2022年第章导体的发热、电动力及开关电器的灭弧原理 .pdf

第二章导体的发热、电动力及开关电器的灭弧原理21 导体的发热和散热一、概述1导体和电器的三种运行状态（1）正常运行状态，即电压和电流都不超过额定值的允许偏移范围。正常运行状态是一种长期工作状态。（2）故障运行状态， 即系统发生故障至故障切除的短时间内的工作状态。短路故障将引起电流突然增加，短路电流要比额定电流大几倍甚至几十倍。（3） 不正常运行状态， 即介于上述两种运行状态之间的一种运行状态。它不能够长期运行，但也不需立即切除，即可以继续运行一定的时间。设备选择中常用“正常”和“短路”两种运行状态。2发热的形成电流通过导体和电器时， 由于有功功率损耗引起发热。这些损耗包括：1）电阻损耗2）介质损耗3）磁滞和涡流损耗3发热将对导体和电器产生不良的影响。1）机械强度下降2）接触电阻增加3）绝缘性能下降4最高发热允许温度为了保证导体可靠地工作，规定了导体长期工作发热和短路时发热的温度限值，称为最高允许温度。1）裸导体长期工作发热的最高允许温度一般为70；裸导体通过短路电流时的短时最高允许温度，对硬铝及铝锰合金为200，对硬铜为300。2）电力电缆的最高允许温度与其导体材料、绝缘材料及电压等级等因素有关。3）有关规程还规定了交流高压电器各部分长期工作发热的最高允许温度。导体发热过程不可避免， 则影响不可避免， 所以应规定最高温度，以减少影响程度，保证设备的正常预期寿命（正常使用年限）。进行发热计算的目的，是为了校验导体或电器各部分发热温度是否超过允许值。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 20 页 - - - - - - - - - 二、导体的发热1导体电阻损耗的热量无论通过正常工作电流或短路电流，导体都要发热，即由其电阻损耗引起的发热。单位长度 (? ) 的导体通过电流（? ）时，由电阻损耗产生的热量为：?= ? ? (? - ? )?= ?= ? + ?- ? ?2太阳照射的热量太阳照射的热量会造成导体温度升高，故凡装于屋外的无遮阳措施的导体应考虑日照的影响。对单位长度圆管导体，可按下式计算：?= ?= ? ? ( ? - ? )对于屋内的导体，因无日照作用，?可忽略不计。三、导体的散热导体在发热的同时，还存在散热过程，即热量传递过程。热量传递有三种基本形式，即对流、辐射、导热。1对流传递的热量?由流体各部分相对位移将热量带走的过程，称为对流。单位长度导体对流换热所传递的热量，与温差及换热面积成正比， 即：?= ?-? ? ( ? - ? ) （1）自然对流换热屋内自然通风或屋外风速小于0.2 ?/ ? ，属于自然对流换热。自然对流的 ?为?= ? .?- ? .? (? - ? ) 流换热面积 ?与导体的形状、尺寸、布置方式等因素有关。导体截面形状与布置形式对自然对流散热的影响（2）强迫对流换热流体在导体内或导体外由某种机械（如风机、泵）的驱使而流动，并在有温差的条件下和导体表面进行换热，属强迫对流换热。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 20 页 - - - - - - - - - ?=?- ? = ? .? .? + ?- ? (? - ? ) 导体截面形状与布置形式对强迫对流散热的影响2辐射传递的热量?热量从高温物体以热射线的方式传至低温物体的过程，称为辐射。?= ? .? ?-? ?+ ?-?+ ? ? (? - ? )表 2-2 导体材料的辐射系数 ?材料?材料?表面磨光的铝0.039 0.057 白漆0.800.95 表面不磨光的铝0.055 各种不同颜色的油漆、涂料0.920.96 精密磨光的电解铜0.018 0.023 有光泽的黑漆0.875 有光泽的黑色虫漆0.821 无光泽的黑漆0.96 0.98 无光泽的黑色虫漆0.91 多条矩形导体的内侧面，只能从缝隙处向外辐射一部分，另一部分辐射到对面，相当于缝隙间的面积仅有一部分能起向外辐射的作用，有效换热面积相应减小。每相多条矩形导体对辐射散热的影响3. 导热传递的热量 ?物质的各部分直接接触，热量从高温区向低温区传递的过程，称为导热。