发电厂电气主系统PPT课件.ppt
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1、电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护2-1第二章第二章 电电弧与弧与电电气触气触头头的基本知的基本知识识第一第一节节 电电弧的形成与熄弧的形成与熄灭灭 第二第二节节 交流交流电电弧的特性及熄弧的特性及熄灭灭 第三第三节节 开关开关电电器中熄器中熄灭灭交流交流电电弧的基本方法弧的基本方法第四第四节节 电电气触气触头头的基本知的基本知识识 本章本章计计划学划学时时:4 学学时时1.电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护2-2本章教学要求本章教学要求了解了解电电弧的危害,熟悉弧的危害,熟悉电电弧的形成弧的形成过过程程熟悉交流熟悉交
2、流电电弧的特性,交流弧的特性,交流电电弧的熄弧的熄灭灭条件条件 了解交流了解交流电电弧的开断弧的开断过过程程掌握熄掌握熄灭灭交流交流电电弧的基本方法弧的基本方法熟悉熟悉电电气触气触头头的基本要求,及触的基本要求,及触头头的分的分类类和和结结构构2.电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护2-3第一第一节节 电电弧的形成与熄弧的形成与熄灭灭一、开关一、开关电电器的器的灭灭弧原理弧原理(一)(一)电电弧弧现现象象 1)电电弧弧:是一种气体游离放是一种气体游离放电现电现象。象。2)产产生生电电弧的条件弧的条件:用开关用开关电电器开断器开断电电源源电压电压大于大于10
3、20 V,电电流大于流大于80 100mA的的电电路路时时,就会,就会发发生生电电弧。弧。3)电电弧的特点弧的特点:能量集中,温度很高,亮度很能量集中,温度很高,亮度很强强;电电弧是弧是良良导导体。体。4)电电弧的利用弧的利用:电电弧在工弧在工业业上有很多有益的上有很多有益的应应用,例如,用,例如,利用其高温的利用其高温的电电弧弧焊焊接机,接机,电电弧弧炼钢炼钢炉等。炉等。5)电电弧的危害弧的危害:在开关在开关电电器中,器中,电电弧是有害的,要求尽快弧是有害的,要求尽快地熄地熄灭灭,否,否则则会会烧烧坏开关触坏开关触头头,误误拉隔离开关会造成相拉隔离开关会造成相间间短路短路和人身和人身伤伤亡。
4、亡。3.电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护2-4 6)特征特征:气体气体导电导电(轻轻、易、易变变形);形);电电弧的能量集中,温度很高,亮度很弧的能量集中,温度很高,亮度很强强例:例:10kvQF断开断开20kA的的电电流,流,电电弧功率达到弧功率达到 1万万kw以上以上 电电弧由阴极区,阳极区和弧柱区弧由阴极区,阳极区和弧柱区组组成。成。弧柱弧柱处处温度最高,可达温度最高,可达67k0C到到1万度以上在弧柱周万度以上在弧柱周围围温度温度较较低,亮度明低,亮度明显显减弱的部分叫减弱的部分叫弧焰,弧焰,电电流几乎都从弧流几乎都从弧柱内部流柱内部流过过。4.
