也称为大电流真空电弧4.了解横、纵向磁场P71横向磁场能吹拂电弧，使电弧沿电极表面运动。横向磁场还能使真空电弧弯曲，从而使电弧电压增大。纵向磁场能约束电弧，在一定范围内能起降低真空电弧电压的作用，也能极大地提高由扩散型电弧转变为集聚性电弧的电流。5.真空灭弧装置的结构：外壳、波纹管、屏蔽罩、触头6.真空灭弧室的优点：绝缘强度高；电弧开断时无分解物；介质不会老化；不需要冷却电弧的技术措施；不需要控制电弧流动的强制措施；介质恢复速度非常快；电弧能量小，电寿命长7.真空断路器的结构P76：真空灭弧室；绝缘支撑；传动机构；操动机构；基座8.真空断路器的特点P77：灭弧能力强，燃弧时间短；触头点磨损小，电寿命长；触头开距小，机械寿命长；结构简单；体积小，重量轻；环境污染小；适合于频繁操作和快速切断，适合切断电容性负载电路第十三章 高压断路器的试验1.试验项目名称（各自性能方面）P802.试验分类P81：研究性试验、产品试验、预防性试验3.开断能力试验装置：主要考合成回路试验P87合成试验：合成试验是以低电压、大电流和高电压、小电流两个电源，先后加在断路器上来满足开断过程中燃弧时的大电流和灭弧后的高电压的要求而进行的试验。这种方法显著地降低了试验设备的容量，等价性也得到公认。目前已广泛采用，特别在发展超、特高压大容量断路器时，更显示出它的优越性。 4.思考题P95题4.5低压电器部分：绪论什么是低压电器：在低压线路中，对配电线路和用电设备起保护、控制或调节作用的一类电器作用：即保护、控制或调节配电线路或用电设备配电电器：刀开关、断路器、熔断器及继电器 控制电器：接触器、控制继电器、起动电器、电磁铁第一章 低压电器在配电线路中的地位和作用1-1 低压电器在系统中的应用1-2 短路电流的分析与计算 短路形式短路的形式在三相配电系统中有三种：三相短路、二相短路和单相短路，其中以三相短路电流为最大 短路电流的表示与计算（同高压电器）短路电流危害： 短路电流产生巨大的热效应使得用电设备损坏；电动效应会使导体变形，绝缘破坏；引起线路电压降低1-3 系统对低压电器的要求（了解）1.3.1配电电器开断、接通短路电流的能力 额定短路分断能力：表征电器分断能力。指在规定电压、频率以及一定的功率因素（对交流电路）、时间常数（对直流电路）下断路器能够分断的短路电流Ie,交流电器用周期分量的有效值表示。 额定短路接通能力：表征电器接通能力。指在额定的电压、频率以及一定的功率因素（或时间常数）下，断路器能够接通的电流值，即最大预期短路电流的峰值。交流电器一般用额定短路分断电流Ic乘上规定的峰值系数n来表示。1.3.2电器的动热稳定性电器的动稳定性电器承受短路（冲击）电流的电动力作用而不致损坏的能力。可用允许通过电器的电流的峰值（即冲击电流）来表示。对交流配电电器取短路电流的冲击电流值，对直流电器取短路电流的最大值。电器的热稳定性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。以一定通电持续时间的热稳定电流短路电流的周期分量的有效值表示。 热稳定电流也称为短时耐受电流。1-4 配电线路与用电设备的保护1.4.1过流保护 主要有：过电流保护；欠压和失压保护；断相保护；漏电保护1.4.2欠压和失压保护危害：失压后，大批用电设备比如电动机（大量用电设备是将电动转化为为机械能的电动机）疲倒、堵转，使大批电动机同时出现几倍的过电流，故障迅速扩大，造成损失。