开关电器灭弧原理.ppt

第二章开关电器灭弧原理 第七节开关电器中电弧的产生和熄灭 一 电弧现象及电弧特征1 电弧现象 在触头开断有电流的电路时 触头间产生强烈而又刺眼的亮光的现象 电弧是介质被击穿的放电现象 2 其主要特征如下 1 电弧是一种能量集中 温度很高 亮度很强的放电现象 2 电弧分析时可看作由阴极区 弧柱区及阳极区3部分组成 3 电弧是一种自持放电现象 即电弧一旦形成 维持电弧稳定燃烧所需的电压很低 4 电弧是一束游离气体 很轻 易变形 在外力作用下 如气体 液体的流动或电动力作用 会迅速移动 伸长或弯曲 3 电弧的特点 电弧燃烧期间 电路中的电流仍以电弧的方式维持着 可看作特殊导电区域或元件 电弧的温度极高 如电弧长久不熄灭 就会烧坏触头和触头附近的绝缘 如电弧长久不熄 延长断路时间 会危害电力系统的安全运行 结论 切断电路时 必须尽快熄灭电弧 二 电弧的产生与维持1 电弧的形成 电弧的产生主要是触头间产生大量自由电子的结果 游离 一定条件下 中性质点分为正离子和电子的现象去游离 一定条件下 离子和电子还原为中性质点的现象 阴极发射 场致 热致 电子 起因 电子高速运动 碰撞游离 重要因素 击穿 量变到质变 电流大增 热效应 光效应 热游离 主要因素 维持发展 阴极在强电场作用下发射电子 触头分开瞬间 触头间会形成很强的电场强度E E U d 阴极在高温下发生热电子发射 分开过程中 接触电阻 触头间温度 导体内电子能量 碰撞游离 由高速运动的电子作用产生 如图2 26所示 使中性质点游离为新的自由电子和正离子 这种游离过程称碰撞游离 热致发射电子的过程示意图 别撞我 好大力呀 我被撞游离了 成电子和正离子了 热游离使电弧维持和发展 定义 介质的分子和原子强烈的不规则的热运动 当那些具有足够动能的中性质点互相碰撞时 又可游离出自由电子和正离子 这种现象称热游离 电弧维持和发展 在电弧高温下 一方面阴极继续发生热电子发射 另一方面金属触头在高温下熔化蒸发 以致介质中混有金属蒸汽 使弧隙电导增加 并在介质中发生热游离 使电弧维持和发展 热游离足以维持电弧的燃烧 中性质点 中性质点 中性质点 中性质点 电子 正离子 电子 正离子 电子 中性质点 正离子 三 电弧中的去游离 复合和扩散1 复合去游离 定义 异号离子或正离子与自由电子互相吸引而中和成中性质点的现象 称复合去游离 复合去游离过程 借助于中性质点进行的 即电子在运动过程中 先附着在中性质点上 形成负离子 然后质量和运动速度大致相等的正 负离子复合成中性质点 加快复合去游离的方法 拉长电弧 使电场强度E下降 电子运动速度减慢 复合的可能性增大 加强电弧冷却 使电子热运动的速度减慢 有利于复合 加大气体介质的压力 可使带电质点的密度增大 自由行程减少 有利于复合 电子 中性质点 负离子 正离子 中性质点 复合及复合去游离过程示意 电子 2 扩散去游离 定义 自由电子与正离子从弧柱逸出而进入周围介质中的现象 称为扩散去游离 扩散去游离有三种形式 浓度差形成扩散 由于弧柱中带电质点的浓度比周围介质高得多 使带电质点向周围介质扩散 扩散速率与电弧直径成反比 温度差形成扩散 由于弧柱的温度比周围介质高得多 使带电质点向周围介质扩散 用高速冷气吹弧增强扩散 吹弧可使电弧拉长 使电弧表面的带电质点浓度增加 并带走弧柱中的带电质点 扩散出去的带电质点 因冷却而复合为中性质点 扩散去游离现象 3 电弧的熄灭 若游离作用大于去游离作用 则电弧电流增大 电弧愈加强烈燃烧 若游离作用等于去游离作用 则电弧电流不变 