1、摘要中國的電力工業作為國家最重要的能源工業，一直處于優先發展的地位，電力企業的發展也是令人矚目的。隨著社會的發展，人們對于電力的需求越來越大，對配電系統提出的要求也更高。在進行電力線路、設備檢修時，為了保證安全需將接地開關關合，接地開關關合過程中負載將向接地開關產生倒灌電流，電流瞬時值將達幾十千安，巨大的瞬時電流產生的電流斥力對接地開關的可靠關合產生影響，需要考慮給觸頭足夠的壓力，以保證其可靠閉合。其中，接地開關導電回路以及觸頭之間電動斥力的產生、計算與分析是影響觸頭壓力的重要條件。因此，本文通過對短路電流的力效應的分析，以此來探索如何提高接地開關的短時耐受電流，分析接地開關耐受瞬時短路電流的

2、動穩定性，為接地開關的設計提供參考。關鍵詞：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 課題研究內容11.3 接地開關介紹2接地開關類型2接地分類3接地開關型號區別3接地開關工作原理41.4快速接地開關4快速接地開關的介紹4快速接地開關的功能作用51.5觸頭6觸頭的分類7觸頭的接觸面形式7觸頭的震動8觸頭的磨損92 電動力102.1 概述10電動力現象102.1.2 電動力方向的確定112.1.3 研究電動力的目的122.1.4 電動力現象舉例132.2 計算電動力的兩種基本方法142.2.1 用畢奧-薩伐爾定律計算電動力142.2.2 用能量平衡法計算電動力172.3

7、 兩無限長平行導體間的電動力182.4 觸頭接觸點的收縮電動力變截面導體的電動力193 計算與分析223.1 短路電流的力效應22電路電動力計算223.1.2 Holm 力計算233.2力效應分析24結論26參考文獻27附 錄28致 謝301 緒論1.1課題背景中國的電力工業作為國家最重要的能源工業，一直處于優先發展的地位，電力企業的發展也是令人矚目的。“十五”時期，我國城鄉電網改造及建設取得了長足的發展，當前，乃至“十一五”期間我國電網建設與發展仍是一個旺盛時期，時于電網建設中所需的開關設備需求不僅量大，同時對于可靠性、穩定性、科技含量、產品質量和服務水平等必將會提出新的要求。借鑒傳統的對高

8、壓開關設備習慣選型，認真組織、精心設計、科學配置，力求實用化的思考，是確保電網安全經濟運行的重要舉措。如今，繼電保護是保障電網可靠運行的重要組成部分，繼電保護裝置廣泛使用在變電站和斷路器上，用于監測電網運行狀態，記錄故障類型，控制斷路器工作。在電力系統中，繼電保護的作用在于：當被保護的電力系統元件發生故障時，該元件的繼電保護裝置迅速準確地給距離故障元件最近的斷路器發出跳閘命令，使故障元件及時從電力系統中斷開，以最大限度地減少對電力元件本身的損壞，降低對電力系統安全供電的影響，從而滿足電力系統穩定性的要求，改善繼電保護裝置的性能，提高電力系統的安全運行水平。隨著社會的發展，人們對于電力的需求越來

9、越大，對配電系統提出的要求也更高，一些大額定電流的斷路器，如萬能式斷路器，一般都直接連接于電源上，且需要其能承受一段時間的高電流而不跳閘，以便能給電網中的其他下級斷路器對故障作出反應并隔絕故障的時間，這樣，就會使損失盡可能限制在局部范圍內。1.2 課題研究內容在進行電力線路、設備檢修時，為了保證安全需將接地開關關合，接地開關關合過程中負載將向接地開關產生倒灌電流，電流瞬時值將達幾十千安，巨大的瞬時電流產生的電流斥力對接地開關的可靠關合產生影響。本文通過對短路電流的力效應的分析，以此來探索如何提高接地開關的短時耐受電流，分析接地開關耐受瞬時短路電流的動穩定性，為接地開關的設計提供參考。1. 接地

10、開關實際結構如下圖： 2. 接地開關理想化結構圖（平面圖）：3. 瞬時短路電流：85 kA1.3 接地開關介紹在電力系統中，最重要的電力設備之一是接地開關，接地開關，用于電路接地部分的機械式開關，屬于隔離開關類別，它能在一定時間內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。在電氣設備進行檢修時，對于可能送點至停電設備的各個方向停電設備可能產生感應電壓的都要合上接地開關（或掛上接地線），這是為了防止檢修人員在停電設備（或停電工作點）工作時突然來電，確保檢修人員人身安全的可靠安全措施。接地開關主要分為幾種類型：(1)戶內高壓接地開關(2) 戶內高壓交流接地開關(3)

