第三章開關(guān)電器中的滅弧原理

1、第三章第三章 開關(guān)電器中的滅弧原理開關(guān)電器中的滅弧原理一、電弧現(xiàn)象一、電弧現(xiàn)象1電弧是一種能量集中、溫度很高、亮度很強的放電電弧是一種能量集中、溫度很高、亮度很強的放電現(xiàn)象。如現(xiàn)象。如10kV少油斷路器開斷少油斷路器開斷20kA的電流時，電弧的電流時，電弧功率高達(dá)功率高達(dá)10000kW以上，造成電弧及其附近區(qū)域的以上，造成電弧及其附近區(qū)域的介質(zhì)及其強烈的物理化學(xué)變化，可能燒壞觸頭及觸頭介質(zhì)及其強烈的物理化學(xué)變化，可能燒壞觸頭及觸頭附近的其他部件。如果電弧長期不滅，將會引起電器附近的其他部件。如果電弧長期不滅，將會引起電器被燒毀甚至爆炸，危機(jī)電力系統(tǒng)的安全運行，造成重被燒毀甚至爆炸，危機(jī)電力系統(tǒng)

2、的安全運行，造成重大損失。所以，切斷電路時，必須盡快熄滅電弧。大損失。所以，切斷電路時，必須盡快熄滅電弧。2電弧是導(dǎo)體。開關(guān)電器的觸頭雖然已經(jīng)分開，但是電弧是導(dǎo)體。開關(guān)電器的觸頭雖然已經(jīng)分開，但是觸頭間如有電弧存在，電路就還沒有斷開，電流仍然觸頭間如有電弧存在，電路就還沒有斷開，電流仍然存在。存在。3電弧是一種自持放電現(xiàn)象，即電弧一旦形成，維電弧是一種自持放電現(xiàn)象，即電弧一旦形成，維持電弧穩(wěn)定燃燒所需的電壓很低。如，大氣中持電弧穩(wěn)定燃燒所需的電壓很低。如，大氣中1cm長的直流電弧的弧柱電壓只有長的直流電弧的弧柱電壓只有1530V，在變壓器，在變壓器油中也不過油中也不過100200V。4電弧是一

3、束游離氣體，質(zhì)量很輕，容易變形，在電弧是一束游離氣體，質(zhì)量很輕，容易變形，在外力作用下（如氣體、液體的流動或電動力作用）外力作用下（如氣體、液體的流動或電動力作用）會迅速移動、伸長或彎曲，對敞露在大氣中的電弧會迅速移動、伸長或彎曲，對敞露在大氣中的電弧尤為明顯。如，在大氣中開斷交流尤為明顯。如，在大氣中開斷交流110kV、5A的電的電流時，電弧長度超過流時，電弧長度超過7m。電弧移動速度可達(dá)每秒。電弧移動速度可達(dá)每秒幾十米至幾百米。幾十米至幾百米。二、電弧的產(chǎn)生與維持二、電弧的產(chǎn)生與維持1 1強電場發(fā)射強電場發(fā)射 開關(guān)電器的觸頭分離時，動靜觸頭間開關(guān)電器的觸頭分離時，動靜觸頭間的壓力不斷下降，

4、接觸面積減小，因而接的壓力不斷下降，接觸面積減小，因而接觸電阻增大，溫度劇升。另一方面，觸頭觸電阻增大，溫度劇升。另一方面，觸頭開始分離時，觸頭間距很小，即使電壓很開始分離時，觸頭間距很小，即使電壓很低，只有幾百伏甚至幾十伏，但是電場強低，只有幾百伏甚至幾十伏，但是電場強度卻很大。由于上述原因，陰極表面可能度卻很大。由于上述原因，陰極表面可能向外發(fā)射電子，這種現(xiàn)象稱為強電場發(fā)射。向外發(fā)射電子，這種現(xiàn)象稱為強電場發(fā)射。2 2熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射 觸頭是由金屬材料制成的，在常溫下，觸頭是由金屬材料制成的，在常溫下，金屬內(nèi)部就存在大量的自由電子，當(dāng)開關(guān)開金屬內(nèi)部就存在大量的自由電子，當(dāng)開關(guān)開斷電路時