电弧稳定燃烧 若游离作用小于去游离作用 则电弧电流减小 电弧最终熄灭 电弧的熄灭 采取措施加强去游离作用而削弱游离作用 四 交流电弧的特性 1 交流电弧的伏安特性为动态特性 电弧的温度 电阻及电弧电压随时间而变化 电弧温度的变化总是一滞后于电流的变化 如图2 27 a 所示 2 电弧电压的波形呈马鞍形变化 燃弧电压大于熄弧电压 3 电流每半周过零一次 电弧会暂时自动熄灭 结论 电流过零时 采取适当措施使弧隙间介质的绝缘能力达到不被弧隙外施电压击穿的程度 则下半周电弧就不会重燃而熄灭 从而断开电路 过零灭弧点 弧隙电阻看作动态的电阻就好理解了 五 交流电弧的熄灭条件 弧隙介质强度的增大 即弧隙的绝缘能力 或称弧隙的耐压强度 ud t 加于弧隙的电压 称恢复电压 的增大 Ur t 电弧电流过零时 是熄灭电弧的有利时机 但电弧是否能熄灭 取决于上述两方面竞争的结果 ud t Ur t 1 弧隙介质强度恢复过程电弧电流过零时 弧隙介质的绝缘能力由起始介质强度逐渐增强的过程 称为弧隙介质强度恢复过程 用ud t 表示 1 近阴极效应 在电流过零后 0 1 1 S 在阴极附近的薄层空间介质强度突然升高 150 250v 的现象 称为近阴极效应 近阴极效应在熄灭低压短弧中得到广泛应用对几万伏以上的高压断路器的灭弧不起多大作用 因为起始介质强度与加在弧隙上的高电压相比 无足轻重 起决定作用的是弧柱区中的介质强度恢复过程 减速场 加速场 电子数很少 场强不足以从导体中拉出电子 T 时刻 2 弧柱区介质强度的恢复过程 弧柱区介质强度的恢复过程与断路器的灭弧装置结构 介质特性 电弧电流 冷却条件及触头分开速度等因素有关 不同介质强度恢复过程曲线如图2 29所示结论 不同介质恢复速度不同 其他条件相同 弧隙温度与弧隙介质强度恢复曲线图2 30 结论 a 电弧电流愈小 电弧温度愈低 对电弧的冷却条件愈好 电流过零时电弧温度下降愈快 介质强度恢复过程愈快 b 提高触头的分断速度 可迅速拉长电弧 使其散热和扩散的表面积迅速增加 去游离加强 可提高介质强度的恢复速度 不同介质的起始介质强度 不同介质的最终介质强度 温度下降好慢耶 所以介质强度恢复得慢呀 介质强度恢复得快呀 2 弧隙电压的恢复过程 定义 电弧电流过零时 经过由电路参数所决定的电磁振荡 弧隙电压逐渐由熄弧电压恢复到电源电压的过程 称为弧隙电压的恢复过程 用Ur t 表示 影响弧隙电压的恢复过程的因素 电路参数 L C R 负荷性质 阻 感 容性 恢复过程 过渡过程 的特点 可能是周期性变化的振荡过程 也可能是非周期性变化的不振荡过程 如图2 31所示 恢复电压的组成 如图2 32所示 瞬变恢复电压utr 为恢复电压的暂态值 它存在的时间只有几十微秒至几毫秒 工频恢复电压usr 即与电源电压波形重合 与电源电压相等的电压 为恢复电压的稳态值 3 交流电弧的熄灭条件 Ud t Ur t 或两曲线无交点 微秒 过零再次击穿点 第八节弧隙电压恢复过程分析分析弧隙电压恢复过程中电路参数的影响 进而分析从外电路考虑如何有利于熄弧一 单相交流电路的电压恢复过程断路器开断单相短路电流的短路电路如图2 34 a 所示 近似分析的几个条件 电源G为单相交流发电系统 其等值电路如图2 34 b 所示 为系统元件参数 r为QF触头并联电阻 也可认为是熄弧后的弧隙电阻 短路时 QF与c并联 所以 弧隙电压恢复过程ur与c两端的电压变化过程uc相同 熄弧后 从熄弧电压到电源电压的过程很短 几百微秒 电弧电流过零时电源电压瞬时值为u0 且在过程中不变 以直流源代替 