接地開(kāi)關(guān)耐受瞬時(shí)短路電流動(dòng)穩(wěn)定性分析

1、摘要中國(guó)的電力工業(yè)作為國(guó)家最重要的能源工業(yè)，一直處于優(yōu)先發(fā)展的地位，電力企業(yè)的發(fā)展也是令人矚目的。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于電力的需求越來(lái)越大，對(duì)配電系統(tǒng)提出的要求也更高。在進(jìn)行電力線(xiàn)路、設(shè)備檢修時(shí)，為了保證安全需將接地開(kāi)關(guān)關(guān)合，接地開(kāi)關(guān)關(guān)合過(guò)程中負(fù)載將向接地開(kāi)關(guān)產(chǎn)生倒灌電流，電流瞬時(shí)值將達(dá)幾十千安，巨大的瞬時(shí)電流產(chǎn)生的電流斥力對(duì)接地開(kāi)關(guān)的可靠關(guān)合產(chǎn)生影響，需要考慮給觸頭足夠的壓力，以保證其可靠閉合。其中，接地開(kāi)關(guān)導(dǎo)電回路以及觸頭之間電動(dòng)斥力的產(chǎn)生、計(jì)算與分析是影響觸頭壓力的重要條件。因此，本文通過(guò)對(duì)短路電流的力效應(yīng)的分析，以此來(lái)探索如何提高接地開(kāi)關(guān)的短時(shí)耐受電流，分析接地開(kāi)關(guān)耐受瞬時(shí)短路電流的

2、動(dòng)穩(wěn)定性，為接地開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：China's power industry as the country's most important energy industry, has been in a position of priority development, the development of the power companies is remarkable. With the development of society, the demand for electricity is growing, the higher the requireme

3、nts of the distribution system. During power line and equipment maintenance，in order to ensure the safety grounding switch need to be closing, the closing of earthing switch, the load will be the grounding switch immune against current injection, the current instantaneous value will reach several th

4、ousand base，huge instantaneous current reliable closing of the earthing switch of the current repulsion impact need to be considered sufficient pressure to the contact to ensure its reliable closure. In this paper, the analysis of the force effect of the short circuit current, in order to explore ho

5、w to improve the short-time withstand current of earthing switch, the analysis of earthing switch to withstand the dynamic stability of the instantaneous short-circuit current, and provide a reference for the design of the earthing switch.Key Words: earthing switch；Electric power；Short-time withstan

6、d current；Dynamic Stability Analysis目 錄1 緒論11.1課題背景11.2 課題研究?jī)?nèi)容11.3 接地開(kāi)關(guān)介紹2接地開(kāi)關(guān)類(lèi)型2接地分類(lèi)3接地開(kāi)關(guān)型號(hào)區(qū)別3接地開(kāi)關(guān)工作原理41.4快速接地開(kāi)關(guān)4快速接地開(kāi)關(guān)的介紹4快速接地開(kāi)關(guān)的功能作用51.5觸頭6觸頭的分類(lèi)7觸頭的接觸面形式7觸頭的震動(dòng)8觸頭的磨損92 電動(dòng)力102.1 概述10電動(dòng)力現(xiàn)象102.1.2 電動(dòng)力方向的確定112.1.3 研究電動(dòng)力的目的122.1.4 電動(dòng)力現(xiàn)象舉例132.2 計(jì)算電動(dòng)力的兩種基本方法142.2.1 用畢奧-薩伐爾定律計(jì)算電動(dòng)力142.2.2 用能量平衡法計(jì)算電動(dòng)力172.3

7、 兩無(wú)限長(zhǎng)平行導(dǎo)體間的電動(dòng)力182.4 觸頭接觸點(diǎn)的收縮電動(dòng)力變截面導(dǎo)體的電動(dòng)力193 計(jì)算與分析223.1 短路電流的力效應(yīng)22電路電動(dòng)力計(jì)算223.1.2 Holm 力計(jì)算233.2力效應(yīng)分析24結(jié)論26參考文獻(xiàn)27附 錄28致 謝301 緒論1.1課題背景中國(guó)的電力工業(yè)作為國(guó)家最重要的能源工業(yè)，一直處于優(yōu)先發(fā)展的地位，電力企業(yè)的發(fā)展也是令人矚目的?！笆濉睍r(shí)期，我國(guó)城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造及建設(shè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，當(dāng)前，乃至“十一五”期間我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展仍是一個(gè)旺盛時(shí)期，時(shí)于電網(wǎng)建設(shè)中所需的開(kāi)關(guān)設(shè)備需求不僅量大，同時(shí)對(duì)于可靠性、穩(wěn)定性、科技含量、產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)水平等必將會(huì)提出新的要求。借鑒傳統(tǒng)的對(duì)高

8、壓開(kāi)關(guān)設(shè)備習(xí)慣選型，認(rèn)真組織、精心設(shè)計(jì)、科學(xué)配置，力求實(shí)用化的思考，是確保電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要舉措。如今，繼電保護(hù)是保障電網(wǎng)可靠運(yùn)行的重要組成部分，繼電保護(hù)裝置廣泛使用在變電站和斷路器上，用于監(jiān)測(cè)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，記錄故障類(lèi)型，控制斷路器工作。在電力系統(tǒng)中，繼電保護(hù)的作用在于：當(dāng)被保護(hù)的電力系統(tǒng)元件發(fā)生故障時(shí)，該元件的繼電保護(hù)裝置迅速準(zhǔn)確地給距離故障元件最近的斷路器發(fā)出跳閘命令，使故障元件及時(shí)從電力系統(tǒng)中斷開(kāi)，以最大限度地減少對(duì)電力元件本身的損壞，降低對(duì)電力系統(tǒng)安全供電的影響，從而滿(mǎn)足電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，改善繼電保護(hù)裝置的性能，提高電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于電力的需求越來(lái)

9、越大，對(duì)配電系統(tǒng)提出的要求也更高，一些大額定電流的斷路器，如萬(wàn)能式斷路器，一般都直接連接于電源上，且需要其能承受一段時(shí)間的高電流而不跳閘，以便能給電網(wǎng)中的其他下級(jí)斷路器對(duì)故障作出反應(yīng)并隔絕故障的時(shí)間，這樣，就會(huì)使損失盡可能限制在局部范圍內(nèi)。1.2 課題研究?jī)?nèi)容在進(jìn)行電力線(xiàn)路、設(shè)備檢修時(shí)，為了保證安全需將接地開(kāi)關(guān)關(guān)合，接地開(kāi)關(guān)關(guān)合過(guò)程中負(fù)載將向接地開(kāi)關(guān)產(chǎn)生倒灌電流，電流瞬時(shí)值將達(dá)幾十千安，巨大的瞬時(shí)電流產(chǎn)生的電流斥力對(duì)接地開(kāi)關(guān)的可靠關(guān)合產(chǎn)生影響。本文通過(guò)對(duì)短路電流的力效應(yīng)的分析，以此來(lái)探索如何提高接地開(kāi)關(guān)的短時(shí)耐受電流，分析接地開(kāi)關(guān)耐受瞬時(shí)短路電流的動(dòng)穩(wěn)定性，為接地開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)提供參考。1. 接地