5、，在觸頭分離的瞬間，由于大電流斷電路時，在觸頭分離的瞬間，由于大電流被切斷，在陰極上出現(xiàn)強烈的熾熱點，從而被切斷，在陰極上出現(xiàn)強烈的熾熱點，從而有電子從陰極表面向四周發(fā)射，這種現(xiàn)象稱有電子從陰極表面向四周發(fā)射，這種現(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射。發(fā)射電子的多少與陰極材料為熱電子發(fā)射。發(fā)射電子的多少與陰極材料及表面溫度有關(guān)。及表面溫度有關(guān)。3 3碰撞游離碰撞游離 從陰極表面發(fā)射出來的電子，在電場力的作用從陰極表面發(fā)射出來的電子，在電場力的作用下向陽極作加速運動。并不斷與中性質(zhì)點碰撞，如下向陽極作加速運動。并不斷與中性質(zhì)點碰撞，如果電場足夠強，電子所受的力足夠大，且兩次碰撞果電場足夠強，電子所受的力足夠大，且

6、兩次碰撞間的自由行程足夠大，電子積累的能量足夠多，則間的自由行程足夠大，電子積累的能量足夠多，則發(fā)生碰撞時就可能使中性質(zhì)點發(fā)生游離，產(chǎn)生新的發(fā)生碰撞時就可能使中性質(zhì)點發(fā)生游離，產(chǎn)生新的自由電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為碰撞游離。新產(chǎn)自由電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為碰撞游離。新產(chǎn)生的自由電子在電場中作加速運動又可能與中性質(zhì)生的自由電子在電場中作加速運動又可能與中性質(zhì)點發(fā)生碰撞而產(chǎn)生碰撞游離。結(jié)果使觸頭間充滿大點發(fā)生碰撞而產(chǎn)生碰撞游離。結(jié)果使觸頭間充滿大量自由電子和正離子。使觸頭間電阻很小，在外加量自由電子和正離子。使觸頭間電阻很小，在外加電壓作用下，帶電粒子作定向運動形成電流，使介電壓作用下，帶電粒子

7、作定向運動形成電流，使介質(zhì)擊穿而形成電弧。質(zhì)擊穿而形成電弧。4 4熱游離熱游離 處于高溫下的中性質(zhì)點由于高溫而產(chǎn)生強處于高溫下的中性質(zhì)點由于高溫而產(chǎn)生強烈的熱運動。相互碰撞的結(jié)果而發(fā)生的游離烈的熱運動。相互碰撞的結(jié)果而發(fā)生的游離稱為熱游離。作用：維持電弧的燃燒。一般稱為熱游離。作用：維持電弧的燃燒。一般氣體發(fā)生熱游離的溫度為氣體發(fā)生熱游離的溫度為900090001000010000，而，而金屬蒸汽約為金屬蒸汽約為4000400050005000。因為電弧中總。因為電弧中總有一些金屬蒸汽，而弧柱溫度在有一些金屬蒸汽，而弧柱溫度在50005000以上，以上，所以，熱游離足以維持電弧的燃燒。所以，熱

8、游離足以維持電弧的燃燒。三、電弧的去游離 去游離：在電弧中，介質(zhì)因游離而產(chǎn)生大量帶電粒子的同時，還會發(fā)去游離：在電弧中，介質(zhì)因游離而產(chǎn)生大量帶電粒子的同時，還會發(fā)生帶電粒子消失的相反過程，稱為去游離。生帶電粒子消失的相反過程，稱為去游離。1.復(fù)合復(fù)合：異號帶電粒子相互吸引而中和成中性質(zhì)點的現(xiàn)象。：異號帶電粒子相互吸引而中和成中性質(zhì)點的現(xiàn)象。 在電弧中，電子的運動速度遠(yuǎn)大于正離子，所以電子與正離子直在電弧中，電子的運動速度遠(yuǎn)大于正離子，所以電子與正離子直接復(fù)合的可能性很小，復(fù)合是借助于中性質(zhì)點進(jìn)行的，即電子在運動接復(fù)合的可能性很小，復(fù)合是借助于中性質(zhì)點進(jìn)行的，即電子在運動過程中，先附著在中性質(zhì)點

