第二章 电弧及电气触头基本知识

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教学改革和研究项目申报,文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,电气设备,第二章 电弧及电气触头基本知识,第一节,电弧的基本知识,第二节 电弧的特性和熄灭方法,第三节电气触头基本知识,课程要求,重点难点,教学内容,思考练习,第二章 电弧及电气触头基本知识,第一节,电弧的基本知识,课程要求,教学目标:,(,1,)了解电弧的主要特点与危害;,(,2,)掌握电弧的形成与熄灭过程;,(,3,)能叙述电弧的形成过程。,首页,重点难点,重点:,电弧的形成与熄灭过程。,难点:,电弧的形成过程。,首页,教学内容,一、,电弧的特点,二、,电弧的主要危害,三、,电弧的产生,四、电弧的熄灭,首页,一、电弧的特点,电弧:是一种能量集中、温度很高、亮度很大的气体导电现象。,1.,电弧的组成,2.,电弧温度,3.,自持放电,发出强烈的白光,4.,游离的气体,质量轻,迅速移动、伸长、弯曲和变形。运动速度可达每秒几百米。,弧心:温度最高、电流密度最大的弧柱中心部位。,弧焰:弧柱周围温度较低、亮度明显减弱的部分。,弧柱区中心可达到,10000,以上,表面温度也有,3000,4000,。,二、电弧的主要危害,1.,电弧的高温,可能烧坏电器触头和触头周围的其他部件;对充油设备还可能引起着火甚至爆炸等危险。,2.,在开关电器中,触头间只要有电弧的存在,电路就没有断开,电流仍然存在,电弧的存在延长了开关电器断开故障电路的时间,加重了电力系统短路故障的危害。,3.,容易造成飞弧短路、伤人或引起事故扩大。,三、电弧的产生过程,电弧的产生实际上是气体介质在某些因素作用下,发生强烈游离,产生很多带电质点,由绝缘变为导通的过程。电弧能成为导电通道,是由于电弧的弧柱内存在大量的带电粒子,这些带电粒子的定向运动形成电弧。,1.,自由电子的产生,触头开断瞬间产生少量的自由电子的原因:阴极的热电子发射或强电场发射。,热电子发射:,触头刚分离时,触头间的接触压力和接触面积不断减小,接触电阻迅速增大,使接触处剧烈发热,局部高温使此处电子获得动能,就可能发射出来成为自由电子。,强电场发射:,触头刚分离时,由于触头间的间隙很小,在电压作用下间隙形成很高的电场强度,当电场强度超过,3106V,m,时,阴极触头表面的电子就可能在强电场力的作用下,被拉出金属表面成为自由电子。,2.,碰撞游离形成电弧,碰撞游离:自由电子,在电场力作用下加速运动,不断与中性气体质点(原子或分子)撞击,如果电场足够强,自由电子动能足够大,碰撞时就能将中性原子外层轨道上的电子撞击出来,脱离原子核内正电荷吸引力的束缚,成为新的自由电子。失去自由电子的原子则带正电,称为正离子。新的自由电子又去碰撞另外的中性原子,此过程愈演愈烈,发展成为“电子崩”。,当带电粒子积累到一定的数量时,介质的导电性质发生改变,由绝缘体变为导体,在外加电压的作用下,电流通过触头间隙,发出声响和强烈的白光,就形成了电弧。,游离:中性质点转化为带电质点的过程。,电场游离主要取决于电子运动速度,即取决于电场强度、电子的平均自由行程以及气体的性质。,触头间电压越高,电场强度也越高,则气体容易被击穿。,注意:气体的压力越大,越不容易产生电场游离。,三、电弧的产生过程,3.,热游离维持电弧,热游离:发生雪崩式碰撞游离形成电弧后,产生高温,气体中粒子运动速度增大,使原子外层轨道电子脱离原子核内正电荷束缚力成为自由电子。,气体温度愈高,粒子运动速度愈大,原子热游离的可能性也愈大,维持电弧稳定燃烧。,电弧的形成过程就是介质向等离子体态的转化过程。,三、电弧的产生过程,4.,影响游离作用的物理因素,(,1,)温度越高,热游离越强烈。,(,2,)压力越大,行程越小,碰撞游离越小。,(,3,)电压越高越容易将间隙击穿。,(,4,)开断距离增大则减小间隙中的电场强度。,(,5,)不同介质游离电场不同,热游离温度不同。,(,6,)不同金属的蒸汽有不同的游离电压。