11、 戶內高壓電動接地開關等。它的作用主要用于設備的檢修，為了防止檢修過程中突然來電，因此必須將檢修設備的兩端都接地。1.3.1接地開關類型 1. 戶內高壓接地開關。適用于戶內312KV三相交流50（60）Hz的電力系統內和各型號高壓開關柜配套使用，亦可作為高壓電器設備檢修時接地用。 主要結構，接地開關有支架、接地刀裝配、靜觸頭、傳感器、軸、拐臂、壓簧、導電套管、軟連接成。工作原理，當操作操動機構使接地開關合閘時，作為力矩使主軸克服阻力矩，帶動拐臂沿合閘方向轉動，并使接地刀上的操縱桿通過壓簧死點，壓簧釋放能量，使接地開關快速合閘，在合閘位置。接地刀組件上的接地刀通過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，作用力矩使主軸克服主力矩及彈簧力，帶動拐臂沿分閘方向轉動，并使接地刀壓簧通過死點，壓簧儲能結束，以備下次合閘。 2. 戶內高壓交流接地開關。適用于12KV/40.5及以下,交流50Hz的電力系統中，可與各種型號高壓開關柜配套，作為接地保護用。結構由底架、支柱絕緣子、靜觸頭、動觸刀、主軸刀、主軸、快速彈簧等部件組成。3. 戶內高壓電動接地開關。一種戶內高壓電動接地開關，包括電動機、驅動裝置、電氣控制裝置，以及接地開關主軸和底架，驅動裝置與電動機聯接，在所述接地開關的主軸上套置了一從動輪，從動輪上開有兩個徑向凹槽，徑向凹槽中內置有彈簧、滑塊，滑塊頂部呈伸縮狀凸出在從動輪

13、的外緣，在所述滑塊的運動軌跡上設有兩個限位螺釘；與從動輪相匹配，在電動機輸出軸上固定安裝了一個主動輪，主動輪上設有一個擋銷，在主動輪正、反轉動時，擋銷具有驅動或壓迫所述滑塊的兩種工作狀態；在接地開關的主軸上設有一擋塊，擋塊在接地開關彈簧過死點時，壓迫行程開關，使行程開關常開常閉觸點切換。該接地開關在電動控制狀態下，分、合閘速度能達到接地開關設計要求，且電機不會出現過流現象。4. 防雷接地。1.3.2接地分類 1）工作接地：根據系統正常運行要求設置（0.510）；2）保護接地：為保障人身安全而將電氣設備金屬外殼等接地，它在故障條件下才發揮作用（110）；3）防雷接地：將雷電流順利瀉入大地，以減小

14、引起的過電壓（130）。1.3.3接地開關型號區別 第一位：G隔離開關；隔離開關；J接地開關。第二位：N戶內式；W戶外式。第三或四位：數字設計序號或額定電壓(kV)。第四或五位：K帶快分裝置；G改進型D帶接地刀閘。“/”后數字額定電流(A)。N表示戶內式 ；G表示改進式RNG1-100A/4表示這是能承受最大壓力值為4帕，最大通過電流為100A的戶內改進式隔離開關，應該是我們平常說的漏電開關。1.3.5接地開關工作原理 1. 從跳閘來講其實很簡單，當線路發生單相故障時，故障線路兩側開關斷開，但是由于正常相與故障相之間存在電磁耦合，出現潛供電流，不利于熄弧，為了減少潛供電流，在兩側開關斷開時，自

15、動裝置動作立即合上兩側HSGS.以達到快速滅弧的作用。2. HSGS的最大用處其實就是配合開關實現重合閘的。其步驟如下：(1)單相接地短路故障發生，產生一次電弧；(2)故障相兩端開關跳閘，一次電弧熄滅，潛供電弧(二次電弧)產生；(3)裝設于故障相的HSGS動作接地，潛供電弧熄滅；(4)HSGS斷開；(5)重合閘動作開關重合。1.4快速接地開關通常我們在電力系統中接觸最多的接地開關都是普通的接地開關，主要裝設于斷路器兩側和母線等處，用于檢修時設備的安全接地功能，保障設備和檢修人員的安全。快速接地開關HSGS（High Speed Grounding Switches），從結構型式、系統配置和功能

16、實現上，它都有別于普通的接地開關。快速接地開關的介紹從開關結構型式來看，快速接地開關不同于一般接地開關。它具有滅弧功能，能夠多次關合短路電流而不至損壞，通常在110 kV 系統中關合電流可達到80 kA，220 kV 系統中關合電流可達到125 kA。此外，它的動作關合時間很短，一般可以達到零點零幾秒，其作用就相當于一個接地短路器。從電力系統配置來看，根據設計手冊要求1，接地開關應裝設在斷路器兩側和母線等處，主要起到設備檢修時兩側接地的作用，保證檢修安全。其操作機構多采用手動方式，而快速接地開關一般配置在出線回路的出線隔離開關靠線路一側，可以實現就地和遠方控制；操作機構多采用電動操作方式，這種