9、上，形成負(fù)離子，然后質(zhì)量和運動速度大過程中，先附著在中性質(zhì)點上，形成負(fù)離子，然后質(zhì)量和運動速度大致相等的正、負(fù)離子復(fù)合成中性質(zhì)點。致相等的正、負(fù)離子復(fù)合成中性質(zhì)點。 既然復(fù)合過程只有在離子運動的相對速度不大時才有可能，若既然復(fù)合過程只有在離子運動的相對速度不大時才有可能，若利用液體或氣體吹弧，或?qū)㈦娀D入絕緣冷壁做成的狹縫中，都能迅利用液體或氣體吹弧，或?qū)㈦娀D入絕緣冷壁做成的狹縫中，都能迅速冷卻電弧，減小離子的運動速度，加強復(fù)合過程，此外增加氣體壓速冷卻電弧，減小離子的運動速度，加強復(fù)合過程，此外增加氣體壓力，使氣體密度增加，也是加強復(fù)合過程的措施。力，使氣體密度增加，也是加強復(fù)合過程的措施

10、。2擴(kuò)散：擴(kuò)散：弧柱內(nèi)帶電粒子逸出弧柱以外進(jìn)入周圍介質(zhì)的弧柱內(nèi)帶電粒子逸出弧柱以外進(jìn)入周圍介質(zhì)的一種現(xiàn)象。一種現(xiàn)象。 擴(kuò)散是由于帶電粒子不規(guī)則的運行，以及電弧內(nèi)帶電擴(kuò)散是由于帶電粒子不規(guī)則的運行，以及電弧內(nèi)帶電粒子的密度大于電弧外，電弧中的溫度遠(yuǎn)高于周圍介質(zhì)的粒子的密度大于電弧外，電弧中的溫度遠(yuǎn)高于周圍介質(zhì)的溫度造成的。電弧和周圍介質(zhì)溫差愈大，以及帶電粒子密溫度造成的。電弧和周圍介質(zhì)溫差愈大，以及帶電粒子密度差越大，擴(kuò)散作用愈強。在高壓斷路器中，常采用氣體度差越大，擴(kuò)散作用愈強。在高壓斷路器中，常采用氣體吹弧，帶走大量帶電粒子，以加強擴(kuò)散作用，擴(kuò)散出來的吹弧，帶走大量帶電粒子，以加強擴(kuò)散作用，

11、擴(kuò)散出來的正負(fù)離子，因冷卻而加強復(fù)合，成為中性質(zhì)點。正負(fù)離子，因冷卻而加強復(fù)合，成為中性質(zhì)點。 若游離作用大于去游離作用，則電弧電流增大，電弧若游離作用大于去游離作用，則電弧電流增大，電弧愈加強烈燃燒；若游離作用等于去游離作用，則電弧電流愈加強烈燃燒；若游離作用等于去游離作用，則電弧電流不變，電弧穩(wěn)定燃燒；若游離作用小于去游離作用，則電不變，電弧穩(wěn)定燃燒；若游離作用小于去游離作用，則電弧電流減小，電弧最終熄滅。所以，要熄滅電弧，必須采弧電流減小，電弧最終熄滅。所以，要熄滅電弧，必須采取措施加強去游離作用而削弱游離作用。取措施加強去游離作用而削弱游離作用。四、電弧特性四、電弧特性1電弧電壓沿弧長

12、的分布電弧電壓沿弧長的分布 電弧形成后，電弧電壓沿弧長的分布可分為三個部分。如圖電弧形成后，電弧電壓沿弧長的分布可分為三個部分。如圖41所所示，電弧電壓降由陰極電壓降示，電弧電壓降由陰極電壓降U1、弧柱電壓降、弧柱電壓降U2、陽極電壓降、陽極電壓降U3三部三部分組成，即電弧電壓分組成，即電弧電壓UhU1U2U3。陰極區(qū)+弧柱區(qū)陽極區(qū)LUUh0U1U2U3 圖41 電弧電壓沿弧長分布2電弧按照電壓分布的分類電弧按照電壓分布的分類 （1 1）長?。弘姌O間距離長，陰極和陽極電壓降可以忽略不計。）長?。弘姌O間距離長，陰極和陽極電壓降可以忽略不計。 （2 2）短?。弘姌O間距離短，弧柱電壓忽略不計。）短弧

