电弧及灭弧装置

电弧及灭弧装置电弧及灭弧装置 学习目标学习目标 理解交、直流电弧的伏安特性；理解交、直流电弧的伏安特性；理解交流电弧较直流电弧易于熄灭的原因；理解交流电弧较直流电弧易于熄灭的原因；掌握交、直流电弧常用的熄弧方法；掌握交、直流电弧常用的熄弧方法；掌握常用灭弧装置的结构及作用原理。掌握常用灭弧装置的结构及作用原理。引言引言 在有触点电器中，触头接通和分断电流的过程中往往伴随在有触点电器中，触头接通和分断电流的过程中往往伴随着气体放电现象电弧的产生及熄灭。电弧对电器具有着气体放电现象电弧的产生及熄灭。电弧对电器具有一定的危害。一定的危害。本节通过对电弧现象的介绍，分析其产生和熄灭的过程，本节通过对电弧现象的介绍，分析其产生和熄灭的过程，介绍电器常用的灭弧方法及装置，以解决电弧在电器中的介绍电器常用的灭弧方法及装置，以解决电弧在电器中的影响。影响。电弧现象及特点电弧现象及特点电弧现象及特点电弧现象及特点 电弧是气体中的一股强烈电子流，属于气体放电的一种形式。电弧是气体中的一股强烈电子流，属于气体放电的一种形式。电子的源泉是阴极，接受电子的是阳极，外观像一团亮度极高、电子的源泉是阴极，接受电子的是阳极，外观像一团亮度极高、温度极高的火焰。温度极高的火焰。产生电弧的极限条件：电路中的电流和电压必须大于某一最小生产生电弧的极限条件：电路中的电流和电压必须大于某一最小生弧电流弧电流(I(ISHSH)和最小生弧电压和最小生弧电压(U(USHSH)电弧产生的条件：分断过程中电压1020V电流80100mA；或者高压电击穿、闪络等。电弧的危害和应用1危害：破坏绝缘，造成短路，损伤电器设备。造成人身伤害事故。2应用：电焊 1.电弧的危害电弧的危害 1电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间，电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。加重了电力系统短路故障的危害。2电弧产生的高温，将使触头外表熔化和蒸化，烧坏电弧产生的高温，将使触头外表熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。3由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。2.电弧的结构电弧的结构电弧电压阴极区压降弧柱压降阳极区压降电弧电压阴极区压降弧柱压降阳极区压降 3.电弧的分类电弧的分类 1短弧：弧长小于弧径的电弧短弧：弧长小于弧径的电弧 特点：物理过程主要决定于阴极，电弧压降主要反响的特点：物理过程主要决定于阴极，电弧压降主要反响的是极前压降是极前压降 2长弧：弧长大大超过弧径的电弧长弧：弧长大大超过弧径的电弧 特点：电弧压降主要由弧柱压降决定特点：电弧压降主要由弧柱压降决定 关键：了解掌握电弧内在的物理过程及其根本规律是进行关键：了解掌握电弧内在的物理过程及其根本规律是进行如何熄灭电弧的落脚点。如何熄灭电弧的落脚点。1强电场发射 触头刚刚分开，由于动、静触头的距离很小，触头间的电场强度就非常大，使触头内部的电子在强电场作用下被拉出来，就形成强电场发射。2热电子发射 当动、静触头别离时，触头间的接触压力及接触面积逐渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致阴极外表温度急剧升高而发射电子，形成热电子发射。4、电弧的形成、电弧的形成 3碰撞游离 当高速运动的电子积聚足够大的动能时，就会从中性质点中打出一个或多个电子，使中性质点游离，这一过程称为碰撞游离。