17、接地開關大多應用于GIS 組合電器中，并在超高壓輸電線路中得到廣泛應用。按照設計手冊規定，以下情況需裝設快速接地開關：（1）停電回路的最先接地點，主要用來防止可能出現的帶電誤合接地造成GIS 封閉電器的損壞。（2）利用快速接地開關來短路GIS 封閉電器內部的電弧，防止事故擴大。快速接地開關的功能作用1. 線路故障時降低潛供電流和限制恢復電壓我們知道，電力系統中最常見的故障是單相接地故障，其故障發生率在90%以上，而且約80%的單相接地故障屬于瞬時性故障。對于中性點直接接地的（超）高壓系統，若線路發生單相接地故障，通常會由相應的保護動作快速跳開故障相兩側斷路器，迅速隔離故障線路。但由于潛供電流的

18、存在，即通過靜電耦合、電磁耦合作用在故障相與非故障相以及可能的相鄰線路之間產生的電流，潛供電弧能否快速熄滅取決于該故障點的恢復電壓，即在潛供電弧熄滅后瞬間出現在弧道上的電壓。在220 kV 及以下電壓等級輸電線路上，該潛供電弧一般能在0.2 s 內快速熄滅。但對于330 kV 及以上電壓等級的線路，潛供電弧燃燒時間較長，有時甚至不能自熄。此時線路斷路器雖然已經跳開，但實際故障點并未消除，若此時線路上配置了重合閘，再合閘無疑會重合到故障點上，致使重合閘失敗，降低了供電可靠性。從國內外的運行經驗來看，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接小電抗；另一種是使用快速接地開關HSG

19、S。前者已在國內外得到廣泛應用。這種方法由于相間與相對地電容可能與電抗器的阻抗構成諧振回路，需要采取預防措施而增加了系統保護的復雜性，同時投資也比較大，投資經濟性是此時必須要考慮和論證的問題。后者在日本建成的超高壓電力系統中已得到使用。對于一些線路較短、無需安裝電抗器限制工頻過電壓，或雖有電抗器接在母線上，但不針對某條線路而設的情況，通常會采取快速接地開關來降低潛供電流，這種方法的工作原理和實際應用已得到論證，是一種比較有效的方法。快速接地開關引入的作用就是將故障點的開放性電弧轉化為開關內壓縮性電弧，使流經開關的電流只有數百安培，易于開斷，大大降低了故障點的潛供電流，限制恢復電壓，減少了電弧燃

20、燒的時間，從而達到快速滅弧的目的。快速接地開關的這一作用主要通過與斷路器的配合來實現：（1）從斷路器跳閘來看，當線路發生單相接地故障時，保護動作斷開故障線路兩側斷路器，但由于潛供電流的存在，電弧不能很快熄滅，因此實際上故障線路沒有得到真正隔離。此時加裝快速接地開關，能在線路兩側斷路器斷開時由自動裝置動作立即合上兩側HSGS，達到快速滅弧的作用。（2）從重合閘方面看，快速接地開關HSGS 的最大用途就是配合斷路器實現單相重合閘，其動作步驟如下：1）單相接地短路故障發生，產生一次電弧；2）故障相兩端斷路器跳閘，一次電弧熄滅，潛供電弧（二次電弧）產生；3）裝設于故障相的快速接地開關HSGS動作接地，

21、潛供電弧熄滅；4）快速接地開關HSGS 斷開；5）重合閘動作斷路器重合。2. 防止GIS 設備本身故障引發爆炸GIS 開關組合電器生產廠商均聲稱GIS 組合電器為免維護設備，其維護周期較長。如ABB 公司生產的ELK-04 型110 kV GIS設備的免維護時間長達25 年，基本能夠涵蓋設備的壽命周期，而且GIS 設備的故障概率很低。盡管如此，一旦發生設備內部故障，GIS 組合電器造成的后果十分嚴重。對應用于110 kV 及以上電力系統中的GIS 組合電器，當母線管或元件內部故障時，電弧使得SF6 氣體壓力升高，若無泄壓防爆措施，則可導致GIS 設備損壞，嚴重時引發設備爆炸。當內部發生短路故障