13、：電極間距離短，弧柱電壓忽略不計。3電弧的伏安特性電弧的伏安特性（1 1）直流電弧的伏安特性）直流電弧的伏安特性 曲線曲線1 1是在電流變化很慢，曲線上每一點的游離與去游離都達(dá)到平是在電流變化很慢，曲線上每一點的游離與去游離都達(dá)到平衡，電弧處于穩(wěn)定燃燒的狀態(tài)，故稱為靜態(tài)特性。衡，電弧處于穩(wěn)定燃燒的狀態(tài)，故稱為靜態(tài)特性。 曲線曲線2 2為電流很快從為電流很快從a a點增加的曲線。點增加的曲線。 曲線曲線3 3為電流很快從為電流很快從b b點減小的曲線。點減小的曲線。iua a2130b直流電弧的伏安特性（2 2）交流電弧的伏安特性）交流電弧的伏安特性 在交流電路中，電流的瞬時值不斷地隨時間變化，

14、因此電弧的特性在交流電路中，電流的瞬時值不斷地隨時間變化，因此電弧的特性應(yīng)是動態(tài)特性，并且交流電流每半個周期經(jīng)過一次零值。電流過零值應(yīng)是動態(tài)特性，并且交流電流每半個周期經(jīng)過一次零值。電流過零值時，電弧自動熄滅。如果電弧是穩(wěn)定燃燒的，則電弧電流過零熄滅時，電弧自動熄滅。如果電弧是穩(wěn)定燃燒的，則電弧電流過零熄滅后，在另半周又會重新燃燒。后，在另半周又會重新燃燒。ui0ABC交流電弧的伏安特性五、直流電弧的熄滅方法五、直流電弧的熄滅方法 n1. 增大回路電阻n2. 將長電弧分割為多個短電弧n3. 增大電弧長度n4. 使電弧與耐弧度絕緣材料緊密接觸六、交流電弧的熄滅條件六、交流電弧的熄滅條件1弧隙介質(zhì)

15、強度的恢復(fù)過程2弧隙電壓的恢復(fù)過程3交流電弧的熄滅條件 ud(t)ur(t)（一）弧隙介質(zhì)強度的恢復(fù)（一）弧隙介質(zhì)強度的恢復(fù)1 1弧隙介質(zhì)強度的恢復(fù)過程弧隙介質(zhì)強度的恢復(fù)過程 在電弧電流過零之前，弧隙中的空間充滿了電子和正離子。當(dāng)電在電弧電流過零之前，弧隙中的空間充滿了電子和正離子。當(dāng)電弧電流流過零熄滅后，電極極性發(fā)生改變，弧隙中的電子迅速奔向新弧電流流過零熄滅后，電極極性發(fā)生改變，弧隙中的電子迅速奔向新陽極，比電子質(zhì)量大一千多倍的正離子，相對電子而言則基本未動，陽極，比電子質(zhì)量大一千多倍的正離子，相對電子而言則基本未動，所以在新陰極附近形成正空間電荷。所以在新陰極附近形成正空間電荷。2 2電

16、流過零后電荷和電壓沿短弧隙的分布情況。如圖所示，電壓主要電流過零后電荷和電壓沿短弧隙的分布情況。如圖所示，電壓主要降落在陰極附近的薄層空間。此薄層空間的耐壓約為降落在陰極附近的薄層空間。此薄層空間的耐壓約為150150250V250V的介質(zhì)的介質(zhì)強度。強度。近陰極效應(yīng)：陰極附近電介質(zhì)強度出現(xiàn)突然升高的現(xiàn)象。近陰極效應(yīng)：陰極附近電介質(zhì)強度出現(xiàn)突然升高的現(xiàn)象。（二）、弧隙電壓的恢復(fù)（二）、弧隙電壓的恢復(fù) 弧隙電壓的恢復(fù)過程，即恢復(fù)電壓的變化過程，與電路參數(shù)、負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)。0（b）（a）ux熄滅交流電弧的基本方法熄滅交流電弧的基本方法n1采用滅弧能力強的滅弧介質(zhì)采用滅弧能力強的滅弧介質(zhì)n2利用氣體或

