1、2023年7月2日星期日第二章第二章 高压电器与开关高压电器与开关设备设备负荷开关负荷开关(FW)：用来在电路正常任务成过载时关合：用来在电路正常任务成过载时关合和开断电路，不能开断短路电流。和开断电路，不能开断短路电流。(2)限制电器，用来限制电路中电压或电流的电器。它限制电器，用来限制电路中电压或电流的电器。它包括：包括：电抗器电抗器(L)：主要用来限制电路中的短路电流。某些：主要用来限制电路中的短路电流。某些类型的熔断器也有限制短路电流的作用。类型的熔断器也有限制短路电流的作用。避雷器避雷器(BL)：用来限制电路中出现的过电压。：用来限制电路中出现的过电压。(3)变换电器，用来变换电路中
2、的电压和电流使之便于变换电器，用来变换电路中的电压和电流使之便于检测的电器。它包括：检测的电器。它包括：电流互感器电流互感器(LH)：用来变换电路中的电流，以便供：用来变换电路中的电流，以便供电给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电电给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电路隔离。路隔离。电压互感器电压互感器(YH)：用来变换电路中的电压，以便供：用来变换电路中的电压，以便供电给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电电给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电路隔离。路隔离。(4)组合电器。将上述某几种电器，按一定的线路装配组合电器。将上述某几种电器，按一定的线路装配成一个全体
3、的电器组合。成一个全体的电器组合。依照装置地点，高压电器可以分为：依照装置地点，高压电器可以分为：(1)户内式。装在修建物内不具有防风、雨、雷、灰户内式。装在修建物内不具有防风、雨、雷、灰尘、露、冰、浓霜等功用。户内式高压电器的任务电压尘、露、冰、浓霜等功用。户内式高压电器的任务电压普通为普通为35kv及以下的电压等级。及以下的电压等级。(2)户外式。适于装置在露天，能接受风、雨、雷、灰户外式。适于装置在露天，能接受风、雨、雷、灰尘、露、冰、浓霜等作用。户外式高压电器的任务电压尘、露、冰、浓霜等作用。户外式高压电器的任务电压普通都在普通都在35kv及以上电压。及以上电压。依照电流制式，高压电器
4、可以分为：依照电流制式，高压电器可以分为：(1)交流电器。任务于三相或单相工频交流制的电器，交流电器。任务于三相或单相工频交流制的电器，极少数任务在非工频系统。极少数任务在非工频系统。(2)直流电器。任务于直流制系统。直流电器。任务于直流制系统。关于电气化铁道及城市交通系统，交流电器是交流制电气关于电气化铁道及城市交通系统，交流电器是交流制电气化铁道及城市地铁供电系统中少量运用的电器；直流电器化铁道及城市地铁供电系统中少量运用的电器；直流电器那么是直流制电气化铁道、城市地铁及轻轨交通供电系统那么是直流制电气化铁道、城市地铁及轻轨交通供电系统中少量运用的电器。中少量运用的电器。依照高压电器任务条
5、件及所起作用的不同，其结构和任务依照高压电器任务条件及所起作用的不同，其结构和任务功用应具有不同特点。高压电器应能牢靠地在规则的任务功用应具有不同特点。高压电器应能牢靠地在规则的任务电压及电流下任务，因此，应具有足够的绝缘强度和载流电压及电流下任务，因此，应具有足够的绝缘强度和载流才干；用于切断载流电路的开关设备，应具有足够的熄灭才干；用于切断载流电路的开关设备，应具有足够的熄灭电弧的才干；对电路运转形状停止监视、测量的电器元件电弧的才干；对电路运转形状停止监视、测量的电器元件(例如电压、电流互感器例如电压、电流互感器)应能满足测量精度的要求；对电应能满足测量精度的要求；对电路运转形状停止维护
6、用的电压、电流互感器，除了应能满路运转形状停止维护用的电压、电流互感器，除了应能满足测量精度的要求外、还应在高电压或大电流作用下不至足测量精度的要求外、还应在高电压或大电流作用下不至于饱和。一切的高压电器都应满足运转牢靠、任务灵敏的于饱和。一切的高压电器都应满足运转牢靠、任务灵敏的要求，同时还必需思索经济条件。要求，同时还必需思索经济条件。第二节第二节 交、直流电弧的构成及熄弧原理与方法交、直流电弧的构成及熄弧原理与方法研讨和运用高压电器，尤其是高压断路器，要使它们研讨和运用高压电器，尤其是高压断路器，要使它们牢靠地任务，必需对开关设备在开断电路的进程中，牢靠地任务，必需对开关设备在开断电路的
