5[1].1电弧的产生及熄灭

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,5,.1,电弧与电器触头的基本知识,1.,电弧的形成与熄灭,2.,直流电流的特性及熄灭,3.,交流电弧的特征及熄灭,4.,熄灭交流电弧的基本方法,5.,电弧触头的基本知识,思考题与习题,第一节,电弧的形成与熄灭,一、电弧放电的,特征,和,危害,二、电弧的形成,弧柱中自由电子的,主要来源,电弧形成的过程,三、电弧的熄灭,电弧的去游离形式,影响去游离的因素,电弧放电的,特征,和危害,1.,电弧的概念,当开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头,刚刚分离后，触头之间就会产生强烈的白光，称为电弧。,2.,电弧的本质,电弧的实质是一种气体放电现象。,3.,电弧放电的,特征,（,1,）电弧由三部分组成。包括阴极区、阳极区和弧柱区。,（,2,）电弧温度很高。,（,3,）电弧是一种自持放电现象。,（,4,）电弧是一束游离的的气体。,电弧放电的特征和,危害,4.,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，加重了电力系统短路故障的危害。,（,2,）电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，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。,（,3,）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。,电弧的形成,弧柱中自由电子,的,主要来源,（,1,）,（,1,）热电子发射,当断路器的动、静触头分离时，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，导致阴极表面温度急剧升高而发射电子，形成热电子发射。,（,2,）强电场发射,开关电器分闸的瞬间，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。,电弧的形成,弧柱中自由电子的主要来源,（,2,）,（,3,）碰撞游离,从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极运动，在运动过程中不断地与中性质点（原子或分子）发生碰撞。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。弧柱导电就是靠热游离来维持的。,电弧的形成,电弧形成的过程,断路器断开过程中电弧是这样形成的。触头刚分离时突然解除接触压力，阴极表面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。从阴极表面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。,电弧的熄灭,电弧的去游离形式,（,1,）,电弧的去游离过程包括复合和扩散两种形式。,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。由于弧柱中电子的运动速度很快，约为正离子的,1000,倍，所以电子直接与正离子复合的几率很小。一般情况下，先是电子碰撞中性质点时，被中性质点捕获变成负离子，然后再与质量和运动速度相当的正离子互相吸引而接近，交换电荷后成为中性质点。还有一种情况就是电子先被固体介质表面吸附后，再被正离子捕获成为中性质点。,电弧的熄灭,电弧的去游离形式,（,2,）,2.,扩散,扩散是弧柱中的带电质点逸出弧柱以外，进入周围介质的现象。扩散有三种形式：,（,1,）温度扩散，由于电弧和周围介质间存在很大温差，使得电弧中的高温带电质点向温度低的周围介质中扩散，减少了电弧中的带电质点；,（,2,）浓度扩散，这是因为电弧和周围介质存在浓度差，带电质点就从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使电弧中的带电质点减少；,（,3,）利用吹弧扩散，在断路器中采用高速气体吹弧，带走电弧中的大量带电质点，以加强扩散作用。