導(dǎo)體的發(fā)熱電動力及開關(guān)電器的滅弧原理

1、第二章 導(dǎo)體的發(fā)熱、電動力及開關(guān)電器的滅弧原理,2.1 導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱,一、概 述,1.發(fā)熱產(chǎn)生的原因： (1)電阻損耗 (2)介質(zhì)損耗 (3)磁滯和渦流損耗2.發(fā)熱對導(dǎo)體和電器產(chǎn)生的影響： (1) 機(jī)械強(qiáng)度下降 (2) 接觸電阻增加 (3) 絕緣性能降低 3． 兩種發(fā)熱狀況： （1）長期

2、發(fā)熱——正常工作情況下的持續(xù)發(fā)熱 （2）短時(shí)發(fā)熱——故障情況下的短時(shí)發(fā)熱,二、導(dǎo)體的發(fā)熱,1.導(dǎo)體電阻損耗的熱量QR （1） 單位長度（1m）的導(dǎo)體通過IW（A）時(shí)，由電阻損耗產(chǎn)生的熱量為：Ks的求法： Ks與電流頻率、導(dǎo)體的材料、形狀和尺寸有關(guān)。分析計(jì)算較麻煩，實(shí)用上由查曲線而得。 橫坐標(biāo)： f—電流頻率； R0—1000m長度導(dǎo)體在20℃

3、時(shí)的直流電阻。,,,下一頁,式中 R、Rdc—導(dǎo)體的交、直流電阻，Ω/m； Ks—導(dǎo)體的集膚效應(yīng)系數(shù)； ρ—導(dǎo)體溫度為20℃的直流電阻率，Ω·mm2/m； αt—20℃時(shí)電阻溫度系數(shù)， ℃－1； θw—導(dǎo)體的運(yùn)行溫度，℃； S—導(dǎo)體的截面積，mm2。,,,返 回,2.太陽照射的熱量QS：QS＝ESASFS式中： ES—太陽照射

4、功率密度，我國取ES＝1000W/m2； AS—導(dǎo)體對太陽照射熱量的吸收率，與導(dǎo)體表面狀況有關(guān)，對表面磨光的鋁管取AS＝0.6； FS—單位長度導(dǎo)體受太陽照射面積，m2； D—導(dǎo)體外直徑，數(shù)值上等于FS。,三、導(dǎo)體的散熱,1．對流傳遞的熱量Qc（1） 的計(jì)算： 1）自然對流換熱：

5、 [W/(m2·℃)] 2）強(qiáng)迫對流換熱： [W/(m2·℃)] （2）Fc的計(jì)算： 設(shè)單條矩形導(dǎo)體高h(yuǎn)（mm），寬b（mm），A1、A2分別為單位長度導(dǎo)體在高度和寬度方向的表面積，則 A1＝h/1000(m2/m)，A2＝b/1000(m2/m) 單條矩形導(dǎo)體的計(jì)算：

6、 Fc＝2（A1＋A2）(m2/m),,2.輻射傳遞的熱量Qr（1）矩形導(dǎo)體Fr的計(jì)算。 Fr＝2（A1＋A2）(m2/m)（2）ε——導(dǎo)體材料的相對輻射系數(shù)（又稱黑度），與導(dǎo)體材料表面狀態(tài)及溫度有關(guān)，磨光表明的ε小，粗糙或有漆層，氧化層表面的ε大。 Fr ——單位長度導(dǎo)體的輻射換熱面積。 m2/m,2.2 導(dǎo)體的長期發(fā)熱與載流量,一、導(dǎo)體的溫升過程

7、 能量守恒原理： QR＋QS＝QW＋（Qc＋Qr＋Qd）二、導(dǎo)體的載流量（1）屋內(nèi)導(dǎo)體，不考慮日照的影響時(shí)，導(dǎo)體的載流量為： （2）屋外導(dǎo)體，記及日照影響時(shí)的載流量為：,,,（3）提高載流量的措施,1）減小導(dǎo)體電阻R ①采用電阻率小的材料； ②減小接觸電阻； ③增加截面積2）增大導(dǎo)體的換熱面3）提高換熱系數(shù)。,例：計(jì)算屋內(nèi)配電裝置中80mm×10mm的矩形鋁導(dǎo)體的長期允許載流量。導(dǎo)體正