7、进程中，其触头间发生电弧的性质有一个清楚的了解，以便掌其触头间发生电弧的性质有一个清楚的了解，以便掌握现代高压电器设备的结构特点，正确地停止选择和握现代高压电器设备的结构特点，正确地停止选择和运用。运用。开关设备普通由导电体、触头和绝缘介质组成。介质开关设备普通由导电体、触头和绝缘介质组成。介质由绝缘形状变为导电形状，使电流得以经过的现象，由绝缘形状变为导电形状，使电流得以经过的现象，叫做放电。在一定的光、热和电场的作用下，介质中叫做放电。在一定的光、热和电场的作用下，介质中的中性的、不导电的质点将发生自在电子、正离子和的中性的、不导电的质点将发生自在电子、正离子和负离于，从而构成游离。当介质
8、到达一定的游离水平负离于，从而构成游离。当介质到达一定的游离水平时。介质将被击穿而发生电弧。因此，研讨电弧的构时。介质将被击穿而发生电弧。因此，研讨电弧的构成必需掌握介质的游离进程。介质游离的进程如下。成必需掌握介质的游离进程。介质游离的进程如下。一外表发射一外表发射由金属电极由金属电极(触头触头)外表发射电子、叫外表发射。外表发射电子、叫外表发射。(1)强场发射。当金属外表存在较高的电场强度强场发射。当金属外表存在较高的电场强度(大干大干107Vmm)时，自在电子能够逸出金属，这种进程叫时，自在电子能够逸出金属，这种进程叫强场发射。断路器触头刚分别时，强场发射占主导位强场发射。断路器触头刚分
9、别时，强场发射占主导位置。置。(2)热发射。当金属温度降低列热发射。当金属温度降低列2000一一5000 K，金属外，金属外表的自在电子能够取得足够的动能，克制将电子滞留表的自在电子能够取得足够的动能，克制将电子滞留在金属外部的力气而逸出金属，这种进程叫热发射。在金属外部的力气而逸出金属，这种进程叫热发射。断路器触头分别前期，热发射较剧烈。断路器触头分别前期，热发射较剧烈。(3)光发射。当红外线、紫外线及其他射线照射列金属光发射。当红外线、紫外线及其他射线照射列金属外表时，惹起电子从金属外表逸出的进程，叫光发射。外表时，惹起电子从金属外表逸出的进程，叫光发射。光波越短，惹起光发射的才干越强。触
10、头分别进程中，光波越短，惹起光发射的才干越强。触头分别进程中，随着电弧熄灭，存在着光发射现象。随着电弧熄灭，存在着光发射现象。(4)二次发射。当正离子在电场作用下高速撞击阴极，或二次发射。当正离子在电场作用下高速撞击阴极，或许自在电子高速撞击阳极时。也能够使金属电极外表发许自在电子高速撞击阳极时。也能够使金属电极外表发射出电子，此进程叫二次发射。在气压较高的放电间隙射出电子，此进程叫二次发射。在气压较高的放电间隙中，通常阴极外表左近电场强度较高，所以阴极外表二中，通常阴极外表左近电场强度较高，所以阴极外表二次发射较强，并在气体放电进程中起重要作用。次发射较强，并在气体放电进程中起重要作用。(二
11、二)空间游离空间游离电极电极(触头触头)间的介质在外界力气的影响下，其分子及原子间的介质在外界力气的影响下，其分子及原子分裂成自在电子和正离子的进程，叫空间游离。分裂成自在电子和正离子的进程，叫空间游离。(1)光游离。中性粒子遭到光的照射，当光子的能量大于光游离。中性粒子遭到光的照射，当光子的能量大于介质原于或分子的游离能时，在空间就发生光游离。光介质原于或分子的游离能时，在空间就发生光游离。光的波长越短，游离作同越强，可见光简直不能惹起气体的波长越短，游离作同越强，可见光简直不能惹起气体游离。游离。(2)碰撞游离。由外表发射或光游离所发生的带电粒子，碰撞游离。由外表发射或光游离所发生的带电粒
12、子，在触头间电场作用下被减速而取得动能。在触头间电场作用下被减速而取得动能。假定运动中的电子从电场中取得的动能足够大，当它与假定运动中的电子从电场中取得的动能足够大，当它与中性质点碰撞时，能从其中打出一个或几个电子，使失中性质点碰撞时，能从其中打出一个或几个电子，使失掉电子的中性质点变成正离子。从中性质点中打出的电掉电子的中性质点变成正离子。从中性质点中打出的电子在朝阳极运动的进程中又与其他中性质点发作碰撞，子在朝阳极运动的进程中又与其他中性质点发作碰撞，形成新的中性质点的游离。这样的连锁反响，使少量的形成新的中性质点的游离。这样的连锁反响，使少量的电子发生，移朝阳极，并使电极电子发生，移朝阳