10、開(kāi)關(guān)實(shí)際結(jié)構(gòu)如下圖： 2. 接地開(kāi)關(guān)理想化結(jié)構(gòu)圖（平面圖）：3. 瞬時(shí)短路電流：85 kA1.3 接地開(kāi)關(guān)介紹在電力系統(tǒng)中，最重要的電力設(shè)備之一是接地開(kāi)關(guān)，接地開(kāi)關(guān)，用于電路接地部分的機(jī)械式開(kāi)關(guān)，屬于隔離開(kāi)關(guān)類(lèi)別，它能在一定時(shí)間內(nèi)承載非正常條件下的電流（例如短路電流），但不要求它承載正常電路條件下的電流。在電氣設(shè)備進(jìn)行檢修時(shí)，對(duì)于可能送點(diǎn)至停電設(shè)備的各個(gè)方向停電設(shè)備可能產(chǎn)生感應(yīng)電壓的都要合上接地開(kāi)關(guān)（或掛上接地線(xiàn)），這是為了防止檢修人員在停電設(shè)備（或停電工作點(diǎn)）工作時(shí)突然來(lái)電，確保檢修人員人身安全的可靠安全措施。接地開(kāi)關(guān)主要分為幾種類(lèi)型：(1)戶(hù)內(nèi)高壓接地開(kāi)關(guān)(2) 戶(hù)內(nèi)高壓交流接地開(kāi)關(guān)(3)

11、 戶(hù)內(nèi)高壓電動(dòng)接地開(kāi)關(guān)等。它的作用主要用于設(shè)備的檢修，為了防止檢修過(guò)程中突然來(lái)電，因此必須將檢修設(shè)備的兩端都接地。1.3.1接地開(kāi)關(guān)類(lèi)型 1. 戶(hù)內(nèi)高壓接地開(kāi)關(guān)。適用于戶(hù)內(nèi)312KV三相交流50（60）Hz的電力系統(tǒng)內(nèi)和各型號(hào)高壓開(kāi)關(guān)柜配套使用，亦可作為高壓電器設(shè)備檢修時(shí)接地用。 主要結(jié)構(gòu)，接地開(kāi)關(guān)有支架、接地刀裝配、靜觸頭、傳感器、軸、拐臂、壓簧、導(dǎo)電套管、軟連接成。工作原理，當(dāng)操作操動(dòng)機(jī)構(gòu)使接地開(kāi)關(guān)合閘時(shí)，作為力矩使主軸克服阻力矩，帶動(dòng)拐臂沿合閘方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并使接地刀上的操縱桿通過(guò)壓簧死點(diǎn)，壓簧釋放能量，使接地開(kāi)關(guān)快速合閘，在合閘位置。接地刀組件上的接地刀通過(guò)碟形彈簧和靜觸頭的凸緣部（刀口）

12、牢固可靠地接觸。分閘操作時(shí)，作用力矩使主軸克服主力矩及彈簧力，帶動(dòng)拐臂沿分閘方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并使接地刀壓簧通過(guò)死點(diǎn)，壓簧儲(chǔ)能結(jié)束，以備下次合閘。 2. 戶(hù)內(nèi)高壓交流接地開(kāi)關(guān)。適用于12KV/40.5及以下,交流50Hz的電力系統(tǒng)中，可與各種型號(hào)高壓開(kāi)關(guān)柜配套，作為接地保護(hù)用。結(jié)構(gòu)由底架、支柱絕緣子、靜觸頭、動(dòng)觸刀、主軸刀、主軸、快速?gòu)椈傻炔考M成。3. 戶(hù)內(nèi)高壓電動(dòng)接地開(kāi)關(guān)。一種戶(hù)內(nèi)高壓電動(dòng)接地開(kāi)關(guān)，包括電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置、電氣控制裝置，以及接地開(kāi)關(guān)主軸和底架，驅(qū)動(dòng)裝置與電動(dòng)機(jī)聯(lián)接，在所述接地開(kāi)關(guān)的主軸上套置了一從動(dòng)輪，從動(dòng)輪上開(kāi)有兩個(gè)徑向凹槽，徑向凹槽中內(nèi)置有彈簧、滑塊，滑塊頂部呈伸縮狀凸出在從動(dòng)輪

13、的外緣，在所述滑塊的運(yùn)動(dòng)軌跡上設(shè)有兩個(gè)限位螺釘；與從動(dòng)輪相匹配，在電動(dòng)機(jī)輸出軸上固定安裝了一個(gè)主動(dòng)輪，主動(dòng)輪上設(shè)有一個(gè)擋銷(xiāo)，在主動(dòng)輪正、反轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，擋銷(xiāo)具有驅(qū)動(dòng)或壓迫所述滑塊的兩種工作狀態(tài)；在接地開(kāi)關(guān)的主軸上設(shè)有一擋塊，擋塊在接地開(kāi)關(guān)彈簧過(guò)死點(diǎn)時(shí)，壓迫行程開(kāi)關(guān)，使行程開(kāi)關(guān)常開(kāi)常閉觸點(diǎn)切換。該接地開(kāi)關(guān)在電動(dòng)控制狀態(tài)下，分、合閘速度能達(dá)到接地開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)要求，且電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象。4. 防雷接地。1.3.2接地分類(lèi) 1）工作接地：根據(jù)系統(tǒng)正常運(yùn)行要求設(shè)置（0.510）；2）保護(hù)接地：為保障人身安全而將電氣設(shè)備金屬外殼等接地，它在故障條件下才發(fā)揮作用（110）；3）防雷接地：將雷電流順利瀉入大地，以減小

14、引起的過(guò)電壓（130）。1.3.3接地開(kāi)關(guān)型號(hào)區(qū)別 第一位：G隔離開(kāi)關(guān)；隔離開(kāi)關(guān)；J接地開(kāi)關(guān)。第二位：N戶(hù)內(nèi)式；W戶(hù)外式。第三或四位：數(shù)字設(shè)計(jì)序號(hào)或額定電壓(kV)。第四或五位：K帶快分裝置；G改進(jìn)型D帶接地刀閘。“/”后數(shù)字額定電流(A)。N表示戶(hù)內(nèi)式 ；G表示改進(jìn)式RNG1-100A/4表示這是能承受最大壓力值為4帕，最大通過(guò)電流為100A的戶(hù)內(nèi)改進(jìn)式隔離開(kāi)關(guān)，應(yīng)該是我們平常說(shuō)的漏電開(kāi)關(guān)。1.3.5接地開(kāi)關(guān)工作原理 1. 從跳閘來(lái)講其實(shí)很簡(jiǎn)單，當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生單相故障時(shí)，故障線(xiàn)路兩側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，但是由于正常相與故障相之間存在電磁耦合，出現(xiàn)潛供電流，不利于熄弧，為了減少潛供電流，在兩側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，自

15、動(dòng)裝置動(dòng)作立即合上兩側(cè)HSGS.以達(dá)到快速滅弧的作用。2. HSGS的最大用處其實(shí)就是配合開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)重合閘的。其步驟如下：(1)單相接地短路故障發(fā)生，產(chǎn)生一次電??；(2)故障相兩端開(kāi)關(guān)跳閘，一次電弧熄滅，潛供電弧(二次電弧)產(chǎn)生；(3)裝設(shè)于故障相的HSGS動(dòng)作接地，潛供電弧熄滅；(4)HSGS斷開(kāi)；(5)重合閘動(dòng)作開(kāi)關(guān)重合。1.4快速接地開(kāi)關(guān)通常我們?cè)陔娏ο到y(tǒng)中接觸最多的接地開(kāi)關(guān)都是普通的接地開(kāi)關(guān)，主要裝設(shè)于斷路器兩側(cè)和母線(xiàn)等處，用于檢修時(shí)設(shè)備的安全接地功能，保障設(shè)備和檢修人員的安全?？焖俳拥亻_(kāi)關(guān)HSGS（High Speed Grounding Switches），從結(jié)構(gòu)型式、系統(tǒng)配置和功能