电压复原瞬间大批电动机重新启动，由于启动电流比额定工作电流高6倍左右，重新引起电压大幅下降，是配电系统所不允许的。 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，这叫做欠压保护。失压保护当线路电压低于或甚低于临界电压时，保护电器才动作，叫失压保护，失压保护主要用于防止电动机的自启动。1.4.3断相保护断相引起的原因： 熔断器一相熔断、电源线或一相电动机绕组断线、接触不良或松动。断相引起的后果： 断相后，为维持负载，须增大绕组电流，增加了定转子铜损。另外，由于高频交变负序磁场的存在，铁损也增加。总的后果，温升剧增，电机烧坏。保护方法：方法较多，常用热继电器。1.4.4漏电保护 国家规定安全临界值为触电电流和触电持续时间乘积为30mAS，这是设计触电保护电器的依据。1.4.5 保护特性的配合（再仔细琢磨）对于断路器的可返回时间是指断路器通以规定的整定电流倍数的电流，而断路器过电流脱扣器保持不动作的最大通电时间，并且规定，在此时间后，电流降到被保护对象的正常工作电流，这个电流的数值称为返回电流值。由此可知，要使断路器躲过电动机起动电流而不误动作，必须使电动机起动电流持续时间小于对应电流的断路器的可返回时间。 为使设计的断路器获得较大的可返回时间，所采用的热脱扣器应采用间接加热式。选择性保护第二章 控制电器2-1控制继电器 2.1.1电磁式电流、电压及中间继电器（再好好看看）电流继电器 动作参数的整定 书上图2-5，动作电流Ic与吸引力矩M的特性返回系数（图2-6）提高继电器返回系数：1.使吸力特性和反力特性合理配合，即在衔铁行程范围内，使吸力特性与反力特性的特性接近。2.减小工作行程，使吸力特性和反力特性差值减小，以提高返回系数。 动作时间继电器的动作时间触动时间tcd运动时间td触动时间tcd为了缩短继电器的动作时间，可以减小继电器的反力，降低触动电流，减小工作行程，减轻运动系统的质量，增大线圈的稳定电流等。相反，对于延时动作的电磁继电器，可采取相反的措施 消耗功率 由上式可以看出功率P与线圈匝数N的平方成正比。继电器的灵敏度愈高，要求消耗的功率就愈小。继电器设计时选取的反力及触头压力小了，它所能控制的容量也就变得较小，所以灵敏度与控制容量相互制约 2.1.2时间继电器 2.1.3热继电器工作原理： 是利用测量元件被加热到一定程度而动作的一种继电器。2.2接触器 定义：一种用于远距离频繁地接通和断开交直流主电路及大容量控制电路的电器。 接触器的特点：操作与频率高，因此机械寿命高，电寿命高。 组成：触头与灭弧系统、电磁系统、支架式外壳等 原理（不确定）：当线圈通电时，静铁芯产生电磁力将衔铁吸合，带动动触头运动，使主触点闭合，辅助常开触点也闭合，辅助常闭触电断开，电路接通；当线圈断电时，静铁芯产生的电磁力消失，衔铁在弹簧作用下与静铁芯分离，主触头断开，辅助常开触电也断开，辅助常闭触点闭合，电源切断。2.2.1电磁接触器的结构形式 直动式：磁系统通过支架直接带动触头作直线运动。 转动式：衔铁在运动过程中，使杠杆机构转动，实现触头的分闭。 2.2.2接触器的结构分析与设计要求 相对对接触器的主要要求有三个：灭弧性能好，分断电流时燃弧时间短，过电压低，喷弧距离小；触头材料的导电、传热、抗熔焊、耐腐蚀性能好；结构设计合理，机构寿命高，具有足够的承受短时耐受电流的能力。弹跳引起的原因：一是触头闭合碰撞：降低因触头闭合碰撞引起的弹跳，可减小触头质量与闭合速度，增大接触压力；二是动静铁心碰撞：为降低动静铁心碰撞，需在磁系统上加装缓冲装置及吸力特性和反力特性良好配合。 