第三章 电力系统的一次设备本章讲述了开关电器中电弧产生的原因和熄灭电弧的方法；介绍了高压断路器、高压隔离开关、熔断器、负荷开关、互感器、电抗器等电力系统一次设备的结构和工作原理，并列举了一些常用的开关设备；最后简单介绍了一些低压开关电器。第一节 概述发电厂和变电所的电气设备根据它们的功能分为一次设备和二次设备。变配电所中担负输送和分配电能任务的电路，称为一次电路或一次回路，亦称主电路。一次电路中所有的电器设备，称为一次设备或一次元件。例如电力变压器、断路器、电压互感器、电流互感器、避雷器等。 凡用来控制、指示、监测和保护一次设备运行的电路，称为二次电路。二次电路中的所有电气设备称为二次设备或二次元件。一、二次电路通过互感器联接，通常二次电路接在互感器的二次侧。例如电流表、电压表、继电器等。第二节 开关电器中电弧的产生与熄灭当开关电器断开通有电流的电路时，在动、静触头的间隙中就会出现电弧，如图 3-1 所示。对于 220V 的低压刀开关，当开断不大的负荷电流时，就可见到电弧；在高压电路中开断大电流时，会产生极强烈的电弧。在电弧燃烧期间，虽然触头已分开，但电路中的电流仍以电弧的方式维持着，电路并未真正的断开，只有电弧熄灭后，电路才算真正被切断。图 3-1 电弧示意图电弧是介质被击穿的放电现象，是触头间中性质点被游离的结果。一、电弧的产生1.强电场发射加有电压的开关电器触头在开始分离时，触头间的距离很小，触头间会形成很强的电场强度。当电场强度 超过 3106V/m 以上时，在强电场作用下，阴极触头表面的自由电E子就会被拉出，在电场的作用下向正极发射，形成强电场发射。2.热电子发射 触头是由金属材料制成的，在常温下，金属内部就存在大量的自由电子，当开关电器动静触头开始分离时，由于动静触头间的接触压力不断降低，接触面积减少，使接触电阻迅速增加，当触头分离到最后时，只剩下几点还接触，电流流过使这些接触点处的温度急剧升高，阴极表面自由电子在获得足够的热能后从阴极表面向四周发射，形成热电子发射。3碰撞游离如图 3-2 所示，由于强电场发射和热电子发射，在空间产生大量自由电子，触头间（从阴极发射出来）的自由电子，在电场力的作用下，向阳极作加速运动，能量逐渐增加。在向阳极运动的过程中不断与介质（空气或别的物质）发生碰撞，使中性质点游离正、负离子，这种现 图 3-2 碰撞游离过程象就称为碰撞游离。碰撞游离使介质带电质点剧增，在外加电压作用下，触头间介质被击穿，大量的电子向阳极运动，触头间形成电流，发出巨大的声响和强烈的白光，这就是电弧。4热游离电弧的温度很高(5000K 以上 )，在高温作用下，阴极表面继续产生热电子发射，并在介质中产生热游离，使电弧得以维持和发展。由上述可知，碰撞游离产生电弧，而维持电弧燃烧的主要因素是热游离。二、电弧的熄灭条件由电弧产生的原因可知，要熄灭电弧，必须减少触头间的正负离子 ，即去游离。去游离过程包括复合和扩散两种形式。（1）复合去游离弧柱中带正电和带负电的质点，在运动过程中互相吸引结合成中性质点的现象称复合去游离。复合的快慢与电场强度、电弧的温度和截面积有关。复合速率与带电质点的体积浓度成比例，因而与电弧直径平方成反比；拉长电弧，可以使电场强度下降，电子运动速度减慢，复合的可能性增大；加强电弧冷却，如利用液体、气体吹弧或将电弧挤入绝缘冷壁制成的狭缝中，能迅速冷却电弧，减小离子运动速度，加强复合过程；此外加大气体介质的压力，可使带电质点的密度增大，自由行程减少，也可以加强复合过程。（2）扩散去游离弧柱中正、负离子从电弧内逸出，进入周围介质中的现象，称为扩散去游离。扩散出去的带电粒子使弧柱内的带电粒子减少，因此，扩散有助于电弧的熄灭。游离和去游离是同时存在的。当游离作用大于去游离作用，电弧电流增大，电弧增强；若游离作用等于去游离作用，则电弧电流保持不变，电弧稳定燃烧；若去游离作用大于游离作用，则电弧电流减小，最终使电弧熄灭。