13、极，并使电极(触头触头)间的介质迅速少间的介质迅速少量游离。断路器触头分别初期，碰撞游离起主导作用。量游离。断路器触头分别初期，碰撞游离起主导作用。(3)热游离。当气体温度到达热游离。当气体温度到达3000 一一4000K以上时，气以上时，气体中的中性原子或分子由于高速的热运动而相互碰撞，体中的中性原子或分子由于高速的热运动而相互碰撞，发生清楚的热游离。在相反的温度下，由于金属蒸气的发生清楚的热游离。在相反的温度下，由于金属蒸气的游离电位小于普通气体的游离电位，所以金属蒸气更存游离电位小于普通气体的游离电位，所以金属蒸气更存易发生热游离。断路器触头分别前期，热游离起主导作易发生热游离。断路器触
14、头分别前期，热游离起主导作用。用。开关设备在开断电路进程中，触头间介质到达一定开关设备在开断电路进程中，触头间介质到达一定游离水平时，触头间隙被击穿而发生电弧。发生电弧游离水平时，触头间隙被击穿而发生电弧。发生电弧的条件是电路内的电流不小于的条件是电路内的电流不小于80mA，触头间的电压，触头间的电压不小于不小于10 V一一20V。应当指出：光游离、热游离及碰撞游离能够同时停应当指出：光游离、热游离及碰撞游离能够同时停止，但在触头分别的不同阶段，各种游离所起的作用止，但在触头分别的不同阶段，各种游离所起的作用能够各不相反。在触头分别初期，开距小，电场强度能够各不相反。在触头分别初期，开距小，电
15、场强度高，碰撞游离作用清楚；在触头分别前期，开距大，高，碰撞游离作用清楚；在触头分别前期，开距大，电场强度减小，但电弧温度较高电场强度减小，但电弧温度较高(外表温度可达外表温度可达4000度度一一5000度，弧柱中心温度可高达度，弧柱中心温度可高达10000度度)，热游离作，热游离作用增强，使电弧得以维持；在热游离和碰撞游离的同用增强，使电弧得以维持；在热游离和碰撞游离的同时，电子与正离子复合时释放的能量以光量子的方式时，电子与正离子复合时释放的能量以光量子的方式辐射给周围中性粒子使中性粒子游离。辐射给周围中性粒子使中性粒子游离。二、电弧的特点二、电弧的特点(1)电弧是强功率的放电现象。在开断
16、几十千安短路电电弧是强功率的放电现象。在开断几十千安短路电流时以焦耳热方式收回的功率可达流时以焦耳热方式收回的功率可达10000 kw。与此。与此有关，电弧可具有上万摄氏度或更高的温度及强辐射，有关，电弧可具有上万摄氏度或更高的温度及强辐射，在其作用下，任何固体、液体或气体都会发生剧烈的物在其作用下，任何固体、液体或气体都会发生剧烈的物理及化学变化。在有的开关中，电弧熄灭时间比正常状理及化学变化。在有的开关中，电弧熄灭时间比正常状况只多况只多10ms-20ms，开关就会出现严重烧坏，甚至爆，开关就会出现严重烧坏，甚至爆炸。炸。(2)电弧是一种自持放电现象。不用很高的电压就能维电弧是一种自持放电
17、现象。不用很高的电压就能维持相当长的电弧动摇熄灭而不熄灭。例如：在大气中，持相当长的电弧动摇熄灭而不熄灭。例如：在大气中，每厘米长电弧的维持电压只需每厘米长电弧的维持电压只需15V左右，在左右，在100 kV电压电压下开断仅下开断仅5A的电流时，电弧长度可达的电流时，电弧长度可达7m电流更大时，电流更大时，可达可达30m。因此单纯采用拉长电弧的方法来熄灭电弧。因此单纯采用拉长电弧的方法来熄灭电弧是不可取的。是不可取的。(3)电弧是等离子体，质量极轻，极易改动外形电孤区电弧是等离子体，质量极轻，极易改动外形电孤区内气体的活动包括自然对流及外界甚至电弧电流自身发内气体的活动包括自然对流及外界甚至电
18、弧电流自身发生的磁场都会使电弧受力，改动外形，有的时分运动速生的磁场都会使电弧受力，改动外形，有的时分运动速度可达每秒几百米。因此，可应用这一特点来快速熄度可达每秒几百米。因此，可应用这一特点来快速熄弧并预防电弧的不利影响及破坏作用。弧并预防电弧的不利影响及破坏作用。三、电弧熄灭的物理进程三、电弧熄灭的物理进程在电弧存在的进程中，介质发作游离进程的同时也存在电弧存在的进程中，介质发作游离进程的同时也存在着带电离子消逝的去游离进程。假设在单位时间内，在着带电离子消逝的去游离进程。假设在单位时间内，电弧中发生的带电离子数和消逝约带电离子数相等，那电弧中发生的带电离子数和消逝约带电离子数相等，那么经