5、电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护2-5 电电弧的气体放弧的气体放电电是自持放是自持放电电,维维持持电电弧燃弧燃烧烧的的电压电压很低。很低。在大气中,在大气中,1cm长长的直流的直流电电弧的弧柱弧的弧柱电压仅电压仅1530v,在在变压变压器油中器油中1cm长长的直流的直流电电弧的弧柱弧的弧柱电压仅电压仅100220v。电电弧是一束游离的气体,弧是一束游离的气体,质质量极量极轻轻,极易,极易变变形。形。电电弧在气体或液体的流弧在气体或液体的流动动作用下或作用下或电动电动力作用下,能迅力作用下,能迅速移速移动动、伸、伸长长或弯曲。或弯曲。5.电气设备及运行维护
6、电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护2-6(二)(二)电电弧的弧的产产生与熄生与熄灭灭 游游 离离中性中性质质点分解成自由点分解成自由电电子和正离子子和正离子。去游离去游离电电子和正离子相互吸引子和正离子相互吸引还还原原为为中性中性质质点点。1.电电弧的弧的产产生生 1)强强电场发电场发射射:E=U/s 大于大于3106 V/m时时,金属触,金属触头头阴极阴极表面就会表面就会发发射自由射自由电电子子。2)热电热电子子发发射射:在开关分在开关分闸时闸时,动动静触静触头头之之间间的接触的接触压压力和接触面力和接触面积积减小,接触减小,接触电电阻增大,接触表面阻增大,接触表面发热严
7、发热严重,重,产产生生局部高温,阴极金属材料中的局部高温,阴极金属材料中的电电子子获获得得动动能而逸出成能而逸出成为为自由自由电电子。子。6.电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护2-7 3)加速运加速运动动:自由自由电电子,在子,在强强电场电场的作用下,向阳极作的作用下,向阳极作加速运加速运动动。4)碰撞游离碰撞游离:加速运加速运动获动获得得动动能的自由能的自由电电子在运子在运动动中与中与中性中性质质点点发发生碰撞,中性生碰撞,中性质质点中的点中的电电子子获获得能量得能量产产生生跃跃迁,跳迁,跳到能到能级级更高的更高的轨轨道上,如果道上,如果获获得的能量足得
8、的能量足够够大,自由大,自由电电子就能子就能脱离原子核的束脱离原子核的束缚缚,游离成自由,游离成自由电电子和正离子。子和正离子。5)雪崩雪崩:游离的游离的结结果果导导致触致触头间头间自由自由电电子数量子数量剧剧增增。6)介介质击质击穿穿产产生生电电弧弧:剧剧增的增的电电子子形成形成电电流,介流,介质质被被击击穿而穿而产产生生电电弧。弧。电电弧形成小弧形成小结结自由自由电电子的来源子的来源(即游离方式即游离方式)电电极极发发射大量自由射大量自由电电子:子:热电热电子子+强强电场发电场发射射 弧柱区的气体游离:碰撞游离弧柱区的气体游离:碰撞游离+热热游离游离7.电气设备及运行维护电气设备及运行维护
9、电气设备及运行维护电气设备及运行维护2-8电电弧的形成弧的形成其中:阴极其中:阴极发发射(起因)射(起因)碰撞游离(重要因素)碰撞游离(重要因素)击击穿穿(量(量变变到到质变质变)热热游离(主要因素)游离(主要因素)维维持持发发展展 2电电弧的弧的维维持与持与发发展展 1)由于)由于电电弧的弧的 r 小,小,电电弧形成后,触弧形成后,触头间头间的的电压电压和和电场电场强强度很低,度很低,强强电场发电场发射停止。射停止。2)由于)由于电电弧在燃弧在燃烧过烧过程中温度很高,可达到几千度甚至上程中温度很高,可达到几千度甚至上万度,阴极表面万度,阴极表面继续进继续进行行热电热电子子发发射。射。8.电气
10、设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护2-9 3)另一方面介)另一方面介质质的分子和原子在高温下将的分子和原子在高温下将产产生生强强烈的分烈的分子子热热运运动动,获获得得动动能的中性能的中性质质点之点之间间不断地不断地发发生碰撞,游离生碰撞,游离成自由成自由电电子和正离子,此即所子和正离子,此即所谓热谓热游离。游离。4)热发热发射和射和热热游离游离给给弧隙提供了大量的自由弧隙提供了大量的自由电电子,子,电电流流继续继续流流过过,电电弧的燃弧的燃烧烧得以得以维维持。持。3电电弧的熄弧的熄灭灭 1)复合去游离:复合去游离:正离子和正离子和负负离子相互吸引而中和成离子相
