第5章-電器的電弧理論

第5章

電器的電弧理論福州大學(xué)許志紅王劍第5章電器的電弧理論5.1引言5.2氣體放電的物理基礎(chǔ)5.3電弧的物理特性5.4直流電弧的特性與熄滅原理5.5交流電弧的特性與熄滅原理5.6開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理5.1引言在大氣中開斷電路時(shí)：開斷電流＞0.25～1A；開斷電壓＞12～20V。在觸頭間隙通常會(huì)產(chǎn)生一團(tuán)溫度極高、發(fā)出強(qiáng)光、能夠?qū)щ姟⒔茍A柱形的氣體在開關(guān)電器中，電弧的存在具有兩重性：1、給電路中磁能的釋放提供通路，降低電路開斷時(shí)產(chǎn)生的過電壓或作為限流電阻串入電路；2、延遲電路開斷、燒損觸頭，嚴(yán)重時(shí)，可能引起開關(guān)電器著火和爆炸?！娀⊙芯侩娖麟娀〉姆椒ǚ抡妫簩?shí)驗(yàn)：從電弧機(jī)理和內(nèi)部現(xiàn)象出發(fā)，通過描述電弧微觀或者宏觀過程的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值方法實(shí)現(xiàn)電弧數(shù)學(xué)模型的求解，得到溫度場、流體場特性。直接觀測(cè)電弧的電、熱、磁、光等現(xiàn)象，獲得電弧形態(tài)、組分、溫度等特性，通過測(cè)量電弧電壓、電弧電流等外部特性，分析電弧所處金屬相或氣相階段，以及電弧運(yùn)動(dòng)特性。電弧微觀模型電弧宏觀模型5.2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電：弧隙中氣體由絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)的現(xiàn)象電?。簩?shí)質(zhì)上就是氣體放電的一種形式5.2.1電離和激勵(lì)物質(zhì)的原子——原子核+若干電子正常狀態(tài)下：電子按照一定的數(shù)量規(guī)律分布在其最低能級(jí)的軌道上激勵(lì)：受到外界的能量（熱、光、碰撞等）作用——電子吸收能量——克服原子核的吸引力——躍遷到更外層較高能級(jí)的軌道電離：若能量足夠大，電子跳出原子核的吸引力而成為自由電子，使原來的中性粒子變成正離子的現(xiàn)象電離能(Wyl):電離一個(gè)電子所需要的能量5.2.2氣體的電離方式電離氣體——含有帶電粒子（電子、正離子和負(fù)離子），能夠?qū)щ姷臍怏w電離度——帶電粒子占?xì)怏w粒子數(shù)的百分比。電離度越高，氣體的導(dǎo)電率越大表面發(fā)射:金屬電極表面在某種情況下，發(fā)射電子進(jìn)入弧隙空間電離:電極間氣體自身由絕緣狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)氣體電離方式熱發(fā)射場致發(fā)射光發(fā)射二次發(fā)射光電離電場電離熱電離表面發(fā)射熱發(fā)射：當(dāng)金屬的溫度升高時(shí)，其表面的自由電子可能獲得足夠的動(dòng)能，以超越金屬表面晶格電場造成的勢(shì)壘而逸出對(duì)于一個(gè)潔凈均勻的金屬電極表面，其飽和熱發(fā)射電流密度Jrf(A/cm2)為：表面發(fā)射場致發(fā)射(高電場發(fā)射)：當(dāng)金屬表面存在較高的電場強(qiáng)度(大于106V/cm)時(shí)，金屬表面勢(shì)壘厚度減小，自由電子可能在常溫下穿過勢(shì)壘(隧道效應(yīng))，逸出金屬的現(xiàn)象在溫度較高時(shí)，場致發(fā)射電流密度Jcf(A/cm2)為：光發(fā)射：光線和射線照到金屬表面時(shí)，引起電子逸出的現(xiàn)象二次發(fā)射：正離子以很高的速度撞擊陰極，或者電子、負(fù)電荷以很高的速度撞擊陽極時(shí)，引起金屬電極表面發(fā)射電子的現(xiàn)象空間電離光電離：中性粒子受到一定頻率的光照射而被電離的現(xiàn)象光的頻率v需滿足條件：

電場電離(碰撞電離)：帶電粒子在電場作用下加速，若動(dòng)能超過電離能，當(dāng)它在前進(jìn)過程中撞擊到另一中性粒子時(shí)，就可能使之電離粘合：電子碰撞中性粒子后，附著在上面構(gòu)成負(fù)離子的現(xiàn)象空間電離熱電離：氣體粒子由于高速熱運(yùn)動(dòng)相互碰撞而產(chǎn)生的電離當(dāng)溫度高達(dá)3000~4000K時(shí)，氣體的熱電離才顯著起來溫度越高，氣體的熱電離度x越高，其關(guān)系可用沙哈公式表示：