19、过电弧的电流不变，电弧熄灭是动摇的；假设离子么经过电弧的电流不变，电弧熄灭是动摇的；假设离子消逝的数量各多于发生的数量，那么电弧电流削弱，直消逝的数量各多于发生的数量，那么电弧电流削弱，直至最后熄灭。至最后熄灭。游离气体的去游离作用由下述要素形成：游离气体的去游离作用由下述要素形成：(1)复合。带电粒子在弧隙中运动时，假设正负两种带复合。带电粒子在弧隙中运动时，假设正负两种带电质点相互接触，交流各自多余的电荷，那么构成中性电质点相互接触，交流各自多余的电荷，那么构成中性质点。在弧柱内复合的是不同极性的离子，电子和正离质点。在弧柱内复合的是不同极性的离子，电子和正离子直接复合的时机极小，这是由于
20、电子运动的速度简直子直接复合的时机极小，这是由于电子运动的速度简直高出正离子高出正离子100倍的缘故。复合强度与电场强度成正比、倍的缘故。复合强度与电场强度成正比、电场强度低时，离子运动的速度低，那么停止复合的概电场强度低时，离子运动的速度低，那么停止复合的概率添加。当触头间电压接近零时，复合特别剧烈。复合率添加。当触头间电压接近零时，复合特别剧烈。复合强度也与电弧温度有关，温度越低，弧柱截面越小，那强度也与电弧温度有关，温度越低，弧柱截面越小，那么复合越烈。么复合越烈。(2)分散。弧柱中的带电质点由于弧柱与周围气体介质分散。弧柱中的带电质点由于弧柱与周围气体介质间的温差很大，并且质点的浓度差
21、也很大，因此少量地间的温差很大，并且质点的浓度差也很大，因此少量地分散到周围的气体介质中去，与气体中的自在电子或负分散到周围的气体介质中去，与气体中的自在电子或负离子复合而失掉电荷。分散使电弧内的正离子数目增加，离子复合而失掉电荷。分散使电弧内的正离子数目增加，使电弧的电导变小，增强电弧的去游离。使电弧的电导变小，增强电弧的去游离。(3)气体分别。气体分子落列电弧高温区内时，发生极气体分别。气体分子落列电弧高温区内时，发生极快的热运动，假设气体温度足够高，使气体分子的运动快的热运动，假设气体温度足够高，使气体分子的运动速度极高，在分子相互碰撞之下，会使其分别成原子。速度极高，在分子相互碰撞之下
22、，会使其分别成原子。分子在分别成原子时，吸收少量的能量分子在分别成原子时，吸收少量的能量(热能热能)。这些原。这些原子从电弧区域分散到周围气体介质中，然后再结分解分子从电弧区域分散到周围气体介质中，然后再结分解分子而释放分解时吸收的热能。如此循环往复，使电弧的子而释放分解时吸收的热能。如此循环往复，使电弧的冷却减速，热游离削弱而增强复合。冷却减速，热游离削弱而增强复合。四、电弧电压散布四、电弧电压散布离子的去游离也发作在电极左近，弧柱中的正离子移离子的去游离也发作在电极左近，弧柱中的正离子移向阴极，在分开阴极很近的中央向阴极，在分开阴极很近的中央(约约103mm)，正离于的，正离于的浓度最大，
23、构成正体积电荷。正体积电荷在阴极外表构浓度最大，构成正体积电荷。正体积电荷在阴极外表构成很强的电场，其强度足以构成强场发射。同时该强电成很强的电场，其强度足以构成强场发射。同时该强电场也可以把带电正离子减速，使其和阴极外表碰撞，从场也可以把带电正离子减速，使其和阴极外表碰撞，从阴极打出自在电子。从阴极拉出的电子，由于阴极区有阴极打出自在电子。从阴极拉出的电子，由于阴极区有少量正离子堆积，一局部消耗在与正离子的复合方面，少量正离子堆积，一局部消耗在与正离子的复合方面，一局部被电场推朝阳极。一局部被电场推朝阳极。出离于复合而构成的中性质点，由于惯性继续向阴极出离于复合而构成的中性质点，由于惯性继续
24、向阴极运动，并碰撞阴极表而，结果阴极外表发热，触头的运动，并碰撞阴极表而，结果阴极外表发热，触头的金属发作熔化和喷散现象。阴极外表最热的局部称为金属发作熔化和喷散现象。阴极外表最热的局部称为阴极斑点，在阴极斑点处也可以发生热电子发射现象。阴极斑点，在阴极斑点处也可以发生热电子发射现象。在接近阴极的阴极区内，正离了不时地消逝，使在接近阴极的阴极区内，正离了不时地消逝，使电弧在这一区域内的电导变小，构成阴极区电压降。电弧在这一区域内的电导变小，构成阴极区电压降。弧柱内构成的负离子，一局部与正离子复合，一局部弧柱内构成的负离子，一局部与正离子复合，一局部移朝阳极。在分开阳极不远处，电子从负离于脱出而
25、移朝阳极。在分开阳极不远处，电子从负离于脱出而进入阳极，所构成的中性质点，由于惯件而继续朝阳进入阳极，所构成的中性质点，由于惯件而继续朝阳极运动，并冲击阳极。因此，在接近阳极的空间内，极运动，并冲击阳极。因此，在接近阳极的空间内，离子的密度也是不大的，构成阳极区电压降。离子的密度也是不大的，构成阳极区电压降。在阴极区和阳极区以外的弧柱局部，正负电荷的数量在阴极区和阳极区以外的弧柱局部，正负电荷的数量大约相等，其电导近似为一不变的常数。大约相等，其电导近似为一不变的常数。沿电弧的电压散布如图沿电弧的电压散布如图2.1所示。在阴极区所示。在阴极区lo内，集内，集中着正体积电荷，阴极区电压降中着正体
