供变电技术--铁路方向 第3章 高压电器与开关设备

第3章高压电器与开关设备在高压系统中，用来对电路进行开、合操作，切除和隔离事故区域，对电路进行运行情况监视、保护及数值离事故域对电情视保数值测量的量测设备，统称为高压电器。

第1节高压电器的作用和分类每一种类电器设备，都有其代表符号，目前，我国每种类电器设备都有其代表符号目前我国电器表示符号有老的标准和新的标准两套，这两种标准目前在我国并用。

新旧标准可查看《电气技术中的文字符号制订通则》(GB 7159—87)和《电工设备文字符号编制通则》(GB 315—64)。

(GB31564)按照用途不同，把高压电器进行以下分类：开关设备用于对电能或信号通路进行分或合的操作，这些开关设备有：⑴断路器（DL/QF），用于分和合正常电路或故障电路，在高压开关电器中地位最重要；⑵隔离开关（G/QS），用于把高压设备于带电部分隔离开来，以便工作人员对相应的高压设备进行检修；⑶熔断器（RD/FU），电路发生过载或短路时依靠熔件的熔断断开电路；⑷负荷开关（FW/QL），是电路进行正常操作开/合电路的一种开关，与断路器不同的是，断路器可以开/合故障电流，而负荷开关只能开/合负荷电流。

2.限制电器用于对电路中电流或电压的水平进行限制的高压电器（通常是限制电流超过某些值或电压超过某些值）⑴限流电抗器（L/LC），作用是限制短路电流；⑵避雷器（BL/FA），作用是限制大气过电压或操作过电压，保护其它电器设备的安全；3.变换电器用于把高压系统电气参数转换为测量、计量、保护等系统能接受的信号。

⑴电压互感器（/），用于把高压转换为低压；（YH/TV⑵电流互感器（LH/TA），用于把大电流转换为小电流。

4.组合电器把一定功能的电器设备组合成一体的电器组合。

电器组合按照安装位置不同，高压电器有可以分为：1.户内式顾名思义，是安装在室内的高压电器设备；2.户外式当然是安装在室外的高压电器设备。

电能制式不同，有直流电器和交流电器的分按照不同有类。

第节交成第2节交、直流电弧的形成及熄弧原理和方法开关设备在高压电器中占有重要地位在开关电开关设备在高压电器中占有重要地位，在开关电器的分/合闸操作过程中，有可能存在一个在触头之间产生电弧、电弧持续和熄灭的过程，对开关能否间产生电弧电弧持续和熄灭的过程对开关能否完成所进行的操作有重要影响，因此有必要对电弧的产生和熄灭机理进行研究。

的产生和熄灭机理进行研究1.电弧现象开关电器一般由导体（用于提供电能从开关外部到开关触头之间的通路）、触头（对电能通路进行分开和闭合，分动触头和静触头）和绝缘介质组成。

当开关电器断开电路的瞬时，只要电路中有不小于80mA的电流，开关触头间电压大于10~20V时，断口间将产生强烈的白光，即产生电弧。

从现象上看，电弧是一束明亮的光柱。

从本质上讲，电弧是一种游离态气体的自持放电现象，是自由电子、带点离子定向移动的通道。

：带电体周围介质从绝缘状态变为导通状态，放电带电体周围介质从绝缘状态变为导通状态从而使电能通过的现象，称为放电。

2.电弧的特点1.起弧电压、电流数值很低。

2.电弧能量集中，温度很高。

10kV少油断路器断开20kA的电流，电弧功率高达10000kW以上，电弧表面温度高达4000~5000摄氏度，弧柱中心温度高达上，电弧表面温度高达40005000摄氏度，弧柱中心温度高达10000摄氏度。

电弧是质量很轻的游离态气体，在外力作用下，很易3. 电弧是质量很轻的游离态气体，在外力作用下，很易弯曲、变形。

4.电弧有良好的导电性能、具有很高的电导。

5.电弧有阴极区（包括阴极斑点）、弧柱区（包括弧柱、弧焰）、阳极区（包括阳极斑点）三部分。

电极上电弧的孳生点（温度最高、最明亮的斑点）称为阴极斑点或阳极斑点阳极斑点。

由于电弧温度很高，在电弧持续燃烧的过程中将烧毁开关设备的触头和附近的绝缘；使油开关内烧毁开关设备的触头和附近的绝缘使油开关内部压力（变压器油在电弧高温下产生高压油气）不断增加可导致油开关爆炸不断增加，可导致油开关爆炸。