导体周围的气体的导热量很小，可忽略不计。22 导体的长期发热与载流量一、导体的温升过程1导体长期发热的特点由负荷电流产生； 电流不大， 但持续时间长? ，发热量等于散热量，导体温度不变；为热平衡过程。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 20 页 - - - - - - - - - 2热量平衡的分析导体电阻损耗所产生及吸收太阳热量之和，一部分（?）用于本身温度升高，另一部分?+ ?+ ?以热传递的形式散失出去。?+ ?= ?+?+ ?+ ?设导体在发热过程中的温度为? ，则热平衡方程为?= ?+ ? (?) ( ? - ?)设? = ? 时，初始温升为 ?= ?- ?，时间由0? 时，温升由 ? ，解得? =? - ?-?+ ?-? ( ? - ?)令?= ? (? - ?)? = ? - ?-?+ ?-? ( ? - ?)当? 时，导体温度趋于?，温升趋于稳定值?，即?= ?-?=?式（2-12 ） 、 （2-15）表明：导体的温升按指数函数增长。导体温升 ? 的变化曲线二、导体的载流量1由?- ?= ? ?可知：当?= ?时，对应有 ? = ?= ?。即：当 ?时，必须保证 ?。在实际运行过程中，温度检测的难度较大，但电流检测则十分方便。成品一般采用额定电流?，而半成品一般采用允许电流?。2 特别强调：允许电流 ?（额定电流 ?） 不是定值，而是环境温度 ?的函数。必须随实际环境温度的变化进行修正！?=?- ?- ?【例】 ：某设备的 ?3152A，未加说明指在环境温度?25时的额定电流。当环境温度为?40时，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 20 页 - - - - - - - - - ?= ?=?- ?- ? - ? - ?= ? .?= ?3延伸应用： 计算实际负荷状态下的导体温度。? ?- ? ?【例】 ： 接上例，导体在环境温度 ? 40时的 ?2572A， ?=2100A，则?= ? +?- ? ?= ? +? - ?= ?4由式（ 212）可知，为提高导体的载流量，可采取如下措施：（1）减小导体电阻 ? ：采用电阻率 ? 小的材料；减小接触电阻；增加截面积 ? 。（2）增大导体的换热面? 。（3）提高换热系数 ? ：导体的布置尽量采用散热最佳的方式；屋内配电装置的导体表面涂漆，可提高辐射系数? ；采用强迫冷却。23 导体的短时发热一、短时发热过程1导体短时发热不同于长期发热，其特点是：由短路电流产生；短路电流大，持续时间很短，导体内产生很大的热量，来不及散到周围介质中去，可以认为导体产生的全部热量都用来使导体温度升高；属于绝热过程。2热平衡关系?= ? (? - ?) ? = ? (?) (? - ?)? =? + ? + ? (? - ?)设时间由0 到?（?为短路切除时间，也称为故障存在时间）时，导体由初始温度 ?升高到最终温度 ?。?= ?+ ? (? )对式（ 2-21）两边积分?=? + ? + ? = ?- ? (? - ?)可见 ?、?的形式完全相同，已做成常用材料的?= ? (? )曲线。即：?= ? (?)，?= ? (?)。式（2-23 ）左边的?与短路电流 ?产生的热量成正比，称为短路电流的热效应（或热脉冲） ，用?表示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 20 页 - - - - - - - - - 于是，式（ 2-23 ）可写成?= ?- ? ? / （? ?） ( ? - ?)?= ? (? )曲线二、短路热效应 ?的计算短路全电流瞬时值?的表达式为?=?+ ?-? (? - ?)?=?+? ?- ?-?= ?+ ? (? - ?)1周期分量 ?的计算可用辛卜生法（即抛物线法）近似计算?=?=?+ ?+ ? ( ? - ?)2非周期分量热效应?的计算?=? ?- ?-?= ? ?- ?-?= ? (? - ?)式中： ? 非周期分量的等效时间（s） ，与短路点及 ?有关，可由下表查得。如果 ?，可不计及非周期分量?的影响。