26、积电荷，阴极区电压降uk达达10-20V。阳极。阳极区电压降区电压降ua略小些。略小些。显然，只要当加列电极上的电压总是大于阴极区电压显然，只要当加列电极上的电压总是大于阴极区电压降时，才会发生电弧。在高压短电弧状况下，阴极区降时，才会发生电弧。在高压短电弧状况下，阴极区电压降具有严重意义，由于它占电弧上电压降电压降具有严重意义，由于它占电弧上电压降uH的的比重较大；而在高压长电弧的状况下，阴极区电压降比重较大；而在高压长电弧的状况下，阴极区电压降与弧柱电压降与弧柱电压降uhz相比那么是较小的。相比那么是较小的。五、直流电弧的熄灭条件五、直流电弧的熄灭条件从电路的角度看，电弧是一个非线性电阻，
27、其阻值随从电路的角度看，电弧是一个非线性电阻，其阻值随电流以及其他要素而变化。关于如图电流以及其他要素而变化。关于如图22(a)所示的具所示的具有电弧的有电弧的RL直流电路，当燃弧后其电压平衡方程式直流电路，当燃弧后其电压平衡方程式为：为：hudtdiLiRE huiRE 式中：式中：E为电源电压；为电源电压；iR为电阻压降；为电阻压降；Ldi/dt为电感为电感压降；压降；uh为电弧压降。为电弧压降。当游离与去游离处于动平衡形状，电弧动摇熄灭，当游离与去游离处于动平衡形状，电弧动摇熄灭，di/dt=0时，由时，由(2.1)式有式有假定将假定将f(i)E-iR定义为电路的伏安持性，定义为电路的伏
28、安持性，uh定义为电定义为电弧的静伏安特性。弧的静伏安特性。如下图，两曲线的交点如下图，两曲线的交点A和和B能满足能满足(22)式式A点与点与B点点是电弧的动摇熄灭点。是电弧的动摇熄灭点。R点为动摇熄灭点，这是由于；假设点为动摇熄灭点，这是由于；假设i2略有添加那么略有添加那么E一一iRuh，电源电压减去电阻压降缺乏补偿电弧熄灭所，电源电压减去电阻压降缺乏补偿电弧熄灭所需需压降，那么，电流自然又减小至压降，那么，电流自然又减小至i2值；假设值；假设i2略有减小，略有减小，那么因那么因EiRuh，使电流又上升到，使电流又上升到i2值。值。A点为视在动摇熄灭点，这是由于：假定点为视在动摇熄灭点，这
29、是由于：假定il略有增加，略有增加，因因E一一iRuh，那么电弧电流继续减小至电弧熄灭；假，那么电弧电流继续减小至电弧熄灭；假定定i1略有添加，那么略有添加，那么EiRuh，电流将继续添加最，电流将继续添加最后动摇在后动摇在i2值。值。在运用开关电器开断或闭合电路时。人们自然不希望在运用开关电器开断或闭合电路时。人们自然不希望电弧动摇熄灭，而是力图其熄灭。从图电弧动摇熄灭，而是力图其熄灭。从图2.2(b)来剖析，来剖析，假定将电弧静伏安特性提高到虚线位置，使两条曲线没假定将电弧静伏安特性提高到虚线位置，使两条曲线没有交叉点、那么电弧熄灭。即直流电弧的熄灭条件为有交叉点、那么电弧熄灭。即直流电弧
30、的熄灭条件为huiRE 六、交流电弧的熄灭条件与熄灭进程六、交流电弧的熄灭条件与熄灭进程一交流电弧的熄灭条件一交流电弧的熄灭条件交流电弧与直流电弧有所不同，交流电流限时值随时交流电弧与直流电弧有所不同，交流电流限时值随时间变化，每周期内有两次经过零点。因此，交流电弧间变化，每周期内有两次经过零点。因此，交流电弧不时处于静态进程，并且在电流过零时电弧自行熄灭，不时处于静态进程，并且在电流过零时电弧自行熄灭，以后在一定条件下又重燃。以后在一定条件下又重燃。如图如图2.3(a)所示的交流电路，当电路处于动摇形状，所示的交流电路，当电路处于动摇形状，且电弧长度不变时，其伏安特性如图且电弧长度不变时，其
31、伏安特性如图2.3(b)所示。从图所示。从图2.3(b)可以看出：电流由负位过零瞬间，电弧暂时熄灭，可以看出：电流由负位过零瞬间，电弧暂时熄灭，此时，电源电压加于触头之间。当触头间电压上升到此时，电源电压加于触头之间。当触头间电压上升到电弧扑灭电压电弧扑灭电压udr时，重新燃弧。出于电弧的热游离相时，重新燃弧。出于电弧的热游离相当强，特性曲线当强，特性曲线AB段是下降的。从段是下降的。从B点以后，电流由点以后，电流由峰值逐渐减小，电弧电压相应地上升，但因弧柱存在峰值逐渐减小，电弧电压相应地上升，但因弧柱存在热惯性，因此，热惯性，因此，BC段低于段低于AB段。当电弧趋近于零，段。当电弧趋近于零，