16、實(shí)現(xiàn)上，它都有別于普通的接地開(kāi)關(guān)?？焖俳拥亻_(kāi)關(guān)的介紹從開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)型式來(lái)看，快速接地開(kāi)關(guān)不同于一般接地開(kāi)關(guān)。它具有滅弧功能，能夠多次關(guān)合短路電流而不至損壞，通常在110 kV 系統(tǒng)中關(guān)合電流可達(dá)到80 kA，220 kV 系統(tǒng)中關(guān)合電流可達(dá)到125 kA。此外，它的動(dòng)作關(guān)合時(shí)間很短，一般可以達(dá)到零點(diǎn)零幾秒，其作用就相當(dāng)于一個(gè)接地短路器。從電力系統(tǒng)配置來(lái)看，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)要求1，接地開(kāi)關(guān)應(yīng)裝設(shè)在斷路器兩側(cè)和母線(xiàn)等處，主要起到設(shè)備檢修時(shí)兩側(cè)接地的作用，保證檢修安全。其操作機(jī)構(gòu)多采用手動(dòng)方式，而快速接地開(kāi)關(guān)一般配置在出線(xiàn)回路的出線(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)靠線(xiàn)路一側(cè)，可以實(shí)現(xiàn)就地和遠(yuǎn)方控制；操作機(jī)構(gòu)多采用電動(dòng)操作方式，這種

17、接地開(kāi)關(guān)大多應(yīng)用于GIS 組合電器中，并在超高壓輸電線(xiàn)路中得到廣泛應(yīng)用。按照設(shè)計(jì)手冊(cè)規(guī)定，以下情況需裝設(shè)快速接地開(kāi)關(guān)：（1）停電回路的最先接地點(diǎn)，主要用來(lái)防止可能出現(xiàn)的帶電誤合接地造成GIS 封閉電器的損壞。（2）利用快速接地開(kāi)關(guān)來(lái)短路GIS 封閉電器內(nèi)部的電弧，防止事故擴(kuò)大?？焖俳拥亻_(kāi)關(guān)的功能作用1. 線(xiàn)路故障時(shí)降低潛供電流和限制恢復(fù)電壓我們知道，電力系統(tǒng)中最常見(jiàn)的故障是單相接地故障，其故障發(fā)生率在90%以上，而且約80%的單相接地故障屬于瞬時(shí)性故障。對(duì)于中性點(diǎn)直接接地的（超）高壓系統(tǒng)，若線(xiàn)路發(fā)生單相接地故障，通常會(huì)由相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作快速跳開(kāi)故障相兩側(cè)斷路器，迅速隔離故障線(xiàn)路。但由于潛供電流的

18、存在，即通過(guò)靜電耦合、電磁耦合作用在故障相與非故障相以及可能的相鄰線(xiàn)路之間產(chǎn)生的電流，潛供電弧能否快速熄滅取決于該故障點(diǎn)的恢復(fù)電壓，即在潛供電弧熄滅后瞬間出現(xiàn)在弧道上的電壓。在220 kV 及以下電壓等級(jí)輸電線(xiàn)路上，該潛供電弧一般能在0.2 s 內(nèi)快速熄滅。但對(duì)于330 kV 及以上電壓等級(jí)的線(xiàn)路，潛供電弧燃燒時(shí)間較長(zhǎng)，有時(shí)甚至不能自熄。此時(shí)線(xiàn)路斷路器雖然已經(jīng)跳開(kāi)，但實(shí)際故障點(diǎn)并未消除，若此時(shí)線(xiàn)路上配置了重合閘，再合閘無(wú)疑會(huì)重合到故障點(diǎn)上，致使重合閘失敗，降低了供電可靠性。從國(guó)內(nèi)外的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，熄滅潛供電弧的方法主要有2 種：一種是在超高壓電抗器中性點(diǎn)接小電抗；另一種是使用快速接地開(kāi)關(guān)HSG

19、S。前者已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。這種方法由于相間與相對(duì)地電容可能與電抗器的阻抗構(gòu)成諧振回路，需要采取預(yù)防措施而增加了系統(tǒng)保護(hù)的復(fù)雜性，同時(shí)投資也比較大，投資經(jīng)濟(jì)性是此時(shí)必須要考慮和論證的問(wèn)題。后者在日本建成的超高壓電力系統(tǒng)中已得到使用。對(duì)于一些線(xiàn)路較短、無(wú)需安裝電抗器限制工頻過(guò)電壓，或雖有電抗器接在母線(xiàn)上，但不針對(duì)某條線(xiàn)路而設(shè)的情況，通常會(huì)采取快速接地開(kāi)關(guān)來(lái)降低潛供電流，這種方法的工作原理和實(shí)際應(yīng)用已得到論證，是一種比較有效的方法?？焖俳拥亻_(kāi)關(guān)引入的作用就是將故障點(diǎn)的開(kāi)放性電弧轉(zhuǎn)化為開(kāi)關(guān)內(nèi)壓縮性電弧，使流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流只有數(shù)百安培，易于開(kāi)斷，大大降低了故障點(diǎn)的潛供電流，限制恢復(fù)電壓，減少了電弧燃

20、燒的時(shí)間，從而達(dá)到快速滅弧的目的。快速接地開(kāi)關(guān)的這一作用主要通過(guò)與斷路器的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)：（1）從斷路器跳閘來(lái)看，當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生單相接地故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作斷開(kāi)故障線(xiàn)路兩側(cè)斷路器，但由于潛供電流的存在，電弧不能很快熄滅，因此實(shí)際上故障線(xiàn)路沒(méi)有得到真正隔離。此時(shí)加裝快速接地開(kāi)關(guān)，能在線(xiàn)路兩側(cè)斷路器斷開(kāi)時(shí)由自動(dòng)裝置動(dòng)作立即合上兩側(cè)HSGS，達(dá)到快速滅弧的作用。（2）從重合閘方面看，快速接地開(kāi)關(guān)HSGS 的最大用途就是配合斷路器實(shí)現(xiàn)單相重合閘，其動(dòng)作步驟如下：1）單相接地短路故障發(fā)生，產(chǎn)生一次電??；2）故障相兩端斷路器跳閘，一次電弧熄滅，潛供電?。ǘ坞娀。┊a(chǎn)生；3）裝設(shè)于故障相的快速接地開(kāi)關(guān)HSGS動(dòng)作接地，

21、潛供電弧熄滅；4）快速接地開(kāi)關(guān)HSGS 斷開(kāi)；5）重合閘動(dòng)作斷路器重合。2. 防止GIS 設(shè)備本身故障引發(fā)爆炸GIS 開(kāi)關(guān)組合電器生產(chǎn)廠(chǎng)商均聲稱(chēng)GIS 組合電器為免維護(hù)設(shè)備，其維護(hù)周期較長(zhǎng)。如ABB 公司生產(chǎn)的ELK-04 型110 kV GIS設(shè)備的免維護(hù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)25 年，基本能夠涵蓋設(shè)備的壽命周期，而且GIS 設(shè)備的故障概率很低。盡管如此，一旦發(fā)生設(shè)備內(nèi)部故障，GIS 組合電器造成的后果十分嚴(yán)重。對(duì)應(yīng)用于110 kV 及以上電力系統(tǒng)中的GIS 組合電器，當(dāng)母線(xiàn)管或元件內(nèi)部故障時(shí)，電弧使得SF6 氣體壓力升高，若無(wú)泄壓防爆措施，則可導(dǎo)致GIS 設(shè)備損壞，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)設(shè)備爆炸。當(dāng)內(nèi)部發(fā)生短路故障