4热游离 弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很大的中性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。热游离实质上也是撞击游离，只不过发生撞击的原因是高温引起而不是电场引起的。四种方式总结四种方式总结 电弧的产生，第一是由于热的作用，发生热发射和热游离；第二是由于电场的作用，发生冷发射和撞击游离。近而如何使得电弧迅速冷却是熄灭电弧的主要方法。断路器断开过程中电弧是这样形成的。触头刚别离时突然解除接触压力，阴极外表立即出现高温炽热点，产生热电子发射；同时，由于触头的间隙很小，使得电压强度很高，产生强电场发射。从阴极外表逸出的电子在强电场作用下，加速向阳极运动，发生碰撞游离，导致触头间隙中带电质点急剧增加，温度骤然升高，产生热游离并且成为游离的的主要因素，此时，在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧。上述是电弧形成的上述是电弧形成的四个因素四个因素，实际上是个连续过程，实际上是个连续过程 1复合 复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。又分为直接复合和间接复合。复合的速度受温度的影响喝大，温度越高复合几率越小。加强复合方式：冷却电弧 参加大量的新鲜气体分子2扩散 扩散是弧柱中的带电质点逸出弧柱以外，进入周围冷介质的现象。扩散分类：温度扩散 浓度扩散 利用吹弧扩散5、电弧熄灭的物理过程、电弧熄灭的物理过程 电弧同时存在着游离和消游离作用。电弧的燃电弧同时存在着游离和消游离作用。电弧的燃烧情况就取决于同时存在着的游离作用和消游烧情况就取决于同时存在着的游离作用和消游离作用的这对矛盾的斗争及其转化。离作用的这对矛盾的斗争及其转化。游离游离 消游离：电弧就会发生消游离：电弧就会发生游离游离 消游离：电弧趋于熄灭消游离：电弧趋于熄灭游离游离=消游离：稳定燃烧状态消游离：稳定燃烧状态游离与消游离游离与消游离1 1直流电弧的伏安特性直流电弧的伏安特性2 2电弧能量电弧能量3 3直流电弧的熄灭直流电弧的熄灭4 4熄弧时的过电压熄弧时的过电压6、直流电弧及其熄灭、直流电弧及其熄灭实验：在两个铜极之间敞开的空气实验：在两个铜极之间敞开的空气中，有稳定燃烧的电弧。测得电弧中，有稳定燃烧的电弧。测得电弧长度长度L LDH1DH1.调节回路电流，分别测量调节回路电流，分别测量电弧电流电弧电流I IDHDH和电弧两端电压和电弧两端电压U UDHDH，绘，绘出其伏安特性曲线。出其伏安特性曲线。(1)直流电弧的伏安特性直流电弧的伏安特性 直流电弧稳定燃烧时，电弧所产生的功率为直流电弧稳定燃烧时，电弧所产生的功率为P PDHDH=U=UDHDHI IDHDH,此功率几此功率几乎全部转变为热量散失到周围介质中去。乎全部转变为热量散失到周围介质中去。P PDHDH=U=UDHDHI IDHDH=P=PCDCD+P+PFSFS+P+PDLDL 很显然，直流电弧稳定燃烧时，电弧产生的功率应等于散热的功率很显然，直流电弧稳定燃烧时，电弧产生的功率应等于散热的功率 电路中有电感时，熄弧就较困难，因为线圈中储存的能量必须通过电弧电路中有电感时，熄弧就较困难，因为线圈中储存的能量必须通过电弧释放。释放。(2)电弧能量电弧能量 通常使用吹弧的方法，吹弧的方法可以加速电弧能量的散失而使通常使用吹弧的方法，吹弧的方法可以加速电弧能量的散失而使其熄灭。