非周期分量的等效时间短路点? （s）?0.1s ?0.1s 发电机出口及母线0.15 0.2 发电机升高电压母线及出线发电机电压电抗器后0.08 0.1 变电所各级电压母线及出线0.05 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 20 页 - - - - - - - - - 【例 2-2】 某变电所的汇流铝母线为80?10?， 其集肤系数 ?1.05 ， 在正常最大负荷时， 母线的温度为 ?65。 继电保护动作时间为?1.5s ， 断路器全开断时间为?0.1s 。 短路电流 ? .?= ? .?20.5kA 。试计算母线的热效应和最高温度。【解】 （1）计算热效应 ?短路电流通过时间：?= ?+ ? .? + ? .? ? .?由于 ?1s，可不计非周期分量的影响。由式（229）得?= ?=? ?+ ?+ ?=? .? ?.?.?（2）由 ?=65在图 2-5 铝材料的 ?= ? (? )曲线上查得?= ? .? ? ? / （? ?）（3）由式（ 225）求得 ?，并查出相应的 ?=?+ ?=?.? ? .? .? ? .?+ ? .? ? =? .? ? ? / （? ?）据?从?= ? (? )曲线上查得 ?80200（铝导体最高允许温度） ，故满足热稳定。24 大电流导体附近钢构的发热1发热的形成（1）大电流导体 （母线）的周围存在强大的交变磁场，使附近的钢铁构件产生很大的磁滞和涡流损耗，钢构因而发热；（2）如果钢构形成闭合回路，还会感应产生环流， 使功率损耗和发热更严重。2发热的影响（1）钢构中的损耗和发热随导体工作电流的增加而急剧增大，钢构的温升可能使材料产生变形和损坏；（2）混凝土中的钢筋受热膨胀，可能使混凝土产生裂缝，并明显影响运行的经济性、恶化设备和工作人员的运行条件。3减少钢构损耗和发热的措施（1）加大钢构和载流导体之间的距离。（2）断开载流导体附近的钢构闭合回路并加上绝缘垫。对于包围载流导体的钢构闭合回路，可将其割开，并以非磁性材料（如铜）焊补。（3）采用电磁屏蔽。 在垂直于母线的钢构中磁场强度最大部位，用电阻率小的铜或铝作短路环， 紧包在钢构上或在导体与钢构之间安装屏蔽栅。（4）采用分相封闭母线。存在问题：（1）加大了空间尺寸； （2）加大了投资。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 20 页 - - - - - - - - - 短路环屏蔽分相封闭母线1导体； 2 短路环； 3 钢构 1母线； 2 外壳25 导体短路的电动力一、概述1电动力处于磁场中的载流导体所受到的电磁力。2电动力对载流导体和电器的影响1）裸导体受力变形，可能造成导体间距不足，放电，短路；2）硬导体受力，可能形成永久性变形，造成设备损坏；3）硬导体在交变应力的作用下，可能产生共振， 造成导体和设备的进一步损坏。3进行电动力计算的目的，是为了校验导体或电器实际所受到的电动力是否超过其允许应力，以便选择适当强度的电气设备。这种校验称动稳定校验。二、电动力的计算方法1单根载流导体在外磁场中所受到的电动力如图所示，元长度?上所受到的电动力为? = ? (? - ?)导体全长 ? 上所受到的电动力为?=? (? - ?)?上的电动力两有限细长平行导体间的电动力2两条有限细长平行载流导体间的电动力?上所受到的电动力可由式（2-38 ）求得。因导体 2 与? 的方向垂直，故?1，有： ? = ?名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 20 页 - - - - - - - - - 导体 2 全长所受到的电动力为?=? =?= ? ?-? ( ? - ?)同理，导体1 也受到同样大小的电动力。? 的方向决定于 ?和?方向，?和?同方向时相吸，反方向时相斥。沿导体全长的电动力分布是不均匀的，导体的中间部分电动力较大，两端较小。3考虑导体截面形状和尺寸时两平行导体间的电动力各种截面导体的电动力公式与式（2-41）完全相似，只是多乘一个考虑截面因素的形状系数?，即?= ? ?-? (? - ?)（1）对矩形导体，有?= ? ， ?