開關電器滅弧原理

其次章開關電器滅弧原理第七節(jié)開關電器中電弧的產生和熄滅一、電弧現(xiàn)象及電弧特征1．電弧現(xiàn)象：在觸頭開斷有電流的電路時，觸頭間產生猛烈而又刺眼的亮光的現(xiàn)象。電弧是介質被擊穿的放電現(xiàn)象。2、其主要特征如下。(1)電弧是一種能量集中、溫度很高、亮度很強的放電現(xiàn)象。(2)電弧分析時可看作由陰極區(qū)、弧柱區(qū)及陽極區(qū)3部分組成。(3)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。(4)電弧是一束游離氣體，很輕，易變形，在外力作用下(如氣體、液體的流淌或電動力作用)會快速移動、伸長或彎曲3、電弧的特點：⑴電弧燃燒期間，電路中的電流仍以電弧的方式維持著。（可看作特殊導電區(qū)域或元件）⑵電弧的溫度極高，如電弧許久不熄滅，就會燒壞觸頭和觸頭旁邊的絕緣，⑶如電弧許久不熄，延長斷路時間，會危害電力系統(tǒng)的平安運行。結論：切斷電路時，必需盡快熄滅電弧。二、電弧的產生與維持1．電弧的形成：電弧的產生主要是觸頭間產生大量自由電子的結果。游離：確定條件下，中性質點分為正離子和電子的現(xiàn)象去游離：確定條件下，離子和電子還原為中性質點的現(xiàn)象陰極放射(場致、熱致）電子（起因）→電子高速運動→碰撞游離（重要因素）→擊穿（量變到質變）→電流大增→熱效應、光效應→熱游離（主要因素）→維持發(fā)展⑴陰極在強電場作用下放射電子：觸頭分開瞬間，觸頭間會形成很強的電場強度E(E=U／d)⑵陰極在高溫下發(fā)生熱電子放射：分開過程中：接觸電阻↑↑→觸頭間溫度↑↑→導體內電子能量↑↑⑶碰撞游離：由高速運動的電子作用產生，（如圖2—26所示）使中性質點游離為新的自由電子和正離子，這種游離過程稱碰撞游離。

接觸電阻好大呀！導體真熱！熱致放射電子的過程示意圖好大的場強！導體真熱！電子電子E＝U／d糟糕！我要被拉出去了別撞我！好大力呀我被撞游離了！成電子和正離子了⑷熱游離使電弧維持和發(fā)展①定義：介質的分子和原子猛烈的不規(guī)則的熱運動，當那些具有足夠動能的中性質點相互碰撞時，又可游離出自由電子和正離子，這種現(xiàn)象稱熱游離。②電弧維持和發(fā)展：在電弧高溫下，一方面陰極接著發(fā)生熱電子放射，另一方面金屬觸頭在高溫下熔化蒸發(fā)，以致介質中混有金屬蒸汽，使弧隙電導增加，并在介質中發(fā)生熱游離，使電弧維持和發(fā)展。熱游離足以維持電弧的燃燒。

中性質點中性質點中性質點中性質點電子正離子電子正離子電子中性質點正離子三、電弧中的去游離：復合和擴散1．復合去游離⑴定義：異號離子或正離子與自由電子相互吸引而中和成中性質點的現(xiàn)象，稱復合去游離。⑵復合去游離過程：借助于中性質點進行的，即電子在運動過程中，先附著在中性質點上，形成負離子，然后質量和運動速度大致相等的正、負離子復合成中性質點。⑶加快復合去游離的方法：①拉長電弧，使電場強度E下降，電子運動速度減慢，復合的可能性增大；②加強電弧冷卻，使電子熱運動的速度減慢，有利于復合；③加大氣體介質的壓力，可使帶電質點的密度增大，自由行程削減，有利于復合。電子中性質點負離子正離子中性質點復合及復合去游離過程示意電子2．擴散去游離⑴定義：自由電子與正離子從弧柱逸出而進入四周介質中的現(xiàn)象，稱為擴散去游離。