弧隙电压恢复过程ur t 的计算 变为直流电源突然合闸于R L C组成的串联电路时 在C两端的电压变化过程uc 等值电路如图2 35所示 由图2 35可知 当Q突然合闸时 有 2 67 2 68 初始条件 t 0时uc ur0 i1 0将式 2 68 代入式 2 67 并整理得式 2 69 该式为常系数线性微分方程 其通解为 2 70 讨论 回路参数处于不同情况时 恢复过程不同 1 为不等的负实根 且有 注意 横轴座标单位为微秒 恢复过程时间很短 当结论 非周期性电压恢复过程中 恢复电压的最大值不超过电弧电流过零时的电源电压瞬时值 小于等于Um 不会产生过电压 r值越小 恢复电压上升速率越慢 可以利用 u0越大升速越快 不可控 开断时刻是不确定的 讨论 弧隙电压恢复过程为衰减的周期性振荡过程注意 rC 可能在电路中出现过电压 电压恢复速率为 结论 a 弧隙电压恢复过程为振荡恢复过程 恢复速度及恢复幅值均与电路参数有关 b 可能出现系统过电压 且增加熄弧的困难c r值较小时 由公式 可知 衰减快 1 2rC 恢复速度慢 注意 这可是最极端的情况 将此时的电阻叫做临界并联电阻 恢复过程曲线与图2 36类似 但这种情况临近于振荡情况 故称为临界情况 结论 当r rcr时 弧隙电压恢复过程为非周期性 当r rcr时 为周期性 3 以上分析可知 弧隙电压恢复过程只取决于电路参数 触头两端的并联电阻r可以改变恢复电压的特性 即影响恢复电压的幅值和恢复速度 当rrcr时 二 三相交流电路不同短路形式的工频恢复电压由于运行方式和短路形式不同 相应的电路参数和开断瞬间的工频恢复电压u0不相同 直接影响断路器的开断条件 1 开断单相短路电流过零时 工频恢复电压瞬时值为 2 开断中性点不直接接地系统的三相短路三相交流电路中 三相电流不同时过零 断路器开断三相短路时 电弧电流过便有先后 先过零的一相 电弧首先熄灭 称为首先开断相 在图2 38中 忽略电阻 只计电抗xL 即相电流滞后相应的相电压90 设U相为首先开断相 当U相电流过零时其电弧熄灭 V W相触头仍由电弧短接 由电路知识可得 数值上 有UU UV UW Uph 式中Uph为相电压 Uu0 1 5Uph 2 88 首先开断相断口上的工频恢复电压为相电压1 5倍 如图2 38 b 所示 在U相电流过零后 经1 4周期 V W两相短路电流同时过零 电弧同时熄灭 这时Uvw的瞬时值达最大 V W两相断口各承受一半电压值 即 结论 断口电弧的熄灭关键在于首先开断相 首先开断相断口的恢复电压最大 后续开断相的燃弧时间比首先开断相长 0 005s 电弧能量较大 可能使触头烧坏 喷油 喷气等现象比首开相更为严重 开断中性点直接接地系统中的三相不接地短路的情况与上述相同 例如 对110kV高压断路器 首先开断相断口的恢复电压如下 工频恢复电压有效值为1 5UPh 1 5 110 3 95 26 kV 工频恢复电压最大值为 2 95 26 134 72 kV 恢复电压最大值 取Km 1 5 为1 5 134 72 202 08 kV 3 开断中性点直接接地系统中的三相接地短路与上述情况不同 这时U V w三相分别经大地成回路 各相不同时过零 设开断顺序为U V W 当系统零序阻抗与正序阻抗之比不大于3时 有 4 开断两相短路电路开断中性点直接接地系统中的两相接地短路时 工频恢复电压为1 3Uph 开断其余情况的两相短路时 工频恢复电压为0 866Uph 总之 首先开断相开断时 断口上的工频恢复电压为 首开相在衰减振荡恢复过程中可能的最大值为 