- ? + ? 曲线。注意图中 ? 、? 、? 的定义。矩形截面形状系数（2）对圆形、管形导体，?1。（3）对槽形导体，一般均取? 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 20 页 - - - - - - - - - 4垂直导体间的电动力图 216 中，设 ? ? ?（1）L 形导体。两直角边之间的电动力为?= ?-? + ?+ ? ( ? - ?)1）当 ? ? ? ? 时：?= ?-? (? - ?)2）电动力的方向：指向L 型的外向。3）愈靠近直角处的电动力愈大。图 216 垂直导体间的电动力（2）U形导体1）作用在长边上的电动力：?= ? (? -?)2）作用在短边上的电动力：?= ? (? - ?)三、三相导体的短路电动力1同一平面中三相短路电动力的分析三相短路时， U相短路电流瞬时值的表达式为?=? + ?+ ?-? ?因短路电流冲击值发生在短路后极短的时间内（t=0.01s ） ，所以，计算三相短路电动力时，不考虑周期分量?的衰减，而取 ?= ? 。另外，注意到 ?= -?。于是三相短路电流为?= ? + ?- ?-?= ? + ?-? - ?-?-?= ? + ?+? - ?-?+? (? - ?)在假定电流正向下，各相导体受力方向如图2-17 所示，其中 ?表示V相受到 U相的作用力，其余类同。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 20 页 - - - - - - - - - 图 217 对称三相短路电动力?= ?- ?= ?-?- ? ( ? - ?)?= ?- ?= ? ?-?+ ? .? (? - ?)变换得?= ? ?-?-?-?-?-? + ?-?+?+ ?-? (? - ?) ?= ? ?-?+?-?+?-?-?-? + ?+?-? (? - ?) 可见， ?、?为?和? 的函数。三相短路时，导体间的电动力由四个分量组成：（1）固定分量。由短路电流周期分量相互作用产生（?没有固定分量） ；（2）按? 衰减的非周期分量。由短路电流非周期分量相互作用产生；（3）按?衰减的工频（ ? ）分量。由短路电流周期和非周期分量相互作用产生；（4）不衰减的 2 倍工频（? ）分量。由短路电流周期分量相互作用产生。2电动力的最大值（1）三相短路电动力的最大值。短路电流冲击值发生在短路后? 0.01s ， 取平均值 0.05s ， ?= ?， 并计及短路冲击电流?= ? .? =? .?。可得电动力最大值表达式?= ? .? ?-? (? ) (? - ?)?= ? .? ?-? (? ) (? - ?)可见，三相短路时，?（或?） 。（2）两相短路与三相短路最大电动力的比较。由于?(? )=?(? )? ，所以名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 20 页 - - - - - - - - - ?= ?-?= ? ?-?= ? .? ?-? (? ) (? - ?)可见，计算最大电动力时应按三相短路计算，并取?。即?= ? .? ?-? (? ) (? - ?)3导体振动的动态应力配电装置的硬导体及其支架（钢构、绝缘子等）都具有质量和弹性，组成一个弹性系统。 在两个绝缘子之间的硬导体可当作两端固定的弹性梁。（1）弹性系统的自由振动。弹性系统在受到一次性外力的作用下，自行在平衡位置两侧作往复运动，称自由振动或固有振动，其振动频率称自振频率或固有频率。（2）弹性系统的强迫振动。弹性系统在周期性外力（或称扰动力）的作用下发生的振动称强迫振动。导体在短路电动力? (? )作用下所发生的振动属强迫振动。如前所述，电动力? (? )中含有工频和2 倍工频分量，如果导体系统的固有频率等于或接近这两个频率之一时，将发生机械共振现象，这时振幅特别大，可能使导体系统遭到破坏。所以，设计时应避免发生共振。（3） 动态应力。外力使导体发生弯曲变形， 同时在导体内部引起内力。导体的每个横截面上同时受到切向力? 和一对法向力（或称轴向力）的作用。一对法向力组成一力偶?，称为弯矩。