2.2.3真空接触器 在空气1mm间隙，即使触头表面光滑，其真空耐压强度最大只有4kV，而相同条件下，真空中的直流耐压强度可达45kV截流现象：由于真空接触器灭弧性能优良，在电弧电流尚未到达电流零点之前，即电弧电流突然从某一值下降到零，易出现截流真空接触器的优缺点优点：体积小、重量轻、不需维修、可用于有爆炸和火灾危险的场合。缺点：过电压高、不能用于直流开断、价格高 2.2.4半导体接触器 优点：无电弧缺点：长期通电时发热严重，为此有混合接触器 第三章 配电电器3-1概述什么是配电电器：在低压配电系统或动力装置中，用来进行电能分配，接通和分断电路及对配电系统进行保护的电器。系统对配电电器的要求：工作可靠、动热稳定性好 熔断器熔断时间=弧前时间+燃弧时间额定电压：熔断器长期工作时和分断后能承受的电压 额定分断能力：指在规定使用条件（线路电压、功率因素或时间常数）下，熔断器所能分断的预期电流（交流为有效值） 3-2熔断器（组成部件：熔体、填料、绝缘管、导电触头）3.2.1时间电流特性的计算（熔断过程）：从起始温度到熔化点的时间ta的计算（P62式3-5）熔化期间的时间tro计算（P63式3-9，记住平均电阻率）从金属完全熔化到汽化点的时间tb计算（P63式3-11，与类似）汽化期间的时间tv计算（P63式3-12）开始产生电弧，熔断器熔断3.2.2熔断器电弧电压的计算：过电压与什么有关：与燃弧时间有关，燃弧时间trh越短，产生的电压越高，即过电压越高。3.2.3熔断器的材料、结构对性能影响的分析P67有解释熔体形状丝状、片状。熔断时在熔体的狭窄部分造成几段短弧，能降低出现的电弧电压峰值，同时也降低各个断口上工频恢复电压的数值，不使发生重燃 。填充材料 目的：加速灭弧、提高分断能力。要求：热容量大、高温不易分解、颗粒大小要适当。太大，间隙大，间隙气体受热膨胀产生压力易使管子炸裂；太小，间隙小，金属蒸汽不易扩散到填料深处形成金属液态桥，降低灭弧能力。绝缘管材料要求：机械强度高、耐弧性能好；熔断器的选用（7个原则）熔断器的额定电压大于或等于线路的额定电压；熔断器的额定分断能力应不小于线路可能出现的最大故障电流；根据不同的用途，选择不同的熔断器；特性的选择熔断器应小于被保护器件前后级保护的选择性配合问题；选择保护半导体器件用熔断器时，注意电流值的换算；熔断器的最大电弧电压与半导体元件反向重复电压的配合。3-3低压断路器分类：框架式断路器（无限流功能）ACB；塑料外壳式断路器（有限流功能）MCCB；微型断路器（限流式）MCB断路器可分大、小交流电流和直流大电流，但可能不能分断直流小电流，是因为这种情况电弧两端电压不易大于电源电压，难以制造人工过零点。3.3.1低压断路器的分类：按用途分：有保护配电线路用、保护电动机用、保护照明线路用和漏电保护用断路器；按结构形式分：有框架式（ACB）和塑料外壳式断路器（MCCB）；按极数分：有三极、二极和单极断路器；按限流性能分：有限流式断路器和普通式断路器。主要组成部分：触头系统；灭弧系统；各种脱扣器；开关机构3.3.2低压断路器的典型结构框架式（万能式）断路器（ACB）结构特点：有一个金属框架，所以元件都安装在框架上。又分为普通式和限流式。I.普通式II.限流式限流框架式断路器与普通框架式断路器不同之处在于它有专门的斥力触头和快速脱扣装置。 