金屬蒸汽的電離能比一般氣體的小很多，相同溫度下，其電離度大于一般氣體在同一溫度下，當(dāng)氣體中含有金屬蒸汽時(shí)，其電離度提高，電導(dǎo)率增大。5.2.3氣體的消電離方式消電離——電離氣體中帶電粒子自身消失或者失去電荷變?yōu)橹行粤Ｗ拥默F(xiàn)象，叫做消電離復(fù)合:兩個(gè)帶有異號(hào)電荷的粒子相互作用，使電荷消失的現(xiàn)象。擴(kuò)散:帶電粒子由于熱運(yùn)動(dòng)，從濃度較高的區(qū)域向濃度較低的區(qū)域移動(dòng)的現(xiàn)象。消電離方式表面復(fù)合空間復(fù)合復(fù)合表面復(fù)合：電極表面、金屬表面、絕緣材料表面都會(huì)產(chǎn)生復(fù)合現(xiàn)象電極表面復(fù)合金屬表面復(fù)合絕緣材料表面復(fù)合圖5-2金屬表面的復(fù)合過程復(fù)合空間復(fù)合：可分為直接空間復(fù)合和間接空間復(fù)合直接空間復(fù)合：正離子和電子在空間相遇后形成一個(gè)中性粒子的過程間接空間復(fù)合：電子先和中性粒子粘合成負(fù)離子，再與正離子復(fù)合形成兩個(gè)中性粒子圖5-3間接空間復(fù)合過程擴(kuò)散擴(kuò)散：帶電粒子由于熱運(yùn)動(dòng)從濃度高區(qū)向濃度低區(qū)移動(dòng)的現(xiàn)象擴(kuò)散使電極間電離氣體中帶電粒子減少，而降低其電離度當(dāng)電離氣體中正負(fù)帶電粒子數(shù)相等（等離子體）時(shí)，擴(kuò)散必然是雙極擴(kuò)散——在同一時(shí)間內(nèi)，擴(kuò)散的正離子數(shù)和負(fù)帶電粒子數(shù)相等通過以上分析可知：氣體的電離與消電離與弧隙中氣體性質(zhì)、氣體壓力、電場強(qiáng)度、溫度等因素有關(guān)設(shè)電離氣體呈圓柱形，則擴(kuò)散使帶電粒子數(shù)密度降低的速度離子平衡方程式弧隙中的帶電粒子數(shù)隨時(shí)間的變化率為：式中，——弧隙中帶電粒子隨時(shí)間的變化率；——由于光、熱發(fā)射和電離作用，帶電粒子數(shù)的變化率；——由于擴(kuò)散作用，帶電粒子數(shù)的變化率；——由于復(fù)合作用，帶電粒子數(shù)的變化率；——由于電場、二次發(fā)射和電場電離作用，帶電粒子數(shù)的變化率弧隙中的離子平衡方程式離子平衡方程式——弧隙中的帶電粒子數(shù)隨時(shí)間增多。電離作用增強(qiáng)，電弧燃燒趨于熾烈；——弧隙中的帶電粒子數(shù)隨時(shí)間減少。電離作用減弱，電弧燃燒趨于熄滅；——弧隙中的帶電粒子數(shù)保持不變，電弧將穩(wěn)定燃燒因而，可根據(jù)的增減可用來來判別電弧燃燒情況：趨于熾烈、熄滅還是穩(wěn)定5.2.4氣體的放電特性在正常狀態(tài)下，氣體有良好的電氣絕緣性能。但當(dāng)在氣體間隙的兩端加上足夠大的電場時(shí)，就可能引起電流通過氣體以直流電路為例，研究電極1、電極2兩端的電壓U與流過間隙的電流I之間的關(guān)系——?dú)怏w放電間隙的伏安特性UI圖5-4直流電路圖5-5氣體放電間隙的伏安特性1、氣體放電間隙伏安特性按照放電的性質(zhì)不同，氣體放電間隙的伏安特性可分為兩個(gè)階段：非自持放電階段——OABC段自持放電階段——CDEF段非自持放電階段自持放電階段巴申曲線巴申曲線：電極間空氣的擊穿電壓與氣體壓強(qiáng)、極間距離的關(guān)系巴申曲線為什么會(huì)存在最低點(diǎn)？圖5-7銅電極與的關(guān)系湯遜理論可以解釋氣體間隙擊穿機(jī)理，但是，并不能很好的解釋長間隙氣體放電過程需要流注理論作為補(bǔ)充!!!5.3電弧的物理特性當(dāng)開斷的電流和電壓大于觸頭材料的最小生弧電流和最小生弧電壓(見表5-5和表5-6)時(shí)，氣隙中將產(chǎn)生電弧開斷電路時(shí)，電弧產(chǎn)生過程如下：5.3.1開斷電路時(shí)電弧的產(chǎn)生過程觸頭開始分離接觸面積減少電流密度增大金屬強(qiáng)烈發(fā)熱接觸處金屬熔化形成液態(tài)金屬橋液態(tài)金屬橋：蒸發(fā)進(jìn)入間隙陰極：電場發(fā)射弧隙：電場電離產(chǎn)生大量帶電粒子電子→陽極正離子→陰極電子→正離子陽極溫度上升陽極形成高電場陰極溫度上升弧隙溫度上升二次發(fā)射加劇金屬熱發(fā)射熱電離(主要)復(fù)合熱發(fā)射電導(dǎo)率上升電弧電壓下降電弧穩(wěn)定燃燒復(fù)合復(fù)合waiting......5.3.2電弧的近極區(qū)和弧柱區(qū)特性對(duì)于穩(wěn)定燃燒的直流電弧，電弧電壓沿弧長分布不均勻，可將其分為三個(gè)區(qū)域：近陰極(Cathode)區(qū)：C近陽極(Anode)區(qū)：A弧柱區(qū)：Z各個(gè)區(qū)域具有不同的特點(diǎn)圖5-10直流電弧特性示意圖近陰極區(qū)特點(diǎn)：聚集著大量的正離子構(gòu)成一個(gè)正空間電荷區(qū)電位有一急劇的改變長度約等于電子的平均自由行程(<10-4cm)電場強(qiáng)度很高(106~107V/m)利于二次發(fā)射和場致發(fā)射陰極區(qū)壓降Uc與觸頭材料和氣體介質(zhì)有關(guān)低沸點(diǎn)陰極材料：陰極區(qū)壓降約等于陰極材料蒸汽的電離電位高沸點(diǎn)陰極材料：陰極區(qū)壓降約等于氣體介質(zhì)的電離電位圖5-10直流電弧特性示意圖近陽極區(qū)特點(diǎn)：聚集著大量的電子構(gòu)成一個(gè)負(fù)空間電荷區(qū)電位也有一急劇的改變長度是近陰極區(qū)的幾倍電場強(qiáng)度比近陰極區(qū)小陰極區(qū)壓降Ua數(shù)值與陰極壓降數(shù)值相近，也與觸頭材料有關(guān)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，Uc、Ua隨I的變化不大，一般近似認(rèn)為是常數(shù)。合起來稱之為近極區(qū)壓降U0圖5-10直流電弧特性示意圖弧柱區(qū)特點(diǎn)：自由狀態(tài)下呈現(xiàn)圓柱形正負(fù)帶電粒子數(shù)相等，為等離子體不存在空間電荷，單位長度上的電壓降基本相等沿弧長的電場強(qiáng)度E可看成是常數(shù)電場強(qiáng)度E的大小與電極材料、電流大小、氣體介質(zhì)、氣壓、介質(zhì)對(duì)電弧的作用強(qiáng)烈程度等有關(guān)弧柱區(qū)壓降Uz為：圖5-10直流電弧特性示意圖其中，Ih——電弧電流；Rz——電弧電阻；——電弧長度根據(jù)弧柱區(qū)壓降在電弧電壓中所占的比例可將電弧分為長弧和短弧長?。簶O間距離較長，在中所占的比例較大，大致與E成正比短?。簶O間距離較短，在中所占的比例較小，針對(duì)長弧和短弧的特點(diǎn)，可引出相應(yīng)的滅弧方法：長弧滅弧法：提高弧柱區(qū)壓降，使電弧電壓上升，外電路電源不足以維持電弧燃燒的滅弧方法短弧滅弧法：提高近極區(qū)壓降，使電弧電壓升高，電弧熄滅的滅弧方法電弧電壓特性電弧電壓Uh為：近極區(qū)壓降：弧柱區(qū)壓降：一般常用觸頭材料，可認(rèn)為電弧長度近似等于極間距離5.3.3電弧的溫度電弧弧柱具有很高的溫度：>6000K任何材料與之長時(shí)間接觸都可能汽化，很難直接測(cè)量其溫度目前，研究電弧常用的手段：實(shí)驗(yàn)：通過電、磁、熱、光等現(xiàn)象，獲得電弧的形態(tài)、組份、溫度特性仿真：采用三維場域計(jì)算在開關(guān)電器中，一般認(rèn)為電弧的溫度在6000K~20000K時(shí)，電弧熾熱燃弧電弧的溫度在3000K~4000K時(shí)，電弧趨于熄滅由圖可知，電弧的中性面溫度最高， 離開中性面越遠(yuǎn)，弧柱溫度越低電弧溫度的影響因素：電弧電流電極材料、尺寸、形狀、放置位置介質(zhì)對(duì)電弧的作用方式圖5-11200A碳電極電弧的溫度場5.3.3電弧的溫度交流電弧時(shí)，弧柱溫度隨電流變化而變化，其特點(diǎn)為：不僅隨著電流有效值的增大而增大而且隨著電流相位角的變化而變化熱慣性：電弧溫度升高或降低，必須供給或從中散發(fā)一定的熱量，而熱量的供給或散發(fā)需要經(jīng)過一定的時(shí)間近極區(qū)的溫度受電極材料沸點(diǎn)的限制，低于弧柱溫度壓縮空氣縱吹的電弧5.3.4電弧的直徑與斑點(diǎn)電弧直徑：當(dāng)電弧電流給定時(shí)，弧柱都有一個(gè)極其明亮的呈圓柱形的邊界和直徑，即為電弧直徑計(jì)算電弧直徑的經(jīng)驗(yàn)公式(銅電極)：1.電弧的直徑大氣中自由燃弧大氣中橫向運(yùn)動(dòng)的電弧2.電弧的弧根與斑點(diǎn)弧根：弧柱貼近電極的部分斑點(diǎn)：弧根在電極表面上形成的圓形明亮點(diǎn)陰極斑點(diǎn)：陽極斑點(diǎn)：陰極和陽極斑點(diǎn)的溫度大致等于電極材料的沸點(diǎn)觸頭材料沸點(diǎn)低：燃弧時(shí)，弧隙中金屬蒸汽較多，不利于滅弧(交流)電流過零后，陰極熱發(fā)射電子的數(shù)量較少，對(duì)熄弧有利觸頭材料沸點(diǎn)高：燃弧時(shí)，弧隙中金屬蒸汽較少，有利熄弧(交流)電流過零后，陰極熱發(fā)射電子多，不利于滅弧金屬蒸汽對(duì)長弧影響較大；熱發(fā)射電子對(duì)短弧影響較大5.3.5電弧的能量電弧相當(dāng)于一純阻性的發(fā)熱元件電弧消耗功率可表示為：短?。弘娀」β蕮p耗變成的熱量主要是先傳給電極，然后由電極傳給其它零件和散向周圍介質(zhì)長?。弘娀」β蕮p耗變成的熱量主要是由弧柱散向周圍介質(zhì)弧柱散發(fā)的功率Pz有三種方式：熱傳導(dǎo)Pcd熱輻射Pfs熱對(duì)流Pdl即1.熱傳導(dǎo)散發(fā)的功率Pcd熱阻RT為：根據(jù)熱路法得熱傳導(dǎo)散發(fā)的功率：實(shí)際上，氣體的熱導(dǎo)率并不是常數(shù)，與溫度有關(guān)圖5-14氣體熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系電弧在氫氣和氮?dú)庵腥紵?，哪種氣體中的電弧更易熄滅？自由燃弧時(shí)，熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)散發(fā)的功率在同一數(shù)量級(jí)強(qiáng)迫吹弧時(shí)，對(duì)流散熱起主要作用橫吹：流體介質(zhì)運(yùn)動(dòng)方向與電弧軸線垂直縱吹：流體介質(zhì)運(yùn)動(dòng)方向與電弧軸線平行2.熱對(duì)流散發(fā)的功率Pdl橫吹圖5-15氣體被冷卻示意圖縱吹Pdl1與電弧縱截面積成正比Pdl2與電弧橫截面積成正比Pdl都與介質(zhì)吹弧速度成正比自由燃弧時(shí)，Pfs占總散發(fā)功率的百分之幾到十幾強(qiáng)迫冷卻時(shí)，Pfs可以忽略熱輻射散發(fā)的功率Pfs與弧柱體積成正比長弧時(shí)，電弧總散發(fā)功率Ps為：3.熱輻射散發(fā)的功率Pfs由電極散發(fā)由弧柱散發(fā)5.4直流電弧的特性與熄滅原理靜態(tài)伏安特性：電弧長度固定時(shí)，穩(wěn)定燃弧狀態(tài)(