导体横截面上单位面积所受到的法向力称正应力， 用? 表示。 ? 与?成正比。当电动力 ? (? )随时间 ? 变化时，?也随? 变化， ? 也随? 变化，即 ? 为动态应力。（4）把支持于绝缘子上的硬导体看成是多跨连续梁，则有多阶固有频率，其一阶固有频率为?=? (?) (? - ?)式中： ?频率系数，其值示于表2-4；表 2-4 导体不同固定方式下的频率系数?值跨数及支承方式?单跨、两端简支1.57 单跨、一端固定、一端简支，两等跨、简支2.45 单跨、两端固定，多等跨、简支3.56 单跨、一端固定、一端活动0.56 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 20 页 - - - - - - - - - ? 绝缘子跨距（?） ；? 导体材料的弹性模量 （Pa） ， 铜为?.? ?， 铝为? ?；? 导体截面的截面二次矩 （或称惯性矩）， 计算式如表 2-5 所示；?导体单位长度的质量（? ?） ，铜为 8900，铝为 2700。表 2-5 矩形单体截面二次矩?每 相 条 数1 2 3 备注三相水平布置、导体竖放? ? ? .? ? .?力作用在 ?面三相水平布置、单体平方垂直布置、单体竖放?力作用在 ?面（5）目前，工程上采用动态应力系数（或称振动系数） 来考虑振动的影响，以求得实际动态过程的最大电动力。即?= ? .? ?-? (? ) (? - ?)? 与?的关系示于图2-21 。 实际计算中，当?较低或较高时， 均取 ? ? ；当?在中间频率范围内 （30Hz160Hz） 时， 则据由图 2-21 查出相应的 ? 值。对屋外配电装置的管形导体，由于其? 很大， ?很低，故取 ? 0.58 。结论：（1）同一平面中的三相导体，最大电动力出现在中间相 ；（2）导致三相电动力不相等的原因主要表现在三个方面1）短路电流中含有相差120的周期分量；2）短路电流中含有三相幅值不等的非周期分量；3）三相导体间距不等。（3）完整的电动力计算公式?= ? .? ?-? (? ) 【例 2-3】某电厂的10kV汇流母线，每相为3 条 125? 10? 矩形铝导体，三相垂直布置、导体竖放，绝缘子跨距? = ? .? ，相间距离?= ? .?， 三相短路冲击电流?= ?.?。 密度?= ? ?，导体弹性模量 ?= ? ?Pa。试计算母线的最大电动力。【解】 （1）计算母线的一阶固有频率?，确定动态应力系数? 。母线支承方式可看作多等跨简支，查表2-4 得?3.56 导体的截面二次矩? = ? = ? .? ? .?= ? .? ?-?(?)单位长度导体质量? = ?= ? ? .? .? ?= ?.?(? ?)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 20 页 - - - - - - - - - 导体一阶固有频率为?=?=? .? .? ? .? ?-?.?= ?.? ? (?)故 ? ?（2）计算最大电动力?= ? .? ?-? ? .? ?-? .? .?.? ? ? =?.? (? )26 大电流封闭母线的电动力发电机的额定电流随容量的增大而增大。当发电机至主变压器的连接母线采用敞露母线时，存在如下主要缺点：1）容易受到外界的影响，从而降低运行的可靠性；2）对大电流敞露母线，当发电机出口回路发生相间短路时，短路电流很大，使母线及其支持绝缘子受到很大的电动力作用；3）由于母线电流增大，使母线附近钢构的损耗和发热大大增加。因此，目前我国200MW 及以上机组的母线，广泛采用全连式分相封闭母线。分相封闭母线 主要优点 ：不受自然环境和外物影响，能防止相间短路，同时由于外壳多点接地，保证了人员接触外壳的安全；由于外壳的环流和涡流的屏蔽作用，使壳内磁场大为减弱，从而使短路时母线间的电动力大大减小；壳外磁场也大大减弱， 从而减少了母线附近钢构的发热；外壳可兼作强迫冷却管道，提高母线载流量；安装、维护工作量小。分相封闭母线 主要缺点 ：母线散热条件较差；外壳产生损耗；有色金属消耗量增加。27 开关电器中电弧的产生及熄灭一、概述1电弧介质中的自保持放电现象。2电弧的主要特征（1）电弧是一种能量集中、温度很高、亮度很强的放电现象。