22、又不能及時(shí)切除故障點(diǎn)時(shí)，電弧會(huì)將外殼燒穿4，造成GIS 設(shè)備損壞。為此，多數(shù)GIS 設(shè)備制造廠(chǎng)商在其生產(chǎn)時(shí)都對(duì)這一問(wèn)題給予了重視，并相應(yīng)配備有氣體防爆裝置等必要的保護(hù)措施，保障GIS 設(shè)備運(yùn)行安全。此時(shí)，在一些GIS 設(shè)備中裝設(shè)快速接地開(kāi)關(guān)，也具有防止GIS 設(shè)備故障引發(fā)爆炸的作用。這一功能的實(shí)現(xiàn)主要利用了快速接地開(kāi)關(guān)能關(guān)合接地短路電流的特點(diǎn)，當(dāng)GIS 設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，母線(xiàn)管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電弧，它可以在很短的時(shí)間內(nèi)將外殼燒穿，或引發(fā)母線(xiàn)管爆炸。為及時(shí)切斷電弧電源，通常會(huì)在變電站進(jìn)線(xiàn)線(xiàn)路上加裝快速接地開(kāi)關(guān)，通過(guò)操作快速接地開(kāi)關(guān)人為地使電路直接接地，由繼電保護(hù)裝置將斷路器跳閘，從而切斷故障電流

23、，保護(hù)GIS 設(shè)備不致?lián)p傷過(guò)大。3. 作為檢修安全措施快速接地開(kāi)關(guān)此時(shí)僅相當(dāng)于普通接地開(kāi)關(guān)，只作為檢修的安全措施。盡管快速接地開(kāi)關(guān)的動(dòng)作速度快于普通接地開(kāi)關(guān)，并具有滅弧能力，但由于此時(shí)線(xiàn)路斷路器采用三相聯(lián)動(dòng)的操作機(jī)構(gòu)，顯然不可能配合單相重合閘來(lái)使用。此外，它也沒(méi)有設(shè)計(jì)成防爆需要的反映故障電流增大而動(dòng)作的保護(hù)回路，因此也不具備GIS 設(shè)備保護(hù)的防爆功能。簡(jiǎn)單的說(shuō)，此時(shí)快速接地開(kāi)關(guān)在設(shè)計(jì)時(shí)就已確定其僅作為一個(gè)普通接地開(kāi)關(guān)的功能。1.5觸頭通過(guò)互相接觸以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的具體物件稱(chēng)為電觸頭(簡(jiǎn)稱(chēng)觸頭) ，它是接觸時(shí)接通電路、操作時(shí)因其相對(duì)運(yùn)動(dòng)而斷開(kāi)或閉合電路的兩個(gè)或兩個(gè)以上的導(dǎo)體。觸頭既是一切有觸點(diǎn)電器的執(zhí)

24、行元件，同時(shí)又是其中最薄弱的環(huán)節(jié)。其工作優(yōu)劣不僅直接影響到整個(gè)電器的性能，還將影響到一個(gè)系統(tǒng)的工作可靠與否。觸頭的工作與電弧密切相關(guān)，它在工作過(guò)程中將被高溫電弧所灼傷，并因之而發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移和電侵蝕。觸頭的分類(lèi)1. 連接觸頭連接觸頭是以機(jī)械方式一焊接、鉚接和栓接來(lái)連接電路的不同環(huán)節(jié)，使電流得以自一環(huán)節(jié)流向另一環(huán)節(jié)。這種觸頭在工作過(guò)程中無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，永遠(yuǎn)閉合。連接觸頭除栓接式為可卸式外，其余為不可卸式。連接觸頭的基本要求是在其所在裝置的使用期限內(nèi)，應(yīng)能完整無(wú)損地長(zhǎng)期通過(guò)正常工作電流和短時(shí)通過(guò)規(guī)定的故障電流。為此，它的電阻應(yīng)當(dāng)不大而且穩(wěn)定。這就要求它能耐受周?chē)橘|(zhì)的作用，又能耐受溫度變化引起的形變和通

25、過(guò)短路電流時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)力。2. 換接觸頭換接觸頭是電器中用以接通、分?jǐn)唷⑥D(zhuǎn)換電路的執(zhí)行部件，并且總是以動(dòng)觸頭和靜觸頭的形式成對(duì)地出現(xiàn)。它具有多種形式，諸如楔形觸頭、刷形觸頭、指形觸頭、橋式觸頭和瓣式觸頭等。換接觸頭的基本要求是電阻小而穩(wěn)定，并且耐電弧、抗熔焊和電侵蝕。有觸點(diǎn)電器的故障很大一部分是觸頭工作不良所致，且后果嚴(yán)重。換接觸頭的四個(gè)基本參數(shù):開(kāi)距、超程、初壓力和終壓力：1) 開(kāi)距是觸頭處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)其動(dòng)靜觸頭間的最短距離，其值是由它能否耐受電路中可能出現(xiàn)的過(guò)電壓以及能否保證順利熄滅電弧來(lái)決定的。2) 超程是觸頭運(yùn)動(dòng)到閉合位置后、將靜觸頭移開(kāi)時(shí)動(dòng)觸頭還能移動(dòng)的距離，其值取決于觸頭在期限內(nèi)

26、遭受的電侵蝕。3) 初壓力是觸頭剛閉合時(shí)作用于它的正壓力。4) 終壓力是觸頭閉合終止位置的壓力，其值由許多因素，諸如溫升、熔焊等所決定。觸頭的接觸面形式 1點(diǎn)接觸 點(diǎn)接觸觸頭是指兩個(gè)導(dǎo)體只在一點(diǎn)或者很小的面積上 。 2線(xiàn)接觸 線(xiàn)接觸觸頭是指兩個(gè)導(dǎo)體沿著線(xiàn)或較窄的面積發(fā)生接觸的觸頭。3面接觸 面接觸觸頭是指兩個(gè)導(dǎo)體沿著較廣的表面發(fā)生接觸的觸頭。觸頭的震動(dòng)1. 振動(dòng)產(chǎn)生的原因觸頭在閉合過(guò)程中，觸頭間的碰撞、觸頭間的電動(dòng)斥力和銜鐵與鐵心的碰撞都可能引起觸頭的機(jī)械振動(dòng)。兩個(gè)觸頭在閉合時(shí)發(fā)生碰撞產(chǎn)生振動(dòng)是不可避免的，所謂消除觸頭閉合過(guò)程中的振動(dòng)，是指消除觸頭的有害振動(dòng)。 2. 減小振動(dòng)的方法1) 使觸頭

