電弧的產(chǎn)生和熄滅

關(guān)于電弧的產(chǎn)生和熄滅第1頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五第一節(jié)電弧的產(chǎn)生和熄滅第2頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五對電弧的了解、分析，采取有效地措施熄滅電弧，這對電力系統(tǒng)的正常操作與安全運行有很重要的意義。這是我們所不希望的電弧是電力系統(tǒng)及電能利用工程中常見的物理現(xiàn)象.例如：隨處可見的電弧焊接、電弧煉鋼爐等利用電弧工作的用電設(shè)備；在電力系統(tǒng)中的開關(guān)電器，工作時觸頭間也會產(chǎn)生電弧。第3頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

1.電弧的概念當(dāng)開關(guān)電器開斷電路時，電壓和電流達(dá)到一定值時，觸頭剛剛分離后，觸頭之間就會產(chǎn)生強(qiáng)烈的白光，稱為電弧。

2.電弧的本質(zhì)電弧的實質(zhì)是一種氣體放電現(xiàn)象。

3.電弧放電的特征

（1）電弧溫度很高。（2）電弧是一種自持放電現(xiàn)象。（3）電弧是一束游離的的氣體。一、電弧的危害和特點不依賴外界電離條件，僅由外施電壓作用即可維持的一種氣體放電表面3000-4000度，弧心溫度可達(dá)10000度第4頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

4.電弧的危害（1）電弧的存在延長了開關(guān)電器開斷故障電路的時間，加重了電力系統(tǒng)短路故障的危害。（2）電弧產(chǎn)生的高溫，將使觸頭表面熔化和蒸化，燒壞絕緣材料。對充油電氣設(shè)備還可能引起著火、爆炸等危險。（3）由于電弧在電動力、熱力作用下能移動，很容易造成飛弧短路和傷人，或引起事故的擴(kuò)大。第5頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

1、強(qiáng)電場發(fā)射開關(guān)電器分閘的瞬間，由于動、靜觸頭的距離很小，觸頭間的電場強(qiáng)度就非常大，使觸頭內(nèi)部的電子在強(qiáng)電場作用下被拉出來，就形成強(qiáng)電場發(fā)射。

2、熱電子發(fā)射當(dāng)斷路器的動、靜觸頭分離時，觸頭間的接觸壓力及接觸面積逐漸縮小，接觸電阻增大，使接觸部位劇烈發(fā)熱，導(dǎo)致陰極表面溫度急劇升高而發(fā)射電子，形成熱電子發(fā)射。

二、電弧的形成第6頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

3、碰撞游離從陰極表面發(fā)射出的電子在電場力的作用下高速向陽極運動，在運動過程中不斷地與中性質(zhì)點（原子或分子）發(fā)生碰撞。當(dāng)高速運動的電子積聚足夠大的動能時，就會從中性質(zhì)點中打出一個或多個電子，使中性質(zhì)點游離，這一過程稱為碰撞游離。4、熱游離弧柱中氣體分子在高溫作用下產(chǎn)生劇烈熱運動，動能很大的中性質(zhì)點互相碰撞時，將被游離而形成電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為熱游離?；≈鶎?dǎo)電就是靠熱游離來維持的。

第7頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

斷路器斷開過程中電弧是這樣形成的。觸頭剛分離時突然解除接觸壓力，陰極表面立即出現(xiàn)高溫?zé)霟狳c，產(chǎn)生熱電子發(fā)射；同時，由于觸頭的間隙很小，使得電壓強(qiáng)度很高，產(chǎn)生強(qiáng)電場發(fā)射。從陰極表面逸出的電子在強(qiáng)電場作用下，加速向陽極運動，發(fā)生碰撞游離，導(dǎo)致觸頭間隙中帶電質(zhì)點急劇增加，溫度驟然升高，產(chǎn)生熱游離并且成為游離的的主要因素，此時，在外加電壓作用下，間隙被擊穿，形成電弧。上述是電弧形成的四個因素，實際上是個連續(xù)過程第8頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

電弧的去游離過程包括復(fù)合和擴(kuò)散兩種形式。

1.復(fù)合

復(fù)合是正、負(fù)帶電質(zhì)點相互結(jié)合變成不帶電質(zhì)點的現(xiàn)象。由于弧柱中電子的運動速度很快，約為正離子的1000倍，所以電子直接與正離子復(fù)合的幾率很小。一般情況下，先是電子碰撞中性質(zhì)點時，被中性質(zhì)點捕獲變成負(fù)離子，然后再與質(zhì)量和運動速度相當(dāng)?shù)恼x子互相吸引而接近，交換電荷后成為中性質(zhì)點。還有一種情況就是電子先被固體介質(zhì)表面吸附后，再被正離子捕獲成為中性質(zhì)點。三、帶點質(zhì)點的復(fù)合與擴(kuò)散第9頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五2.擴(kuò)散擴(kuò)散是弧柱中的帶電質(zhì)點逸出弧柱以外，進(jìn)入周圍介質(zhì)的現(xiàn)象。擴(kuò)散有三種形式：