32、C点电压通常称为熄弧电压点电压通常称为熄弧电压uxm。电弧过零后，又反向重燃，伏安特性与正半周对称。电弧过零后，又反向重燃，伏安特性与正半周对称。从电弧电流在前半周熄灭时起，到后半周重新燃弧时从电弧电流在前半周熄灭时起，到后半周重新燃弧时止的一段时间，称为零休时期。在零休时期，弧隙中止的一段时间，称为零休时期。在零休时期，弧隙中的介质恢复进程与电压恢复进程是同时停止的，并且的介质恢复进程与电压恢复进程是同时停止的，并且互有影响。电弧能否重燃，取决于两个进程的竞赛互有影响。电弧能否重燃，取决于两个进程的竞赛。如图如图24(a)中，介质强度恢复曲线中，介质强度恢复曲线ujf上升较为缓慢，上升较为缓
33、慢，一段时间后恢来电压曲线一段时间后恢来电压曲线uhf就超越了曲线就超越了曲线ujf，电弧重，电弧重燃。燃。图图2，4(b)中，由于介质恢复强度曲线中，由于介质恢复强度曲线ujf高于电压恢高于电压恢复曲线复曲线uhf，两曲线没有交点，所以电弧不会重燃。，两曲线没有交点，所以电弧不会重燃。(二二)交流电弧的熄灭进程交流电弧的熄灭进程1纯电阻负载时，交流电弧的熄灭纯电阻负载时，交流电弧的熄灭图图25表示开断电阻电路时交流电弧电压疆表示开断电阻电路时交流电弧电压疆uh及电及电弧电流弧电流i 的波形。的波形。(1)设在设在to时辰，触头分开起弧，当弧电流小到一定水平时辰，触头分开起弧，当弧电流小到一定
34、水平后，电弧就在后，电弧就在t1时辰暂时熄灭了。时辰暂时熄灭了。(2)在零休时期在零休时期(t1t2)，触头间有两种矛盾着的要素在，触头间有两种矛盾着的要素在竞赛。一为弧隙游离形状逐渐消逝，向介质形状转化。竞赛。一为弧隙游离形状逐渐消逝，向介质形状转化。图中图中ujf代表电流第一次过零后弧隙介质强度恢复曲线。代表电流第一次过零后弧隙介质强度恢复曲线。另一种竞赛要素为触头两端电压不绝交化。在纯电阻另一种竞赛要素为触头两端电压不绝交化。在纯电阻负载时，触头两端恢来电压变化曲线负载时，触头两端恢来电压变化曲线uhf即为电源电压即为电源电压u。由于曲线由于曲线ujf1与电源电压与电源电压u有交点，所以
35、在有交点，所以在t1时电弧重时电弧重燃，此时燃，此时ujf1uhf。当电流第二次过零时。当电流第二次过零时(t2)，此时触头，此时触头间距离更大了，去游离作用更剧烈，所以弧隙介质强度恢间距离更大了，去游离作用更剧烈，所以弧隙介质强度恢复曲线复曲线ujf2高于电源电压曲线高于电源电压曲线u，电弧不会重燃。，电弧不会重燃。2电理性电路中，交流电弧的熄灭电理性电路中，交流电弧的熄灭在电理性电路中，电压超前于电流，如图在电理性电路中，电压超前于电流，如图26所示，设所示，设在在t0时触头分开起弧，在电流第一次过零后，两种要素时触头分开起弧，在电流第一次过零后，两种要素竞赛的结果，电弧重燃。竞赛的结果，
36、电弧重燃。在第二次过零后由于异样缘由又重燃。在第三次过零时，在第二次过零后由于异样缘由又重燃。在第三次过零时，由于介质恢复强度曲线高于恢来电压曲线由于介质恢复强度曲线高于恢来电压曲线uhf，电弧熄灭。，电弧熄灭。由图可见在各半波中电流波形畸变越来越严重，在由图可见在各半波中电流波形畸变越来越严重，在t3时时辰电弧虽然熄灭，触头间还有剩余电流辰电弧虽然熄灭，触头间还有剩余电流is。七、熄灭电弧的基本方法七、熄灭电弧的基本方法在现代高压开关电器中，除在触头间隙采用不同灭弧介在现代高压开关电器中，除在触头间隙采用不同灭弧介质外质外(如空气、油、如空气、油、SF6、真空等介质、真空等介质)，普遍采用的
37、基本，普遍采用的基本灭孤方法可以归结为以下几种：灭孤方法可以归结为以下几种：(1)减速触头的分别速度，迅速拉长电弧。这减速触头的分别速度，迅速拉长电弧。这措施是经措施是经过在断路器的操动机构中装置强力而灵敏的分闸弹簧来完过在断路器的操动机构中装置强力而灵敏的分闸弹簧来完成的。成的。(2)采用未游离的流体采用未游离的流体(如油或紧缩空气等如油或紧缩空气等)吹动电弧。当吹动电弧。当流体与电孤接触后，电弧外表或外部的带电粒子被不时吹流体与电孤接触后，电弧外表或外部的带电粒子被不时吹走，分散作用增强；同时电弧受冷却作用，热游离削弱而走，分散作用增强；同时电弧受冷却作用，热游离削弱而复协作用有所增强。吹