27、具有一定的初壓力。 2) 降低動(dòng)觸頭的閉合速度，以減小碰撞動(dòng)能。 3) 減小動(dòng)觸頭的質(zhì)量，以減小碰撞動(dòng)能，從而減小觸頭的振幅。 4) 對(duì)于電磁式電器，減小銜鐵和靜鐵心碰撞時(shí)引起的磁系統(tǒng)的振動(dòng)，以減小觸頭的二次振動(dòng)。其方法是吸力特性與反力特性有良好的配合及鐵心具有緩沖裝置。 3. 熔焊的概念 觸頭的熔焊主要發(fā)生在觸頭閉合有載電路的過(guò)程中和觸頭處于閉合狀態(tài)時(shí)。在觸頭閉合過(guò)程中，觸頭的機(jī)械振動(dòng)使觸頭間斷續(xù)產(chǎn)生電弧，在電弧高溫的作用下，使觸頭表面金屬熔化，當(dāng)觸頭最終閉合時(shí)。這些熔化金屬可能凝結(jié)而引起熔接，使動(dòng)、靜觸頭熔焊在一起不能打開(kāi)。在觸頭處于閉合狀態(tài)時(shí)，若通過(guò)過(guò)大的電流，會(huì)使觸頭接觸處溫度升高，如

28、果達(dá)到了熔化溫度，兩觸頭接觸處的材料便熔化并結(jié)合在一起，使接觸電阻迅速下降，其損耗和溫度都下降，熔化的金屬可能凝結(jié)而引起熔接。這種由熱效應(yīng)而引起的觸頭熔接，稱(chēng)為觸頭的“熔焊”。還有一種觸頭熔接現(xiàn)象，產(chǎn)生于常溫狀態(tài)，通常稱(chēng)為“冷焊”?！袄浜浮背３０l(fā)在用貴金屬材料制成的小型繼電器觸點(diǎn)中。其原因?yàn)橘F金屬表面不易形成氧化膜，純凈的金屬接觸面在觸頭壓力作用下，由于金屬原子間化學(xué)親和力的作用，使兩個(gè)觸頭表面結(jié)合在一起，產(chǎn)生“冷焊”現(xiàn)象。 觸頭的磨損1. 觸頭磨損的原因觸頭磨損包括機(jī)械磨損、化學(xué)磨損和電磨損。觸頭的磨損主要取決于電磨損。電磨損主要發(fā)生在觸頭的閉合和開(kāi)斷過(guò)程中，在觸頭閉合電流時(shí)產(chǎn)生的電磨損，主

29、要是由于觸頭碰撞引起的振動(dòng)所產(chǎn)生的，在觸頭開(kāi)斷電流時(shí)所產(chǎn)生的電磨損，是由高溫電弧所造成的。2. 觸頭電磨損的形式 觸頭在分?jǐn)嗯c閉合電路過(guò)程中，在觸頭間隙中產(chǎn)生金屬液橋、電弧和火花放電等各種現(xiàn)象，引起觸頭材料的金屬轉(zhuǎn)移、噴濺和汽化，使觸頭材料損耗和變形，這種現(xiàn)象稱(chēng)為觸頭的電磨損。觸頭的電磨損形式主要有兩種，即液橋的金屬轉(zhuǎn)移和電弧的燒損。2 電動(dòng)力2.1 概述電動(dòng)力現(xiàn)象在磁場(chǎng)中的任一載流導(dǎo)體都要受到力的作用，這是安培于1820年發(fā)現(xiàn)的。通電導(dǎo)體的周?chē)写艌?chǎng)存在，而磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體又有作用力。因此，兩個(gè)或幾個(gè)相互有電磁耦合的導(dǎo)體之間必有相互作用的力，我們把載流導(dǎo)體之間的作用力稱(chēng)為“電動(dòng)力”。另外，在鐵

30、磁體附近的載流導(dǎo)體也會(huì)受到作用力，該力總是使載流導(dǎo)體力圖向鐵磁體靠近。載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力，本質(zhì)上就是導(dǎo)體中定向運(yùn)動(dòng)的電荷在磁場(chǎng)中所受到的洛倫茲力的疊加。這種力稱(chēng)為安培力。圖2.1中，假定磁場(chǎng)是均勻的，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，導(dǎo)體的長(zhǎng)度為l，截面積為S，通過(guò)的電流為I，而且電流I的方向與B的方向互相垂直（圖2.2（a）；又設(shè)m和Q分別為每個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷的質(zhì)量和電量，則每個(gè)電荷受到的洛倫茲力設(shè)導(dǎo)體中單位體積內(nèi)的運(yùn)動(dòng)電荷數(shù)為n，則長(zhǎng)度為l的導(dǎo)體內(nèi)電荷總數(shù)為所以全部電荷受到的洛倫茲力的合力，即導(dǎo)體所受的電動(dòng)力為又因，所以上式可寫(xiě)成 （2.1）如果電流I與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向成角，見(jiàn)圖2.2（b

31、），則電動(dòng)力的大小為 （2.2）置于不均勻磁場(chǎng)中某點(diǎn)處的元電流Idl，所受電動(dòng)力為 （2.3）dF的方向可由右手螺旋定則確定。圖2.1 長(zhǎng)度為l的載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受的電動(dòng)力 （a）垂直 （b）電流I與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向成角圖2.2 直導(dǎo)體在均勻磁場(chǎng)中的電動(dòng)力 電動(dòng)力方向的確定正確判定電動(dòng)力的方向，不僅是定性分析電動(dòng)力問(wèn)題的基本方法，也是正確計(jì)算電動(dòng)力的基礎(chǔ)。確定電動(dòng)力方向的常用方法，可歸納為以下四種。1.左手定則手心向B，伸直的四指與I同向，則大拇指的指向就是電動(dòng)力F的方向，見(jiàn)圖2.22.右手螺旋定則這是按照矢量叉積確定方向的規(guī)則，電動(dòng)力F垂直于Idl與B所確定的平面，右手四指由Idl轉(zhuǎn)向B

32、，大拇指的指向就是電動(dòng)力F的方向，見(jiàn)圖2.3。3.磁力線(xiàn)側(cè)壓力原理磁力線(xiàn)如橡皮筋，總希望走最短的路徑，把橡皮筋拉直。載流導(dǎo)體所受電動(dòng)力方向與磁力線(xiàn)方向垂直，指向磁力線(xiàn)稀疏的方向，見(jiàn)圖2.4。圖中B0為外加磁感應(yīng)強(qiáng)度。4.由回路的改變趨勢(shì)確定電動(dòng)力的方向在電動(dòng)力的作用下，回路的改變趨勢(shì)應(yīng)使回路環(huán)繞的磁通增加。據(jù)此，可確定電動(dòng)力的方向。圖2.3元電流在磁場(chǎng)中所受的作用力圖2.4磁力線(xiàn)側(cè)壓力原理上述四種方法，1和2是常用的基本方法；3和4在宏觀(guān)判定載流導(dǎo)體電動(dòng)力時(shí)，有時(shí)更方便、快捷、形象。 研究電動(dòng)力的目的電氣設(shè)備的導(dǎo)電部分總是由多個(gè)導(dǎo)體構(gòu)成的，當(dāng)導(dǎo)體中有電流流過(guò)時(shí)，各導(dǎo)體之間就有電動(dòng)力的作用。電動(dòng)