8、常最高允許溫度為70℃，基準(zhǔn)環(huán)境溫度為25℃。解： (1) 時(shí)，1000m長導(dǎo)體的直流電阻：由 及 ，查曲線圖得 交流電阻： 由于 Fc=Fr=2（A1＋A2）=2（80/1000＋10/1000）＝0.18(m2/m) (2) 對流散熱的熱量：,,,（3）輻射散熱的熱量：

9、則導(dǎo)體的載流量為：,2．3 導(dǎo)體的短時(shí)發(fā)熱,一、短時(shí)發(fā)熱過程1．導(dǎo)體短時(shí)發(fā)熱特點(diǎn)（1）短路電流大，持續(xù)時(shí)間短，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的熱量全部被導(dǎo)體吸收用來升溫；（2）短路時(shí)，導(dǎo)體溫升很高，它的電阻、比熱容是溫度的函數(shù)。2．導(dǎo)體中通過負(fù)荷電流和短路電流時(shí)的溫度變化情況（如右圖）(1) Θi的計(jì)算(2) Θf的計(jì)算,當(dāng)實(shí)際環(huán)境溫度為θ0，通過載流導(dǎo)體的負(fù)荷電流為Ifh時(shí)，穩(wěn)定溫度θi可按下式計(jì)算： 式中 θy——

10、長期允許最高溫度，℃； Iy——按時(shí)校正后的長期允許電流，A； Ifh——導(dǎo)體長期通過的負(fù)荷電流，A。,,返 回,導(dǎo)體短時(shí)發(fā)熱最高溫度θf的計(jì)算：熱穩(wěn)定：一般把電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體在短路時(shí)，能承受短路電流發(fā)熱的能力，稱為熱穩(wěn)定。 根據(jù)：QR＝QW 即：其中：式中：ikt—短路全電流瞬時(shí)值，A； Rθ—θ℃時(shí)單位長度導(dǎo)體得電阻

11、，Ω/m； Ks—導(dǎo)體的集膚效應(yīng)系數(shù)； ρ0—0℃時(shí)導(dǎo)體的電阻率，Ω·m； α—的溫度系數(shù)，0℃－1； S—導(dǎo)體的截面積，m2； m—單位長度導(dǎo)體的質(zhì)量，kg/m； ρW—導(dǎo)體的材料密度，kg/m2； Cθ—θ℃時(shí)導(dǎo)體的比熱容，J/（kg·℃）； C

12、0—0℃時(shí)導(dǎo)體的比熱容，J/（kg·℃）； β—的溫度系數(shù)，℃－1。,,,,,將Rθ、m、 Cθ的表達(dá)式代入上式并整理得： 設(shè)時(shí)間由0到tk（tk為短路切除時(shí)間）時(shí)，導(dǎo)體由初始溫度θi升高到最終溫度θf ，有其中：tpr——距短路點(diǎn)最近的斷路器的后備繼電保護(hù)動作時(shí)間，s； tab——斷路器全斷開時(shí)間，s。 最嚴(yán)重情況，短路前， θi已達(dá)到正常最高

13、允許發(fā)熱溫度。 對上式兩邊積分 ：,,其中 ：一般形式：為了簡化計(jì)算，可按上式作出常用材料的θ＝f（A）曲線。 若設(shè)導(dǎo)體短路前的溫度為θi，可查A－θ曲線得出θi對應(yīng)的Ai值，如果再計(jì)算出Qk的值，則由上式可求出Af的值。再反查A－θ曲線可得出Af對應(yīng)的θf值，θf即為導(dǎo)體發(fā)熱的最高溫度。,,,,,下一頁,返 回,二、熱效應(yīng)的QK計(jì)算,1．短時(shí)發(fā)熱量的計(jì)算公式：（1）周期分量的計(jì)算：式中