塑料外壳式断路器（MCCB）塑料外壳式断路器的特点是它的触头系统、灭弧室、机构及脱扣器等元件均安装在一个塑料壳体内。为了减小壳体的尺寸，元件的结构比较简单、紧凑。 3.3.3低压断路器的主要技术参数 额定XXXXX：是指在相应规定的工作电压、功率因素或时间常数下P81第四章 触头与灭弧系统4-1概述触头四种工作状态的要求：分断状态：断口能承受工作时出现的过电压及电路电压；闭合状态：承载额定电流时，温升不超过允许值；短路及过载时，不发生熔焊；接触电阻低而稳定。闭合过程：预击穿现象、弹跳、降低弹跳磁次数及持续时间，触头抗熔焊合抗侵蚀能力高。分断过程：熄灭电弧，采用灭弧装置，减少燃弧时间，降低开断时的过电压值。（交、直流燃弧原理）4-2闭合工作的触头m与接触状态相关：面面为1；点面、球面，球球为0.5 4-3载流情况下触头的闭合 弹跳如何抑制：4-4载流情况下触头的分断 4-5触头参数的选择与计算（XXX）4-6灭弧装置 4.6.1绝缘材料灭弧室 灭弧过程及原理：绝缘壁板与电弧紧密接触以后冷却电弧。绝缘的缝道越窄，与电弧接触的面积越大，冷却作用越强，但缝道对电弧运动产生的阻力作用也越大 绝缘板材料：三聚氰氨（产气材料）,可以产生H2，有冷却作用；陶瓷材料 4.6.2金属栅片灭弧室 灭弧过程及原理：将电弧切成许多短弧，如果是利用金属栅片的冷却作用和吸收电弧的能量，栅片可厚一些；如果是利用近阴极效应作用，栅片的厚度可较薄。 用铜制成的栅片，对电弧无吸力作用，要借助于外力使电弧进入栅片，而用铁栅片时，铁栅片对电弧有较强的吸力作用。P105不同结构的栅片对电弧的电磁吸引力大小不同。金属栅片的作用：近极压降；冷却作用；金属栅片为铁磁物质时可吸引电弧第五章 电磁铁的设计（如何）与计算5-1概述电磁铁是一种把电磁能转化为机械能的电磁元件组成：线圈、铁心和衔铁 电磁铁的设计原则：负载的反力特性和设计点的吸力和行程 电磁铁及其负载特性为使电磁铁工作可靠，引入一个安全系数K0，则F0K0Ff0 国标规定，电压波动允许范围为0.851.05UN，所以设计带电压线圈的电磁铁时，应使线圈电压降到0.85UN，线圈处于发热状态下，电磁铁在0处的吸力等于F0。电磁铁的工作制有三种工作制：长期工作制、反复短时工作制和短时工作制。5-2 电磁铁结构形式的选择 5.2.1从特性配合来选择电磁铁的结构形式P116常值负载（直动式电磁铁的重力负载曲线1）；反力随行程增加有预压缩的弹簧(曲线2)；继电器(曲线3)，接触器(曲线3)的反力特性。 5.2.2常见的几种负载反力特性双U型电磁铁：利用动铁心伸入线圈内腔产生附加的螺管力 5.2.3用结构因素来选择电磁铁的结构形式 5-3直流电磁铁的设计更具体的参数见P1235.3.1吸力与铁心半径的关系式(麦克斯韦公式求得）工作气隙磁通密度，可得不带极靴；，带极靴：螺管力系数5.3.2磁势方程式 由于初步设计时导磁体磁压降和非工作气隙磁压降无法确定，因而可用工作气隙磁压降表示其它两项。根据经验，在电磁铁释放位置，这两部分磁压降为气隙磁压降的0.20.55倍。 5.3.3线圈发热方程式 长期工作制时，电磁铁温升可用牛顿公式计算：，考虑内外表面散热相同与不相同两种情况，散热面积对于短时工作制和反复短时工作制，需引入系数qt短时工作制：反复短时工作制：5.3.4 电路方程式为保证电磁铁可靠动作，原始参数讲过，U 取0.85UN比值系数的选择 =h/，大，线圈瘦长型，可以节省铜，但太大，增加了磁路长度，漏磁通增大，从而增加了匝数 n的最优