,三、电弧的产生过程,四、电弧的熄灭,实质:,气体介质由导通又变为截止的过程,是电弧区域内已电离的质点不断发生去游离的结果。,1.,去游离过程,2.,影响去游离的物理因素,使弧隙中正离子和自由电子减少。,复合,扩散,正负电荷中和成为中性质点的现象。,电弧中的自由电子和正离子散溢到电弧外面,并与周围未被游离的冷介质相混合的现象。,要使电弧熄灭,必须使去游离作用强于游离作用。,(,1,)介质的特性,(,2,)电弧的温度,(,3,)气体介质压力,(,4,)游离质点的密度,(,5,)触头材料,思考练习,1.,电弧具有什么特征?它对电力系统和电气设备有哪些危害?,2.,电弧是如何形成的?,3.,电弧的游离和去游离方式各有哪些?影响去游离的因素是什么?,课程要求,重点难点,教学内容,思考练习,第二章 电弧及电气触头基本知识,第二节 电弧的特性和熄灭方法,课程要求,教学目标:,(,1,)了解交、直流电弧特点,直流电弧的灭弧方法;,(,2,)掌握交流电弧的灭弧方法;,(,3,)能说明不同的灭弧方式在开关电器中的应用。,首页,重点难点,重点:,开关电器的常用灭弧方法。,难点:,交、直流电弧的特性。,首页,教学内容,一、直流电弧的特性,二、直流电弧的熄灭,三、交流电弧的特性,四、交流电弧的熄灭,五、熄灭交流电弧的基本方法,首页,一、直流电弧的特性,稳定燃烧的直流电弧压降由阴极区压降、弧柱压降和阳极区压降三部分组成。电弧阴极区压降近似等于常数,它与电极材料和弧隙的介质有关;弧柱压降与弧长成正比;阳极区的电压降比阴极区的小。,短弧:几毫米长,电弧电压主要由阳极、阴极电压降组成。电弧电压是与电流、外界条件无关的常数,约为,20V,左右。,长弧:几厘米以上,电弧电压主要由弧柱电压降组成,电弧电压与电弧长度成正比。,二、直流电弧的熄灭,熄灭直流电弧方法:,1.,冷却或拉长电弧,增大电弧电阻和电弧电压;,2.,增大线路电阻,如熄弧过程中串入电阻;,3.,长弧分割成串联短弧,利用短弧的特性,使得电弧电压大于触头施加的电压时,则电弧即可熄灭。,在高压大容量的直流电路中(如大容量发电机的励磁电路),一方面采用冷却电弧和短弧原理的方法来熄弧,另一方面采用逐步增大串联电阻的方法来熄弧。,三、交流电弧的特性,1.,动态特性,2.,热惯性,3.“,自然过零”,电弧的温度、直径以及电弧电压随时间变化。,电弧电压呈马鞍形变化,电流小时,电弧电压高,电流大时,电弧电压减小且接近于常数。,A,点:燃弧电压,B,点:熄弧电压,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。,电流过零时,电弧自然熄灭。,如果电弧是稳定燃烧的,则电弧电流过零熄灭后,在另半周又会重燃。,如果电弧过零后,电弧不发生重燃,电弧就熄灭。,四、交流电弧的熄灭,电弧重燃取决于弧隙介质绝缘能力或介电强度和弧隙电压的恢复。,1.,弧隙介质介电强度的恢复,恢复过程:电弧电流过零,电弧熄灭时,弧隙中去游离作用继续进行,弧隙电阻不断增大,弧隙介质的介电强度要恢复到正常状态值所需要的过程。,介质介电强度的恢复速度与冷却条件、电流大小、开关电器灭弧装置的结构和灭弧介质的性质有关。,低压电器常利用近阴极效应来灭弧。,影响介质介电强度恢复速率的主要因素:,(,1,)弧隙温度。,(,2,)弧隙介质特性。,(,3,)灭弧介质的压力。,(,4,)断路器触头的分断速度。,四、交流电弧的熄灭,2.,弧隙电压的恢复过程,电流过零后,弧隙电压从熄弧电压恢复到电源电压的过程,用,U,hf,(,t,)表示,恢复过程与电路参数、负荷性质等有关。受电路参数,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,非周期性变化过程。,不会在电压恢复过程中出现过电压,周期性振荡的恢复电压更容易超过弧隙介质强度,造成电弧重燃。,四、流电弧的熄灭,3.,交流电弧的熄灭条件,U,j,(,t,),U,hf,(,t,),在交流电弧的灭弧中,应充分利用交流电流的自然过零点,采取有效的措施,加大弧隙间去游离的强度,使电弧不再重燃,最终熄灭。