)下測(cè)得的Uh-Ih的特性直流電弧的靜態(tài)伏安特性的影響因素：電弧長度、電極材料、氣體介質(zhì)種類、壓力、介質(zhì)相對(duì)電弧的運(yùn)動(dòng)速度常用經(jīng)驗(yàn)公式為：5.4.1直流電弧的伏安特性圖5-16直流電路圖5-17

直流電弧的靜態(tài)伏安特性S1S2S1、S2哪個(gè)更大？5.4.1直流電弧的伏安特性動(dòng)態(tài)伏安特性：電弧長度固定，Ih按一定的速度變化，Uh隨之變化時(shí)，測(cè)得的Uh-Ih特性電弧在I1穩(wěn)定燃燒圖5-18

直流電弧的動(dòng)態(tài)伏安特性I1I2I31023456AAIhUh曲線1-3和1-5稱為電流以某一速度變化時(shí)的電弧動(dòng)態(tài)伏安特性直線0-1-2稱為電流變化速度為無窮大時(shí)的電弧動(dòng)態(tài)伏安特性曲線A-A為直流電弧靜態(tài)福安特性5.4.2直流電弧的熄滅原理研究開關(guān)電弧的目的是為了熄滅電弧據(jù)圖，電路方程為：圖5-19

帶有電弧的直流電路C為折算到弧隙兩端的線路電容，通常數(shù)值很小，當(dāng)電弧電壓變化不快時(shí)，可忽略電弧伏安特性電路伏安特性5.4.2直流電弧的熄滅原理點(diǎn)1和點(diǎn)2：Ih不隨時(shí)間變化，為常數(shù)(即為電路方程的解)圖5-20

直流電弧熄滅原理I1I21O2AAIhUhabcE電弧真的可以在I1和點(diǎn)I2處穩(wěn)定燃燒嗎？希望電弧熄滅，需要采取一些措施使點(diǎn)2不存在5.4.2直流電弧的熄滅原理可從兩方面采取措施，促使電弧迅速熄滅：一、增大電阻R，使a(a=arctanR)增大，直線ac移到虛線的位置，不與曲線A-A相交，因而電弧不能維持而趨于熄滅二、提高電弧的靜態(tài)伏安特性曲線A-A到虛線的位置，使之不與直線ac相交，這樣，電弧也趨于熄滅圖5-21

滅弧措施I1I21O2IhUhabcE增大R的方法熄弧時(shí)，在電路中串入另一電阻提高Uh方法增大近極區(qū)壓降U0增大電弧長度l增大弧柱區(qū)的電場強(qiáng)度E5.4.3直流電弧的能量與熄弧過電壓燃弧時(shí)間：從觸頭分開產(chǎn)生電弧到電弧熄滅的時(shí)間滿足熄弧條件時(shí)，電弧也不會(huì)立即熄滅弧柱具有熱慣性：電弧中的能量泄放需要一定的時(shí)間電路存在電感：電感L越大，儲(chǔ)能就越多，弧隙需要散發(fā)的能量就越多，電弧就越難熄滅直流電弧能量的計(jì)算：1.直流電弧的能量帶有電弧的直流電路其中，trh為燃弧時(shí)間；Ih0為電弧開始產(chǎn)生時(shí)的電流等式兩邊各乘以Ihdt，然后進(jìn)行積分得電弧消耗的能量電源供給的能量電阻消耗的能量電感儲(chǔ)存的能量2.直流電弧熄滅時(shí)的過電壓當(dāng)燃弧時(shí)間過短時(shí)，電路電感中會(huì)產(chǎn)生很大的自感電動(dòng)勢(shì)，從而形成過電壓：若沒有采取過電壓限制措施，不可過分減少燃弧時(shí)間過電壓計(jì)算：通常在電流過零時(shí)，過電壓最大L越大，Ugmax越大弧隙的消電離作用越強(qiáng)，Ugmax越大圖5-25

開斷電感性負(fù)載時(shí)的波形<02.直流電弧熄滅時(shí)的過電壓截流：弧隙的消電離作用過分強(qiáng)烈時(shí)，可能發(fā)生電弧電流小到某一數(shù)值時(shí)，電弧電流被強(qiáng)行截?cái)嚯娀‰娏鹘財(cái)嗪?，電感電流不能突變圖5-26

UC或Ug的衰減過程Iht截?cái)嚯娏鱅0IL不能突變電流經(jīng)過C導(dǎo)通截流過電壓2.直流電弧熄滅時(shí)的過電壓根據(jù)能量平衡原理得當(dāng)振蕩電流過零時(shí)，電場能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌瞿芰?，UC(Ug)達(dá)到最大值：其中，I0——電弧電流被截?cái)鄷r(shí)的瞬時(shí)值；U0——電流截?cái)鄷r(shí)弧隙兩端的電壓值；Ugmax、UCmax——分別為弧隙兩端、電容C上的電壓峰值2.直流電弧熄滅時(shí)的過電壓開斷感性負(fù)載的限制過電壓措施負(fù)載兩端反并聯(lián)續(xù)流二極管VDI主弧隙K1兩端增加并聯(lián)輔助弧隙K2圖5-27

