电弧的产生和熄灭

,无忧,PPT,整理发布,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,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,*,第二部分,开关设备,第一节,电弧的产生和熄灭,对电弧的了解、分析，采取有效地措施熄灭电弧，这对电力系统的正常操作与安全运行有很重要的意义。,这是我们所不希望的,电弧是电力系统及电能利用工程中常见的物理现象,.,例如：,随处可见的电弧焊接、电弧炼钢炉等利用电弧工作的用电设备,；,在电力系统中的开关电器，工作时触头间也会产生电弧,。,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）电弧温度很高。,（2）电弧是一种,自持放电现象,。,（3）电弧是一束游离的的气体。,一、电弧的危害和特点,不依赖外界电离条件，仅由外施电压作用即可维持的一种气体放电,表面3000-4000度，弧心温度可达10000度,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。,1、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,。,2、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,。,二、电弧的形成,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。,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。,上述是电弧形成的,四个因素,，实际上是个连续过程,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。,三、带点质点的复合与扩散,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。,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。,四、影响去游离的因素,电弧的熄灭过程取决于发生游离和去游离过程,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。,定义,：,在直流电路中产生的电弧叫直流电弧,1.电弧电压分布图,电弧电压阴极区压降弧柱压降阳极区压降,五、直流电弧的特性,2.电弧的伏安特性,直流电弧的伏安特性,直流电弧的稳定燃烧,1.,拉长电弧,2.,开断电路时在电路中逐级串入电阻,拉长电弧灭弧,引入电阻灭弧,直流电弧的熄灭方法,3.,在断口上装灭弧栅,4.,冷却电弧,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。,六、交流电弧的特性,经过分析，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。,交流电弧的伏安特性,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。,电弧电流自然过零后，电路施加于弧隙的电压，将从不大的电弧电压逐渐增长，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。,电压恢复过程,与线路参数、负荷性质等有关。,恢复电压瞬态恢复电压工频恢复电压,1.如果电源电压恢复过程大于介质强度恢复过程，,气隙被击穿，电弧重燃。,2.如果,电源电压恢复过程低于介质强度恢复过程,，,电弧熄灭。,电弧熄灭的条件：,交流电弧的熄灭条件,交流电弧的熄灭方法,熄灭交流电弧的关键在于电弧电流过零后，弧隙的介质强,度的恢复过程能否始终大于弧隙电压的恢复过程。为了加强冷,却，抑制热游离，增强去游离，在开关电器中装设专用的灭弧,装置或使用特殊的灭弧介质，以提高开关的灭弧能力,。,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。,1、提高触头的分闸速度,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。,2、采用多断口,3、,吹弧,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。,（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。,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。,（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。,4、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。,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作用下，将电弧吹入又灭弧片构成的狭缝中，把电弧迅速拉长的同时，使电弧与灭弧片内壁紧密接触，对电弧的表面进行冷却和吸附，产生强烈的去游离。,石英砂熔断器中的熔丝熔断时，在石英砂的狭沟中产生电弧。由于受到石英砂的冷却和表面吸附作用，使电弧迅速熄灭。同时，熔丝气化时产生的金属蒸汽渗入石英砂中遇冷而迅速凝结，大大减少了弧隙中的金属蒸汽，使得电弧容易熄灭。,5、利用固体介质的狭缝狭沟灭弧,触头材料对电弧中的去游离也有一定影响，用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属制作触头，可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸汽，从而减弱了游离过程，有利于熄灭电弧。,灭弧介质的特性，如导热系数、电强度、热游离温度、热容量等，对电弧的游离程度具有很大影响，这些参数值越大，去游离作用就越强。在高压开关中，广泛采用压缩空气、六氟化硫（SF6）气体、真空等作为灭弧介质。,6、用耐高温金属材料作触头、优质灭弧介质,谢谢,