文档介绍：《风力发电厂及变电站电气设备应用与控制技术》
信息来源:中国风电产业网   关键词:风力发电   更新时间:2010-01-14 16:58:02
开关电器
第一节  开关电器的用途和分类
电力系统中,发电机、变压器以及线路等元件,由于改变运行方式或发生故障,需将它们接入或退出时,要求可靠而灵活地进行切换操作。例如:在电路发生故障情况下,须能迅速切断故障电流,把事故限制在局部地区并使未发生故障部分继续运行,以提高供电的可靠性;在检修设备时,隔离带电部分,保证工作人员的安全等。为了完成上述操作,在电力系统中必须装设开关电器。根据开关电器的不同性能,可将其分为以下几类:
①低压刀闸开关、接触器、高压负荷开关等开关电器,用来在正常工作情况下开断或闭合正常工作电流。
②熔断器,用来开断过负荷电流或短路电流。
③高压隔离开关,只用来在检修时隔离电源,不允许用其开断或闭合电流。
④自动分断器,用来在预定的记忆时间内根据选定的计数次数在无电流的瞬间自动分断故障线路。
⑤高压断路器、低压空气开关等开关电器,既用来开断或闭合正常工作电流,也用来开断或闭合过负荷电流或短路电流。
高压断路器根据安装地点,可分为户内式和户外式2 种。依其采用的灭弧介质及工作原理不同又分为油断路器、六氟化硫(SF6)断路器、真空断路器、空气断路器、自产气断路器等几种型式。
第二节开关电器的电弧产生及灭弧
开关电器是通过动、静触头来接通或断开电气设备的。在触头接通或触头分离时,触头间可能出现电弧。电弧是一种气体放电,即气体在某种条件下,其分子分解成正、负离子而产生导电的现象。因此,开头的触头虽然已分开,但触头间只要有电弧存在,电路就没有断开,电流仍然存在。电弧的温度极高,可能烧坏触头及触头附近的其他附件。如果电弧长久不能熄灭,将会引起电器被毁坏甚至爆炸,危及电力系统的安全运行,造成生命财产的极大损失。因此在切断电路时,必须尽快地使电弧熄灭。要使电弧能尽快熄灭,首先应了解电弧的形成过程。
一、电弧的产生
在断路器触头分离时,由于触头间接触压力不断下降,接触面积不断减小,使接触电阻迅速增大,接触处的温度将急剧升高。另一方面,触头开始分离时,由于触头间的距离很小,即使触头间的电压很低,只有几百伏甚至只有几十伏,但电场强度却很大。如间隙距离为1×10-5cm时,×106~×107V/cm。由于上述两个原因,阴极表面就可能向外发射出电子,这种现象称为热电子发射或强电场发射。从阴极表面发射出来的电子,在电场力的作用下向阳极作加速运动,并不断与中性质点碰撞。如果电场足够强,电子所受的力足够大,而两次碰撞的自由行程足够大,电子积累的能量足够多,则发生碰撞时就可能使中性质点发生游离,产生新的自由电子和正离子,如图1-1所示。新产生的电子又和原来的电子一起以极高的速度向阳极运行,当它们和其他中性质点碰撞时,又会产生碰撞游离。碰撞游离连续不断地发生,使触头间充满了电子和正离子,介质中带电质点大量增加,使触头间形成很大的电导。在外加电压下,大量电子向阳极运行,形成电流,这就是所说的介质被击穿而产生的电弧。触头间形成电弧后,产生很大的热量,使介质温度急剧升高,在高温作用下中性质点由于高温而产生强烈的热运动。它们之间不断碰撞的结果,又可能发生游离,即热游离,使电弧得以维持和发展。
二、电弧的熄灭
在电弧中,介质因游离而产生大量的带电粒子的同时,还发生带电粒子消失的相反过程,称为去游离。如果带电粒子消失的速度比产生的速度快,电弧电流将减小而使电弧熄灭。带电粒子的消失是因为复合和扩散两种物理现象造成的。
复合:异性带电质点的电荷彼此中和成为中性质点的现象称为复合。电子与正离子的速度相差太大,所以电子与正离子直接复合的几率小;通常是电子先附在原子上形成负离子,再与正离子复合,如图1-2所示。扩散:弧柱中的带电质点,由于热运动而从弧柱内部逸出,进入周围介质的现象称为扩散。
开关电器的灭弧原理就是在断路器触头分开的同时,利用液体或气体吹弧,或将电弧拉人绝缘冷壁做成的窄缝中,迅速地冷却电弧,减小离子的运动速度。同时,增加气体的压力和气体密度,使离子间的自由行程缩短,复合的几率增加,碰撞游离和热游离的几率减小。另外,还可以使电弧中的高温离子密度大的空间向密度小、温度低的介质周围方向扩散,电弧和周围介质的温度及离子浓度差愈大,扩散作用愈强。扩散出来的离子,因冷却而相互结合成为中性质点。总之,在断路器开断电路时,强迫冷却电弧的内部和表面,增强离子的复合速度,尽快恢复介质的绝缘强度,使电弧很快熄灭。
三、交流电弧的特性与熄灭
在交流电路中,电流的瞬时值不断地随时间变化,并且从一个半周到下一个半周过程中,电流要过零一次。在电流过零前的几百微秒,由于电流减