限制過電壓措施a)b)5.5交流電弧的特性與熄滅原理假定：ih隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，且ih過零期間Rh為一有限值5.5.1交流電弧的伏安特性圖5-28

交流電弧伏安特性交流電弧電壓和電流的波形假定：ih過零期間，Rh為有限值ih為正弦波形，與負(fù)載無關(guān)uh隨時(shí)間的波形呈現(xiàn)馬鞍形UrhUxhRh|ih→0≠∞Urh>Uxh圖5-30

電弧電壓隨時(shí)間變化波形實(shí)際上：ih和uh的波形受負(fù)載影響交流電弧電壓和電流的波形阻性負(fù)載：ih與電源電壓u同相，ih過零時(shí)u也過零Uxh之后，Urh之前：Rh迅速增大，uh等于u的瞬時(shí)值，ih=u/Rh很小Urh之后，Uxh之前：uh按動(dòng)態(tài)伏安特性變化圖5-32a

交流電弧電壓和電流波形——阻性負(fù)載圖5-31

帶有電弧的交流電路交流電弧電壓和電流的波形感性負(fù)載：ih落后電源電壓u大約90°，ih過零時(shí)u大約處于幅值0→Urh：uh以很高的速度從0趨向u的幅值(比阻性負(fù)載快的多)Urh出現(xiàn)較早，弧隙通過大負(fù)載電流的時(shí)間提前Uxh→

0：uh由電感的反電勢(shì)維持，按照電弧的動(dòng)態(tài)伏安特性變化圖5-32b

交流電弧電壓和電流波形——感性負(fù)載圖5-31

帶有電弧的交流電路在Urh之前和Uxh之后：感性負(fù)載下，uh的變化速度比電阻負(fù)載快得多交流電弧電壓和電流的波形在開斷同一電流時(shí)，電阻性負(fù)載電路中的電弧比電感性負(fù)載電路中的電弧容易熄滅直流時(shí)：電感中儲(chǔ)存的能量，不利于電弧的熄滅交流時(shí)：阻性負(fù)載中，在ih過零后，uh電壓上升緩慢，更利于電弧冷卻、變細(xì)，Rh將更加增大，提高Urh，使電弧更易熄滅交流電弧比直流電弧更容易熄滅交流電弧有自然過零點(diǎn)在ih過零附近一段時(shí)間內(nèi)，弧柱變冷、變細(xì)，甚至熄滅電弧自然過零熄滅時(shí)，電感中的能量趨近于零，不易產(chǎn)生過電壓感性負(fù)載阻性負(fù)載5.5.2交流電弧對(duì)電路的影響零休現(xiàn)象：交流電弧中，在ih過零前后一段時(shí)間內(nèi)，Rh變得相當(dāng)大，ih偏離正弦形，而是等于uh和Rh的比值，與負(fù)載電流相比，近似可以認(rèn)為是零的現(xiàn)象交流時(shí)，阻性負(fù)載電路的電弧比感性負(fù)載電路的更易熄滅阻性負(fù)載中的電弧零休時(shí)間更長，更利于電弧熄滅1.電弧電壓對(duì)交流電路電流的影響感性負(fù)載阻性負(fù)載1.電弧電壓對(duì)交流電路電流的影響電流過零時(shí)的下降速度感性電路中，電弧電流過零時(shí)的變化率為：電路中不存在電?。弘娐分写嬖陔娀。浩渲?，ih——電弧電流；Um——電源電壓幅值；L——電路電感；Uxh——熄弧尖峰Uxh使電流過零時(shí)的速度增大，電弧在過零前的冷卻時(shí)間縮短，從這一點(diǎn)來看，不利于電弧的熄滅感性負(fù)載1.電弧電壓對(duì)交流電路電流的影響限流作用：uh與u可比擬時(shí)，電弧的限流作用才較顯著假定：電源電壓剛好處于幅值(y=90°)時(shí)，線路發(fā)生短路，短路電流中將不存在非周期分量(便于分析)在t=t1(t1<0.005s)時(shí)，開關(guān)觸頭以速度v分開采用疊加原理計(jì)算此時(shí)短路電流的波形：=+t≥0t≥t1圖5-34電弧電壓隨著時(shí)間增長時(shí)的短路電流計(jì)算a)交流電路b)計(jì)算電路1c)計(jì)算電路2y=p/2

發(fā)生短路短路電流波形根據(jù)得到的i、、，可畫出對(duì)應(yīng)的波形：由于電弧電壓的作用，減小了短路電流峰值，縮短了第一個(gè)半波的時(shí)間，稱為限流作用限流峰值：i的幅值限流系數(shù)：i與的幅值之比限流的作用：減小短路電流的熱和電動(dòng)力作用應(yīng)用：常用于低壓開關(guān)電器，在高壓開關(guān)電器中作用不明顯圖5-35電流波形1.電弧電壓對(duì)交流電路電流的影響減小電路的功率因數(shù)角j感性電路若無電弧，功率因數(shù)角為：若有電弧，相當(dāng)于電路中串入了電阻，功率因數(shù)角減?。簣D5-36

電弧電壓對(duì)電路功率因數(shù)的影響a)b)其中，Um——電源電壓u的幅值Uk——電弧電壓uh為常數(shù)2.交流電弧能量計(jì)算開斷交流電路時(shí)，弧隙中放出能量的多少對(duì)開關(guān)電器的工作性能有很大的影響：計(jì)算交流電弧能量Wh的基本公式為假定：ih為一幅值不變的正弦電流：ih=Imsinwt弧柱電場強(qiáng)度E為常數(shù)(忽略Urh和Uxh)，則uh=El+U0ts、tx

分別為燃弧時(shí)刻和熄弧時(shí)刻其中，n——燃弧半波數(shù)np——積分上限，大部分交流電弧總是在電流過零時(shí)熄滅5.5.3交流電弧的介質(zhì)恢復(fù)過程在交流電流過零后，弧隙中和弧隙上同時(shí)進(jìn)行著兩個(gè)相互聯(lián)系的過程：介質(zhì)恢復(fù)過程：弧隙中電離氣體從導(dǎo)體狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣狀態(tài)，使弧隙能夠承受電壓作用而不發(fā)生電弧重燃的過程，可用介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度ujf來表示電壓恢復(fù)過程：電源電壓加到弧隙兩端觸頭上的過程，可用恢復(fù)電壓uhf來表示電弧熄滅與否，取決于這兩個(gè)過程的“競爭”：ujf

