电弧及电气触头基本知识课件

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,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,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,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,课程要求教学目标：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,重点难点首页,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,教学内容一、电弧的特点 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30004000。,一、电弧的特点 电弧：是一种能量集中、温,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。,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,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3106Vm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。,三、电弧的产生过程 电弧的产生实际上是,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,2.碰撞游离形成电弧 碰撞游离：自由电子，在,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,3.热游离维持电弧 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,4.影响游离作用的物理因素三、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,四、电弧的熄灭 实质：气体介质由导通又,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？,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,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,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,课程要求教学目标：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,重点难点首页,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,教学内容一、直流电弧的特性首页,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。,一、直流电弧的特性 稳定燃烧的直流电弧,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。,二、直流电弧的熄灭 熄灭直流电弧方法：,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。,三、交流电弧的特性1.动态特性 电弧的温度、直径以及电弧电,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 电弧重燃取决于弧隙介,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、交流电弧的熄灭2.弧隙电压的恢复过程 电流,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。,四、流电弧的熄灭3.交流电弧的熄灭条件,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1.吹弧 利用灭弧介,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。,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铜钨合,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？,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？,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,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,课程要求教学目标：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,重点难点首页,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,教学内容首页,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。,一、电气触头的概念 电气触头：两个或几个导体之间接触的,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