与此同时，吹弧时通常也伴随着电弧被拉长，而且电弧被拉其熄灭。与此同时，吹弧时通常也伴随着电弧被拉长，而且电弧被拉长到一定长度后就会熄灭长到一定长度后就会熄灭(3)直流电弧的熄灭直流电弧的熄灭 预防熄弧时的高电压方法预防熄弧时的高电压方法(4)熄弧时的高电压及其减少方法熄弧时的高电压及其减少方法1.1.交流电弧的特点交流电弧的特点2.2.交流电弧的熄灭交流电弧的熄灭7、交流电弧及其熄灭、交流电弧及其熄灭 1.交流电弧的交流电弧的特性特性 在交流电路中，电流瞬时值随时间变化，因而电弧的温度、直径以及电弧电压也随时间变化，电弧的这种特性称为动特性。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟不上快速变化的电流，所以电弧温度的变化总滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。交流电弧在交流电流自然过零时将自动熄灭，但在下半周随着电压的增高，电弧又重燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就此熄灭。交流电弧的伏安特性2 2、电弧的熄灭、电弧的熄灭、电弧的熄灭、电弧的熄灭 交流电弧电流过零期间，同时存在两个对立的根本过程交流电弧电流过零期间，同时存在两个对立的根本过程交流电弧电流过零期间，同时存在两个对立的根本过程交流电弧电流过零期间，同时存在两个对立的根本过程 1 1介质强度恢复过程介质强度恢复过程介质强度恢复过程介质强度恢复过程 电弧电流值下降至零，弧隙温度迅速下降，使得弧隙电弧电流值下降至零，弧隙温度迅速下降，使得弧隙电弧电流值下降至零，弧隙温度迅速下降，使得弧隙电弧电流值下降至零，弧隙温度迅速下降，使得弧隙由导电状态变为介质状态。由导电状态变为介质状态。由导电状态变为介质状态。由导电状态变为介质状态。2 2弧隙电压恢复过程。弧隙电压恢复过程。弧隙电压恢复过程。弧隙电压恢复过程。电弧电流过零点以后，加在弧隙上的电压值逐渐升高电弧电流过零点以后，加在弧隙上的电压值逐渐升高电弧电流过零点以后，加在弧隙上的电压值逐渐升高电弧电流过零点以后，加在弧隙上的电压值逐渐升高的过程。的过程。的过程。的过程。1介质强度恢复过程介质强度恢复过程 影响因素：影响因素：近阴极效应近阴极效应 灭弧方法灭弧方法近阴极效应近阴极效应 正离子因其能动性差，来不及向新阴极移动正离子因其能动性差，来不及向新阴极移动 刚得到负极性的阴极来不及逸出新的电子刚得到负极性的阴极来不及逸出新的电子薄膜绝缘介质灭弧方法灭弧方法 根据灭弧方法的不同，介质强度继续增长的情况也不根据灭弧方法的不同，介质强度继续增长的情况也不一样。一样。介质强度的恢复：介质强度的恢复：U UJFJF=U=UJF0JF0+K+KJFJF*t*tU UJF0JF0-决定于近阴极效应的起始介质恢复强度决定于近阴极效应的起始介质恢复强度K KJFJF-决定于灭弧方法的介质强度恢复速度决定于灭弧方法的介质强度恢复速度t-t-介质强度恢复时间介质强度恢复时间图图2 29 9电压恢复过程电压恢复过程 a a非振荡电压恢复过程；非振荡电压恢复过程；b b振荡电压恢复过程。振荡电压恢复过程。2 2电压恢复过程电压恢复过程电压恢复过程电压恢复过程 触头两端电压从熄弧电压触头两端电压从熄弧电压触头两端电压从熄弧电压触头两端电压从熄弧电压UxHUxH恢复到工频恢复电压恢复到工频恢复电压恢复到工频恢复电压恢复到工频恢复电压E0E0的过程，称为电压恢复过程。