3.电弧形成的原理几个名词：个游离：增强电弧的因素作用的结果。

而削弱电弧的因素作用的结果，我们称为去游离。

电弧具体的发展方向取决于是游离强还是去游离强。

动、静触头之间的电弧从出现、燃烧到最终熄灭，是一个过程，这一过程中，存在一些增强电弧燃烧的因素，也有些因素对电弧的熄灭起作用，因素，也有一些因素对电弧的熄灭起作用，对电弧的发展方向（增强还是减弱）起作用的有外部因素和内部因素。

部因素和内部因素以下几个主要方面或因素是电弧燃烧过程中的游离现象：¾电子发射，导体在电场的作用下，其中的自由电子导体在电场的作用下其中的自由电子挣脱束缚从金属表面逸出，并在电场作用下加速运动。

¾热发射，温度升高使粒子无规则运动增强，粒子之间碰撞几率增大，碰撞发生时，可能从中性粒子中把电子撞出，从而出现带正电的离子和带负电的电把电子撞出从而出现带正电的离子和带负电的电子，这两者在电场作用下向相反的方向运动。

在电弧光线照射下自由电子也可能从¾光发射，在电弧光线照射下，自由电子也可能从粒子中逸出。

电弧形成的原理：当开关设备的触头分断有载电路时，由强电场发射、热发射等因素产生的自由电子在外电场的作用下高速移向阳极，碰撞触头间隙中的中性质点，使其产生链式增殖反应式的积累游离、碰撞游离，使触使触头间隙中的带电质点迅速增加，中性质点迅速减少。

在外电场的作用下，带电质点的定向移动，使触头间隙由外电场的作用下带电质点的定向移动使触头间隙由绝缘状态变为导电状态。

触头间隙被击穿通过电流而产生电弧。

电弧一经产生，积累游离、碰撞游离的程度迅速加强，致使质点间互相碰撞，带电质点迅速增多，形成热强致使质点间互相碰撞带电质点迅速增多形成游离。

由于热游离的出现，使间隙中的中性质点几乎全部分裂为带电质点而定向移动。

此时电弧全靠热游离来维持。

因此，电弧具有很高的电导。

能通过强大的短路电流。

4.电弧熄灭的物理过程研究电弧产生的机理和其中对电弧发展起作用的因素，目的在于熄灭电弧，在开关设备产生电弧的过程中，当发生游离时，也同时存在游离的相反过程，即去游离。

对开关灭弧的研究就在于如何强化去游离的强度，当去对开关灭弧的研究就在于如何强化去游离的强度当去游离强度大于游离的强度后，电弧将趋于熄灭。

因此，熄灭电弧的措施也就是强化去游离因素。

在电弧燃烧过程中，也有一些因素在削弱电弧，这些因素主要有：复合过程，电弧中带不同电荷的质点在运动中互¾电弧中带不同电荷的质点在运动中互相接触交换多余的能量成为中性质点的过程叫复合。

扩散过程，电弧中有足够动能的带电质点，克服¾电弧中有足够动能的带电质点克服电场力的束缚，逸入周围介质中去变为中性质点的过程叫扩散。

5.交、直流电弧的熄灭条件去游离强度加强有利于介质的绝缘强度的恢复，当介质的绝缘强度恢复到电子无法从电极表面发射时，就意味着电弧无法继续燃烧下去。

介质绝缘强度的恢复用一个参数表示，即恢复电压，指的是导致绝缘介质无法发生击穿的最大电压。

电弧相当于一个非线性电阻，受外界因素的影响电弧相当于个非线性电阻受外界因素的影响较多，当电弧电流发生变化时，电弧体的粒子浓度也就发生了变化从而电阻也就发生了变化也就发生了变化，从而电阻也就发生了变化。