第九节熄灭交流电弧的基本方法一 熄灭交流电弧的基本途径 1 减少电弧形成的可能及大小 减少热电子发射 场致电子发射 减少金属蒸气的产生 2 加强弧隙介质强度的恢复过程加强弧隙的去游离抑制游离3 降低弧隙恢复电压的幅值和恢复速度 均可促使电弧熄灭 二 熄灭交流电弧的基本方法 归纳起来有下述几种 这是根本的办法 1 采用特殊金属材料作灭弧触头 并尽可能采用先进的触头制作工艺以减少接触电阻 减少热 场致电子发射减少金属蒸气 抑制游离作用 2 提高断路器触头的分离速度在高压断路器中都装有强力断路弹簧 以加快触头的分离速度 迅速拉长电弧 使弧隙的电场强度骤降 同时使电弧的表面积突然增大 有利于电弧的冷却及带电质点的扩散和复合 削弱游离而加强去游离 从而加速电弧的熄灭 3 采用灭弧能力强的灭弧介质电弧中的去游离强度 在很大程度上取决于电弧周围介质的特性 高压断路器中广泛采用以下几种灭弧介质 1 变压器油 利用变压器油在电弧高温的作用下 可分解出大量氢气和油蒸汽灭弧 2 压缩空气 分子密度大 质点的自由行程小 能量不易积累 不易发生游离 3 sF6气体 利用SF6良好的负电性 其氟原子具有很强的吸附电子的能力 能迅速捕捉自由电子而形成稳定的负离子 为复合创造了有利条件 因而具有很强的灭弧能力 其灭弧能力比空气强1OO倍 4 真空 真空气体稀薄 弧隙中的自由电子和中性质点极少 碰撞游离的可能性大大减少 且弧柱与真空的带电质点的浓度差和温度差很大 有利于扩散 4 利用气体或油吹弧利用各种预先设计好的灭弧室 使气体或油在电弧高温下产生巨大压力 并利用喷口形成强烈吹弧 这个方法既起到对流换热 强烈冷却弧隙的作用 又起到部分取代原弧隙中游离气体或高温气体的作用 电弧被拉长 冷却变细 复合加强 同时吹弧也有利于扩散 最终使电弧熄灭 纵吹 吹动方向与电弧弧柱轴线平行称纵吹 作用 是使电弧冷却 变细 最终熄灭 横吹 吹动方向与电弧弧柱轴线垂直称横吹 作用 把电弧拉长 表面积增大 冷却加强 熄弧效果较好 高压断路器中常采用纵 横吹混合吹弧方式 熄弧效果更好 纵吹弧过程示意图 横吹弧过程示意 纵横吹弧过程示意图 5 断路器的主触头两端加装低值并联电阻 几欧至几十欧 原理 作用 分流电弧电流 阻尼作用阻值选择 满足r rcr 该电阻值不能过小 过小则主触头灭弧后辅助触头开断困难 实际连接 工作过程 分闸时先断Q1 再断Q2合闸时 顺序相反 先合Q2 再合Q1 6 采用多断口熄弧 定义 每相有两个或两个以上的串联断口 作用 可把电弧分割成多段 在相同的触头行程下电弧拉长速度和长度比单断口大 从而弧隙电阻增大 同时增大介质强度的恢复速度 加在每个断口上的电压降低 使弧隙恢复电压降低 因而有利于灭弧 存在问题 电压在每个断口上的分配有不均匀现象 影响断路器的灭弧 解决办法 每一个断口加装均压电容 嘿 这才是动触头的运动方向 哈哈 电弧咋成了黑的 没关系是个意思而已 加装均压电容的原理分析 不装电容时 三 低压开关中的熄弧方法 利用金属灭弧栅灭弧 利用灭弧栅灭弧实质上是利用短弧原理灭弧 当断开电路时 动 静触头间产生电弧 对电弧产生一个向上的电磁力 将电弧拉至上部无缺口的部分 被栅片分割成一串短弧 据近阴极效应 当电流过零时 每个短弧的阴极都会出现150 250V的介质强度 如其总和超过触头间的电压 则电弧熄灭 利用固体介质狭缝灭弧 灭弧片由耐高温的绝缘材料制成 有多种形式 图2 45 b 为最简单的直缝式 作用 限制电弧直径 增加了弧隙压力 同时拉长电弧 加强冷却作用 加强电弧内的复合过程 最终使电弧熄灭