的过程，称为电压恢复过程。的过程，称为电压恢复过程。的过程，称为电压恢复过程。影响因素：影响因素：线路功率因素角线路功率因素角线路接线方式线路接线方式(3)(3)交流电弧熄灭的条件交流电弧熄灭的条件交流电弧熄灭的条件交流电弧熄灭的条件 交流电弧过零后弧隙间介质强度的恢复和电压的恢复是两个对立的过程。交流电弧过零后弧隙间介质强度的恢复和电压的恢复是两个对立的过程。因为介质强度恢复过程主要是弧隙内部带电粒子不断减少的过程，而电因为介质强度恢复过程主要是弧隙内部带电粒子不断减少的过程，而电压恢复过程那么相反，它使弧隙中的气体产生新的游离而使带电粒子不压恢复过程那么相反，它使弧隙中的气体产生新的游离而使带电粒子不断增加。断增加。那么可以简单地确定交流电弧熄灭条件为：交流电弧电流过零后，如果那么可以简单地确定交流电弧熄灭条件为：交流电弧电流过零后，如果弧隙介质强度恢复的速度超过了弧隙电压恢复的速度，那么电弧熄灭。弧隙介质强度恢复的速度超过了弧隙电压恢复的速度，那么电弧熄灭。反之，电弧重燃，如图反之，电弧重燃，如图2 21010所示。所示。交流电弧熄灭的条件交流电弧熄灭的条件a a重燃；重燃；b b熄灭。熄灭。图图2 21111并联电阻灭弧原理并联电阻灭弧原理 电弧熄灭的方法及装置电弧熄灭的方法及装置 通过前面的一系列理论分析，我们可以找出加速电弧熄灭的很多方法，通过前面的一系列理论分析，我们可以找出加速电弧熄灭的很多方法，通过前面的一系列理论分析，我们可以找出加速电弧熄灭的很多方法，通过前面的一系列理论分析，我们可以找出加速电弧熄灭的很多方法，例如：拉长电弧、降低温度、将长弧变为短弧、将电弧放置于特殊介质例如：拉长电弧、降低温度、将长弧变为短弧、将电弧放置于特殊介质例如：拉长电弧、降低温度、将长弧变为短弧、将电弧放置于特殊介质例如：拉长电弧、降低温度、将长弧变为短弧、将电弧放置于特殊介质中，增大电弧周围气体介质的压力等。为了减少电弧对触头的烧损和限中，增大电弧周围气体介质的压力等。为了减少电弧对触头的烧损和限中，增大电弧周围气体介质的压力等。为了减少电弧对触头的烧损和限中，增大电弧周围气体介质的压力等。为了减少电弧对触头的烧损和限制电弧扩展的空间，通常要将这些方法加以应用，为此而采用的装置称制电弧扩展的空间，通常要将这些方法加以应用，为此而采用的装置称制电弧扩展的空间，通常要将这些方法加以应用，为此而采用的装置称制电弧扩展的空间，通常要将这些方法加以应用，为此而采用的装置称为灭弧装置。为灭弧装置。为灭弧装置。为灭弧装置。一个灭弧装置可以采用某一种方法进行熄弧。但在大多数情况下，那么一个灭弧装置可以采用某一种方法进行熄弧。但在大多数情况下，那么一个灭弧装置可以采用某一种方法进行熄弧。但在大多数情况下，那么一个灭弧装置可以采用某一种方法进行熄弧。但在大多数情况下，那么是综合采用几种方法，以增加灭弧效果。例如拉长和冷却电弧往往是一是综合采用几种方法，以增加灭弧效果。例如拉长和冷却电弧往往是一是综合采用几种方法，以增加灭弧效果。例如拉长和冷却电弧往往是一是综合采用几种方法，以增加灭弧效果。例如拉长和冷却电弧往往是一起运用的。起运用的。起运用的。起运用的。拉长电弧拉长电弧一、拉长电弧一、拉长电弧一、拉长电弧一、拉长电弧 电弧拉长以后，电弧电压就增大，改电弧拉长以后，电弧电压就增大，改变了电弧的伏安特性。在变了电弧的伏安特性。在直流电弧直流电弧中，中，其静伏安特性上移，电弧可以熄灭。其静伏安特性上移，电弧可以熄灭。