總是大于

uhf

，電弧趨于熄滅ujf

某一瞬間小于uhf，電弧可能重燃1.介質(zhì)恢復(fù)過程介質(zhì)恢復(fù)過程在近陰極區(qū)和弧柱區(qū)情況不同近陰極區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過程：ih過零前：電極極性為左正右負(fù)ih過零瞬間：弧隙電壓也過零，正負(fù)粒子因熱運(yùn)動(dòng)而均勻分布ih過零后：電極極性變成左負(fù)右正，電子迅速向新陽極運(yùn)動(dòng)，在陰極附近形成正空間電荷層，在陰極表面作用一個(gè)電場E過零后過零前+-+++---+-+++---+-+-++++--++++--+-+-++++過零瞬間電流過零電極E正空間電荷層近陰極區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過程陰極效應(yīng)：弧隙在電流過零后立即獲得一定耐壓強(qiáng)度的現(xiàn)象介質(zhì)初始恢復(fù)強(qiáng)度Ujf0：電流過零后弧隙立即能夠承受的電壓數(shù)值與電弧電流和電流過零瞬間陰極的溫度有關(guān)過零后++++--++++--+-+-++++ExEE00lU0Ujx近陽極區(qū)：電子匯集的場所，對(duì)介質(zhì)恢復(fù)過程一般不起作用1.介質(zhì)恢復(fù)過程弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過程電流過零后，一般電弧的熄滅都要經(jīng)過兩個(gè)階段：熱擊穿階段：Rh≠∞，加上電壓后，弧隙中可以流過電流電擊穿階段：Rh→∞，但由于介質(zhì)溫度較高，弧隙耐壓強(qiáng)度低2.介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性弧隙介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性：弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度ujf隨時(shí)間t變化的關(guān)系低壓電器中，弧隙的介質(zhì)恢復(fù)過程可分為三步：電流過零開始，到陰極斑點(diǎn)冷卻至不足以熱發(fā)射電子近極區(qū)逐漸冷卻整個(gè)弧柱區(qū)冷卻到3000~4000K以下，熱電離基本停止2.介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性電弧熄滅與否的關(guān)鍵階段：電流過零后0~300ms內(nèi)(對(duì)于低壓開關(guān)電器)弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度ujf為：其中，Ujf0——介質(zhì)初始恢復(fù)強(qiáng)度(V)；Kjf——介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度的上升速度(V/s)；t——從電流過零時(shí)計(jì)起(s)圖5-38

介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性a)小電流b)大電流初始介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度Ujf0的影響因素Ujf0隨開斷電流I0的增加而下降I0↑→弧柱溫度Th↑，直徑dh↑→電流過零后，新陰極受溫度↑→熱發(fā)射↑

→陰極效應(yīng)↓→Ujf0↓觸頭材料對(duì)Ujf0的影響觸頭材料沸點(diǎn)越高，新陰極(原陽極)斑點(diǎn)的溫度就越高(原陽極斑點(diǎn)溫度約等于材料沸點(diǎn))，Ujf0越低觸頭材料熱導(dǎo)率越大，電流過零后，新陰極冷卻就越迅速，Ujf0越高介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度上升速度Kjf的影響因素Kjf0與I0有關(guān)，但主要決定于弧柱的冷卻情況I0<70~80A：I0↑

→弧柱溫度Th↑，直徑dh↑→Kjf↓I0>70~80A：Kjf隨I0增大有所上升，隨后趨于一恒定值低壓開關(guān)電器中，觸頭開距小，弧隙間的電弧不可避免的要受到觸頭回路磁場產(chǎn)生的電動(dòng)力的影響隨著弧長的增大，ujf有所下降ujf的增長主要由近極區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度所決定弧長較短時(shí)：弧隙中含有的熱量較少——近極區(qū)的熱量容易傳向電極而散發(fā)——ujf增長較快弧長較長時(shí)：弧柱中的熱量向近極區(qū)傳送——近極區(qū)的溫度下降較慢——ujf的增長也較慢圖5-41a)不同弧長下ujf隨時(shí)間變化規(guī)律弧長：1——5mm2——12mm3——24mm弧長對(duì)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度ujf的影響高壓開關(guān)電器中，弧隙的ujf主要依賴于滅弧介質(zhì)對(duì)弧柱的冷卻和消電離作用氣體介質(zhì)中，電流過零后隔一定時(shí)間ujf才開始上升真空中，ujf在電流過零后立即具有很高的數(shù)值介質(zhì)滅弧能力：真空>SF6>壓縮空氣(N2)>變壓器油(H2)滅弧介質(zhì)對(duì)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度ujf的影響根據(jù)電流過零后，弧隙上是否施加電壓，可將介質(zhì)恢復(fù)過程分為兩種：固有介質(zhì)恢復(fù)過程：弧隙上不加電壓時(shí)的介質(zhì)恢復(fù)過程ujf隨t變化的關(guān)系稱為固有介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性(或稱自由恢復(fù)強(qiáng)度特性)在給定的弧隙介質(zhì)條件下，ujf~t特性僅有一條實(shí)際介質(zhì)恢復(fù)過程：弧隙上施加某一電壓是的介質(zhì)恢復(fù)過程ujf隨t變化的關(guān)系稱為實(shí)際介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性，隨所加電壓的大小和波形不同而不同在給定的弧隙介質(zhì)條件下，ujf~t特性有很多條介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度過程分類5.5.4交流電弧的電壓恢復(fù)過程電壓恢復(fù)過程：電流過零，電弧熄滅后，弧隙兩端的電壓將由零或反向電弧電壓上升到此時(shí)的電源電壓的過程恢復(fù)電壓uhf：電壓恢復(fù)過程中弧隙上的電壓若穩(wěn)態(tài)分量僅為工頻電壓，則稱為工頻恢復(fù)電壓包含暫態(tài)分量的恢復(fù)電壓，常稱為瞬態(tài)恢復(fù)電壓1.恢復(fù)電壓的組成部分時(shí)間短、頻率高、對(duì)熄弧影響大恢復(fù)電壓穩(wěn)態(tài)分量暫態(tài)分量工頻電壓直流電壓開斷不同性質(zhì)負(fù)載的恢復(fù)電壓阻性負(fù)載：ih與u同相，ih過零，u也過零uhf在由零按正弦波形上升uhf只有工頻恢復(fù)電壓，無暫態(tài)分量圖5-42a)開斷電阻性負(fù)載電路時(shí)弧隙上恢復(fù)電壓的變化情況開斷不同性質(zhì)負(fù)載的恢復(fù)電壓感性負(fù)載：ih落后u約90°，ih過零時(shí)，u約處于反向幅值理論上：