,电弧的熄灭,影响去游离的因素,（,1,）,1.,电弧温度,电弧是由热游离维持的，降低电弧温度就可以减弱热游离，,减少新的带电质点的的产生。同时，也减小了带电质点的运动,速度，加强了复合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动,电弧，或使电弧与固体介质表面接触等，都可以降低电弧的温,度。,2.,介质的特性,电弧燃烧时所在介质的特性在很大程度上决定了电弧中去,游离的强度，这些特性包括：导热系数、热容量、热游离温,度、介电强度等。若这些参数值大，则去游离过程就越强，电,弧就越容易熄灭。,电弧的熄灭,影响去游离的因素,（,2,）,3.,气体介质的压力,气体介质的压力对电弧去游离的影响很大。因为，气体的压力越大，电弧中质点的浓度就越大，质点间的距离就越小，复合作用越强，电弧就越容易熄灭。在高度的真空中，由于发生碰撞的几率减小，抑制了碰撞游离，而扩散作用却很强。因此，真空是很好的灭弧介质。,4.,触头材料,触头材料也影响去游离的过程。当触头采用熔点高、导热能力强和热容量大的耐高温金属时，减少了热电子发射和电弧中的金属蒸汽，有利于电弧熄灭。,除了上述因素以外，去游离还受电场电压等因素的影响。,一、直流电弧的,特性,二、直流电弧的熄灭条件,第二节,直流电弧的特性及熄灭,电弧电压沿弧长的分布,阴极压降区,10-4cm,，正空间梯度,10,20V,与电弧电流无关而与阴极及介质有关。,弧柱区 与电流、弧长和介质及其状态有关。,阳极压降区 为阴极区的几倍，负空间梯度与电弧电流有关，电流越大压降越小。,沿弧长电压降 ,h,1,2,3,短弧和长弧的概念及电弧稳定的条件。,电弧的伏安特性,h,f(,h,),图,3,4,直流电弧的,特性,直流电弧的熄灭条件,（或稳定燃烧方程与静态伏安特性脱离）,灭弧的途径：（,1,）增高弧隙的静态伏安特性,（,2,）增大回路电阻或减小电源电压,熄灭方法,:,1.,拉长电弧,2.,开断电路时在电路中逐级串人电阻,3.,在断口上装灭弧栅,4.,冷却电弧,新课小结,：,1.,电弧的形成和熄灭,2.,直流电弧的特性和熄灭及灭弧方法,作业：,直流电弧的熄灭方法,第三节,交流电弧的特性及熄灭,一、交流电弧的,特性,二、交流电弧的熄灭条件,弧隙介质介电强度的恢复,弧隙电压的恢复过程,交流电弧熄灭的条件,交流电弧的,特性,（,1,）,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。,经过对,图,2-2,的分析，可见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。,交流电弧的特性,（,2,）,交流电弧的,熄灭条件,弧隙介质介电强度的恢复,弧隙介质能够承受外加电压作用而不致使弧隙击穿的电压称为,弧隙的介质强度,。当电弧电流过零时电弧熄灭，而弧隙的介质强度要恢复到正常状态值还需一定的时间，此恢复过程称之为,弧隙介质强度的恢复过程,，以耐受的电压,U,j,（,t,）表示。,交流电弧的熄灭条件,弧隙电压的恢复过程,电流过流前，弧隙电压呈马鞍形变化，电压值很低，电源,电压的绝大部分降落在线路和负载阻抗上。电流过零时，弧隙,电压正处于马鞍形的后蜂值处。电流过零后，弧隙电压从后蜂,值逐渐增长，一直恢复到电源电压，这一过程中的,弧隙电压称,为恢复电压,，其电压恢复过程以,U,hf,（,t,）表示。,电压恢复过程与线路参数、负荷性质等有关。受线路参数,等因素的影响，电压恢复过程可能是周期性的变化过程，也可,能是非周期性的变化过程。,交流电弧的熄灭条件,交流电弧的熄灭条件,如果弧隙介质强度在任,何情况下都高于弧隙恢复电,压，则电弧熄灭；反之，如,果弧隙恢复电压高于弧隙介,质强度，弧隙就被击穿，电,弧重燃。