在在交流电弧交流电弧中，由于燃弧电压的提高，中，由于燃弧电压的提高，电弧重燃困难。电弧重燃困难。电弧的拉长可以沿电弧的轴向电弧的拉长可以沿电弧的轴向(纵向纵向)拉长，也可以沿垂直于电弧轴向拉长，也可以沿垂直于电弧轴向(横向横向)拉长。拉长。1 1机械力拉长机械力拉长 电弧沿轴向拉长的情况是很多的，电器触头分断过程实际上就电弧沿轴向拉长的情况是很多的，电器触头分断过程实际上就是将电弧不断地拉长。刀开关中闸刀的拉开也拉长电弧，电焊是将电弧不断地拉长。刀开关中闸刀的拉开也拉长电弧，电焊过程中将焊钳提高可使电弧拉长并熄灭。过程中将焊钳提高可使电弧拉长并熄灭。2 2多断点灭弧多断点灭弧 在电路中常用桥式触头。在电路中常用桥式触头。3.3.电动力灭弧电动力灭弧 4.4.磁吹灭弧磁吹灭弧 结构特点：在触头电路中串入一个磁吹线圈，产生的磁结构特点：在触头电路中串入一个磁吹线圈，产生的磁通通过磁性夹板通通过磁性夹板5 5引向触头周围。引向触头周围。作用：电弧电流越大，吹弧能力越强。作用：电弧电流越大，吹弧能力越强。磁吹灭弧装置示意图磁吹灭弧装置示意图1 1磁吹铁心；磁吹铁心；2 2导弧角；导弧角；3 3灭弧罩；灭弧罩；4 4磁吹线圈；磁吹线圈；5 5铁夹板；铁夹板；6 6静触头；静触头；7 7动触头；动触头；8 8绝缘套。绝缘套。5 5、灭弧罩、灭弧罩 灭弧罩是让电弧与固体介质相接触，降低电弧温度，从而加速电灭弧罩是让电弧与固体介质相接触，降低电弧温度，从而加速电弧熄灭的比较常用的装置。弧熄灭的比较常用的装置。将灭弧罩壁与壁之间构成的间隙称作将灭弧罩壁与壁之间构成的间隙称作“缝，其为根本组成单元缝，其为根本组成单元 分类：分类：缝的数量可分为单缝和多缝缝的数量可分为单缝和多缝 缝的宽度与电弧直径之比可分为窄缝与宽缝。缝的宽度小于电缝的宽度与电弧直径之比可分为窄缝与宽缝。缝的宽度小于电弧直径的称窄缝，反之，大于电弧直径的称宽缝。弧直径的称窄缝，反之，大于电弧直径的称宽缝。缝的轴线与电弧轴线间的相对位置关系可分为纵缝与横缝。缝缝的轴线与电弧轴线间的相对位置关系可分为纵缝与横缝。缝的轴线和电弧轴线相平行的称为纵缝，两者相垂直的那么称为横缝。的轴线和电弧轴线相平行的称为纵缝，两者相垂直的那么称为横缝。纵向窄缝式灭弧罩纵向窄缝式灭弧罩(1)(1)纵缝灭弧罩纵缝灭弧罩 纵向窄缝纵向窄缝 特点：在频繁开断电流特点：在频繁开断电流时，缝内剩余的游离气体时，缝内剩余的游离气体不易排出，这对熄弧不利。不易排出，这对熄弧不利。所以此种形式适用于操作所以此种形式适用于操作频率不高的场合。频率不高的场合。纵向宽缝式灭弧罩纵向宽缝式灭弧罩 纵向宽缝纵向宽缝 特点：纵向宽缝的灭弧情况，宽缝特点：纵向宽缝的灭弧情况，宽缝灭弧罩的特点与窄缝的正好相反，冷灭弧罩的特点与窄缝的正好相反，冷却效果差，但排出剩余游离气体的性却效果差，但排出剩余游离气体的性能好能好纵向曲缝式灭弧罩纵向曲缝式灭弧罩纵向曲缝纵向曲缝横向绝缘栅片式灭弧罩横向绝缘栅片式灭弧罩1 1灭弧罩；灭弧罩；2 2电弧。电弧。-电弧在横向绝缘栅片灭弧罩中的放大图电弧在横向绝缘栅片灭弧罩中的放大图(2)(2)横缝灭弧罩横缝灭弧罩 6 6、油冷灭弧装置、油冷灭弧装置、油冷灭弧装置、油冷灭弧装置 油冷灭弧是将电弧置于液体介质油冷灭弧是将电弧置于液体介质油冷灭弧是将电弧置于液体介质油冷灭弧是将电弧置于液体介质(一般为变压器油一般为变压器油一般为变压器油一般为变压器油)中，电中，电中，电中，电弧将油汽化、分解而形成油气。弧将油汽化、分解而形成油气。弧将油汽化、分解而形成油气。