（2）电弧由三部分组成：即阴极区、弧柱区和阳极区。电弧电阻正比与电弧（弧柱区）的长度，阴极区和阳极区的电阻可忽略不计。（3）电弧是一种自持放电现象，即电弧一旦形成，维持电弧稳定燃烧所需的电压很低。（4）电弧是一束游离气体，质量很轻，容易变形。在外力作用下（如气体、液体的流动或电动力作用）会迅速移动、伸长或弯曲。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 20 页 - - - - - - - - - 3电弧对电力系统的危害必须尽快熄灭电弧！ ！（1）电弧的导电特性，将导致故障存在时间?的延长，破坏系统运行的稳定性，甚至造成系统解列。（2） 电弧的高温， 造成金属材料的熔化并蒸发，有机绝缘材料的分接，无机绝缘材料的烧损，最终导致设备的损坏；（3）电弧为气体放电，质量轻，易变形，从而造成人身伤亡事故和设备重大损失，导致事故扩大。（4）对充油电气设备，油在高温下分分解，产生大量气体，有爆炸、燃烧的可能；（5） 交流电弧电流为非正弦波形，内含高次谐波， 严重干扰无线通信，并可能造成电源污染。二、电弧的产生与维持电弧的产生主要是触头间产生大量自由电子的结果。（1）强电场发射电弧形成的初始条件。快速分闸，电压等级，开口距离，触头材料性质。（2） 热电子发射电弧形成的初始条件。快速分闸，触头材料性质，触头材料的加工水平。（3）碰撞游离电弧的形成条件。电压等级，开口距离，介质材料性质。（4）热游离电弧维持和发展的条件。介质材料性质，触头材料性质，容器材料性质，电弧区域温度等等。三、电弧中的去游离1. 复合去游离异号离子或正离子与自由电子互相吸引而中和成中性质点的现象，称复合去游离。当电弧及其附近有不带电的金属件或绝缘件时，能促使电子和正离子中和；另外，拉长电弧、加强电弧冷却、加大气体介质的压力，均有利于复合。2. 扩散去游离自由电子与正离子从弧柱逸出而进入周围介质中的现象，称为扩散去游离。扩散去游离有三种形式：浓度差形成扩散；温度差形成扩散；用高速冷气吹弧增强扩散。要熄灭电弧，必须采取措施加强去游离作用而削弱游离作用。四、交流电弧的特性（1）交流电弧的伏安特性为动态特性。（2）交流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，称为燃弧电压；B点为电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 20 页 - - - - - - - - - （3） 交流电弧电流每半周过零一次，电弧会暂时自动熄灭， 但很快重燃。（a）交流电弧的伏安特性（b）电弧电压波形图 2-27 交流电弧伏安特性和电弧电压波形五、交流电弧的熄灭条件弧隙介质强度 ? 弧隙外加电压 ?(? )（266）1弧隙介质强度恢复过程电弧电流过零时，弧隙介质的绝缘能力由起始介质强度逐渐增强的过程，称为弧隙介质强度恢复过程，用?(? )表示。（1）近阴极效应使弧隙出现起始介质强度。对短弧隙，在电流过零后，弧隙的电极性发生了变化。在新阴极附近形成了缺少导电的电子而充满几乎不导电的正离子的正电荷空间，呈现一定的介质强度。在电流过零后，在阴极附近的薄层空间，在0.1 1?内将有(150 250) 伏的起始介质强度，这种介质强度突然升高的现象，称为近阴极效应 。（2）弧柱区介质强度的恢复过程。弧柱区介质强度的恢复过程与断路器的灭弧装置结构、介质特性、电弧电流、冷却条件及触头分开速度等因素有关。油（变压器油或断路器油） 、压缩空气、真空、SF6等，其介质强度恢复过程各不相同。 对电弧的冷却条件愈好， 电流过零时电弧温度下降愈快，介质强度恢复过程愈快。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 20 页 - - - - - - - - - 图 2-29 介质强度恢复过程图 2-30 弧隙温度与介质强度恢复过程1真空； 2SF6；?、 ?弱冷却时的情况；3空气； 4油。?、?强冷却时的情况；2弧隙外加电压的恢复过程电弧电流过零时，经过由电路参数所决定的电磁振荡，弧隙电压逐渐由熄弧电压恢复到电源电压的过程，称为弧隙电压的恢复过程，用?