由此可知，要使电弧熄灭，则必须设法使去游离速度大于游离速度。三、电弧的特性及熄灭条件1.交流电弧的伏安特性及熄灭条件由于交流电流的瞬时值不断的随时间作周期性变化，因而电弧的温度、电阻及电弧电压也随时间而变化，故交流电弧的伏安特性应为动态特性，且电弧的热惯性使电弧温度的变化总是滞后于电流的变化。由于交流电流每半个周期要经过零值一次，因而电流过零时电弧将暂时熄灭，对于稳定燃烧的电弧，在电弧电流过零熄灭后，在下半周又会重新燃烧。所以交流电弧每一个周期（ 电角度）要暂时熄灭两次。2当电弧电流按正弦变化时，如图 3-3（a）中曲线 所示。 电弧在稳定燃烧的情况下，ai如果弧长不变，且介质对电弧的冷却作用不太强，则电弧电压的波形如图 3-3（a）中曲线所示。交流电弧的伏安特性如图 3-3（b） ，曲线上的箭头表示电流变化的方向。au图 3-3 交流电弧的电压、电流波形图及伏安特性（a） 波形图 （b）伏安特性图 3-3（a）中电弧电压 的波形呈马鞍形变化。其中 A 点为电弧产生时的电压，称为u燃弧电压；C 点为电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压。由图 3-3（b）所示交流电弧的伏安特性可知，在电弧电流过零期间，弧柱输入功率为零；由于散热作用，弧柱的温度下降，弧柱电阻增大，由于电流较小而未能形成电弧，电极两端的电压随电流以很大的斜率上升，如图 3-3（b）中 OA 部分；当电流达到对应于 A点的数值后，弧隙被击穿，形成电弧；此后，电压随电流的增大而减小，如伏安特性曲线中 AB 部分；当电弧电流达到最大值后又减小时，电弧电压随电流的减小而上升，因为热惯性作用，沿曲线 BC 上升，BC 段低于 AB 段；当电流达到对应于 C 点的数值后，由于输入功率减小，不能继续维持电弧燃烧，电弧熄灭；电弧熄灭后，加在弧隙上的电压随电流的减小而迅速减小。显然，由于热惯性的影响，熄弧电压低于燃弧电压。电弧电流过零时，是熄灭电弧的有利时机，但电弧是否能熄灭，取决于去游离速度是否大于游离速度。对于交流电弧，在电流过零前，两电极一正一负，弧隙间充满着电子和正离子。在电流过零后，由于弧隙的电极性发生了转换，弧隙中带电介质的运动方向也随之变化，质量轻的自由电子立刻反向运动，而正离子由于质量大几乎未动；于是，在新的阴极附近便形成缺少导电的自由电子而充满几乎不导电的正离子的正电荷空间，呈现出一定的介质强度。这种在阴极附近的薄层空间介质强度突然升高的现象，称为近阴极效应。实验证明，电流过零后，约在 0.11s 极短的时间内立即出现大约 150V250V 的起始介质强度。 近阴极效应对几万伏以上的高压断路器的灭弧不起多大作用，对低于电器的作用就很大。第三节 熄灭交流电弧的基本方法开关电器中经常采用的有以下几种灭弧方法：一、速拉灭弧法迅速拉长电弧是开关电器中普遍采用的最基本的灭弧方法。电弧的迅速拉长，将使弧隙的电场强度骤降，从而导致带电质点的复合迅速增强，有助于加速电弧的熄灭。 二、吹弧灭弧法利用外力(如气流、油流或电磁力)来吹动电弧，加速电弧的冷却，同时拉长电弧，使电弧变细，降低电弧中的电场强度，使带电质点的复合和扩散增强，最终加速电弧的熄灭。按外力的性质来分，有气吹、油吹、磁吹等。三、采用灭弧能力强的灭弧介质电弧中的去游离强度，在很大程度上取决于周围介质的特性。高压断路器中广泛采用的灭弧介质有真空、SF 6、变压器油、压缩空气。1.真空如果将开关触头装在真空容器内，由于真空的气体稀薄（其气体压力低于 133.310-4 Pa） ，弧隙中的自由电子和中性质点都很少，则触头在分断时产生的电弧（真空电弧）一般较小，并在电流第一次过零时就能使电弧熄灭。真空气体的绝缘强度比变压器油、1 个大气压下的 SF6、空气都大（比空气大 15 倍） 。 2.SF6 气体SF6 气体具有优良的绝缘性能和灭弧性能。