14、 、 、 ——短路電流周期分量的起始值、時(shí)刻值及時(shí)刻值。 （2）非周期分量：不同短路點(diǎn)等效時(shí)間常數(shù)T的推薦值 2．注意事項(xiàng)當(dāng)t>1s時(shí)，不計(jì)非周期分量的影響，即QK≈Qp,,,,下一頁,,,,返 回,例：某變電所的匯流鋁母線規(guī)格為80mm×10mm，其集膚效應(yīng)系Ks＝1.05，在正常最大負(fù)荷時(shí)，母線的溫度θi＝65℃。繼電保護(hù)動作時(shí)間tpr=1.5s，斷路器全斷開時(shí)間tab＝0.1s，

15、短路電流 。試計(jì)算母線的熱效應(yīng)和最高溫度。解：（1）計(jì)算熱效應(yīng)QK ： 短路電流通過的時(shí)間為：tK=tpr+ tab＝1.5＋0.1＝1.6（s）由于 tK>0.1S，可不計(jì)非周期分量的影響。即（2）由θi＝65℃。查曲線得： Ai＝0.5×1016 J/（Ω·m4）（3）求 Af查曲線得θf ＝80℃<20

16、0℃，故滿足熱穩(wěn)定。,,,二、 電器和載流體的電動力效應(yīng),1．電動力效應(yīng)—— 載流導(dǎo)體之間產(chǎn)生電動力的相互作用2．短路電流所產(chǎn)生的巨大電動力的危害性：（1）電器的載流部分可能因?yàn)殡妱恿Χ駝?，或者因電動力所產(chǎn)生的應(yīng)力大于其材料允許應(yīng)力而變形，甚至使絕緣部件或載流部件損壞。（2）電氣設(shè)備的電磁繞組，受到巨大的電動力作用，可能使繞組變形或損壞。3．兩平行導(dǎo)體電動力的計(jì)算方法（1）計(jì)算公式 ：式中 i1、 i2——兩平

17、行導(dǎo)體中電流的瞬時(shí)值，A； l——平行導(dǎo)體得長度，m； a——導(dǎo)體軸線間距離，m； Kf——形狀系數(shù)； F——電動力，N。,,（2）電動力的方向 同向相吸，異向相斥（3）電動力的計(jì)算 形狀系數(shù)與導(dǎo)體截面形狀、尺寸及相互間距離有關(guān)。對于矩形截面的導(dǎo)體，如截面寬度為h，厚度為b，則對于不同的厚度與寬度的比值m＝b/h，形狀

18、系數(shù)隨 而不同，變化曲線如圖。 當(dāng)m<1時(shí)，Kf<1；當(dāng)增大時(shí)，即導(dǎo)體間的凈距增大時(shí)，趨近于1；當(dāng)導(dǎo)體間的凈距足夠大，即當(dāng) ≥2時(shí)，Kf≈1，這相當(dāng)于電流集中在導(dǎo)體的軸線上，導(dǎo)體的截面形狀對電動力無影響。＝1。對于圓形截面導(dǎo)體，形狀系數(shù)Kf=1。,,下一頁,返 回,（4）兩相短路和三相短路電動力大小的比較 兩相短路時(shí)，故障兩相導(dǎo)體中短路電流大小相等，方向

19、相反，當(dāng)導(dǎo)體平行布置時(shí)，故障相兩導(dǎo)體間的電動力為排斥力，則通過短路沖擊電流電動力的最大值為： 三相短路時(shí)，如三相導(dǎo)體平行布置在同一平面，中間相所受的電動力最大，其值為： 比較同一點(diǎn)發(fā)生兩相短路或三相短路時(shí)的最大電動力，因?yàn)椋?，代入上式得： 可見，F(xiàn)（2）< F（3），因

20、此，在選擇電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體時(shí)，應(yīng)采用三相短路電流進(jìn)行動穩(wěn)定校驗(yàn)。,,,2．7 開關(guān)電器中電弧的產(chǎn)生及熄滅,一、電弧現(xiàn)象1．電弧是一種能量集中、溫度很高、亮度很強(qiáng)的放電現(xiàn)象。如10KV少油斷路器開斷20KA的電流時(shí)，電弧功率高達(dá)10000KW以上，造成電弧及其附近區(qū)域的介質(zhì)及其強(qiáng)烈的物理化學(xué)變化，可能燒壞觸頭及觸頭附近的其他部件。如果電弧長期不滅，將會引起電器被燒毀甚至爆炸，危機(jī)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，造成重大損失。所以，切斷