ih過零，電弧熄滅后，uhf將從零躍升到u的幅值實(shí)際上：由于弧隙兩端等效電容的存在，uhf將按一快速過渡過程上升，然后再按工頻電壓變化uhf含有穩(wěn)態(tài)分量(工頻電壓)和暫態(tài)分量，為瞬態(tài)恢復(fù)電壓uhf的上升速度：感性負(fù)載>電阻負(fù)載圖5-42b)開斷電感性負(fù)載電路時(shí)弧隙上恢復(fù)電壓的變化情況開斷不同性質(zhì)負(fù)載的恢復(fù)電壓容性負(fù)載：ih超前u約90°，ih過零時(shí)，u約處于幅值ih過零時(shí)，電容C被充電到約為u的幅值；電弧熄滅后，uC保持為u的幅值uhf隨u變化，最大值可達(dá)到約兩倍u的幅值uhf無暫態(tài)分量，穩(wěn)態(tài)分量為直流電壓(電容電壓uC)與工頻電壓之和圖5-42c)開斷電容性負(fù)載電路時(shí)弧隙上恢復(fù)電壓的變化情況開斷不同性質(zhì)負(fù)載的恢復(fù)電壓實(shí)際情況中，開關(guān)電器多是工作與非電容性電路的開斷電感性負(fù)載電路對(duì)弧隙的要求遠(yuǎn)比開斷電阻性負(fù)載電路更高一般電網(wǎng)中短路電流的性質(zhì)都是電感性的因此，除特殊情況外，開關(guān)電器滅弧裝置的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)都以開斷電感性電路為準(zhǔn)阻性負(fù)載感性負(fù)載容性負(fù)載開斷電感性負(fù)載時(shí)的工頻恢復(fù)電壓開斷感性電路時(shí)，uhf的穩(wěn)態(tài)分量即為工頻恢復(fù)電壓ihf過零瞬間工頻恢復(fù)電壓的瞬時(shí)值Ugo為影響線路因數(shù)Kx的因素有：被開斷電路的相數(shù)每相電路的弧隙數(shù)弧隙在電路中的工作情況Kx與線路的關(guān)系開斷一相單弧隙電路弧隙上的工頻電壓為相電壓Kx=1開斷兩相兩弧隙電路兩弧隙上的工頻電壓為線電壓理論上：實(shí)際上： (兩弧隙工作情況不一樣)圖5-43不同開斷情況下線路因數(shù)的確定a)開斷一相單弧隙電路b)開斷兩相兩弧隙電路Kx與線路的關(guān)系開斷電源和負(fù)載中性點(diǎn)都不接地的三相三弧隙電路存在電流先過零的首開相(設(shè)A相)弧隙兩端電位：一個(gè)與A相電壓同電位；另一個(gè)與m點(diǎn)同相位首開相承受的工頻電壓為1.5倍相電壓Kx=1.5電源或負(fù)載有一方中性點(diǎn)接地的情況，線路因數(shù)Kx也為1.5圖5-43不同開斷情況下線路因數(shù)的確定c)開斷電源和負(fù)載中點(diǎn)不接地三相三弧隙電路Kx與線路的關(guān)系開斷電源和負(fù)載中性點(diǎn)都接地的三相三弧隙電路首開相(設(shè)A相)電流先過零電源和負(fù)載中性點(diǎn)的接地阻抗非無窮大負(fù)載側(cè)觸頭的電位點(diǎn)落在0、m的連線上1<Kx<1.5三相開關(guān)電器中，每相弧隙都應(yīng)按Kx=1.5進(jìn)行考核在超高壓電網(wǎng)中，可取Kx=1.3圖5-43不同開斷情況下線路因數(shù)的確定d)開斷電源和負(fù)載中點(diǎn)都接地三相三弧隙電路2.理想弧隙的電壓恢復(fù)過程電流過零后極短時(shí)間(幾百微秒)內(nèi)，弧隙上恢復(fù)電壓的幅值和波形與兩方面參數(shù)有關(guān)電路參數(shù)：接線方式、集中或分布的電感、電容、電阻電弧參數(shù)：電弧電壓、剩余電阻理想弧隙過零前：Rh=0過零后：Rh→∞為了便于分析，進(jìn)行兩點(diǎn)簡化：電路為純電感，電流落后電源電壓90°電壓恢復(fù)過程時(shí)間很短，在此期間電源電壓變化很小，忽略不計(jì)(1)開斷單頻電路時(shí)弧隙電壓恢復(fù)過程由基爾霍夫定律得：圖5-44等效電路圖a)單頻電路b)等效電路L：整個(gè)回路的等效電感C：折算到弧隙兩端的等效電容R：等效電阻Rs：電弧電阻(也稱為剩余電阻)特征根為：對(duì)t微分二階常系數(shù)齊次微分方程2.理想弧隙的電壓恢復(fù)過程(1)開斷單頻電路時(shí)弧隙電壓恢復(fù)過程特征方程的判別式為：當(dāng)△>0時(shí)，特征方程具有兩個(gè)不相等的實(shí)數(shù)根

初始條件：t=0時(shí)，iC=0，uhf=-Uxh；t=時(shí)，uhf=Ugm，a1<<a2

此時(shí)，恢復(fù)電壓呈現(xiàn)非周期變化過程圖5-45非周期變化過程(1)開斷單頻電路時(shí)弧隙電壓恢復(fù)過程當(dāng)△<0時(shí)，特征方程具有兩個(gè)共軛虛根衰減系數(shù)為： ；振蕩角頻率為：