22、又不能及時切除故障點時，電弧會將外殼燒穿4，造成GIS 設備損壞。為此，多數GIS 設備制造廠商在其生產時都對這一問題給予了重視，并相應配備有氣體防爆裝置等必要的保護措施，保障GIS 設備運行安全。此時，在一些GIS 設備中裝設快速接地開關，也具有防止GIS 設備故障引發爆炸的作用。這一功能的實現主要利用了快速接地開關能關合接地短路電流的特點，當GIS 設備內部發生故障時，母線管內會產生強烈的電弧，它可以在很短的時間內將外殼燒穿，或引發母線管爆炸。為及時切斷電弧電源，通常會在變電站進線線路上加裝快速接地開關，通過操作快速接地開關人為地使電路直接接地，由繼電保護裝置將斷路器跳閘，從而切斷故障電流

23、，保護GIS 設備不致損傷過大。3. 作為檢修安全措施快速接地開關此時僅相當于普通接地開關，只作為檢修的安全措施。盡管快速接地開關的動作速度快于普通接地開關，并具有滅弧能力，但由于此時線路斷路器采用三相聯動的操作機構，顯然不可能配合單相重合閘來使用。此外，它也沒有設計成防爆需要的反映故障電流增大而動作的保護回路，因此也不具備GIS 設備保護的防爆功能。簡單的說，此時快速接地開關在設計時就已確定其僅作為一個普通接地開關的功能。1.5觸頭通過互相接觸以實現導電的具體物件稱為電觸頭(簡稱觸頭) ，它是接觸時接通電路、操作時因其相對運動而斷開或閉合電路的兩個或兩個以上的導體。觸頭既是一切有觸點電器的執

24、行元件，同時又是其中最薄弱的環節。其工作優劣不僅直接影響到整個電器的性能，還將影響到一個系統的工作可靠與否。觸頭的工作與電弧密切相關，它在工作過程中將被高溫電弧所灼傷，并因之而發生質量轉移和電侵蝕。觸頭的分類1. 連接觸頭連接觸頭是以機械方式一焊接、鉚接和栓接來連接電路的不同環節，使電流得以自一環節流向另一環節。這種觸頭在工作過程中無相對運動，永遠閉合。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，應能完整無損地長期通過正常工作電流和短時通過規定的故障電流。為此，它的電阻應當不大而且穩定。這就要求它能耐受周圍介質的作用，又能耐受溫度變化引起的形變和通

25、過短路電流時所產生的電動力。2. 換接觸頭換接觸頭是電器中用以接通、分斷、轉換電路的執行部件，并且總是以動觸頭和靜觸頭的形式成對地出現。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定，并且耐電弧、抗熔焊和電侵蝕。有觸點電器的故障很大一部分是觸頭工作不良所致，且后果嚴重。換接觸頭的四個基本參數:開距、超程、初壓力和終壓力：1) 開距是觸頭處于斷開狀態時其動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的過電壓以及能否保證順利熄滅電弧來決定的。2) 超程是觸頭運動到閉合位置后、將靜觸頭移開時動觸頭還能移動的距離，其值取決于觸頭在期限內

26、遭受的電侵蝕。3) 初壓力是觸頭剛閉合時作用于它的正壓力。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點接觸 點接觸觸頭是指兩個導體只在一點或者很小的面積上 。 2線接觸 線接觸觸頭是指兩個導體沿著線或較窄的面積發生接觸的觸頭。3面接觸 面接觸觸頭是指兩個導體沿著較廣的表面發生接觸的觸頭。觸頭的震動1. 振動產生的原因觸頭在閉合過程中，觸頭間的碰撞、觸頭間的電動斥力和銜鐵與鐵心的碰撞都可能引起觸頭的機械振動。兩個觸頭在閉合時發生碰撞產生振動是不可避免的，所謂消除觸頭閉合過程中的振動，是指消除觸頭的有害振動。 2. 減小振動的方法1) 使觸頭

27、具有一定的初壓力。 2) 降低動觸頭的閉合速度，以減小碰撞動能。 3) 減小動觸頭的質量，以減小碰撞動能，從而減小觸頭的振幅。 4) 對于電磁式電器，減小銜鐵和靜鐵心碰撞時引起的磁系統的振動，以減小觸頭的二次振動。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 觸頭的熔焊主要發生在觸頭閉合有載電路的過程中和觸頭處于閉合狀態時。在觸頭閉合過程中，觸頭的機械振動使觸頭間斷續產生電弧，在電弧高溫的作用下，使觸頭表面金屬熔化，當觸頭最終閉合時。這些熔化金屬可能凝結而引起熔接，使動、靜觸頭熔焊在一起不能打開。在觸頭處于閉合狀態時，若通過過大的電流，會使觸頭接觸處溫度升高，如