33、力的大小與導(dǎo)體間的相互位置以及通過(guò)它們的電流的大小有關(guān)。正常工作時(shí)，斷路器的長(zhǎng)期工作電流不大，為幾百至幾千安，作用在導(dǎo)體上的電動(dòng)力很小，對(duì)斷路器的工作一般沒(méi)有影響，可以忽略不計(jì)。但是當(dāng)電路發(fā)生短路時(shí)，短路電流很大，可達(dá)幾十乃至上百千安，就會(huì)產(chǎn)生很大的電動(dòng)力。通常，當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)電流超過(guò)萬(wàn)安以上時(shí)，就應(yīng)當(dāng)考慮電動(dòng)力的問(wèn)題。此時(shí)，電動(dòng)力可能達(dá)幾百牛頓，甚至幾千牛頓以上，這樣大的電動(dòng)力可能使斷路器的一些結(jié)構(gòu)零件變形或斷裂，使原來(lái)處于關(guān)合位置的觸頭被推開(kāi)，產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致觸頭熔焊；或者使斷路器在關(guān)合過(guò)程中不能順利關(guān)合，以至造成斷路器爆炸等。研究電動(dòng)力的目的，一方面是要掌握產(chǎn)生電動(dòng)力的規(guī)律性，以便在設(shè)計(jì)斷路器產(chǎn)

34、品時(shí)，正確選擇其結(jié)構(gòu)和尺寸，使其機(jī)械強(qiáng)度能承受電動(dòng)力的作用而不致?lián)p壞，使斷路器不會(huì)因電動(dòng)力的作用而發(fā)生誤動(dòng)作，也就是要克服電動(dòng)力的危害性；另一方面，還可廣泛利用電動(dòng)力改善、提高斷路器的性能。例如在斷路器的滅弧結(jié)構(gòu)中，利用電動(dòng)力的作用來(lái)提高滅弧能力，利用電動(dòng)力的作用增加短路時(shí)觸頭間的壓力，利用電動(dòng)力原理設(shè)計(jì)并制造出迅速推開(kāi)的斥力式觸頭結(jié)構(gòu)等。 電動(dòng)力現(xiàn)象舉例圖2.5表示多油斷路器關(guān)合短路時(shí)，電動(dòng)力阻礙斷路器關(guān)合的情況。斷路器在短路關(guān)合過(guò)程中，橫擔(dān)1及其上的動(dòng)觸頭2在操動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下，以速度v向上運(yùn)動(dòng)。在動(dòng)、靜觸頭接近時(shí)，動(dòng)、靜觸頭間的間隙被擊穿，出現(xiàn)短路電流I。導(dǎo)體5中的電流在橫擔(dān)上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)

35、度B的方向如圖2.5所示。B與橫擔(dān)中電流作用，產(chǎn)生電動(dòng)力F，F(xiàn)的方向與動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)方向相反。當(dāng)F過(guò)大時(shí)，斷路器就關(guān)合不上了。上面講的是電動(dòng)力起破壞作用的一面，其實(shí)電動(dòng)力也可以利用。例如SF6磁旋弧式斷路器就是利用電弧電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)電弧作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行冷卻滅弧。磁旋弧式斷路器的工作原理如圖2.6所示。分閘時(shí)動(dòng)、靜觸頭之間產(chǎn)生的電弧，首先由靜觸頭過(guò)渡到金屬圓筒電極上，由于串聯(lián)磁吹線(xiàn)圈磁場(chǎng)的作用，使電弧繞動(dòng)觸頭軸線(xiàn)以每秒數(shù)百米的速度在金屬圓筒電極內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)，依靠氣體和電弧互相接觸加強(qiáng)電弧的對(duì)流散熱，使電弧在電流過(guò)零時(shí)熄滅。 （a） （b）圖2.5 閉合時(shí)的電動(dòng)力 圖2.6 磁旋弧式SF6斷路器的工

36、作原理圖 （c）真空斷路器中使用螺旋瓣形觸頭，使電弧環(huán)繞觸頭作圓周運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)、冷卻而熄滅。這也是利用電動(dòng)力的原理。2.2 計(jì)算電動(dòng)力的兩種基本方法電動(dòng)力計(jì)算的常用方法有兩種：一是用畢奧-薩伐爾定律計(jì)算電動(dòng)力；二是用能量平衡法計(jì)算電動(dòng)力。兩種方法的本質(zhì)相同，原則上說(shuō)用任何一種方法計(jì)算電動(dòng)力都可以。但是對(duì)不同的具體對(duì)象來(lái)說(shuō)，兩種方法各有方便之處。 用畢奧-薩伐爾定律計(jì)算電動(dòng)力畢奧-薩伐爾定律是計(jì)算電動(dòng)力最常用的方法。載流導(dǎo)體所受電動(dòng)力與導(dǎo)體回路及導(dǎo)體截面有關(guān)。在忽略導(dǎo)體截面對(duì)電動(dòng)力的影響時(shí)，可假設(shè)導(dǎo)體截面無(wú)限細(xì)（即導(dǎo)體中電流按線(xiàn)電流處理）。在圖2.5中，載流導(dǎo)體l1處在外磁場(chǎng)中，導(dǎo)體中的電流為I1

37、。在導(dǎo)體l1的元長(zhǎng)度dl1上所受的電動(dòng)力dF1，根據(jù)式（2.3）可以寫(xiě)為 (2.4)用標(biāo)量形式表示 (2.5)式中：Bdl1處的磁感應(yīng)強(qiáng)度；dl1與B間的夾角。電動(dòng)力dF1的方向由右手螺旋定則決定。對(duì)式（2.4）沿導(dǎo)體l1全長(zhǎng)積分，就可求得l1全長(zhǎng)上所受到的總電動(dòng)力F1，即 (2.6)若l1上各元長(zhǎng)度的dF1方向相同，則l1全長(zhǎng)上所受到的總電動(dòng)力F1為 (2.7)由式（2.7）可知，要計(jì)算電動(dòng)力F，首先應(yīng)知道導(dǎo)體l1上磁感應(yīng)強(qiáng)度 B的分布情況。一般來(lái)說(shuō)，電器設(shè)備中導(dǎo)體l1所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度是由另外的導(dǎo)體l2產(chǎn)生的。若導(dǎo)體l2中流過(guò)的電流為I2，則I2在導(dǎo)體l1的任一位置dl1處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度

38、B可由畢奧-薩伐爾定律求得，見(jiàn)圖2.8。 圖2.7 元長(zhǎng)度dl1上的電動(dòng)力 圖2.8 載流導(dǎo)體l2在l1的任一位置dl1處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B將導(dǎo)體l2沿導(dǎo)體長(zhǎng)度分成若干元長(zhǎng)度dl2，元電流I2dl2在dl1處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度dB可用下式表示： (2.8)式中：r由dl2到dl1間的距離；r2單位矢量，方向由dl2到dl1。對(duì)導(dǎo)體l2全長(zhǎng)積分，可得載流導(dǎo)體l2在dl2處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B (2.9)對(duì)任意形狀的載流導(dǎo)體進(jìn)行矢量積分是很困難的，但此概念很重要。兩長(zhǎng)直導(dǎo)體在空氣（或磁導(dǎo)率相同的介質(zhì)）中的同一平面內(nèi)作任意布置，其電動(dòng)力可用標(biāo)量形式計(jì)算。在均勻介質(zhì)中，直載流導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)呈同心圓磁場(chǎng)。圖