电弧的伏安特性曲线为便于分析，把开关设备操作时的电气变化过程用以下等值电路表示。

其电压平衡方程式为：当电弧稳定燃烧时，有：从以上方程式可以看出：当施加在断路器触b u iR u =−从以方程式可以看出施加在断路器触头两侧的电压大于或等于电弧电压时，电弧将继续燃烧否则电弧将熄灭。

燃烧，否则电弧将熄灭。

通过电弧燃烧时电压平衡方程，我们分别讨论在开关设备中直流电弧和交流电弧的熄灭条件在开关设备中直流电弧和交流电弧的熄灭条件。

¾直流断路器：在上述方程中，施加在断路器断口之间的电压基本不变因此要把电弧燃烧的条件从之间的电压基本不变，因此要把电弧燃烧的条件从维持稳定燃烧降下来是一件相当困难的事情。

实际的直流断路器熄灭电弧只能通过一些外部条件来实现，如通过外力把电弧柱体拉长、强化对电弧的冷却等方法。

交流断路器：相对于直流电路，交流电弧的熄灭要容易一些，交流电压在其交变周期中，有两次电压为零，这种电压由正变负或由负变正的过程，我。

在电源电压交变过程中每周期有两们称为过零。

在电源电压交变过程中，每周期有两段时间电源电压是无法维持电弧稳定燃烧的，但也并非电源电压过零期间电弧就一定会熄灭。

并非电源电压过零期间电弧就定会熄灭从原理上来说，交流断路器的电弧会可能在电源电压过零时熄灭，但在电源电压绝对值达到一定水平电压过零时熄灭但在电源电压绝对值达到定水平后，如果电场强度仍然足以把触头之间介质击穿，则电弧依然会燃烧电弧在熄灭后又重新燃烧的现象电弧依然会燃烧，电弧在熄灭后又重新燃烧的现象称为重燃。

交流电弧是否重燃与下面两个物理过程有关1.弧隙介质绝缘强度的恢复过程电流最大时，电弧温度最高，电弧中的热游离最强电流最大时电弧温度最高电弧中的热游离最强烈，弧隙导电性能良好，弧隙介电强度几乎为零。

电流过零时，弧隙温度剧降，热游离减弱，电源电电流过零时弧隙温度剧降热游离减弱电源电压若同时过零，弧隙中带电质点无电场力作用，其运动速度较慢，去游离过程最强烈，弧隙中中性质点数量剧增，弧隙电阻增大，弧隙由电流最大值时的良好导电状态变为不导电状态，恢复为绝缘介质，电弧熄灭。

状恢复介质熄电流过零后，弧隙温度继续下降，弧隙介电强度继续提高，这一过程称为。

其恢续提高，这过程称为弧隙介电强度的恢复过程其恢复过程与弧隙中的去游离过程强弱有关。

2.弧隙电压的恢复过程触头间电流过零后，加在弧隙上的电压称为恢复电压。

恢复电压达到最大值的变化过程称为弧隙电压的恢复过程。

比较电流过零后弧隙介电强度和恢复电压值的大小，可以判断交流电弧在电流过零后能否熄灭。

只要电流过零后隙介度值始大隙恢复值隙零后，弧隙介电强度值始终大于弧隙恢复电压值，弧隙不被击穿，交流电弧熄灭，否则，电弧将重燃。

恢复电压与介电强度的关系1—恢复电压曲线；2、3—介电强度曲线恢复电曲线介电度曲线对于交流电路来说，由电源提供能量的负荷可能是电阻性负荷、电感性负荷或者电容性负荷，不同负荷性质对电弧的熄灭是有一定的影响的。

1）电阻负载对于纯电阻负载，如果绝缘介质的恢复强度高于开关触头间电场强度，电弧在电压过零后就熄灭。

2）电感性负载大家都知道，对于感性负载来说，电压和电流不是同相位的，电压超前于电流。

同样地，从电路理论的角度出发，我们知道，电感元件中电流是不能突变的，因此，开关在开断感性负载时，熄灭的因素就有所增加：有所增加①开关触头绝缘介质的恢复速度；②电压和电流的相位差，当电流为零时如果电压也为零，无疑开关触头间的绝缘介质强度恢复最好，如果当电压为零时，电流不为零，说明触头之间仍然存在着带电粒子的运动，这种运动将妨碍到绝缘介质强度的恢复。