28、果達到了熔化溫度，兩觸頭接觸處的材料便熔化并結合在一起，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而引起熔接。這種由熱效應而引起的觸頭熔接，稱為觸頭的“熔焊”。還有一種觸頭熔接現象，產生于常溫狀態，通常稱為“冷焊”。“冷焊”常常發在用貴金屬材料制成的小型繼電器觸點中。其原因為貴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親和力的作用，使兩個觸頭表面結合在一起，產生“冷焊”現象。 觸頭的磨損1. 觸頭磨損的原因觸頭磨損包括機械磨損、化學磨損和電磨損。觸頭的磨損主要取決于電磨損。電磨損主要發生在觸頭的閉合和開斷過程中，在觸頭閉合電流時產生的電磨損，主

29、要是由于觸頭碰撞引起的振動所產生的，在觸頭開斷電流時所產生的電磨損，是由高溫電弧所造成的。2. 觸頭電磨損的形式 觸頭在分斷與閉合電路過程中，在觸頭間隙中產生金屬液橋、電弧和火花放電等各種現象，引起觸頭材料的金屬轉移、噴濺和汽化，使觸頭材料損耗和變形，這種現象稱為觸頭的電磨損。觸頭的電磨損形式主要有兩種，即液橋的金屬轉移和電弧的燒損。2 電動力2.1 概述電動力現象在磁場中的任一載流導體都要受到力的作用，這是安培于1820年發現的。通電導體的周圍有磁場存在，而磁場對通電導體又有作用力。因此，兩個或幾個相互有電磁耦合的導體之間必有相互作用的力，我們把載流導體之間的作用力稱為“電動力”。另外，在鐵

30、磁體附近的載流導體也會受到作用力，該力總是使載流導體力圖向鐵磁體靠近。載流導體在磁場中會受到磁場對電流的作用力，本質上就是導體中定向運動的電荷在磁場中所受到的洛倫茲力的疊加。這種力稱為安培力。圖2.1中，假定磁場是均勻的，磁感應強度為B，導體的長度為l，截面積為S，通過的電流為I，而且電流I的方向與B的方向互相垂直（圖2.2（a）；又設m和Q分別為每個運動電荷的質量和電量，則每個電荷受到的洛倫茲力設導體中單位體積內的運動電荷數為n，則長度為l的導體內電荷總數為所以全部電荷受到的洛倫茲力的合力，即導體所受的電動力為又因，所以上式可寫成 （2.1）如果電流I與磁感應強度B的方向成角，見圖2.2（b

31、），則電動力的大小為 （2.2）置于不均勻磁場中某點處的元電流Idl，所受電動力為 （2.3）dF的方向可由右手螺旋定則確定。圖2.1 長度為l的載流導體在磁場中所受的電動力 （a）垂直 （b）電流I與磁感應強度B的方向成角圖2.2 直導體在均勻磁場中的電動力 電動力方向的確定正確判定電動力的方向，不僅是定性分析電動力問題的基本方法，也是正確計算電動力的基礎。確定電動力方向的常用方法，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力F的方向，見圖2.22.右手螺旋定則這是按照矢量叉積確定方向的規則，電動力F垂直于Idl與B所確定的平面，右手四指由Idl轉向B

32、，大拇指的指向就是電動力F的方向，見圖2.3。3.磁力線側壓力原理磁力線如橡皮筋，總希望走最短的路徑，把橡皮筋拉直。載流導體所受電動力方向與磁力線方向垂直，指向磁力線稀疏的方向，見圖2.4。圖中B0為外加磁感應強度。4.由回路的改變趨勢確定電動力的方向在電動力的作用下，回路的改變趨勢應使回路環繞的磁通增加。據此，可確定電動力的方向。圖2.3元電流在磁場中所受的作用力圖2.4磁力線側壓力原理上述四種方法，1和2是常用的基本方法；3和4在宏觀判定載流導體電動力時，有時更方便、快捷、形象。 研究電動力的目的電氣設備的導電部分總是由多個導體構成的，當導體中有電流流過時，各導體之間就有電動力的作用。電動

33、力的大小與導體間的相互位置以及通過它們的電流的大小有關。正常工作時，斷路器的長期工作電流不大，為幾百至幾千安，作用在導體上的電動力很小，對斷路器的工作一般沒有影響，可以忽略不計。但是當電路發生短路時，短路電流很大，可達幾十乃至上百千安，就會產生很大的電動力。通常，當導體內電流超過萬安以上時，就應當考慮電動力的問題。此時，電動力可能達幾百牛頓，甚至幾千牛頓以上，這樣大的電動力可能使斷路器的一些結構零件變形或斷裂，使原來處于關合位置的觸頭被推開，產生電弧，導致觸頭熔焊；或者使斷路器在關合過程中不能順利關合，以至造成斷路器爆炸等。研究電動力的目的，一方面是要掌握產生電動力的規律性，以便在設計斷路器產