（1）溫度擴(kuò)散，由于電弧和周圍介質(zhì)間存在很大溫差，使得電弧中的高溫帶電質(zhì)點向溫度低的周圍介質(zhì)中擴(kuò)散，減少了電弧中的帶電質(zhì)點；

（2）濃度擴(kuò)散，這是因為電弧和周圍介質(zhì)存在濃度差，帶電質(zhì)點就從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散，使電弧中的帶電質(zhì)點減少；

（3）利用吹弧擴(kuò)散，在斷路器中采用高速氣體吹弧，帶走電弧中的大量帶電質(zhì)點，以加強(qiáng)擴(kuò)散作用。第10頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

1.電弧溫度電弧是由熱游離維持的，降低電弧溫度就可以減弱熱游離，減少新的帶電質(zhì)點的的產(chǎn)生。同時，也減小了帶電質(zhì)點的運動速度，加強(qiáng)了復(fù)合作用。通過快速拉長電弧，用氣體或油吹動電弧，或使電弧與固體介質(zhì)表面接觸等，都可以降低電弧的溫度。

2.介質(zhì)的特性電弧燃燒時所在介質(zhì)的特性在很大程度上決定了電弧中去游離的強(qiáng)度，這些特性包括：導(dǎo)熱系數(shù)、熱容量、熱游離溫度、介電強(qiáng)度等。若這些參數(shù)值大，則去游離過程就越強(qiáng)，電弧就越容易熄滅。四、影響去游離的因素電弧的熄滅過程取決于發(fā)生游離和去游離過程第11頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

3.氣體介質(zhì)的壓力氣體介質(zhì)的壓力對電弧去游離的影響很大。因為，氣體的壓力越大，電弧中質(zhì)點的濃度就越大，質(zhì)點間的距離就越小，復(fù)合作用越強(qiáng)，電弧就越容易熄滅。在高度的真空中，由于發(fā)生碰撞的幾率減小，抑制了碰撞游離，而擴(kuò)散作用卻很強(qiáng)。因此，真空是很好的滅弧介質(zhì)。

4.觸頭材料觸頭材料也影響去游離的過程。當(dāng)觸頭采用熔點高、導(dǎo)熱能力強(qiáng)和熱容量大的耐高溫金屬時，減少了熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸汽，有利于電弧熄滅。

除了上述因素以外，去游離還受電場電壓等因素的影響。第12頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

定義：在直流電路中產(chǎn)生的電弧叫直流電弧1.電弧電壓分布圖電弧電壓＝陰極區(qū)壓降＋弧柱壓降＋陽極區(qū)壓降五、直流電弧的特性第13頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五2.電弧的伏安特性直流電弧的伏安特性直流電弧的穩(wěn)定燃燒第14頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五1.拉長電弧2.開斷電路時在電路中逐級串入電阻拉長電弧滅弧引入電阻滅弧直流電弧的熄滅方法第15頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五3.在斷口上裝滅弧柵4.冷卻電弧第16頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

在交流電路中，電流瞬時值隨時間變化，因而電弧的溫度、直徑以及電弧電壓也隨時間變化，電弧的這種特性稱為動特性。由于弧柱的受熱升溫或散熱降溫都有一定過程，跟不上快速變化的電流，所以電弧溫度的變化總滯后于電流的變化，這種現(xiàn)象稱為電弧的熱慣性。六、交流電弧的特性經(jīng)過分析，可見交流電弧在交流電流自然過零時將自動熄滅，但在下半周隨著電壓的增高，電弧又重燃。如果電弧過零后，電弧不發(fā)生重燃，電弧就此熄滅。第17頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五交流電弧的伏安特性第18頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

弧隙介質(zhì)能夠承受外加電壓作用而不致使弧隙擊穿的電壓稱為弧隙的介質(zhì)強(qiáng)度。當(dāng)電弧電流過零時電弧熄滅，而弧隙的介質(zhì)強(qiáng)度要恢復(fù)到正常狀態(tài)值還需一定的時間，此恢復(fù)過程稱之為弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過程。第19頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

電弧電流自然過零后，電路施加于弧隙的電壓，將從不大的電弧電壓逐漸增長，一直恢復(fù)到電源電壓，這一過程中的弧隙電壓稱為恢復(fù)電壓。

電壓恢復(fù)過程與線路參數(shù)、負(fù)荷性質(zhì)等有關(guān)?；謴?fù)電壓＝瞬態(tài)恢復(fù)電壓＋工頻恢復(fù)電壓第20頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五1.如果電源電壓恢復(fù)過程大于介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程，氣隙被擊穿，電弧重燃。2.如果電源電壓恢復(fù)過程低于介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程，電弧熄滅。電弧熄滅的條件：交流電弧的熄滅條件第21頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五交流電弧的熄滅方法第22頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