38、动方式可以是沿电弧的纵向吹动，复协作用有所增强。吹动方式可以是沿电弧的纵向吹动，也可以是垂直于电弧的横向吹动及纵、横向混合吹动，如也可以是垂直于电弧的横向吹动及纵、横向混合吹动，如图图27、图、图28、图、图29所示。吹弧动力可以是如图所示。吹弧动力可以是如图28所示的油断路器自能式吹孤，也可以是如图所示的油断路器自能式吹孤，也可以是如图29所所示的空气断路器外能式吹弧。示的空气断路器外能式吹弧。(3)用磁吹法灭弧。按左手定那么，当电弧电流垂直用磁吹法灭弧。按左手定那么，当电弧电流垂直于外磁场方向经过时、将遭到力的作用。外磁场可以于外磁场方向经过时、将遭到力的作用。外磁场可以由互为反向的电弧电
39、流树立由互为反向的电弧电流树立(如图如图210所示所示)，亦可，亦可使电流经过装置于触头外侧或触头两侧的线圈发生使电流经过装置于触头外侧或触头两侧的线圈发生(如图如图211所示所示)。因。因211的线圈装置方法是使其发的线圈装置方法是使其发生的磁场垂直于经过触头的电弧电流，且其磁吹力向生的磁场垂直于经过触头的电弧电流，且其磁吹力向上。磁吹法熄弧多用于直流断路器中，交流真空断路上。磁吹法熄弧多用于直流断路器中，交流真空断路器也采用磁吹法灭弧，在本章第四节将给以引见。器也采用磁吹法灭弧，在本章第四节将给以引见。(4)把长电弧分红短电弧。当电弧被分短以后，每段短弧把长电弧分红短电弧。当电弧被分短以后
40、，每段短弧在新的阴极和阳极区都要发生新的阴极压降和阳极压降，在新的阴极和阳极区都要发生新的阴极压降和阳极压降，当两触头问的电压不变时，这许多短弧无疑添加了触头当两触头问的电压不变时，这许多短弧无疑添加了触头间总的压降，假设这个压降值大于触头端电压，那么电间总的压降，假设这个压降值大于触头端电压，那么电弧即行熄灭。添加高压断路据断口的数目弧即行熄灭。添加高压断路据断口的数目(图图2.13)及在及在触头外侧加设金属熄弧栅触头外侧加设金属熄弧栅(图图213)，都可将长电弧分，都可将长电弧分红短弧，到达快速熄弧的目的。红短弧，到达快速熄弧的目的。图图213(b)中，电弧在缺口钢片中，电弧在缺口钢片(栅
41、片栅片)A处活动。在处活动。在A处的电弧电流于钢片中树立的磁场可以把电弧电流处的电弧电流于钢片中树立的磁场可以把电弧电流拉向拉向B点，迫使电孤进入熄弧栅中，这较冷的熄弧栅，点，迫使电孤进入熄弧栅中，这较冷的熄弧栅，除了把长弧分红短弧外，还有协助电弧散热，添加复除了把长弧分红短弧外，还有协助电弧散热，添加复合面的多重作用。一旦电弧进入熄弧栅，就易于熄灭。合面的多重作用。一旦电弧进入熄弧栅，就易于熄灭。这种方法也多用于交直流开关设备中。这种方法也多用于交直流开关设备中。此外，还可应用把电弧分红许多支并联细电弧或增此外，还可应用把电弧分红许多支并联细电弧或增大复合外表等方法强迫熄弧。这里就不逐一赘述
42、了。大复合外表等方法强迫熄弧。这里就不逐一赘述了。第三节第三节 断路器开断短路电流的断路器开断短路电流的任务形状及暂态剖析任务形状及暂态剖析断路器要能闭合和开断各种性质的电路。以单相电路为断路器要能闭合和开断各种性质的电路。以单相电路为模型，电力系统中常遇到的电路有如下几种：图模型，电力系统中常遇到的电路有如下几种：图214(a)为电阻性电路，图为电阻性电路，图214(b)为电理性电路为电理性电路(理理性小电流性小电流)，图，图214(c)为电容性电路为电容性电路(容性电流容性电流)，图，图214(d)为系统短路时的电路为系统短路时的电路(理性大电流理性大电流)。除电阻性。除电阻性电路外，开断
43、和闭合其他性质的电路时均将在系统中电路外，开断和闭合其他性质的电路时均将在系统中惹起暂态进程，出现异常的电压和电流，危害设备的平惹起暂态进程，出现异常的电压和电流，危害设备的平安运转。因此，对断路器触头在开断电路时的恢来电压安运转。因此，对断路器触头在开断电路时的恢来电压停止暂态剖析，不但可以使我们了解在不同电路参数下停止暂态剖析，不但可以使我们了解在不同电路参数下触头恢来电压的树立进程，而且为改善断路器的灭弧才触头恢来电压的树立进程，而且为改善断路器的灭弧才干，提高开断容量，保证电力系统供电的牢靠性提供了干，提高开断容量，保证电力系统供电的牢靠性提供了迷信依据。迷信依据。现以图现以图2.14
44、(d)断路器开断单相接地缺点为例，说明弧断路器开断单相接地缺点为例，说明弧隙电压的恢复进程，图隙电压的恢复进程，图2.14(d)的等值电路如图的等值电路如图2.15所所示。示。图图214(d)中中L和和R为电源电感和电阻：为电源电感和电阻：DL为断路器；为断路器；Zf为负荷阻抗。当在断路器出口发作单相短路时，为负荷阻抗。当在断路器出口发作单相短路时，Zf被被短接，断路器中经过单相短路电流短接，断路器中经过单相短路电流id1，其波形如图，其波形如图2.16所示，其中所示，其中u为电源电压。为电源电压。在在t1时，断路器触头分断而发作电弧，断口两端电压时，断路器触头分断而发作电弧，断口两端电压为为