弧将油汽化、分解而形成油气。油气中主要成分是氢，在油中以气泡的形式包围电弧。氢油气中主要成分是氢，在油中以气泡的形式包围电弧。氢油气中主要成分是氢，在油中以气泡的形式包围电弧。氢油气中主要成分是氢，在油中以气泡的形式包围电弧。氢气具有很高的导热系数，这就使电弧的热量容易散发。另外，气具有很高的导热系数，这就使电弧的热量容易散发。另外，气具有很高的导热系数，这就使电弧的热量容易散发。另外，气具有很高的导热系数，这就使电弧的热量容易散发。另外，由于存在着温度差，所以气泡产生运动，又进一步加强了电由于存在着温度差，所以气泡产生运动，又进一步加强了电由于存在着温度差，所以气泡产生运动，又进一步加强了电由于存在着温度差，所以气泡产生运动，又进一步加强了电弧的冷却。弧的冷却。弧的冷却。弧的冷却。假设再要提高其灭弧效果，可在油箱中加设一定机构，使假设再要提高其灭弧效果，可在油箱中加设一定机构，使假设再要提高其灭弧效果，可在油箱中加设一定机构，使假设再要提高其灭弧效果，可在油箱中加设一定机构，使电弧定向发生运动，这就是油吹灭弧。由于电弧在油中灭弧电弧定向发生运动，这就是油吹灭弧。由于电弧在油中灭弧电弧定向发生运动，这就是油吹灭弧。由于电弧在油中灭弧电弧定向发生运动，这就是油吹灭弧。由于电弧在油中灭弧能力比大气中拉长电弧大得多，所以这种方法一般用于高压能力比大气中拉长电弧大得多，所以这种方法一般用于高压能力比大气中拉长电弧大得多，所以这种方法一般用于高压能力比大气中拉长电弧大得多，所以这种方法一般用于高压电器中，如油开关。电器中，如油开关。电器中，如油开关。电器中，如油开关。图图2 22020气吹灭弧装置气吹灭弧装置1 1动触头；动触头；2 2灭弧室瓷罩；灭弧室瓷罩；3 3静触头；静触头；4 4压缩空气；压缩空气；5 5电弧。电弧。7 7、气吹灭弧装置、气吹灭弧装置、气吹灭弧装置、气吹灭弧装置 图图2 22121横向金属栅片灭弧罩结构、原理示意图横向金属栅片灭弧罩结构、原理示意图a a电弧在横向金属栅中状况；电弧在横向金属栅中状况；b b横向金属栅对电弧的作用；横向金属栅对电弧的作用；c c横向金属栅灭弧原理。横向金属栅灭弧原理。1 1入栅片前的电弧；入栅片前的电弧；2 2金属栅；金属栅；3 3入栅片后的电弧。入栅片后的电弧。8 8、横向金属栅片灭弧装置、横向金属栅片灭弧装置、横向金属栅片灭弧装置、横向金属栅片灭弧装置 小小 结结学习本章时，注意以下知识点：学习本章时，注意以下知识点：1 1、概念、概念 本章所接触到的概念较多，需注意掌握和理解。如：近极压降、近阴极效应本章所接触到的概念较多，需注意掌握和理解。如：近极压降、近阴极效应 2 2、电弧产生的物理过程、电弧产生的物理过程 注意掌握在此过程中起主要作用的是哪些；理解各物理现象及影响因素。注意掌握在此过程中起主要作用的是哪些；理解各物理现象及影响因素。3 3、电弧熄灭的物理过程、电弧熄灭的物理过程 理解复合及扩散的概念及影响因素。理解复合及扩散的概念及影响因素。4 4、电弧的熄灭、电弧的熄灭 理解交、直流电弧的伏安特性；理解交流电弧较直流电弧易于熄灭的原因；掌握理解交、直流电弧的伏安特性；理解交流电弧较直流电弧易于熄灭的原因；掌握交、直流电弧常用的熄弧方法；掌握常用灭弧装置的结构及作用原理。交、直流电弧常用的熄弧方法；掌握常用灭弧装置的结构及作用原理。5 5、断开感性电路时产生的过电称之为内部过电压，其危害性较大，应掌握减小、断开感性电路时产生的过电称之为内部过电压，其危害性较大，应掌握减小或抑制过电压产生的方法。或抑制过电压产生的方法。