发电机的电流电动力分析

 

因为通有电流的导体在发电机周围要形成磁场，而处于磁场中的载流导体要受到机械力的作用，所以两个载流导体之间也同样存在机械力的作用，这种由于电流的存在而产生的力通常称为电动力。

 

1、两导体间的点动力。

两平行直线导体，导体a中通过的电流I₁在导体b处产生磁场，其强度为，的大小正比于导体a中的电流I₁值，即BaI₁，磁场的方向可用右手螺旋定则来确定。处于磁场中载流导体b受到电动力F的作用，磁场对载流导体的作用力方向可用左手定则来判定，而F的大小正比于磁感应强度B和导体b中的电流。同理可知，处于载流导体b所产生的磁场中的载流导体a同样受到电动力F的作用。a、b两导体的电动力可简单表示为

F=CI₁I₂(7-1)

式中F——每相导体上所受的点动力；

C——单位电流的电动力，决定于导体的回路形式、导体长度及相互间的位置；

I₁I₂——导体中所通过的电流值。

在电器结构中的载流导体间，如图7-2所示的两平行或垂直的直流载流导体、两同轴线且平行放置的载流线圈、环形或U形回路等，都有电动力的相互作用。

 

在式（7-1）中，如I₁=I₂=I₃，则

F=CI²（7-2）

由式（7-2）可知，导体间相互作用的电动力F不仅与通过导体的电流有关，也与电器的结构尺寸有关。但力F与电流I的平方成正比，因此电流大小对电动力的影响是主要的。

 

2、触头间的电动力

当电流通过触头的接触点时，由于电流线在接触面附近发生收缩，在触头间会产生点动力，这是一种电流自身磁场作用下的电动力，如图7-3所示。如果把电流线看作载流元导体，各元导体所受电动力F垂直于电流线，将电动力F分解成水平方向分力F_x和垂直方向分力F_y，因电流线分布对称，则水平方向分力相抵消，接触面两侧垂直方向分力相加，且其合力方向相反，这就是触头间的电动斥力。

根据触头接触面附近电流的收缩区电流——电位场的理论分析，触头间的电动斥力F_d与触头电流I的平方成正比，当短路故障电流通过触头时，在触头间产生很大的电动斥力，当电动斥力大于触头压力时，就会使触头斥开而产生电弧，导致触头的严重烧损或发生触头熔焊，甚至整合电器遭到破坏，以致扩大短路事故。

 

3、交流电流时的电动力

式（7-2）同样适用于交流电，设导体系统中通有相位相同的单相正弦电流时的电流

式中I_M——交流正弦电流的幅值。

由式（7-4）可知，单相交流正弦电流的电动力由两部分所组成：一部分为恒定分量F’，也是交流电动力的平均值；另一部分是交变分量F”，它以两倍电源的频率而变化。单相交流电流时电动力随时间的变化规律如图7-4所示。从图7-4可见，电动力的最大值为恒定分量的两边，即

F_max=2F’=CI²_m

电动力的最小值为

F_min=0

电动力的作用方向不变。

当发生单相短路时，短路电流的过渡过程中常包括周期分量和非周期分量两部分，周期分量的大小和回路的功率因素角、短路瞬间电压的相位角有关。设短路前电流为零.

Z——电路阻抗；

Ф——电流滞后电压的相角；

R——电路电阻；

L——电路电感；

I_m——短路电流周期分量的幅值。

第一项为周期分量即稳态分量，第二项为非周期分量即暂态分量。图7-5给出了单相短路电流随时间的变化规律。

 

与此相应所产生的电动力随时间的变化曲线如图所示。可知，电动力的方向不变，而电动力的数值是变化的，可将电动力随时间的变化曲线分为两列半波，一列半波有逐渐减小的峰值；另一列半波有逐渐增大的峰值。当电流达到稳定值后，短路电流中非周期分量即完全消失，此时电动力的两列半波的峰值也趋于相等.

电器结构的机械强度应以电动力的最大值来参考，因此，允许通过的最大峰值电流是短时耐受电流能力试验的一项主要参数指标，称为峰值耐受电流，这一电流一般相当于短路电流第一个周波的峰值。

 

在三相交流电流系统中，如果各相的负载相同就，即在负载对称的情况下，则各相电流也必然是正弦对称三相电流，即各相电流的幅值相等而相位互差120°。三相电力系统的短路形式有多重，其短路电流值及电动力也均不相同。在三相对称短路时，由于各相电流的相位不同，各相短路电流交替改变其大小和方向，三相导体之间的电动力要由电流瞬时值的大小和方向来决定，在同一短路电流值下，单相短路的电动力大于三相短路的电动力。这是因为在单相短路时，两相位导体中同时出现短路电流的最大峰值，所以电动力最大；而三相对称短路时，在三相导体系统中不会同时出现短路电流的最大峰值，

 

三极开关电器在进行三相交流短时耐受电流能力试验时，除各相的第一周期峰值电流不相同以外，如果第一个周期最大峰值电流是出现在三相的中间相或是出现在三相的边相（任一边相），其综合电动力也将不同。根据计算分析可知，当第一个周期最大峰值电流出现在中间相时将在此开关极上产生最大的电动力、它比第一个周期最大峰值电流出现在边相上时的电动力更大。但也必须指出，这时试品更合理的做法应是，采用选相合闸开关把最大峰值电流轮流地加在每极上依次考核。

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