11、互吸引而中和成为为中中性性质质点的点的过过程。程。自由自由电电子的子的 v 远远大于正离子,它大于正离子,它们们直接复合的直接复合的可能性很小,往往是自由可能性很小,往往是自由电电子先附着在中性子先附着在中性质质点上,形成点上,形成负负离离子,运子,运动动速度大大减慢,此速度大大减慢,此时时正离子和正离子和负负离子更容易复合。离子更容易复合。2)扩扩散去游离:散去游离:自由自由电电子和正离子逸出子和正离子逸出电电弧而弧而进进入周入周围围介介质质中,被周中,被周围围介介质质冷却而复合的冷却而复合的过过程。程。由于由于电电弧内外的弧内外的电电荷荷浓浓度度及及温差温差的不同,自由的不同,自由电电子和
12、正离子和正离子将向子将向浓浓度和温度都低的周度和温度都低的周围围介介质质中中扩扩散,在低温散,在低温处处,电电子和子和离子的离子的v减慢而复合成减慢而复合成为为中性中性质质点。点。9.电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护2-10 影响游离和去游离的因素影响游离和去游离的因素电电弧温度:弧温度:热热游离游离Q 速度速度复合加复合加强强Q 使温度降低的方法有:吹弧、拉使温度降低的方法有:吹弧、拉长电长电弧、或与冷却介弧、或与冷却介质质表面接触。表面接触。电场电场强强度:度:E 运运动动速度速度复合复合 Q热热游离游离气体介气体介质质的的压压力:力:F自由行程自由
13、行程缩缩短短离子离子浓浓度度复合复合 真空数目少真空数目少磁撞游离磁撞游离扩扩散散介介质质特性:特性:包括气体的介包括气体的介电电强强度、度、导热导热系数、系数、热热容量、容量、电负电负荷荷电电极材料:极材料:铜铜、银银、铜钨铜钨、银钨银钨合金合金n具有熔点高、具有熔点高、导热导热能力能力强强、热热容量大的特点,可减少容量大的特点,可减少热电热电子子发发射和弧柱中射和弧柱中的金属蒸气。的金属蒸气。10.电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护2-11 游离作用等于去游离作用,新增加的游离作用等于去游离作用,新增加的带电质带电质点数量与中和点数量与中和的数量相等,
14、的数量相等,电电弧弧稳稳定燃定燃烧烧。游离作用大于去游离作用,游离作用大于去游离作用,电电弧燃弧燃烧烧加加剧剧。游离作用小于去游离作用,游离作用小于去游离作用,则电则电弧中的弧中的带电质带电质点数量减少,点数量减少,最最终导终导致致电电弧熄弧熄灭灭。3)电电弧的熄弧的熄灭灭:电电弧的燃弧的燃烧烧是由游离是由游离过过程程维维持的,但在持的,但在电电弧中同弧中同时还进时还进行着相反的使行着相反的使带电质带电质点数量减少的去游离点数量减少的去游离过过程。程。第二第二节节 交流交流电电弧的特性弧的特性 1 1)电电弧弧电电流交流交变变,每半个周期,每半个周期过过零一次,此零一次,此时电时电弧因失去弧因
15、失去能量而自然熄能量而自然熄灭灭。11.电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护2-12 2 2)由于)由于热惯热惯性性,弧柱温度的,弧柱温度的变变化滞后于快速化滞后于快速变变化的化的电电流,流,所以交流所以交流电电弧的伏安特性是弧的伏安特性是动态动态的,如的,如图图2-32-3所示。在所示。在电电流增流增大大时时,温度来不及增高,弧隙,温度来不及增高,弧隙电电阻来不及减小;在阻来不及减小;在电电流减小流减小时时,温度来不及减小,弧隙温度来不及减小,弧隙电电阻来不及增大。故阻来不及增大。故图图2-3a2-3a中正方向中正方向电电流增大流增大时时的曲的曲线线在在电
16、电流减小流减小时时的上方。的上方。A点是点是电电弧弧产产生生时时的的电压电压,称,称为为燃弧燃弧电压电压。B点是点是电电弧熄弧熄灭时灭时的的电压电压,称,称为为熄弧熄弧电压电压。12.电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护2-13(四)交流(四)交流电电弧熄弧熄灭灭的条件的条件 1)熄熄灭灭交流交流电电弧的最佳弧的最佳时时机机:交流:交流电电弧每半周期自然熄弧每半周期自然熄灭灭是熄是熄灭灭交流交流电电弧的最佳弧的最佳时时机。机。2)在)在电电流流过过零后,弧隙中存在着两个恢复零后,弧隙中存在着两个恢复过过程。程。a)介介质质强强度恢复度恢复过过程程:由于去游离