恢復(fù)電壓呈現(xiàn)周期變化過程圖5-46周期變化過程理想弧隙：Rs=∞當(dāng)△=0時(shí)，特征方程具有兩個(gè)相等的實(shí)數(shù)根，為臨界狀態(tài)僅考慮剩余電阻Rs，認(rèn)為R=0，則臨界剩余電阻為：Rs具有兩重性：當(dāng)Rs<Rs0時(shí)，uhf呈非周期過程變化，電弧容易熄滅。而Rs小也說明弧隙溫度比較高，介質(zhì)恢復(fù)過程慢，又不利于電弧熄滅若Rs大，弧隙的恢復(fù)電壓將呈現(xiàn)周期性變化，uhf較高，不利于熄弧僅考慮線路電阻R，認(rèn)為Rs=∞，則臨界電阻為：R也具有兩重性：當(dāng)R>Rk0時(shí)，uhf呈非周期過程變化，電弧容易熄滅。而線路電阻是一個(gè)耗能元件，希望其越小越好若R很小，弧隙中的恢復(fù)電壓呈現(xiàn)周期振蕩變化，造成電弧熄滅困難(1)開斷單頻電路時(shí)弧隙電壓恢復(fù)過程實(shí)際開斷單頻電路短路電流時(shí)，uhf大多數(shù)為振蕩波形單頻振蕩的電壓恢復(fù)過程常用二參數(shù)法描述其特征低壓開關(guān)電器中：當(dāng)t=tm=p/w0時(shí)，可得：振幅因數(shù)振蕩頻率描述恢復(fù)電壓幅值的大小描述恢復(fù)電壓上升速度的快慢固有振幅因數(shù)，一般1≤g≤2(1)開斷單頻電路時(shí)弧隙電壓恢復(fù)過程高壓開關(guān)電器中：用恢復(fù)電壓峰值Uc和峰值時(shí)間t3描述特性Uc和t3的求取方法：過點(diǎn)O作一直線OB與uhf曲線相切過uhf曲線峰值作一水平切線AC，與直線OB相交與點(diǎn)AA點(diǎn)的縱坐標(biāo)即為恢復(fù)電壓峰值Uc；A點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為峰值時(shí)間t3圖5-47高壓開關(guān)而參數(shù)取值BACUct3td標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了用參數(shù)時(shí)延td來描述uhf曲線起始上升部分的凹度作一與OA平行的直線和uhf曲線的凹部相切，該切線與橫坐標(biāo)相交的時(shí)間點(diǎn)即為td(1)開斷單頻電路時(shí)弧隙電壓恢復(fù)過程(2)開斷多頻電路時(shí)弧隙電壓恢復(fù)過程在多數(shù)實(shí)際情況下，開關(guān)電器開斷的是雙頻或多頻電路雙頻電路一次側(cè)發(fā)生短路，短路電流由開關(guān)S1開斷uhf包含兩個(gè)頻率的暫態(tài)分量，設(shè)R1=R2=∞時(shí)：二次側(cè)發(fā)生短路，短路電流由開關(guān)S2開斷uhf也包含兩個(gè)頻率的暫態(tài)分量，但其計(jì)算公式很復(fù)雜，需要查閱相關(guān)手冊(cè)在其他更復(fù)雜的電網(wǎng)接線中，uhf可能包含更多頻率的暫態(tài)分量圖5-48雙頻電路a)電路圖b)一次側(cè)短路時(shí)的等效電路2.理想弧隙的電壓恢復(fù)過程c)二次側(cè)短路時(shí)的等效電路(2)開斷多頻電路時(shí)弧隙電壓恢復(fù)過程對(duì)多頻振蕩的恢復(fù)電壓，采用四參數(shù)法來表征其特性第一波幅值U1、第一波幅時(shí)間t1、峰值Uc、峰值時(shí)間t2求取U1、U2、t1、t2的方法：圖5-50四參數(shù)法作一直線OB與uhf相切再過uhf峰值作一水平切線AC然后再作一斜線AB與uhf在D點(diǎn)相切，且所構(gòu)成的帶有陰影的面積相等B點(diǎn)的縱、橫坐標(biāo)即為U1、t1；A點(diǎn)的縱、橫坐標(biāo)即為Uc、t2BACD5.5.5交流電弧的熄滅條件電壓熄滅與否取決于介質(zhì)恢復(fù)過程和電壓恢復(fù)過程的“競爭”固有特性固有ujf特性：未考慮uhf時(shí)的ujf特性固有uhf特性：弧隙剩余電阻Rs=∞時(shí)的uhf特性實(shí)際上，介質(zhì)恢復(fù)過程和電壓恢復(fù)過程同時(shí)進(jìn)行，相互影響兩者相互影響的結(jié)果：使ujf和uhf特性的高度都降低熄滅條件：電流過零后，弧隙實(shí)際ujf特性總高于實(shí)際uhf特性固有特性實(shí)際特性電弧1、電弧2誰熄滅，誰重燃?弧隙1弧隙2圖5-51ujf特性與uhf特性剩余電阻Rs的“兩重性”剩余電阻Rs是聯(lián)系介質(zhì)恢復(fù)過程和電壓恢復(fù)過程的基本參數(shù)，具有二重性能：負(fù)面作用：Rs的存在說明弧柱的冷卻作用不夠，弧隙的ujf增長不快，不利于熄弧正面作用：使電路的uhf特性降低，有助于電弧的熄滅在開關(guān)電器開斷能力試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的是試驗(yàn)電路的固有uhf特性，而不是實(shí)際uhf特性重燃原因的判定可根據(jù)實(shí)際uhf波形和剩余電流is波形來判定重燃是熱擊穿階段還是電擊穿階段的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度不夠a)有剩余電流，不擊穿b)熱擊穿圖5-52實(shí)際恢復(fù)電壓和剩余電流的波形c)電擊穿d)有剩余電流，電擊穿交流弧隙上各參數(shù)的綜合波形電弧燃燒共約三個(gè)半波圖5-53開斷交流電路時(shí)弧隙上各參數(shù)的綜合波形5.6開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理在大氣中分開觸頭，以拉長電弧使電弧熄滅的方法原理：電弧拉長后，電弧電壓就增大，其靜態(tài)伏安特性向上移動(dòng)，高于電路特性時(shí)，電弧就趨于熄滅，屬于長弧滅弧法臨界長度llj：使電弧恰好熄滅所需的電弧長度開斷交流電弧所需的臨界長度比開斷直流電弧時(shí)的小交流情況下，電弧電流有自然過零點(diǎn)5.6.1簡單開斷I1I21O2IhUhac拉長電弧的方向：切向：沿電弧軸向，靠觸頭分開拉長電弧法向：沿垂直于弧軸的方向，靠電磁力使電弧彎曲來拉長電弧法向拉弧不僅增加電弧長度，還時(shí)電弧橫向運(yùn)動(dòng)，受空氣冷卻，滅弧效果較好，被廣泛應(yīng)用于低壓開關(guān)電器中刀開關(guān)同時(shí)利用了觸頭分開運(yùn)動(dòng)切向拉弧和導(dǎo)電回路產(chǎn)生的磁場法向拉弧閘刀1向下扳動(dòng)——靜觸頭2和閘刀1之間產(chǎn)生電弧3——電弧一方面被閘刀沿軸向拉長——另一方面受回路電動(dòng)力作用向上運(yùn)動(dòng)5.6.1簡單開斷圖5-54沿切向和法向拉長電弧圖5-55刀開關(guān)中的電弧情況1-閘刀2-靜觸頭3-電弧電磁式交流接觸器結(jié)構(gòu)示意圖交流接觸器觸頭系統(tǒng)采用了雙斷點(diǎn)橋式觸頭系統(tǒng)動(dòng)觸頭2與靜觸頭1分離時(shí)，在兩個(gè)弧隙中產(chǎn)生兩個(gè)串聯(lián)的電弧電弧一方面沿切向拉長；另一方面電磁場產(chǎn)生的電動(dòng)力沿法向運(yùn)動(dòng)還有的觸頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)成引弧角形狀觸頭分開產(chǎn)生電弧時(shí)，弧根在磁場作用下迅速移至引弧角3上燃燒不僅使電弧迅速拉長、冷卻，還可大大減小電弧對(duì)觸頭的燒損5.6.1簡單開斷圖5-57電動(dòng)力吹弧示意圖1-靜觸頭 2-動(dòng)觸頭 