34、品時，正確選擇其結構和尺寸，使其機械強度能承受電動力的作用而不致損壞，使斷路器不會因電動力的作用而發生誤動作，也就是要克服電動力的危害性；另一方面，還可廣泛利用電動力改善、提高斷路器的性能。例如在斷路器的滅弧結構中，利用電動力的作用來提高滅弧能力，利用電動力的作用增加短路時觸頭間的壓力，利用電動力原理設計并制造出迅速推開的斥力式觸頭結構等。 電動力現象舉例圖2.5表示多油斷路器關合短路時，電動力阻礙斷路器關合的情況。斷路器在短路關合過程中，橫擔1及其上的動觸頭2在操動機構帶動下，以速度v向上運動。在動、靜觸頭接近時，動、靜觸頭間的間隙被擊穿，出現短路電流I。導體5中的電流在橫擔上產生的磁感應強

35、度B的方向如圖2.5所示。B與橫擔中電流作用，產生電動力F，F的方向與動觸頭運動方向相反。當F過大時，斷路器就關合不上了。上面講的是電動力起破壞作用的一面，其實電動力也可以利用。例如SF6磁旋弧式斷路器就是利用電弧電流產生的磁場，驅動電弧作旋轉運動，進行冷卻滅弧。磁旋弧式斷路器的工作原理如圖2.6所示。分閘時動、靜觸頭之間產生的電弧，首先由靜觸頭過渡到金屬圓筒電極上，由于串聯磁吹線圈磁場的作用，使電弧繞動觸頭軸線以每秒數百米的速度在金屬圓筒電極內側旋轉，依靠氣體和電弧互相接觸加強電弧的對流散熱，使電弧在電流過零時熄滅。 （a） （b）圖2.5 閉合時的電動力 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，使電弧環繞觸頭作圓周運動，旋轉、冷卻而熄滅。這也是利用電動力的原理。2.2 計算電動力的兩種基本方法電動力計算的常用方法有兩種：一是用畢奧-薩伐爾定律計算電動力；二是用能量平衡法計算電動力。兩種方法的本質相同，原則上說用任何一種方法計算電動力都可以。但是對不同的具體對象來說，兩種方法各有方便之處。 用畢奧-薩伐爾定律計算電動力畢奧-薩伐爾定律是計算電動力最常用的方法。載流導體所受電動力與導體回路及導體截面有關。在忽略導體截面對電動力的影響時，可假設導體截面無限細（即導體中電流按線電流處理）。在圖2.5中，載流導體l1處在外磁場中，導體中的電流為I1

37、。在導體l1的元長度dl1上所受的電動力dF1，根據式（2.3）可以寫為 (2.4)用標量形式表示 (2.5)式中：Bdl1處的磁感應強度；dl1與B間的夾角。電動力dF1的方向由右手螺旋定則決定。對式（2.4）沿導體l1全長積分，就可求得l1全長上所受到的總電動力F1，即 (2.6)若l1上各元長度的dF1方向相同，則l1全長上所受到的總電動力F1為 (2.7)由式（2.7）可知，要計算電動力F，首先應知道導體l1上磁感應強度 B的分布情況。一般來說，電器設備中導體l1所在處的磁感應強度是由另外的導體l2產生的。若導體l2中流過的電流為I2，則I2在導體l1的任一位置dl1處產生的磁感應強度

38、B可由畢奧-薩伐爾定律求得，見圖2.8。 圖2.7 元長度dl1上的電動力 圖2.8 載流導體l2在l1的任一位置dl1處產生的磁感應強度B將導體l2沿導體長度分成若干元長度dl2，元電流I2dl2在dl1處產生的磁感應強度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。對導體l2全長積分，可得載流導體l2在dl2處產生的磁感應強度B (2.9)對任意形狀的載流導體進行矢量積分是很困難的，但此概念很重要。兩長直導體在空氣（或磁導率相同的介質）中的同一平面內作任意布置，其電動力可用標量形式計算。在均勻介質中，直載流導體產生的磁場呈同心圓磁場。圖