39、2.9表示流過(guò)電流I2的直載流導(dǎo)體l2，元電流I2dl2在導(dǎo)體外A處的磁感應(yīng)強(qiáng)度dB可用下式表示，方向按右手螺旋定則確定。 (2.10)式中：0空氣磁導(dǎo)率，0 =4 ×10-7H/m；rdl2到A點(diǎn)間的距離；l2與r間小于90°的夾角。對(duì)導(dǎo)體全長(zhǎng)l2積分，就得到載流導(dǎo)體l2在A點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。 (2.11)將式（2.11）代入式（2.7），可得載流導(dǎo)體l1在載流導(dǎo)體l2的磁場(chǎng)中所受的電動(dòng)力 (2.12)式中： (2.13) 圖2.9 導(dǎo)體周?chē)拇艌?chǎng) 圖2.10 平面內(nèi)的兩導(dǎo)體圖2.10中同一平面內(nèi)的兩導(dǎo)體，由于I2在l1各處產(chǎn)生之B的方向均垂直于l1，所以，。圖中，ax為

40、dl1到l2的垂直距離；。則 (2.14) (2.15) C稱(chēng)為回路系數(shù)，是一個(gè)無(wú)量綱系數(shù)。它只與所研究的導(dǎo)電系統(tǒng)的幾何尺寸、形狀有關(guān)。計(jì)算出回路系數(shù)C的數(shù)值，再知道I1與I2就可以得出電動(dòng)力的數(shù)值。所以式（2.12）是計(jì)算電動(dòng)力的一般通用式，對(duì)不同的具體情況只是回路系數(shù)不同而已。常用的C值，在手冊(cè)中可查出，給電動(dòng)力的計(jì)算帶來(lái)很大方便。 用能量平衡法計(jì)算電動(dòng)力能量平衡法計(jì)算電動(dòng)力的原理是：任一回路內(nèi)電動(dòng)力F所作的功等于該回路儲(chǔ)能的變化。即 (2.16)式中：dW在電動(dòng)力F作用下，回路沿x方向發(fā)生元位移dx時(shí)，回路儲(chǔ)能的變化。由此得出，作用在回路中導(dǎo)體上的電動(dòng)力F為 (2.17)例如在圖2.11

41、中，導(dǎo)體l在AB位置時(shí)，磁能為W1；在電動(dòng)力 F作用下，l移動(dòng)到 AB位置，磁能為W2；則磁能的變化為dW=W2-W1，位置的變化為dx。載流導(dǎo)體回路中，儲(chǔ)存于磁場(chǎng)中的能量W為 (2.18)式中：L回路的電感H；I回路中流過(guò)的電流A。兩個(gè)相鄰的載流導(dǎo)體回路中，儲(chǔ)存于磁場(chǎng)中的總能量為 (2.19)式中：L1，L2回路1和2的自感H；M兩回路間的互感H；I1，I2回路1和2中的電流A。圖2.11 l受電動(dòng)力的作用當(dāng)載流導(dǎo)體回路的自感和互感為已知時(shí)，利用式（2.18）、式（2.19）計(jì)算電動(dòng)力就比較方便，即 (2.20)但幾何形狀復(fù)雜的導(dǎo)電系統(tǒng)的L，M常不易求出。2.3 兩無(wú)限長(zhǎng)平行導(dǎo)體間的電動(dòng)力兩

42、個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的平行載流導(dǎo)體l1和l2，其間距離為a，流過(guò)的電流分別為I1，I2，求l1上一段長(zhǎng)度為l的導(dǎo)體所受的電動(dòng)力。 (2.21)此時(shí)a1=0，a2=0，ax=a，對(duì)上式進(jìn)行積分運(yùn)算，得 (2.22)2.4 觸頭接觸點(diǎn)的收縮電動(dòng)力變截面導(dǎo)體的電動(dòng)力上面幾節(jié)中，在分析電動(dòng)力時(shí)都沒(méi)有考慮導(dǎo)體本身截面大小、形狀的影響，實(shí)際上都是假設(shè)電流集中在導(dǎo)體的軸線(xiàn)上來(lái)分析的。這對(duì)圓截面導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，不管截面大小如何，只要電流在導(dǎo)體內(nèi)均勻分布，計(jì)算的結(jié)果完全是準(zhǔn)確的。對(duì)其它截面形狀（如矩形截面）的導(dǎo)體，當(dāng)導(dǎo)體之間的距離比導(dǎo)體截面的尺寸大得多時(shí)，也可以應(yīng)用上述有關(guān)電動(dòng)力的計(jì)算公式。但當(dāng)導(dǎo)體截面尺寸較大，導(dǎo)體間距離又很近

43、時(shí)，應(yīng)用上面的公式就會(huì)帶來(lái)很大誤差。當(dāng)載流導(dǎo)體的截面沿導(dǎo)體長(zhǎng)度（軸向）發(fā)生變化時(shí)，在截面變化處會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)體的軸向電動(dòng)力。這種電動(dòng)力也稱(chēng)收縮電動(dòng)力。斷路器觸頭的接觸點(diǎn)附近產(chǎn)生的就是這種電動(dòng)力的典型情況。圖2.12是觸頭接觸部分的電流線(xiàn)分布的示意情況。由圖可見(jiàn)，在離接觸點(diǎn)較遠(yuǎn)處，觸頭截面比較大，各電流線(xiàn)基本平行。由于觸頭接觸表面不可能是理想的平面，兩個(gè)觸頭間真正接觸的面積很小，實(shí)際上可以看作是若干個(gè)點(diǎn)接觸。因此，電流流過(guò)接觸點(diǎn)時(shí)，電流線(xiàn)發(fā)生強(qiáng)烈的收縮，從而產(chǎn)生電動(dòng)力。電動(dòng)力的方向可從電流線(xiàn)的形狀來(lái)分析。圖中一條電流線(xiàn)的a，b兩處電流方向是相反的，所以a，b之間的電動(dòng)力也就是作用在上、下兩個(gè)觸頭之間的

44、電動(dòng)力，是相斥的。觸頭收縮電動(dòng)力的定量分析可根據(jù)圖2.13進(jìn)行。圖2.13畫(huà)出的是相當(dāng)于圖2.12（a）的下觸頭。若觸頭是圓柱形的，半徑為r2，接觸點(diǎn)半徑為r1，觸頭的端部簡(jiǎn)化成正截錐形。電流I流過(guò)接觸點(diǎn)時(shí)，載流導(dǎo)體截面由大截面（半徑為r2）逐步變化為小截面（半徑為r1）。在離圓錐頂點(diǎn)O距離為y處的截面上，導(dǎo)體面積為x2。假定電流沿截面均勻分布，由圖2.13可得出在y處截面上，半徑z以?xún)?nèi)的面積中流過(guò)的電流。 (a) (b) (c)圖2.12 觸頭的接觸點(diǎn)附近收縮電動(dòng)力示意圖 (2.23)根據(jù)全電流定律，在半徑為z的圓周上，各處的磁場(chǎng)強(qiáng)度均為圖2.13 觸頭收縮電動(dòng)力的計(jì)算圖相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

45、(2.24)沿著半徑為z的圓周，取徑向?qū)挾葹閐z的小圓環(huán)，設(shè)其上的電流為dIz。作用在電流dIz元長(zhǎng)度dl上的電動(dòng)力為 (2.25)由圖2.19，元長(zhǎng)度可寫(xiě)為 (2.26)將式(2.24)、(2.26)代入式(2.25)，得力df在導(dǎo)體軸向的分力df1為由于，所以 (2.27)式（2.27）對(duì)y積分，可以求得電流IZ作用于電流線(xiàn)dIZ的整個(gè)小圓環(huán)上的電動(dòng)力由圖2.19可知,因此 (2.28)利用式(2.23)可求得元電流 (2.29)將式(2.29）代入式(2.28)，對(duì)z積分后可得觸頭間總的軸向電動(dòng)力 (2.30)在以上觸頭收縮電動(dòng)力的計(jì)算中，只考慮觸頭有一個(gè)接觸點(diǎn)。實(shí)際上大多數(shù)觸頭的接觸點(diǎn)