21、電路時(shí)，必須盡快熄滅電弧。2．開關(guān)電器的觸頭雖然已經(jīng)分開，但是觸頭間如有電弧存在，電路就還沒有斷開，電流仍然存在。3．電弧是一種自持放電現(xiàn)象，即電弧一旦形成，維持電弧穩(wěn)定燃燒所需的電壓很低。如，大氣中1cm長的直流電弧的弧柱電壓只有15－30V，在變壓器油中也不過100－200V。4．電弧是一束游離氣體，質(zhì)量很輕，容易變形，在外力作用下（如氣體、液體的流動或電動力作用）會迅速移動、伸長或彎曲，對敞露在大氣中的電弧尤為明顯

22、。如，在大氣中開斷交流110KV、5A的電流時(shí)，電弧長度超過7m。電弧移動速度可達(dá)每秒幾十米至幾百米。,二、電弧的產(chǎn)生與維持,1．強(qiáng)電場發(fā)射 開關(guān)電器的觸頭分離時(shí)，動靜觸頭間的壓力不斷下降，接觸面積減小，因而接觸電阻增大，溫度劇升。另一方面，觸頭開始分離時(shí)，觸頭間距很小，即使電壓很低，只有幾百伏甚至幾十伏，但是電場強(qiáng)度卻很大。由于上述原因，陰極表面可能向外發(fā)射電子，這種現(xiàn)象稱為強(qiáng)電場發(fā)射。2．熱電子發(fā)射 觸頭是

23、由金屬材料制成的，在常溫下，金屬內(nèi)部就存在大量的自由電子，當(dāng)開關(guān)開斷電路時(shí)，在觸頭分離的瞬間，由于大電流被切斷，在陰極上出現(xiàn)強(qiáng)烈的熾熱點(diǎn)，從而有電子從陰極表面向四周發(fā)射，這種現(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射。發(fā)射電子的多少與陰極材料及表面溫度有關(guān)。3．碰撞游離 從陰極表面發(fā)射出來的電子，在電場力的作用下向陽極作加速運(yùn)動。并不斷與中性質(zhì)點(diǎn)碰撞，如果電場足夠強(qiáng)，電子所受的力足夠大，且兩次碰撞間的自由行程足夠大，電子積累的能量足夠多，則

24、發(fā)生碰撞時(shí)就可能使中性質(zhì)點(diǎn)發(fā)生游離，產(chǎn)生新的自由電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為碰撞游離。新產(chǎn)生的自由電子在電場中作加速運(yùn)動又可能與中性質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞而產(chǎn)生碰撞游離。結(jié)果使觸頭間充滿大量自由電子和正離子。使觸頭間電阻很小，在外加電壓作用下，帶電粒子作定向運(yùn)動形成電流，使介質(zhì)擊穿而形成電弧。4．熱游離 處于高溫下的中性質(zhì)點(diǎn)由于高溫而產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱運(yùn)動。相互碰撞的結(jié)果而發(fā)生的游離稱為熱游離。作用：維持電弧的燃燒。一般氣體發(fā)生熱游離

25、的溫度為9000～10000℃，而金屬蒸汽約為4000～5000℃。因?yàn)殡娀≈锌傆幸恍┙饘僬羝≈鶞囟仍?000℃以上，所以，熱游離足以維持電弧的燃燒。,三、電弧的去游離,去游離：在電弧中，介質(zhì)因游離而產(chǎn)生大量帶電粒子的同時(shí)，還會發(fā)生帶電粒子消失的相反過程，稱為去游離。如果去游離速度比游離速度快，電弧電流將減小甚至消失。消失的原因是由于復(fù)合和擴(kuò)散兩種物理現(xiàn)象造成的。 1.復(fù)合：異號帶電粒子相互吸引而中和成中性質(zhì)點(diǎn)的現(xiàn)象。