⑵擴散去游離有三種形式：①濃度差形成擴散：由于弧柱中帶電質點的濃度比四周介質高得多，使帶電質點向四周介質擴散，擴散速率與電弧直徑成反比；②溫度差形成擴散：由于弧柱的溫度比四周介質高得多，使帶電質點向四周介質擴散；③用高速冷氣吹弧增加擴散：吹弧可使電弧拉長，使電弧表面的帶電質點濃度增加，并帶走弧柱中的帶電質點。擴散出去的帶電質點，因冷卻而復合為中性質點。擴散去游離現(xiàn)象3、電弧的熄滅：⒈若游離作用大于去游離作用，則電弧電流增大，電弧愈加猛烈燃燒；⒉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；⒊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。⒋電弧的熄滅，實行措施加強去游離作用而減弱游離作用。四、溝通電弧的特性(1)溝通電弧的伏安特性為動態(tài)特性。（電弧的溫度、電阻及電弧電壓隨時間而變更,電弧溫度的變更總是一滯后于電流的變更，如圖2—27(a)所示。(2)電弧電壓的波形呈馬鞍形變更。燃弧電壓大于熄弧電壓。(3)電流每半周過零一次，電弧會短暫自動熄滅。結論：電流過零時，實行適當措施使弧隙間介質的絕緣實力達到不被弧隙外施電壓擊穿的程度，則下半周電弧就不會重燃而熄滅，從而斷開電路。過零滅弧點弧隙電阻看作動態(tài)的電阻就好理解了五、溝通電弧的熄滅條件①弧隙介質強度的增大(即弧隙的絕緣實力，或稱弧隙的耐壓強度)；ud（t）②加于弧隙的電壓(稱復原電壓)的增大。Ur（t）電弧電流過零時，是熄滅電弧的有利時機，但電弧是否能熄滅，取決于上述兩方面競爭的結果。ud（t）?Ur（t）1．弧隙介質強度復原過程電弧電流過零時，弧隙介質的絕緣實力由起始介質強度漸漸增加的過程，稱為弧隙介質強度復原過程，用ud(t)表示。(1)近陰極效應：在電流過零后（0.1－1μS）在陰極旁邊的薄層空間介質強度突然上升（150－250v）的現(xiàn)象，稱為近陰極效應。近陰極效應在熄滅低壓短弧中得到廣泛應用對幾萬伏以上的高壓斷路器的滅弧不起多大作用，（因為起始介質強度與加在弧隙上的高電壓相比，無足輕重。起確定作用的是弧柱區(qū)中的介質強度復原過程。）Ud圖2－28電流過零后弧隙電荷及電位分布減速場加速場電子數(shù)很少場強不足以從導體中拉出電子T＝０＋時刻(2)弧柱區(qū)介質強度的復原過程?；≈鶇^(qū)介質強度的復原過程與斷路器的滅弧裝置結構、介質特性、電弧電流、冷卻條件及觸頭分開速度等因素有關。①不同介質強度復原過程曲線如圖2—29所示結論：不同介質復原速度不同（其他條件相同）②弧隙溫度與弧隙介質強度復原曲線圖2－30。結論：a、電弧電流愈小，電弧溫度愈低，對電弧的冷卻條件愈好，電流過零時電弧溫度下降愈快，介質強度復原過程愈快。b、提高觸頭的分斷速度，可快速拉長電弧，使其散熱和擴散的表面積快速增加，去游離加強，可提高介質強度的復原速度。不同介質的起始介質強度不同介質的最終介質強度溫度下降好慢耶所以介質強度復原得慢呀介質強度復原得快呀哇塞溫度下降好快呀2．弧隙電壓的復原過程⑴定義：電弧電流過零時，經過由電路參數(shù)所確定的電磁振蕩，弧隙電壓漸漸由熄弧電壓復原到電源電壓的過程，稱為弧隙電壓的復原過程，用Ur(t)表示。⑵影響弧隙電壓的復原過程的因素：①電路參數(shù)(L、C、R)②負荷性質(阻、感、容性)③復原過程(過渡過程)的特點：可能是周期性變更的振蕩過程，也可能是非周期性變更的不振蕩過程，如圖2—31所示。⑶復原電壓的組成：如圖2—32所示：①瞬變復原電壓utr，為復原電壓的暫態(tài)值，它存在的時間只有幾十微秒至幾毫秒；②工頻復原電壓usr，即與電源電壓波形重合、與電源電壓相等的電壓，為復原電壓的穩(wěn)態(tài)值。3．溝通電弧的熄滅條件：Ud(t)>Ur(t)（或兩曲線無交點）