(? )表示。3增加 过快熄灭电弧将导致系统过电压图中，有 ?= ?+ ?+ ?，等式左侧为电源，右侧为电压降。此时，?= - ，则有? ?= ?+ ?可见，当电流下降过快时，在回路中附加了一个幅值很大的电源，不仅引起整个回路的过电压而损坏设备，也导致刚刚熄灭的电弧重燃，灭弧失败。28 弧隙电压恢复过程分析由于运行方式和短路形式不同，相应的电路参数和开断瞬间的工频恢复电压 ?也不相同，从而直接影响断路器的开断条件。1开断单相短路当电流过零时，工频恢复电压瞬时值为?= ?。短路回路有? 。所以?（? ?）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 20 页 - - - - - - - - - 2开断中性点不直接接地系统的三相短路设 U相为首先开断，可推导得?= ? .?（? ?）?= ?= ? .?（? ?）开断中性点直接接地系统中的三相不接地短路的情况与上述相同。3开断中性点直接接地系统中的三相接地短路设开断顺序为U、 V、 W ，当系统零序阻抗与正序阻抗之比不大于3 时，有?= ? .?= ? .?= ?（? ?）4开断两相短路电路开断中性点直接接地系统中的两相接地短路时，工频恢复电压为? .?；其余情况的两相短路为? .?。29 熄灭交流电弧的基本方法1采用灭弧能力强的灭弧介质变压器油、压缩空气、SF6气体 、真空2. 利用气体或油吹弧吹弧方式有：纵吹和横吹图 2 39 吹弧方式3. 采用特殊金属材料作灭弧触头4. 在断路器的主触头两端加装低值并联电阻5. 采用多断口熄弧名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 20 页 - - - - - - - - - 多断口结构，在开断过程中的恢复电压和开断位置的电压在每个断口上的分配有不均匀现象，从而影响断路器的灭弧。?=?+ ?+ ? ， ?=?+ ? ( ? - ?)可见， ?。假定 ?= ?，则有 ?= ? ，?= ? ? 。当每相有更多断口串联时，有同样的规律。为使电压均匀分配在各断口上，通常在每个断口上并联一个比?、?大得多的电容 ? （称为均压电容） 。此时?=? + ?+ ?+ ?+ ?， ?=? + ?+ ?+ ? ( ? - ?)6提高断路器触头的分离速度7低压开关中的熄弧方法（1） 利用金属灭弧栅灭弧。 利用灭弧栅灭弧实质上是利用短弧原理灭弧。（2）利用固体介质狭缝灭弧。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 20 页 - - - - - - - - - 思考题和习题1发热对导体和电器有何不良影响？2导体的长期发热和短时发热各有何特点? 3提高长期允许载流量应采取哪些措施？4计算导体短时发热温度的目的是什么?如何计算？5大电流导体附近的钢构为什么会发热？减少钢构发热的措施有哪些？6电动力对导体和电器有何影响？计算电动力的目的是什么？7布置在同一平面中的三相导体，最大电动力发生在哪一相上？简要分析。8大电流母线为什么广泛采用全连式分相封闭母线？9开关电器中的电弧有何危害？10交流电弧有何特点？交流电弧的熄灭条件是什么？11熄灭交流电弧的基本方法有哪些? 12计算屋内配电装置中80?10?的矩形铜导体的长期允许载流量。导体正常最高允许温度?70，基准环境温度?25。13某铝母线尺寸为100? 10?，集肤系数 ?1.05 ，在正常最大负荷温度 ?60，继电保护动作时间 ?1s，断路器全开断时间?0.1s ，短路电流 ?30kA，? .?25kA，? .?22kA。试计算该母线的热效应和最高温度。14某 10kV 汇流母线，每相为2 条 100?10?矩形铜导体，三相水平布置、导体平放，绝缘子跨距? 1.0 ?，相间距离 ? 0.35 ?，三相短路冲击电流?100kA，导体弹性模量 ? 11.28 ?Pa，密度 ?8900kg/ ?。试计算母线的最大电动力。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 20 页 - - - - - - - - -