26、 在電弧中，電子的運(yùn)動速度遠(yuǎn)大于正離子，所以電子與正離子直接復(fù)合的可能性很小，復(fù)合是借助于中性質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行的，即電子在運(yùn)動過程中，先附著在中性質(zhì)點(diǎn)上，形成負(fù)離子，然后質(zhì)量和運(yùn)動速度大致相等的正、負(fù)離子復(fù)合成中性質(zhì)點(diǎn)。 既然復(fù)合過程只有在離子運(yùn)動的相對速度不大時(shí)才有可能，若利用液體或氣體吹弧，或?qū)㈦娀D入絕緣冷壁做成的狹縫中，都能迅速冷卻電弧，減小離子的運(yùn)動速度，加強(qiáng)復(fù)合過程，此外增加氣體壓力，使

27、氣體密度增加，也是加強(qiáng)復(fù)合過程的措施。,2．?dāng)U散：弧柱內(nèi)帶電粒子逸出弧柱以外進(jìn)入周圍介質(zhì)的一種現(xiàn)象。 擴(kuò)散是由于帶電粒子不規(guī)則的運(yùn)行，以及電弧內(nèi)帶電粒子的密度大于電弧外，電弧中的溫度遠(yuǎn)高于周圍介質(zhì)的溫度造成的。電弧和周圍介質(zhì)溫差愈大，以及帶電粒子密度差越大，擴(kuò)散作用愈強(qiáng)。在高壓斷路器中，常采用氣體吹弧，帶走大量帶電粒子，以加強(qiáng)擴(kuò)散作用，擴(kuò)散出來的正負(fù)離子，因冷卻而加強(qiáng)復(fù)合，成為中性質(zhì)點(diǎn)。 若游

28、離作用大于去游離作用，則電弧電流增大，電弧愈加強(qiáng)烈燃燒；若游離作用等于去游離作用，則電弧電流不變，電弧穩(wěn)定燃燒；若游離作用小于去游離作用，則電弧電流減小，電弧最終熄滅。所以，要熄滅電弧，必須采取措施加強(qiáng)去游離作用而削弱游離作用。,四、電弧特性,1．電弧電壓沿弧長的分布 電弧形成后，電弧電壓沿弧長的分布可分為三個部分。如圖4－1所示，電弧電壓降由陰極電壓降U1、弧柱電壓降U2、陽極電壓降U3三部分組成，即電弧電壓Uh＝U1

29、＋U2＋U3。,2．電弧按照電壓分布的分類 （1）長弧：電極間距離長，陰極和陽極電壓降可以忽略不計(jì)。 （2）短?。弘姌O間距離短，弧柱電壓忽略不計(jì)。3．電弧的伏安特性（1）直流電弧的伏安特性 曲線1是在電流變化很慢，曲線上每一點(diǎn)的游離與去游離都達(dá)到平衡，電弧處于穩(wěn)定燃燒的狀態(tài)，故稱為靜態(tài)特性。 曲線2為電流很快從a點(diǎn)增加的曲線。 曲線3為電流很快從b點(diǎn)減小的曲線。,（2）交流電弧的

30、伏安特性 在交流電路中，電流的瞬時(shí)值不斷地隨時(shí)間變化，因此電弧的特性應(yīng)是動態(tài)特性，并且交流電流每半個周期經(jīng)過一次零值。電流過零值時(shí)，電弧自動熄滅。如果電弧是穩(wěn)定燃燒的，則電弧電流過零熄滅后，在另半周又會重新燃燒。,五、交流電弧的熄滅條件1．弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過程2．弧隙電壓的恢復(fù)過程3．交流電弧的熄滅條件 ud(t)>ur(t)（一）弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)1

31、．弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過程 在電弧電流過零之前，弧隙中的空間充滿了電子和正離子。當(dāng)電弧電流流過零熄滅后，電極極性發(fā)生改變，弧隙中的電子迅速奔向新陽極，比電子質(zhì)量大一千多倍的正離子，相對電子而言則基本未動，所以在新陰極附近形成正空間電荷。2．電流過零后電荷和電壓沿短弧隙的分布情況。如圖所示，電壓主要降落在陰極附近的薄層空間。此薄層空間的耐壓約為150～250V的介質(zhì)強(qiáng)度。近陰極效應(yīng)：陰極附近電介質(zhì)強(qiáng)度出現(xiàn)突然升高的現(xiàn)象