（微秒）過零再次擊穿點第八節(jié)弧隙電壓復原過程分析分析弧隙電壓復原過程中電路參數(shù)的影響，進而分析從外電路考慮如何有利于熄弧一、單相溝通電路的電壓復原過程斷路器開斷單相短路電流的短路電路如圖2—34(a)所示，⒈近似分析的幾個條件：①電源G為單相溝通發(fā)電系統(tǒng)，其等值電路如圖2—34(b)所示。Ｒ、Ｌ、Ｃ為系統(tǒng)元件參數(shù)。②r為QF觸頭并聯(lián)電阻(也可認為是熄弧后的弧隙電阻)。短路時，QF與c并聯(lián)，所以，弧隙電壓復原過程ur與c兩端的電壓變更過程uc相同。③熄弧后，從熄弧電壓到電源電壓的過程很短（幾百微秒）④電弧電流過零時電源電壓瞬時值為u0，且在過程中不變，以直流源代替。⒉弧隙電壓復原過程ur（t）的計算：變?yōu)橹绷麟娫赐蝗缓祥l于R、L、C組成的串聯(lián)電路時，在C兩端的電壓變更過程uc，等值電路如圖2—35所示。由圖2—35可知，當Q突然合閘時，有(2—67)(2—68)初始條件：t＝0時uc＝－ur0，i1＝0將式(2—68)代入式(2—67)并整理得式(2—69)該式為常系數(shù)線性微分方程，其通解為(2—70).探討：回路參數(shù)處于不同狀況時，復原過程不同(1)為不等的負實根，且有：

留意：橫軸座標單位為微秒復原過程時間很短當結論：(非周期性電壓復原過程中）①復原電壓的最大值不超過電弧電流過零時的電源電壓瞬時值（小于等于Um），不會產生過電壓。②r值越小，復原電壓上升速率越慢（可以利用）u0越大升速越快（不行控，開斷時刻是不確定的）探討：弧隙電壓復原過程為衰減的周期性振蕩過程留意β＝－１／２rC①可能在電路中出現(xiàn)過電壓②③電壓復原速率為：結論：a、弧隙電壓復原過程為振蕩復原過程，復原速度及復原幅值均與電路參數(shù)有關。b、可能出現(xiàn)系統(tǒng)過電壓，且增加熄弧的困難c、r值較小時，由公式（２－８０）可知：衰減快（β＝－1／2rC），復原速度慢。留意！這可是最極端的狀況將此時的電阻叫做臨界并聯(lián)電阻：復原過程曲線與圖2—36類似。但這種狀況接近于振蕩狀況，故稱為臨界狀況。結論：①當r≤rcr時，弧隙電壓復原過程為非周期性；②當r>rcr時，為周期性。3、以上分析可知：①弧隙電壓復原過程只取決于電路參數(shù)。②觸頭兩端的并聯(lián)電阻r可以變更復原電壓的特性，即影響復原電壓的幅值和復原速度。當r<rcr時，將把具有周期性振蕩特性的復原過程轉變?yōu)榉侵芷谛詮驮^程，從而大大降低復原電壓的幅值和復原速度，相應地改善了斷路器的開斷條件。③有可能出現(xiàn)開斷過電壓（r>rcr時）二、三相溝通電路不同短路形式的工頻復原電壓由于運行方式和短路形式不同，相應的電路參數(shù)和開斷瞬間的工頻復原電壓u0不相同，干脆影響斷路器的開斷條件。1．開斷單相短路電流過零時，工頻復原電壓瞬時值為：2．開斷中性點不干脆接地系統(tǒng)的三相短路三相溝通電路中，三相電流不同時過零，斷路器開斷三相短路時，電弧電流過便有先后，先過零的一相，電弧首先熄滅，稱為首先開斷相。