39、2.9表示流過電流I2的直載流導體l2，元電流I2dl2在導體外A處的磁感應強度dB可用下式表示，方向按右手螺旋定則確定。 (2.10)式中：0空氣磁導率，0 =4 ×10-7H/m；rdl2到A點間的距離；l2與r間小于90°的夾角。對導體全長l2積分，就得到載流導體l2在A點的磁感應強度B。 (2.11)將式（2.11）代入式（2.7），可得載流導體l1在載流導體l2的磁場中所受的電動力 (2.12)式中： (2.13) 圖2.9 導體周圍的磁場 圖2.10 平面內的兩導體圖2.10中同一平面內的兩導體，由于I2在l1各處產生之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稱為回路系數，是一個無量綱系數。它只與所研究的導電系統的幾何尺寸、形狀有關。計算出回路系數C的數值，再知道I1與I2就可以得出電動力的數值。所以式（2.12）是計算電動力的一般通用式，對不同的具體情況只是回路系數不同而已。常用的C值，在手冊中可查出，給電動力的計算帶來很大方便。 用能量平衡法計算電動力能量平衡法計算電動力的原理是：任一回路內電動力F所作的功等于該回路儲能的變化。即 (2.16)式中：dW在電動力F作用下，回路沿x方向發生元位移dx時，回路儲能的變化。由此得出，作用在回路中導體上的電動力F為 (2.17)例如在圖2.11

41、中，導體l在AB位置時，磁能為W1；在電動力 F作用下，l移動到 AB位置，磁能為W2；則磁能的變化為dW=W2-W1，位置的變化為dx。載流導體回路中，儲存于磁場中的能量W為 (2.18)式中：L回路的電感H；I回路中流過的電流A。兩個相鄰的載流導體回路中，儲存于磁場中的總能量為 (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受電動力的作用當載流導體回路的自感和互感為已知時，利用式（2.18）、式（2.19）計算電動力就比較方便，即 (2.20)但幾何形狀復雜的導電系統的L，M常不易求出。2.3 兩無限長平行導體間的電動力兩

42、個無限長的平行載流導體l1和l2，其間距離為a，流過的電流分別為I1，I2，求l1上一段長度為l的導體所受的電動力。 (2.21)此時a1=0，a2=0，ax=a，對上式進行積分運算，得 (2.22)2.4 觸頭接觸點的收縮電動力變截面導體的電動力上面幾節中，在分析電動力時都沒有考慮導體本身截面大小、形狀的影響，實際上都是假設電流集中在導體的軸線上來分析的。這對圓截面導體來說，不管截面大小如何，只要電流在導體內均勻分布，計算的結果完全是準確的。對其它截面形狀（如矩形截面）的導體，當導體之間的距離比導體截面的尺寸大得多時，也可以應用上述有關電動力的計算公式。但當導體截面尺寸較大，導體間距離又很近

43、時，應用上面的公式就會帶來很大誤差。當載流導體的截面沿導體長度（軸向）發生變化時，在截面變化處會出現導體的軸向電動力。這種電動力也稱收縮電動力。斷路器觸頭的接觸點附近產生的就是這種電動力的典型情況。圖2.12是觸頭接觸部分的電流線分布的示意情況。由圖可見，在離接觸點較遠處，觸頭截面比較大，各電流線基本平行。由于觸頭接觸表面不可能是理想的平面，兩個觸頭間真正接觸的面積很小，實際上可以看作是若干個點接觸。因此，電流流過接觸點時，電流線發生強烈的收縮，從而產生電動力。電動力的方向可從電流線的形狀來分析。圖中一條電流線的a，b兩處電流方向是相反的，所以a，b之間的電動力也就是作用在上、下兩個觸頭之間的

44、電動力，是相斥的。觸頭收縮電動力的定量分析可根據圖2.13進行。圖2.13畫出的是相當于圖2.12（a）的下觸頭。若觸頭是圓柱形的，半徑為r2，接觸點半徑為r1，觸頭的端部簡化成正截錐形。電流I流過接觸點時，載流導體截面由大截面（半徑為r2）逐步變化為小截面（半徑為r1）。在離圓錐頂點O距離為y處的截面上，導體面積為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以內的面積中流過的電流。 (a) (b) (c)圖2.12 觸頭的接觸點附近收縮電動力示意圖 (2.23)根據全電流定律，在半徑為z的圓周上，各處的磁場強度均為圖2.13 觸頭收縮電動力的計算圖相應的磁感應強度為

45、(2.24)沿著半徑為z的圓周，取徑向寬度為dz的小圓環，設其上的電流為dIz。作用在電流dIz元長度dl上的電動力為 (2.25)由圖2.19，元長度可寫為 (2.26)將式(2.24)、(2.26)代入式(2.25)，得力df在導體軸向的分力df1為由于，所以 (2.27)式（2.27）對y積分，可以求得電流IZ作用于電流線dIZ的整個小圓環上的電動力由圖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z積分后可得觸頭間總的軸向電動力 (2.30)在以上觸頭收縮電動力的計算中，只考慮觸頭有一個接觸點。實際上大多數觸頭的接觸點