17、油吹弧利用氣體或油吹弧n3采用特殊的金屬材料作滅弧介質(zhì)采用特殊的金屬材料作滅弧介質(zhì)n4采用多斷口熄弧采用多斷口熄弧n5提高斷路器觸頭的分離速度提高斷路器觸頭的分離速度n6低壓開關(guān)的滅弧方法低壓開關(guān)的滅弧方法 （1）利用金屬滅弧柵滅?。├媒饘贉缁艤缁?（2）利用固體介質(zhì)狹縫滅弧）利用固體介質(zhì)狹縫滅?。? 1）變壓器油）變壓器油: :變壓器油在電弧高溫的作用下，分解出大量氫氣變壓器油在電弧高溫的作用下，分解出大量氫氣和油蒸汽，氫氣的絕緣和滅弧能力是空氣的和油蒸汽，氫氣的絕緣和滅弧能力是空氣的7.57.5倍。倍。（2 2）壓縮空氣：）壓縮空氣：壓力：壓力：2MPa2MPa，分子密度大，質(zhì)點的自由

18、行程小，分子密度大，質(zhì)點的自由行程小，不易發(fā)生游離。不易發(fā)生游離。（3 3）SFSF6 6氣體：氣體：良好的負(fù)電性氣體，氟原子吸附電子能力很強，良好的負(fù)電性氣體，氟原子吸附電子能力很強，能迅速捕捉自由電子形成負(fù)離子，對復(fù)合有利。能迅速捕捉自由電子形成負(fù)離子，對復(fù)合有利。 （4 4）真空：）真空：真空氣體壓力低于真空氣體壓力低于133.3133.310104 4PaPa，氣體稀薄，弧隙中，氣體稀薄，弧隙中的自由電子和中性質(zhì)點都很少，碰撞游離的可能性大大減少，而且弧的自由電子和中性質(zhì)點都很少，碰撞游離的可能性大大減少，而且弧柱內(nèi)與弧柱外帶電粒子的濃度差和溫差都很大，有利于擴(kuò)散。其絕緣柱內(nèi)與弧柱外帶

19、電粒子的濃度差和溫差都很大，有利于擴(kuò)散。其絕緣能力比變壓器油、能力比變壓器油、1 1個大氣壓下的個大氣壓下的SFSF6 6 、空氣都大。、空氣都大。返返 回回返返 回回 常有的觸頭材料有銅、鎢合金和銀、鎢合常有的觸頭材料有銅、鎢合金和銀、鎢合金等，在電弧高溫作用下不易熔化和蒸發(fā)，金等，在電弧高溫作用下不易熔化和蒸發(fā)，有較高的抗電弧、抗熔焊能力，可以減少有較高的抗電弧、抗熔焊能力，可以減少熱電子發(fā)射和金屬蒸汽，抑制游離的作用。熱電子發(fā)射和金屬蒸汽，抑制游離的作用。返返 回回采用多斷口串聯(lián)，可把電弧分割成多段，在相同的觸頭采用多斷口串聯(lián)，可把電弧分割成多段，在相同的觸頭行程下電弧拉長速度和長度比單斷口大，從而弧隙電阻行程下電弧拉長速度和長度比單斷口大，從而弧隙電阻增大，同時加在每個斷口上的電壓降低，使弧隙恢復(fù)電增大，同時加在每個斷口上的電壓降低，使弧隙恢復(fù)電壓降低，因而有利于滅弧。壓降低，因而有利于滅弧。返返 回回 加快斷路器的觸頭分離速度可以迅速拉長加快斷路器的觸頭分離速度可以迅速拉長電弧，使弧隙的電場強度驟降，同時使電電弧，使弧隙的電場強度驟降，同時使電弧的表面積突然增大，有