46、不止一個(gè)，在此情況下，流過(guò)每個(gè)接觸點(diǎn)的電流減小了，作用在觸頭上的推斥電動(dòng)力將小得多。例如，有一個(gè)點(diǎn)接觸觸頭，觸頭直徑為25mm，當(dāng)觸頭壓力為30N時(shí)，觸頭接觸點(diǎn)的半徑為0.5mm。試求當(dāng)觸頭間通過(guò)的短路電流為32kA時(shí)的推斥力（收縮電動(dòng)力）。按式（2.31），觸頭間的收縮電動(dòng)力為從計(jì)算可知，觸頭收縮電動(dòng)力大于觸頭壓力，觸頭將被推開(kāi)，觸頭間產(chǎn)生電弧，因而引起觸頭的熔焊。因此，要保證觸頭可靠地工作，必須將觸頭壓力加大。3 計(jì)算與分析3.1 短路電流的力效應(yīng)當(dāng)交變電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生交變磁場(chǎng)，磁場(chǎng)中的其他載流導(dǎo)體受到該磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生電動(dòng)力，該電動(dòng)力的大小與載流導(dǎo)體之間的間距和電流的大小有

47、關(guān)。在供配電系統(tǒng)中，任何運(yùn)行的設(shè)備或線(xiàn)路的載流導(dǎo)體之間都會(huì)有電動(dòng)力的存在，當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，該電動(dòng)力將是正常運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)倍甚至幾十倍，這樣，就會(huì)造成設(shè)備或線(xiàn)路的機(jī)械損傷，若接地開(kāi)關(guān)的短時(shí)耐受能力不高，就可能引起災(zāi)難性的后果。由于電動(dòng)力與電流瞬時(shí)值的平方成正比，短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力效應(yīng)將更加嚴(yán)重。為滿(mǎn)足電動(dòng)力的要求，目前通常采用兩種方案進(jìn)行設(shè)計(jì):保證系統(tǒng)中的所有原件都要能承受如此大的電動(dòng)力；通過(guò)合理設(shè)計(jì)，達(dá)到電動(dòng)力補(bǔ)償?shù)男Ч?。電路電?dòng)力計(jì)算作用在導(dǎo)體上的力是電流與磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果。事實(shí)上，電流單位A 就是由2 根平行導(dǎo)體通過(guò)同向電流而引起的吸力來(lái)定義的。1 A 就是當(dāng)通過(guò)該電流時(shí)相距1 m 的

48、2 根導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生的吸引力，為N/m。導(dǎo)體上受到的電動(dòng)力可由畢奧 沙伐定律來(lái)計(jì)算，為 (3.1)式中 、兩導(dǎo)體中電流瞬時(shí)值l平行導(dǎo)體長(zhǎng)度d導(dǎo)體中心間距磁導(dǎo)率常數(shù)，F(xiàn)導(dǎo)體間的相互作用力由式(1) 可知，兩導(dǎo)體間的電動(dòng)力與導(dǎo)體中的電流、，磁導(dǎo)率常數(shù)成正比，還與導(dǎo)體間的幾何位置所決定的常數(shù)成正比。接地開(kāi)關(guān)合閘過(guò)程中，動(dòng)導(dǎo)電桿與靜導(dǎo)電桿觸點(diǎn)接觸通電，兩個(gè)靜導(dǎo)電桿由于通過(guò)同相電流而產(chǎn)生吸力F1，如圖3.1所示，兩靜導(dǎo)電桿之間的相互作用圖3.1 接地開(kāi)關(guān)閉合簡(jiǎn)化圖力F1計(jì)算如下：已知： 兩導(dǎo)體中電流瞬時(shí)值設(shè)： 平行導(dǎo)體長(zhǎng)度導(dǎo)體中心間距代入公式3.1得 Holm 力計(jì)算實(shí)際上，在宏觀(guān)環(huán)境下的動(dòng)、靜觸頭面接觸在微

49、觀(guān)下僅是點(diǎn)接觸，在這些接觸點(diǎn)上就會(huì)造成電流收縮集中，從而產(chǎn)生Holm 力。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展和數(shù)值計(jì)算方法的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)輔助工程在MCCB新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，大大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)產(chǎn)品的性能也得到了很大提高。就電動(dòng)斥力的計(jì)算來(lái)說(shuō)，一般用式(3.2)來(lái)計(jì)算FH ，而忽略觸頭區(qū)域的電流收縮。如圖3.1中FH即為接地開(kāi)關(guān)閉合時(shí)所產(chǎn)生的Holm 力。該力的計(jì)算公式為 (3.2)式中 FH動(dòng)觸頭所受Holm 力0真空中的磁導(dǎo)率A動(dòng)、靜觸頭間的接觸面積觸頭接觸系數(shù)H觸頭材料的布氏硬度FK觸頭預(yù)壓力已知： 動(dòng)、靜觸頭間的接觸面積 A=20mm2 兩導(dǎo)體中電

50、流瞬時(shí)值 觸頭接觸系數(shù) =0.45觸頭預(yù)壓力 FK=100N真空中的磁導(dǎo)率觸頭材料的布氏硬度：以一定的載荷(一般3000kg)把一定大小(直徑一般為10mm)的淬硬鋼球壓入材料表面，保持一段時(shí)間，去載后，負(fù)荷與其壓痕面積之比值，即為布氏硬度值(HB)，單位為公斤力/mm2 (N/mm2)。布氏硬度的范圍為8650HBW(見(jiàn)附錄)因?yàn)閯?dòng)、靜觸頭間的接觸面積A=20mm2，而且接地開(kāi)關(guān)動(dòng)、靜觸頭之間的作用力高達(dá)10kN左右，所以（根據(jù)附錄）取觸頭材料布氏硬度H=150HBW。將已知條件代入公式(3.2)得得取目前所說(shuō)的電動(dòng)力通常是上述兩者之和，如果觸頭一旦被電動(dòng)力斥開(kāi)，其斥力會(huì)隨觸頭間隙的增加而迅速減小。但是，如果觸頭斥力足夠大，使得觸頭分開(kāi)一定距離并產(chǎn)生電弧，則電弧區(qū)被加熱的氣體所產(chǎn)生的力足以維持觸頭處于該開(kāi)距下。這種在觸頭間距離很近的情況下產(chǎn)生的電弧有時(shí)叫懸浮電弧，其能使觸頭材料嚴(yán)重磨損，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致觸頭熔焊。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要避免該情況發(fā)生，故需要考慮給觸頭足夠的壓力，以保證其可靠閉合。3.2力效應(yīng)分析首先對(duì)接地開(kāi)關(guān)的導(dǎo)電回路做了簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的導(dǎo)電回路由靜導(dǎo)電管，靜導(dǎo)電管，動(dòng)導(dǎo)電桿，觸頭四個(gè)部分組成，如圖3.2所示若電流I 進(jìn)入導(dǎo)電回路(如圖3.2箭頭所示)則靜導(dǎo)電管