3-引弧角磁吹線圈產(chǎn)生附加磁場，使電弧迅速移動(dòng)和拉長磁吹線圈1由幾匝粗導(dǎo)體繞成，與靜觸頭7相串聯(lián)，稱為串聯(lián)磁吹鐵心2和鋼夾板5形成導(dǎo)磁回路，減小了磁路的磁阻磁通方向與弧軸垂直，電弧4在電動(dòng)力作用下轉(zhuǎn)移至引弧角上燃燒串聯(lián)磁在開斷直流和交流電路時(shí)均適用在開斷交流電路時(shí)，為了減小渦流損耗和避免由于鋼夾板中磁通與電弧電流相位不同而產(chǎn)生反向電動(dòng)力，鐵性2上可開一槽，或者用硅鋼片疊成5.6.2磁吹滅弧圖5-58磁吹線圈的結(jié)構(gòu)1-磁吹線圈2-鐵心3-引弧角4-電弧5-鋼夾板6-動(dòng)觸頭7-靜觸頭若磁吹線圈設(shè)計(jì)成在開斷大電流時(shí)產(chǎn)生的磁場適當(dāng)則在小電流時(shí)將因電動(dòng)力過小而引起吹弧困難，存在最難熄弧區(qū)若設(shè)計(jì)成磁吹線圈在開斷小電流時(shí)產(chǎn)生的磁場適當(dāng)使磁吹線圈的匝數(shù)增加，增大了線圈體積和多用了有色金屬使開斷大電流時(shí)產(chǎn)生的磁場過強(qiáng)，不僅會(huì)擴(kuò)大燃弧區(qū)和產(chǎn)生過電壓，而且還會(huì)吹走液態(tài)金屬橋，增加觸頭的電磨損解決最難熄弧區(qū)問題的方法：選擇適當(dāng)?shù)拇糯稻€圈匝數(shù)及鐵心和鋼夾板的截面積，使得在開斷小電流時(shí)磁場加強(qiáng)，在開斷大電流時(shí)因磁路飽和而使磁場不至于過強(qiáng)5.6.2磁吹滅弧圖5-59最難熄弧區(qū)Ilj為臨界電流電弧螺線管式磁吹斷路器的滅弧裝置原理：利用絕緣滅弧片和小弧角(裝在滅弧片下端的U型鋼片)將電弧分割，形成連續(xù)的螺線管電弧，并產(chǎn)生強(qiáng)磁場，從而驅(qū)使電弧在滅弧片狹縫中迅速運(yùn)動(dòng)，直至熄滅電弧運(yùn)動(dòng)除受到電流磁場的作用之外，還有壓氣皮囊的氣吹作用。該氣吹技術(shù)多應(yīng)用于高壓斷路器中5.6.2磁吹滅弧圖5-60電弧螺線管式磁吹滅弧裝置低壓斷路器的氣動(dòng)吹弧技術(shù)主要依靠電弧自身的能量，使滅弧室內(nèi)外產(chǎn)生大氣壓力差，從而形成氣吹作用：一是對(duì)電弧產(chǎn)生冷卻作用；二是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力使電弧進(jìn)入柵片產(chǎn)生氣吹作用的方法：利用電弧高溫加熱滅弧室內(nèi)氣體形成氣吹放置產(chǎn)氣材料，在電弧高溫侵蝕后產(chǎn)生大量氣體，形成氣吹滅弧室內(nèi)的柵片有兩大類：金屬柵片：又稱為去離子?xùn)牌?，廣泛應(yīng)用于低壓斷路器中絕緣柵片5.6.3柵片滅弧圖5-61小型斷路器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)金屬柵片滅弧裝置金屬柵片厚2~3mm，外表面鍍銅，以增大傳熱能力和防止鋼片生銹柵片上沖有三角形的缺口，安裝時(shí)缺口錯(cuò)開，減小電弧初始碰到的柵片數(shù)，從而減小進(jìn)入的阻力由于柵片的存在，電弧電流在周圍空間產(chǎn)生的磁通路徑發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生一將電弧拉向柵片的吸力電弧進(jìn)入柵片后被分割成許多串聯(lián)的短弧，Uh=nU0+El，提高了電弧電壓，適用于熄滅交流和直流電弧的情況5.6.3柵片滅弧圖5-63金屬柵片裝置滅弧原理結(jié)構(gòu)示意a)裝置的原理結(jié)構(gòu)b)柵片形狀c)串聯(lián)短弧1-滅弧室2-金屬柵片3-電弧4、5-動(dòng)、靜觸頭金屬柵片滅弧原理屬于典型的短弧滅弧方式ih過零前，將電弧分割成許多串聯(lián)短弧，提高電弧電壓，可以減小電弧電流幅值、改善被開斷電路的功率因數(shù)、降低電流過零時(shí)的工頻恢復(fù)電壓瞬時(shí)值ih過零后，n個(gè)短弧就有n個(gè)近極區(qū)效應(yīng)，從而大大提高介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性5.6.3柵片滅弧圖5-64開斷350A電流時(shí)Ujf0的變化情況若將金屬柵片換成絕緣柵片，就變成了長弧滅弧方式絕緣柵片用耐弧絕緣材料制成，柵片邊緣與電弧軸線垂直開斷電流時(shí)，電弧在導(dǎo)電回路磁場作用下向上運(yùn)動(dòng)，受到絕緣柵片的阻擋，電弧彎曲成如曲線A~G的形狀5.6.3柵片滅弧圖5-65絕緣柵片的滅弧示意縱縫滅?。豪么糯稻€圈的吹弧力將電弧驅(qū)入用耐弧絕緣材料制成的具有縱縫的滅弧室中進(jìn)行滅弧縫隙按照尺寸和形式可分為單縱縫：電弧與縫壁緊密接觸，弧柱受到強(qiáng)烈冷卻和消電離，電弧電壓迅速上升多縱縫：可將電弧平行分割，但并聯(lián)電弧不能穩(wěn)定的燃燒，滅弧室內(nèi)實(shí)際上仍僅存在一個(gè)電弧多縱縫可減小電弧進(jìn)入窄縫的阻力低壓交流接觸器滅弧室多采用多縱縫5.6.4縱縫滅弧圖5-66縱縫滅弧室a)單縱縫b)多縱縫弧柱電場強(qiáng)度E與電弧電流Ih的關(guān)系當(dāng)電流較大時(shí)，縱縫滅弧裝置中的電弧伏安特性隨Ih增加而下降的程度比自由燃弧時(shí)的伏安特性下降程度要緩慢的多，甚至可以認(rèn)為E等于常數(shù)隨著縫寬的減小和電弧橫向運(yùn)動(dòng)速度的提高，電弧的伏安特性也升高，表明滅弧能力隨之增強(qiáng)5.6.4縱縫滅弧圖5-67縱縫中弧柱電場強(qiáng)度和電流的關(guān)系縫寬：A-1mmB-2mmC-4mm虛線——自由燃弧電弧運(yùn)動(dòng)速度：1-200m/s2-150m/s3-100m/s4-50m/s5-0m/s縱向曲縫(迷宮式)滅弧裝置滅弧室內(nèi)腔縫壁制成凹凸相間的齒狀，上下齒相互錯(cuò)開，在電弧進(jìn)入處齒長較短，越往深處，齒長越長隨著電弧的運(yùn)動(dòng)深入，電弧不僅與縫壁的接觸面積越來越大，而且長度也越來越長，大大加強(qiáng)了弧柱的冷卻和消電離作用，顯著提高了電弧的伏安特性，具有很強(qiáng)的滅弧效果5.6.4縱縫滅弧圖5-69縱向曲縫滅弧裝置熔斷器：當(dāng)電流超過規(guī)定值時(shí)，以本身產(chǎn)生的熱量使熔體熔斷，斷開電路的一種電器，是一種電流保護(hù)器(短路和過載)主要由熔體、熔管以及外加填料等部分組成具有反時(shí)限特性：過載電流小時(shí)，熔斷時(shí)間長；過載電流大時(shí)，熔斷時(shí)間短；在一定過載電流范圍內(nèi)，熔斷器不會(huì)熔斷5.6.5熔斷器圖5-70部分熔斷器石英砂熔斷器采用了一系列滅弧措施，滅弧能力很強(qiáng)，限流效果非常顯著：多斷口串聯(lián)：當(dāng)短路電流通過時(shí)，熔片4狹頸處熔斷、汽化，形成幾個(gè)串聯(lián)的短弧狹縫冷卻：每一段短弧都相當(dāng)于在石英砂包圍的狹縫中燃燒，與石英砂緊密接觸而受到強(qiáng)烈的冷卻提高弧隙中氣壓：熔片變成氣態(tài)后，體積受周圍石英砂的限制，不能自由膨脹，于是燃弧區(qū)形成很高的壓力加強(qiáng)電離氣體的擴(kuò)散：燃弧區(qū)的高氣壓推動(dòng)電離氣體向周圍石英砂中擴(kuò)散，受到石英砂的冷卻和消電離5.6.5熔斷器圖5-71石英砂熔斷器的結(jié)構(gòu)噴射式熔斷器熔體裝在由固體產(chǎn)氣材料(電工反白紙或有機(jī)玻璃)制成的絕緣管內(nèi)，絕緣管通常裝在絕緣支架上，組成熔斷器整體熔體因短路電流熔斷產(chǎn)生電弧，高溫電弧使固體產(chǎn)氣材料迅速分解成大量高壓氣體高壓氣體將電離的氣體和電弧從管子兩端噴出，發(fā)出極大的聲光，并在電流過零時(shí)熄滅電弧而分?jǐn)嚯娏鞯涫饺蹟嗥鳎航^緣管上端做成可活動(dòng)式，在分?jǐn)嚯娏骱箅S即脫開而跌落的噴射式熔斷器噴射式熔斷器一般適用于電壓>6kV的戶外場合5.6.5熔斷器圖5-72噴射式熔斷器真空滅弧室：又名真空開關(guān)管，利用真空管內(nèi)優(yōu)良的絕緣性能使開關(guān)切斷電源后能迅速熄滅電弧、抑制電流斷路器用滅弧室：主要用于電力部門中的變電站和電網(wǎng)設(shè)施負(fù)荷開關(guān)用滅弧室：主要用于電網(wǎng)的終端用戶5.6.6真空滅弧圖5-73

真空滅弧室的外形及結(jié)構(gòu)a)玻璃外殼b)陶瓷外殼c)內(nèi)部結(jié)構(gòu)氣密絕緣系統(tǒng)：由氣密絕緣外殼(玻璃或陶瓷)、動(dòng)端蓋板、定端蓋板、不銹鋼波紋管組成導(dǎo)電系統(tǒng)：由靜導(dǎo)電桿、靜跑弧面、靜觸頭、動(dòng)觸頭、動(dòng)跑弧面、動(dòng)導(dǎo)電桿構(gòu)成屏蔽系統(tǒng)：由屏蔽筒、屏蔽罩和其他零部件組成防止金屬蒸汽和液滴噴濺，污染絕緣外殼的內(nèi)壁，造成絕緣強(qiáng)度下降或產(chǎn)生閃絡(luò)改善真空滅弧室內(nèi)部的電場分布，有利于真空滅弧室絕緣外