熄滅交流電弧的關(guān)鍵在于電弧電流過零后，弧隙的介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過程能否始終大于弧隙電壓的恢復(fù)過程。為了加強(qiáng)冷卻，抑制熱游離，增強(qiáng)去游離，在開關(guān)電器中裝設(shè)專用的滅弧裝置或使用特殊的滅弧介質(zhì)，以提高開關(guān)的滅弧能力。迅速拉長電弧，有利于迅速減小弧柱中的電位梯度，增加電弧與周圍介質(zhì)的接觸面積，加強(qiáng)冷卻和擴(kuò)散的作用。因此，現(xiàn)代高壓開關(guān)中都采取了迅速拉長電弧的措施滅弧，如采用強(qiáng)力分閘彈簧，其分閘速度已達(dá)16m/s以上。1、提高觸頭的分閘速度第23頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

每一相有兩個或多個斷口相串聯(lián)。在熄弧時，多斷口把電弧分割成多個相串聯(lián)的小電弧段。多斷口使電弧的總長度長，導(dǎo)致弧隙的電阻增加；在觸頭行程、分閘速度相同的情況下，電弧被拉長的速度成倍增加，使弧隙電阻加速增大，提高了介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度，縮短了滅弧時間。采用多斷口時，加在每一斷口上的電壓成倍減少，降低了弧隙的恢復(fù)電壓，亦有利于熄滅電弧。在要求將電弧拉到同樣的長度時，采用多斷口結(jié)構(gòu)成倍減小了觸頭行程，也就減小了開關(guān)電器的尺寸。2、采用多斷口第24頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五第25頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

3、吹弧

用新鮮而且低溫的介質(zhì)吹拂電弧時，可以將帶電質(zhì)點吹到弧隙以外，加強(qiáng)了擴(kuò)散，由于電弧被拉長變細(xì)，使弧隙的電導(dǎo)下降。吹弧還使電弧的溫度下降，熱游離減弱，復(fù)合加快。按吹弧氣流的產(chǎn)生方法和吹弧方向的不同，吹弧可分為以下幾種。

1.吹弧氣流產(chǎn)生的方法有：

（1）用油氣吹弧用油氣作吹弧介質(zhì)的斷路器稱為油斷路器。在這種斷路器中，有用專用材料制成的滅弧室，其中充滿了絕緣油。當(dāng)斷路器觸頭分離產(chǎn)生電弧后，電弧的高溫使一部分絕緣油迅速分解為氫氣、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳等氣體，其中氫的滅弧能力是空氣的7.5倍。這些油氣體在滅弧室中積蓄能量，一旦打開吹口，即形成高壓氣流吹弧。第26頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五（2）用壓縮空氣或六氟化硫氣體吹弧將20個左右大氣壓的壓縮空氣或5個大氣壓左右的六氟化硫氣體（SF6）先儲存在專門的儲氣罐中，斷路器分閘時產(chǎn)生電弧，隨后打開噴口，用具有一定壓力的氣體吹弧。（3）產(chǎn)氣管吹弧產(chǎn)氣管由纖維、塑料等有機(jī)固體材料制成，電弧燃燒時與管的內(nèi)壁緊密接觸，在高溫作用下，一部分管壁材料迅速分解為氫氣、二氧化碳等，這些氣體在管內(nèi)受熱膨脹，增高壓力，向管的端部形成吹弧。第27頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

2.按吹弧的方向分為：（1）縱吹吹弧的介質(zhì)（氣流或油流）沿電弧方向的吹拂稱為縱吹，縱吹能增強(qiáng)弧柱中的帶電質(zhì)點向外擴(kuò)散，使新鮮介質(zhì)更好地與熾熱電弧接觸，加強(qiáng)電弧的冷卻，有利于迅速滅弧。

（2）橫吹橫吹時氣流或油流的方向與觸頭運動方向是垂直的，或者說與電弧軸線方向垂直。橫吹不但能加強(qiáng)冷卻和增強(qiáng)擴(kuò)散，還能將電弧迅速吹彎吹長。有介質(zhì)滅弧柵的橫吹滅弧室，柵片能更充分地冷卻和吸附電弧，加強(qiáng)去游離。在相同的工作條件下，橫吹比縱吹效果要好。第28頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

第29頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

（3）縱橫吹橫吹滅弧室在開斷小電流時因室內(nèi)壓力太小，開斷性能較差。為了改善開斷小電流時的滅弧性能，可將縱吹和橫吹結(jié)合起來。在大電流時主要靠橫吹，小電流時主要靠縱吹，這就是縱橫吹滅弧室。第30頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五4、短弧原理滅弧

滅弧裝置是一個金屬柵滅弧罩，利用將電弧分為多個串聯(lián)的短弧的方法來滅弧。由于受到電磁力的作用，電弧從金屬柵片的缺口處被引入金屬柵片內(nèi)，一束長弧就被多個金屬片分割成多個串聯(lián)的短弧。如果所有串聯(lián)短弧陰極區(qū)的起始介質(zhì)強(qiáng)度或陰極區(qū)的電壓降的總和永遠(yuǎn)大于觸頭間的外施電壓，電弧就不再重燃而熄滅。采用缺口鐵質(zhì)柵片，是為了減少電弧進(jìn)入柵片的阻力，縮短燃弧時間。第31頁，共36頁，2022年，5月20日，11點44分，星期五

滅弧裝置的滅弧片