45、uh。t2时电流过零，电弧熄灭，电压恢复进程末时电流过零，电弧熄灭，电压恢复进程末尾，电源电压尾，电源电压u逐渐加到断路器两端。电源侧对地电逐渐加到断路器两端。电源侧对地电容容C恰恰与断路器断口并联，如图恰恰与断路器断口并联，如图215所示。因此所示。因此断路器断路器DL断口电压恢复进程，就是交流电压断口电压恢复进程，就是交流电压u经过经过R、L对电容对电容C充电的进程。充电的进程。从熄弧角度看，电弧能否重燃，主要决议于电流过零从熄弧角度看，电弧能否重燃，主要决议于电流过零后很短时间内的电压恢复进程。在这短时间内，电源后很短时间内的电压恢复进程。在这短时间内，电源电压变化很小，因此在剖析电压恢
46、复进程时，可以近电压变化很小，因此在剖析电压恢复进程时，可以近似地把交流电源简化为直流电源，其电压取值为交流似地把交流电源简化为直流电源，其电压取值为交流恢来电压恢来电压u0。于是，断路器。于是，断路器DL电压的恢复进程，相电压的恢复进程，相当于电压为当于电压为u0的直流电源和电感的直流电源和电感L，电阻，电阻R及电容及电容C组成的串联电路，在突然合闸时电容组成的串联电路，在突然合闸时电容C两端的电压变两端的电压变化进程。这样可以用图化进程。这样可以用图217的电路来剖析电压恢复的电路来剖析电压恢复进程。进程。0uudtdiLRiccc dtducCic 22dtucdCdtdic 022uu
47、cdtducRCdtucdLC 022uucdtucdLC tatauuc0201sincos0 LCfLC 212100 或或tata0201sincos 当当t0时，相当于开关时，相当于开关K突然闭合，电路中有电流突然闭合，电路中有电流ic经过。假定断路器弧隙电阻在电流过零时为有限大，那经过。假定断路器弧隙电阻在电流过零时为有限大，那么电路的回路方程式为么电路的回路方程式为 那么得：那么得：通常通常R值很小，可以疏忽不计，当疏忽值很小，可以疏忽不计，当疏忽Ric局部时，那局部时，那么上式等于么上式等于式中：式中：u0为微分方程的特解，或称稳态解。为微分方程的特解，或称稳态解。为相应的齐次方
48、程的通解，或称为暂态解。为相应的齐次方程的通解，或称为暂态解。a1a2为待定常数，由初始条件决议。为待定常数，由初始条件决议。100auuh )(001uuah 0 ci0 dtducCictatadtduc020010cossin 020 a 02 atuuuuuhchf0000cos)(1初始条件即电路电流过零时的形状初始条件即电路电流过零时的形状(1)t0时电容器电压时电容器电压uc即为电弧电压即为电弧电压uh0。即即 t0，ucuh0 将代入将代入(28)式得式得(2)t0时，电流过零，由于电路中存在电感，电流不能时，电流过零，由于电路中存在电感，电流不能跳变，因此跳变，因此依据依据(
49、2.16)式，可以画出恢来电压波形图如图式，可以画出恢来电压波形图如图2.18，它，它是围绕是围绕u0的振荡电压波，振荡频率为的振荡电压波，振荡频率为f0。因此。因此u0相当相当于恢来电压的稳态值，即相当于工频恢来电压。当于恢来电压的稳态值，即相当于工频恢来电压。当tm1/2f0时，恢来电压达最大值，等于电流过零时电源时，恢来电压达最大值，等于电流过零时电源电压的两倍。电压的两倍。实践电路中，恢来电压最大值实践电路中，恢来电压最大值ushm达不列电源电压的达不列电源电压的两倍。普通在两倍。普通在u0的的1.31.6倍以下倍以下(图图2.19)。由图。由图2.19也可看出，恢来电压由两局部组成，
50、瞬态局部和工频也可看出，恢来电压由两局部组成，瞬态局部和工频局部。瞬态局部即瞬态恢来电压以高频振荡方式出现，局部。瞬态局部即瞬态恢来电压以高频振荡方式出现，其振荡频率与电网参数省关。在实践电路中，这个瞬其振荡频率与电网参数省关。在实践电路中，这个瞬态局部衰减很快，继续时间很短。工频局部就是交流态局部衰减很快，继续时间很短。工频局部就是交流50 Hz正弦电压正弦电压ugh。第四节第四节 高压断路器的结构及任务原理高压断路器的结构及任务原理在电力系统中，高压断路器是一种重要的控制和在电力系统中，高压断路器是一种重要的控制和维护电器，高压断路器普通由以下各局部组成：维护电器，高压断路器普通由以下各局