17、作用的加由于去游离作用的加强强,弧隙,弧隙间间的的介介质质逐逐渐渐恢复其恢复其绝缘绝缘性能,以耐受的性能,以耐受的电压电压Ur(t)表示。表示。b)弧隙弧隙电压电压恢复恢复过过程程:电电源源电压电压要重新作用在触要重新作用在触头头上,弧上,弧隙隙电压电压将从熄弧将从熄弧电压电压逐逐渐渐恢复到恢复到电电源源电压电压,用,用Ud(t)表示。表示。1弧隙介弧隙介质质强强度恢复度恢复过过程程(1)起始介)起始介质质强强度(近阴极效度(近阴极效应应)在在电电流流过过零后的零后的0.1 1s 的短的短暂时间暂时间内,阴极附近出内,阴极附近出现现150 250V的起始介的起始介质质强强度,称度,称为为近阴极
18、效近阴极效应应。13.电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护2-14 原因原因:在:在电电流流过过零的瞬零的瞬间间,弧隙,弧隙电压电压的极性的极性发发生生变变化,弧化,弧隙中的自由隙中的自由电电子立即向新阳极运子立即向新阳极运动动,正离子,正离子质质量大,基本未量大,基本未动动,在新阴极附近就形成了只有正在新阴极附近就形成了只有正电电荷的不荷的不导电导电薄薄层层,阻碍阴极,阻碍阴极发发射射电电子,呈子,呈现现出一定的介出一定的介质质强强度,如度,如图图2-4所示。所示。(2)起始介)起始介质质强强度出度出现现后的介后的介质质强强度的恢复度的恢复 这这是一个复是
19、一个复杂杂的的过过程,它与程,它与电电弧弧电电流、介流、介质质特性、冷却条特性、冷却条件和触件和触头头分断速度有关。分断速度有关。14.电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护2-152弧隙弧隙电压电压恢复恢复过过程程 1)电电弧弧为纯电为纯电阻性阻性质质,电电弧弧电电流与弧隙流与弧隙电压电压同相位,同相位,电电弧弧电电流流过过零零时时,弧隙,弧隙电压电压接近零;接近零;2)短路)短路时电时电路路电电阻很小,阻很小,电电路路呈感性呈感性,电电弧弧电电流与流与电电源源电电压压不同相位,不同相位,电电弧弧电电流流过过零零时时,电电源源电压电压不等于零;不等于零;3)
20、由于)由于电电路参数路参数L、C的存在,的存在,电电弧熄弧熄灭灭后,弧隙后,弧隙电压电压不可不可能立刻由熄弧能立刻由熄弧电压电压上升到上升到电电源源电压电压,一般一般弧隙恢复弧隙恢复电压电压是一个是一个过过渡渡过过程。它将从瞬程。它将从瞬态态(振(振荡荡)恢复)恢复电压电压逐逐渐过渐过渡到工渡到工频频恢复恢复电压电压。15.电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护2-163交流交流电电弧熄弧熄灭灭的条件的条件 电电流流过过零后,零后,电电弧能否熄弧能否熄灭灭取决于两个恢复取决于两个恢复过过程作用的程作用的结结果:果:1)如果弧隙)如果弧隙电压电压恢复恢复过过程上
21、升速度程上升速度较较快,幅快,幅值较值较大,弧大,弧隙隙电压电压恢复恢复过过程大于弧隙介程大于弧隙介质质强强度恢复度恢复过过程,介程,介质质被被击击穿,穿,电电弧重燃,如弧重燃,如图图2-6a所示。所示。2)如果弧隙介)如果弧隙介质质强强度恢复度恢复过过程始程始终终大于弧隙大于弧隙电压电压恢复恢复过过程,程,则电则电弧熄弧熄灭灭,如如图图2-6b和和2-6c所示。所示。故交流故交流电电弧熄弧熄灭灭的条件的条件应为应为:Ud(t)Ur(t)16.电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护电气设备及运行维护2-17(五)断路器开断短路(五)断路器开断短路电电流流时时的弧隙的弧隙电压电压
22、恢复恢复过过程程 如果能如果能够够采取措施,防止弧隙恢复采取措施,防止弧隙恢复电压电压振振荡荡,将周期性振,将周期性振荡荡特性的恢复特性的恢复电压转变为电压转变为非周期性恢复非周期性恢复过过程,程,电电弧就更容易熄弧就更容易熄灭灭,如,如图图2-6c所示。所示。目的:找出恢复目的:找出恢复电压电压不振不振荡荡的条件及防止振的条件及防止振荡荡的方法。的方法。断路器开断短路断路器开断短路电电流流时时的的电电路如路如图图2 2-7a a所示,其等效所示,其等效电电路如路如图图2 2-7b b所示,所示,R、L为电为电源源和和变压变压器的器的电电阻和阻和电电感,感,C可以可以认为认为是是变压变压器器绕
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