32、。,（二）、弧隙電壓的恢復(fù) 弧隙電壓的恢復(fù)過程，即恢復(fù)電壓的變化過程，與電路參數(shù)、負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)。,2.9 熄滅交流電弧的基本方法1．采用滅弧能力強(qiáng)的滅弧介質(zhì)2．利用氣體或油吹弧3．采用特殊的金屬材料作滅弧介質(zhì)4．在斷路器的主觸頭兩端加裝低值并聯(lián)電阻5．采用多斷口熄弧6．提高斷路器觸頭的分離速度7．低壓開關(guān)的滅弧方法 （1）利用金屬滅弧柵滅弧 （2）利用固體介質(zhì)狹縫滅

33、弧,（1）變壓器油:變壓器油在電弧高溫的作用下，分解出大量氫氣和油蒸汽，氫氣的絕緣和滅弧能力是空氣的7.5倍。（2）壓縮空氣：壓力：2MPa，分子密度大，質(zhì)點(diǎn)的自由行程小，不易發(fā)生游離。（3）SF6氣體：良好的負(fù)電性氣體，氟原子吸附電子能力很強(qiáng)，能迅速捕捉自由電子形成負(fù)離子，對復(fù)合有利。 （4）真空：真空氣體壓力低于133.3×10－4Pa，氣體稀薄，弧隙中的自由電子和中性質(zhì)點(diǎn)都很少，碰撞游離的可能性大大減少，而且弧柱內(nèi)

34、與弧柱外帶電粒子的濃度差和溫差都很大，有利于擴(kuò)散。其絕緣能力比變壓器油、1個大氣壓下的SF6 、空氣都大。,返 回,高壓斷路器中利用各種預(yù)先設(shè)計(jì)好的滅弧室，使氣體或油在電弧高溫下產(chǎn)生巨大壓力，并利用噴口形成強(qiáng)烈吹弧。即起到對流換熱、強(qiáng)烈冷卻弧隙的作用，又起到部分取代原弧隙中游離氣體或高溫氣體的作用。電弧被拉長、冷卻變細(xì)，復(fù)合加強(qiáng)，同時(shí)吹弧也有利于擴(kuò)散，最終使電弧熄滅。,返 回,常有的觸頭材料有銅、鎢合金和銀、鎢合金

35、等，在電弧高溫作用下不易熔化和蒸發(fā)，有較高的抗電弧、抗熔焊能力，可以減少熱電子發(fā)射和金屬蒸汽，抑制游離的作用。,返 回,分閘時(shí)，主觸頭Q1先斷開，輔助觸頭Q2后斷開。合閘時(shí)，輔助觸頭Q2先斷開，主觸頭Q1后斷開。,返 回,采用多斷口串聯(lián)，可把電弧分割成多段，在相同的觸頭行程下電弧拉長速度和長度比單斷口大，從而弧隙電阻增大，同時(shí)加在每個斷口上的電壓降低，使弧隙恢復(fù)電壓降低，因而有利于滅弧,返 回,加快斷路器的觸頭分離速

36、度可以迅速拉長電弧，使弧隙的電場強(qiáng)度驟降，同時(shí)使電弧的表面積突然增大，有利于電弧的冷卻及帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散和復(fù)合，從而加速電弧的熄滅。,返 回,滅弧柵由許多帶缺口的鋼片制成，當(dāng)斷開電路時(shí)，動、靜觸頭間產(chǎn)生電弧，磁通對電弧產(chǎn)生一個向上的電磁力，將電弧拉入滅弧柵片，從而將電弧分割成一串短電弧。根據(jù)近陰極效應(yīng)，當(dāng)電流過零時(shí)，每個短電弧的陰極都會出現(xiàn)150～250V的介質(zhì)強(qiáng)度，如果其總和超過觸頭間的電壓，則電弧熄滅。,返