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。原理图如,2-16,所示。,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。原理图如,2-17,所示。,利用固体介质的,狭缝狭沟灭弧,用耐高温,金属材料作触头,、,优质灭弧介质,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。,第五节,电气触头的基本知识,一、,概述,二、,触头的接触电阻,三、触头的,动稳定和热稳定,四、触头的分类和结构,按接触面,的形式分类,按结构,形式类,电气触头,基本知识概述,1. 触头的概念,电气触头是指两个导体或几个导体之间相互接触的部分，如母线或导线的接触连接处以及开关电器中的动、静触头。,2. 对电气触头的基本要求,（1）结构可靠；,（2）接触电阻小且稳定，有良好的导电性能和接触性能；,（3）通过规定电流时，发热稳定而且不超过允许值；,（4）通过短路电流时，具有足够的动稳定性和热稳定性；,（5）开断规定短路电流时，触头不被灼伤，不发生熔焊。,触头的,接触电阻,触头在正常工作和通过短路电流时的发热都与接触电阻值,有关，所以触头的质量在很大程度上取决于触头的接触电阻,值。正常情况下，触头间的接触压力、表面加工状况、表面氧,化程度及接触情况等都会影响接触电阻值。,1. 触头间的压力,触头间的压力越大，触头间 的接触电阻就越小。,2.触头材料及防氧化措施,触头一般由铜、黄铜和青铜等材料制成。为防止触头表面,被氧化，一般需要采取镀锡、镀银和涂防腐漆和凡士林油等措,施加以防护。,触头的,热稳定和动稳定,触头在长期负荷电流下工作时，由于接触电阻的存在，触,头要发热，使其温度升高，同时也向周围介质散热，当发热量,等于散热量时，触头就稳定在工作温度下运行。这个温度值小,于触头材料长期允许的温度。因此，触头是安全的。由于负荷,电流相对于短路电流要小得多，所产生的电动力不会影响触头,的正常工作。,当触头短时间内通过大电流时，如短路电流、电动机的起,动电流等，所产生的热效应和电动力具有冲击特性，对触头能,否正常工作造成很大威胁，可能使触头熔焊和短时过热、触头,接触压力下降等后果。因此，开关电器必须采取有效措施，保,证在通过短路电流时有足够的动稳定和热稳定。,触头的分类及其结构,1.,按接触面,的形式分类,（1）点接触 是指两个触头间的接触面为点接触的触头，如球面和平面接触、两个球面接触等都是点接触。这种接触点较固定、接触电阻稳定、触头结构简单；但接触面积小不宜通过较大电流、热稳定性差。,（2）线接触 是指两个触头的接触面为线接触的触头，,如柱面与平面接触，或两个圆柱面间的接触等都属于线接,触 。这种接触电阻较小，接触面比较稳定。,（3）面接触 是指两个平面或两个曲面的接触。在受到,较大压力时，接触点数和实际接触面积仍比较小 。,触头的分类及其结构,2.,按结构,形式分类,（1）固定触头,固定触头是指连接导体之间不能相对移动的触头。,固定触头按其连接方式可分为可拆卸和不可拆卸两类。,（2）可断触头,可断触头按其结构可分为对接式和插入式两大类。,（3）可动触头,可动触头也叫中间触头，又称滑动触头，是指在工作中被连接的导体总是保持接触，能由一个接触面沿着另一个接触面滑动的触头。,电弧与电气触头的基本知识,思考题,（1）电弧有什么特征？对电力系统和电气设备有哪些危害？,（2）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？,（3）交流电弧有什么特征？熄灭交流电弧的条件是什么？,（4）什么是弧隙介质强度和弧隙恢复电压？,（5）断路器开断短路电流时，弧隙电压的恢复过程有那几种,形式？各有什么特点？,（6）开关电器中常采用的基本灭弧方法有哪些？各自的原理,何在？,（7）什么是电气触头？电气触头有哪些形式？,（8）什么是触头的接触电阻？影响接触电阻的因素有哪些？,谢谢!,