SF 6 气体中氟原子具有很强的吸附电子的能力，为复合创造了有利的条件，因而具有很强的灭弧能力，其灭弧能力比空气强 100 倍，绝缘强度约为空气的 3 倍。采用 SF6 来灭弧可大大提高开关的断流容量和缩短灭弧时间。3.变压器油在电弧高温的作用下，变压器油可分解出大量的氢气和油蒸汽（H 2 约占 7080） ，其中氢气的绝缘和灭弧能力是空气的 7.5 倍。4.压缩空气压缩空气的压力约为 20105Pa，由于其分子密度大，质点的自由行程小，能量不易积累，不易发生游离，所以具有良好的绝缘和灭弧能力。四、粗弧分细灭弧法将粗大的电弧分成若干平行的细小电弧，加大电弧与周围介质的接触面积，改善电弧的散热条件，降低电弧的温度，使电弧中离子的复合和扩散都得到加强，从而使电弧加速熄灭。五、长弧切短灭弧法这种方法常用于低压电器中。由于电弧的电压降主要降落在阴极和阳极上，其中阴极电压降又比阳极电压降大得多，弧柱上的电压降是很小的，因此把触头间产生的电弧引入与电弧垂直放置的金属栅片内，将一个长电弧切割成若干个短电弧，则电弧电压降相当于近似增大若干倍。交流电路中，利用近阴极效应，使所有电弧阴极的介质强度之总和永远大于触头间的外加电压，电弧就不再重燃。图 3-4 为低压开关电器中广泛采用的钢灭弧栅装置。灭弧栅由许多带缺口的钢片制成，当断开电路时，动、静触头间产生电弧，由于磁通总是力图走磁阻最小的路径，故对电弧产生一个向上的电磁力，将电弧拉至上部无缺口的部分，电弧则被栅片分割成若干短弧。图 3-4 长弧切短灭弧原理 图 3-5 狭缝灭弧原理1-灭弧栅片；2-电弧；3-触头 1-绝缘栅片；2-电弧；3-触头六、狭缝灭弧法当触头断开而产生电弧后，使电弧在固体介质所形成的狭缝中燃烧，狭缝限制了电弧直径，狭缝中的气体因受热膨胀使弧隙压力增大，同时附着于固体介质表面的带电质点强烈的复合，固体介质对电弧的冷却将使电弧迅速熄灭。图 3-5 为狭缝灭弧原理。灭弧片通常由耐高温的绝缘材料（如石棉、水泥或陶土材料）制成，有多种形式。图中电弧被拉入绝缘栅片的狭缝中，弧隙压力增加，电弧被拉长，并与灭弧片冷壁紧密接触，加大了冷却作用，使电弧内的复合过程加强，最终使电弧熄灭。此外，电弧中去游离的强度，在很大程度上与触头的材料有关。第四节 高压断路器一、高压断路器概述高压断路器是发电厂、变电所及电力系统中最重要的控制与保护设备。其主要用于接通和断开正常的工作电流、在故障时自动断开电路中的短路电流，切除故障电路，是开关电器中最为完善的一种设备。为满足电网发展和电力用户对高质量、高可靠供电的需求，高压断路器正向着智能化的方向发展。智能高压断路器具有在线监测功能，控制功能，多使用新型的电流及电压传感器。1.对高压断路器的基本要求高压断路器在合闸状态时应为良好的导体，分闸状态时应具有良好的绝缘性，在断开规定的短路电流时，应具有足够的开断能力和尽可能短的断开时间，在开断瞬时性故障后，能进行快速自动重合操作；在接通规定的短路电流时，动作速度快，熄弧时间短，短时间内触头不产生熔焊。2.高压断路器类型与型号高压断路器按安装地点分为户内型和户外型两种。按使用的灭弧介质可分为真空断路器、六氟化硫（SF 6）断路器、油断路器（已基本淘汰） 、空气断路器（应用较少） 、磁吹断路器等。按操动机构可分为手动式、电磁式、液压式、弹簧储能式等。这里仅介绍常用的六氟化硫（SF 6）断路器和真空断路器。（1）六氟化硫（SF 6）断路器采用具有优良灭弧能力的惰性气体 SF6 作为灭弧介质的六氟化硫（ SF6）断路器，具有开断能力强、全开断时间短，断口开距小，体积小、重量较轻，维护工作量小，噪音低，寿命长等优点；但结构较复杂，金属消耗量大，制造工艺、材料和密封要求高，价格较贵。目前国内生产的 SF6 断路器有 12550kV 电压等级产品。 SF6 断路器与以 SF6 为绝缘的有关电器组成的密封组合电器（GIS ） ，在城市高压配电装置中应用日益广泛，是高压和超高压系统