46、不止一個，在此情況下，流過每個接觸點的電流減小了，作用在觸頭上的推斥電動力將小得多。例如，有一個點接觸觸頭，觸頭直徑為25mm，當觸頭壓力為30N時，觸頭接觸點的半徑為0.5mm。試求當觸頭間通過的短路電流為32kA時的推斥力（收縮電動力）。按式（2.31），觸頭間的收縮電動力為從計算可知，觸頭收縮電動力大于觸頭壓力，觸頭將被推開，觸頭間產生電弧，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 計算與分析3.1 短路電流的力效應當交變電流通過導體時，會在其周圍產生交變磁場，磁場中的其他載流導體受到該磁場的作用而產生電動力，該電動力的大小與載流導體之間的間距和電流的大小有

47、關。在供配電系統中，任何運行的設備或線路的載流導體之間都會有電動力的存在，當短路故障發生時，該電動力將是正常運行狀態的數倍甚至幾十倍，這樣，就會造成設備或線路的機械損傷，若接地開關的短時耐受能力不高，就可能引起災難性的后果。由于電動力與電流瞬時值的平方成正比，短路電流產生的電動力效應將更加嚴重。為滿足電動力的要求，目前通常采用兩種方案進行設計:保證系統中的所有原件都要能承受如此大的電動力；通過合理設計，達到電動力補償的效果。電路電動力計算作用在導體上的力是電流與磁場相互作用的結果。事實上，電流單位A 就是由2 根平行導體通過同向電流而引起的吸力來定義的。1 A 就是當通過該電流時相距1 m 的

48、2 根導線產生的吸引力，為N/m。導體上受到的電動力可由畢奧 沙伐定律來計算，為 (3.1)式中 、兩導體中電流瞬時值l平行導體長度d導體中心間距磁導率常數，F導體間的相互作用力由式(1) 可知，兩導體間的電動力與導體中的電流、，磁導率常數成正比，還與導體間的幾何位置所決定的常數成正比。接地開關合閘過程中，動導電桿與靜導電桿觸點接觸通電，兩個靜導電桿由于通過同相電流而產生吸力F1，如圖3.1所示，兩靜導電桿之間的相互作用圖3.1 接地開關閉合簡化圖力F1計算如下：已知： 兩導體中電流瞬時值設： 平行導體長度導體中心間距代入公式3.1得 Holm 力計算實際上，在宏觀環境下的動、靜觸頭面接觸在微

49、觀下僅是點接觸，在這些接觸點上就會造成電流收縮集中，從而產生Holm 力。近年來，隨著計算機技術發展和數值計算方法的不斷進步，計算機輔助工程在MCCB新產品的設計中得到了越來越廣泛的應用，大大縮短了產品開發周期，降低了開發成本，同時產品的性能也得到了很大提高。就電動斥力的計算來說，一般用式(3.2)來計算FH ，而忽略觸頭區域的電流收縮。如圖3.1中FH即為接地開關閉合時所產生的Holm 力。該力的計算公式為 (3.2)式中 FH動觸頭所受Holm 力0真空中的磁導率A動、靜觸頭間的接觸面積觸頭接觸系數H觸頭材料的布氏硬度FK觸頭預壓力已知： 動、靜觸頭間的接觸面積 A=20mm2 兩導體中電

50、流瞬時值 觸頭接觸系數 =0.45觸頭預壓力 FK=100N真空中的磁導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，保持一段時間，去載后，負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(見附錄)因為動、靜觸頭間的接觸面積A=20mm2，而且接地開關動、靜觸頭之間的作用力高達10kN左右，所以（根據附錄）取觸頭材料布氏硬度H=150HBW。將已知條件代入公式(3.2)得得取目前所說的電動力通常是上述兩者之和，如果觸頭一旦被電動力斥開，其斥力會隨觸頭間隙的增加而迅速減小。但是，如果觸頭斥力足夠大，使得觸頭分開一定距離并產生電弧，則電弧區被加熱的氣體所產生的力足以維持觸頭處于該開距下。這種在觸頭間距離很近的情況下產生的電弧有時叫懸浮電弧，其能使觸頭材料嚴重磨損，嚴重時還可能導致觸頭熔焊。因此，設計時要避免該情況發生，故需要考慮給觸頭足夠的壓力，以保證其可靠閉合。3.2力效應分析首先對接地開關的導電回路做了簡化，簡化后的導電回路由靜導電管，靜導電管，動導電桿，觸頭四個部分組成，如圖3.2所示若電流I 進入導電回路(如圖3.2箭頭所示)則靜導電管