在圖2—38中，忽視電阻，只計電抗xL，即相電流滯后相應的相電壓90。。設U相為首先開斷相，當U相電流過零時其電弧熄滅，V、W相觸頭仍由電弧短接,由電路學問可得：數(shù)值上，有UU＝UV＝UW＝Uph，式中Uph為相電壓，Uu0’＝1.5Uph(2—88)首先開斷相斷口上的工頻復原電壓為相電壓1．5倍，如圖2—38(b)所示。在U相電流過零后，經1／4周期，V、W兩相短路電流同時過零，電弧同時熄滅。這時Uvw的瞬時值達最大，V、W兩相斷口各承受一半電壓值，即：結論：①斷口電弧的熄滅關鍵在于首先開斷相（首先開斷相斷口的復原電壓最大）。②后續(xù)開斷相的燃弧時間比首先開斷相長（0．005s），電弧能量較大，可能使觸頭燒壞、噴油、噴氣等現(xiàn)象比首開相更為嚴峻。③開斷中性點干脆接地系統(tǒng)中的三相不接地短路的狀況與上述相同。例如，對110kV高壓斷路器，首先開斷相斷口的復原電壓如下。工頻復原電壓有效值為1.5UPh＝1．5×110／√3＝95．26(kV)工頻復原電壓最大值為√2×95．26＝134．72(kV)復原電壓最大值(取Km=1．5)為1．5×134．72＝202．08(kV)3．開斷中性點干脆接地系統(tǒng)中的三相接地短路與上述狀況不同，這時U、V、w三相分別經大地成回路，各相不同時過零。設開斷依次為U、V、W，當系統(tǒng)零序阻抗與正序阻抗之比不大于3時，有：4．開斷兩相短路電路開斷中性點干脆接地系統(tǒng)中的兩相接地短路時，工頻復原電壓為1．3Uph；開斷其余狀況的兩相短路時，工頻復原電壓為0．866Uph?？傊孩偈紫乳_斷相開斷時，斷口上的工頻復原電壓為：②首開相在衰減振蕩復原過程中可能的最大值為：第九節(jié)熄滅溝通電弧的基本方法一、熄滅溝通電弧的基本途徑：1、削減電弧形成的可能及大?。合鳒p熱電子放射、場致電子放射，削減金屬蒸氣的產生。2、加強弧隙介質強度的復原過程加強弧隙的去游離抑制游離3、降低弧隙復原電壓的幅值和復原速度，均可促使電弧熄滅。二、熄滅溝通電弧的基本方法，歸納起來有下述幾種。這是根本的方法！1．接受特殊金屬材料作滅弧觸頭，并盡可能接受先進的觸頭制作工藝以削減接觸電阻。削減熱、場致電子放射削減金屬蒸氣，抑制游離作用。2．提高斷路器觸頭的分別速度在高壓斷路器中都裝有強力斷路彈簧，以加快觸頭的分別速度，快速拉長電弧，使弧隙的電場強度驟降，同時使電弧的表面積突然增大，有利于電弧的冷卻及帶電質點的擴散和復合，減弱游離而加強去游離，從而加速電弧的熄滅。3．接受滅弧實力強的滅弧介質電弧中的去游離強度，在很大程度上取決于電弧四周介質的特性。高壓斷路器中廣泛接受以下幾種滅弧介質。(1)變壓器油：利用變壓器油在電弧高溫的作用下，可分解出大量氫氣和油蒸汽滅弧(2)壓縮空氣：分子密度大，質點的自由行程小，能量不易積累，不易發(fā)生游離。(3)sF6氣體：利用SF6良好的負電性，其氟原子具有很強的吸附電子的實力，能快速捕獲自由電子而形成穩(wěn)定的負離子，為復合創(chuàng)建了有利條件，因而具有很強的滅弧實力，其滅弧實力比空氣強1OO倍。(4)真空：真空氣體淡薄，弧隙中的自由電子和中性質點極少，碰撞游離的可能性大大削減，且弧柱與真空的帶電質點的濃度差和溫度差很大，有利于擴散。4．利用氣體或油吹弧利用各種預先設計好的滅弧室，使氣體或油在電弧高溫下產生巨大壓力，并利用噴口形成猛烈吹弧。這個方法既起到對流換熱、猛烈冷卻弧隙的作用，又起到部分取代原弧隙中游離氣體或高溫氣體的作用。電弧被拉長、冷卻變細，復合加強，同時吹弧也有利于擴散，最終使電弧熄滅。⑴縱吹：吹動方向與電弧弧柱軸線平行稱縱吹。作用：是使電弧冷卻、變細，最終熄滅。⑵橫吹：吹動方向與電弧弧柱軸線垂直稱橫吹，作用：把電弧拉長，表面積增大，冷卻加強，熄弧效果較好。⑶高壓斷路器中常接受縱、橫吹混合吹弧方式，熄弧效果更好?？v吹弧過程示意圖橫吹弧過程示意縱橫吹弧過