,五、熄灭交流电弧的基本方法,1.,吹弧,2.,采用多断口灭弧,3.,提高分闸速度,利用灭弧介质(气体、油等)在灭弧室中吹动电弧,广泛应用在开关电器中,特别是高压断路器中。,横吹,纵吹,纵横吹,熄弧时,利用多断口把电弧分解为多个相串联的短电弧,使电弧的总长度加长,弧隙电导下降;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,促使弧隙电导迅速下降,提高了介电强度的恢复速度;另一方面,加在每一断口上的电压减小数倍,输入电弧的功率和能量减小,降低了弧隙电压的恢复速度,缩短了灭弧时间。,迅速拉长电弧,有利于迅速减小弧柱内的电位梯度,增加电弧与周围介质的接触面积,加强冷却和扩散作用,如采用强力分闸弹簧。,五、熄灭交流电弧的基本方法,4.,用耐高温金属材料制作触头,5.,采用优质灭弧介质,6.,短弧原理灭弧,7.,利用固体介质的狭缝灭弧装置灭弧,铜钨合金和银钨合金,油、压缩空气、,SF6,气体、真空,利用一个金属灭弧栅将电弧分为多个短弧,利用近阴极效应的方法灭弧。,常用于低压开关电器中,如自动开关和电磁接触器等。,广泛应用于低压开关。,思考练习,1.,交流电弧有什么特征?熄灭交流电弧的条件是什么?,2.,什么是近阴极效应?,3.,什么是弧隙介质介电强度和弧隙恢复电压?,4.,断路器断口并联电阻和电容的作用是什么?,5.,开关电器中常采用的基本灭弧方法有哪些?各自的灭弧原理是什么?,课程要求,重点难点,教学内容,思考练习,第二章 电弧及电气触头基本知识,第三节电气触头基本知识,课程要求,教学目标:,(,1,)熟悉对电气触头的基本要求;,(,2,)建立接触电阻的概念、影响接触电阻的因素;,(,3,)了解电气触头的种类、结构形式及应用。,首页,重点难点,重点:,接触电阻,减小接触电,阻的措施。,难点:,触头的种类、结构形式。,首页,教学内容,一、电气触头的概念,二、触头的接触电阻,三、触头的分类及其结构,首页,一、电气触头的概念,电气触头:,两个或几个导体之间接触的部分。,电气触头直接影响到设备和装置的工作可靠性,它的性能好坏直接决定了开关电器的品质。,基本要求:,(,1,)结构可靠;,(,2,)接触电阻小且稳定,即有良好导电性能和接触性能;,(,3,)通过规定电流时,发热稳定而且温度不超过允许值;,(,4,)通过短路电流时,具有足够的动稳定性和热稳定性;,(,5,)开断规定的短路电流时,触头不被灼伤,磨损尽可能小,不发生熔焊现象。,二、触头的接触电阻,主要因素:,触头的表面加工状况、表面氧化程度、触头间的压力及接触情况等。,1.,触头间压力的影响,2.,触头材料及预防氧化的措施,不同压力作用时两触头表面的接触情况(,F2,F1,),在开关电器中,一般在触头上附加钢性弹簧,以增大并保持触头间的接触压力,使触头接触可靠,减小接触电阻并保持稳定。,材料:铜、黄铜和青铜等。,为了防止氧化,通常在触头表面镀上一层锡或铅锡合金。,镀锡铜触头:,环境温度可在,60,以上,可用在户外装置,也可用在潮湿场所。,镀银触头:,用于户外装置或潮湿场所使用的大电流触头。,钢制触头:,接触表面应镀锡,并涂上两层漆加以密封。,铝制触头:,表面涂中性凡士林油加以覆盖,以防氧化。,二、触头的接触电阻,主要因素:,触头的表面加工状况、表面氧化程度、触头间的压力及接触情况等。,3.,不同材料的触头连接,直接连接,铝与铝:,铜与铜(干燥室内):,直接连接,铜与铜(室外、高温潮湿、腐蚀性气体室内):,搪锡,钢与钢:,搪锡或镀锌,铜与铝(干燥室内):,铜搪锡,铜与铝(室外、空气湿度接近,l00%,室内):,过渡板,铜搪锡,钢与铝,/,钢与铜:,钢搪锡,三、触头的分类及其结构,1.,按接触面的形式分类,(1),点触头,优点:压强较大、接触点较固定、接触电阻稳定、触头结构简单、自净作用较强。,缺点:接触面积小、不宜通过较大电流、热稳定性差。,用途:只用在工作电流和短路电流较小的情
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