因此，,交流电弧的,熄灭条件为：,U,j,（,t,）,U,hf,（,t,）,U,j,（,t,）,弧隙介质强度；,U,hf,（,t,）,弧隙恢复电压。,第四节,熄灭交流电弧的方法,一、提高触头的,分闸速度,二、采用,多断口,三、吹弧,吹弧气流产生,的方法,吹弧的方向,四、,短弧原理灭弧,五、,利用固体介质的,狭缝狭沟灭弧,六、,采用耐高温,金属材料制作触头,七、,采用优质灭弧介质,提高触头的,分闸速度,迅速拉长电弧，有利于迅速减小弧柱中的电位梯度，增加,电弧与周围介质的接触面积，加强冷却和扩散的作用。因此，,现代高压开关中都采取了迅速拉长电弧的措施灭弧，如采用强,力分闸弹簧，其分闸速度已达,16m/s,以上。,采用多断口,每一相有两个或多个断口相串联。在熄弧时，多断口把电,弧分割成多个相串联的小电弧段。多断口使电弧的总长度加,长，导致弧隙的电阻增加；在触头行程、分闸速度相同的情况,下，电弧被拉长的速度成倍增加，使弧隙电阻加速增大，提高,了介质强度的恢复速度，缩短了灭弧时间。,采用多断口时，加在每一断口上的电压成倍减少，降低了,弧隙的恢复电压，亦有利于熄灭电弧。在要求将电弧拉到同样,的长度时，采用多断口结构成倍减小了触头行程，也就减小了,开关电器的尺寸。如,图,5-10,所示：,采用多断口,图,2-10,吹弧,吹弧气流产生法,.,（,1,）,用新鲜而且低温的介质吹拂电弧时，可以将带电质点吹到弧隙以外，加强了扩散，由于电弧被拉长变细，使弧隙的电导下降。吹弧还使电弧的温度下降，热游离减弱，复合加快。按吹弧气流的,产生方法,和吹弧方向的不同，吹弧可分为以下几种。,1.,吹弧气流产生的方法有：,（,1,）用油气吹弧,用油气作吹弧介质的断路器称为油断路器。在这种断路器,中，有用专用材料制成的灭弧室，其中充满了绝缘油。当断路器触头分离产生电弧后，电弧的高温使一部分绝缘油迅速分解为氢气、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳等气体，其中氢的灭弧能力是空气的,7.5,倍。这些油气体在灭弧室中积蓄能量，一旦打开吹口，即形成高压气流吹弧。,吹弧,吹弧气流产生法,.,（,2,）,（,2,）用压缩空气或六氟化硫气体吹弧,将,20,个左右大气压的压缩空气或,5,个大气压左右的六氟化硫气体（,SF6,）先储存在专门的储气罐中，断路器分闸时产生电弧，随后打开喷口，用具有一定压力的气体吹弧。,（,3,）产气管吹弧,产气管由纤维、塑料等有机固体材料制成，电弧燃烧时与管的内壁紧密接触，在高温作用下，一部分管壁材料迅速分解为氢气、二氧化碳等，这些气体在管内受热膨胀，增高压力，向管的端部形成吹弧。,吹弧,吹弧方向法,（,1,）,2.,按吹弧的方向分为：,（,1,）纵吹,吹弧的介质（气流或油流）沿电弧方向的吹拂称为纵吹，纵吹能增强弧柱中的带电质点向外扩散，使新鲜介质更好地与炽热电弧接触，加强电弧的冷却，有利于迅速灭弧。,（,2,）横吹,横吹时气流或油流的方向与触头运动方向是垂直的，或者说与电弧轴线方向垂直。横吹不但能加强冷却和增强扩散，还能将电弧迅速吹弯吹长。有介质灭弧栅的横吹灭弧室，栅片能更充分地冷却和吸附电弧，加强去游离。在相同的工作条件下，横吹比纵吹效果要好。,吹弧,吹弧方向法,（,2,）,吹弧,吹弧方向法,（,3,）,（,3,）纵横吹,横吹灭弧室在开断小电流时因室内压力太小，开断性能较差。为了改善开断小电流时的灭弧性能，可将纵吹和横吹结合起来。,在大电流时主要靠横吹，小电流时主要靠纵吹，,这就是纵横吹灭弧室。,短弧原理灭弧,灭弧装置是一个金属栅灭弧罩，利用将电弧分为多个串联的短弧的方法来灭弧。由于受到电磁力的作用，电弧从金属栅片的缺口处被引入金属栅片内，一束长弧就被多个金属片分割成多个串联的短弧。如果所有串联短弧阴极区的起始介质强度,或阴极区的电压降的总和永远大于触头间的外施电压，电弧就不再重燃而熄灭。采用缺口铁质栅片，是为了减少电弧进入栅片的阻力，缩短燃弧时间。,利用固体介质的,狭缝狭沟灭弧,灭弧装置的灭弧片是由,石棉水泥或陶土,制成的。触头间产生电弧后，在磁吹装置产生的磁场