第三章滅弧原理

第一節(jié)電弧放電的特征和危害1.電弧的概念當(dāng)開關(guān)電器開斷電路時(shí)，電壓和電流達(dá)到一定值時(shí)，觸頭剛剛分離后，觸頭之間就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的白光，稱為電弧。電弧是一種氣體游離放電（帶電質(zhì)點(diǎn)）現(xiàn)象。電弧的存在說明電路中有電流，只有當(dāng)電弧熄滅，觸頭間隙成為絕緣介質(zhì)時(shí)，電路才算斷開。開關(guān)觸點(diǎn)間的電壓為10~20V，電流為80~100mA斷開電路時(shí)，即可產(chǎn)生電弧。例如：斷路器要開斷1500V，電流為1500-2000A的電路時(shí)，產(chǎn)生電弧，這些電弧可拉長(zhǎng)至2m仍然繼續(xù)燃燒不熄滅，對(duì)人員及設(shè)備都可能產(chǎn)生重大危害和損失。故滅弧是高壓斷路器必須解決的問題。第三章電弧及電氣觸頭的基本理論滅弧的原理主要是冷卻電弧減弱熱游離，另一方面通過吹弧拉長(zhǎng)電弧加強(qiáng)帶電粒子的復(fù)合和擴(kuò)散，同時(shí)把弧隙中的帶電粒子吹散，迅速恢復(fù)介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度。（1）電弧由三部分組成。包括陰極區(qū)、陽(yáng)極區(qū)和弧柱區(qū)?；≈帨囟茸罡撸蛇_(dá)6~7千到1萬度以上。弧柱周圍溫度較低，亮度明顯減弱的部分叫弧焰，電流幾乎都從弧柱內(nèi)部流過。3.電弧放電的特征

（2）電弧溫度很高。（例：10kvQF斷開20kv的電流，電弧功率達(dá)到一萬kw以上）（3）電弧是一種自持放電現(xiàn)象，維持電弧燃燒的電壓很低。在大氣中，1cm長(zhǎng)的直流電弧的弧柱電壓僅15~30v，在變壓器油中，1cm長(zhǎng)的直流電弧的弧柱電壓僅100~220v2.電弧的本質(zhì)電弧的實(shí)質(zhì)是一種氣體放電現(xiàn)象。4.電弧的危害（1）電弧的存在延長(zhǎng)了開關(guān)電器開斷故障電路的時(shí)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(duì)充油電氣設(shè)備還可能引起著火、爆炸等危險(xiǎn)。（3）由于電弧在電動(dòng)力、熱力作用下能移動(dòng)，很容易造成飛弧短路和傷人，或引起事故的擴(kuò)大。（4）電弧是一束游離的氣體，質(zhì)量極輕，極易變形電弧在氣體或液體的流動(dòng)作用下或電動(dòng)力作用下，能迅速移動(dòng)、伸長(zhǎng)或彎曲，這也是滅弧的必要條件。第二節(jié)電弧的形成（1）熱電子發(fā)射

當(dāng)斷路器的動(dòng)、靜觸頭分離時(shí)，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。

（2）強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射

開關(guān)電器分閘的瞬間，由于動(dòng)、靜觸頭的距離很小，故電場(chǎng)強(qiáng)度很大(電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到3x106V/m),使觸頭內(nèi)部的電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下被拉出來，就形成強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。（3）碰撞游離

從陰極表面發(fā)射出的電子在電場(chǎng)力的作用下高速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中不斷地與中性質(zhì)點(diǎn)（原子或分子）發(fā)生碰撞。當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的電子積聚足夠大的動(dòng)能時(shí)，就會(huì)從中性質(zhì)點(diǎn)中打出一個(gè)或多個(gè)電子，使中性質(zhì)點(diǎn)游離，這一過程稱為碰撞游離?；≈袣怏w分子在高溫作用下產(chǎn)生劇烈熱運(yùn)動(dòng)，動(dòng)能很大的中性質(zhì)點(diǎn)互相碰撞時(shí)，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。（4）熱游離第三節(jié)

電弧的熄滅1.電弧的去游離形式弧隙間的電子和正離子在電場(chǎng)力的作用下，運(yùn)行方向相反。運(yùn)動(dòng)中的自由電子和正離子相互吸引也會(huì)發(fā)生復(fù)合．使弧隙間的自由電子減少——去游離。電子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于正離子，二者相遇時(shí)快速碰撞很難復(fù)合。游離和去游離過程同時(shí)存在于弧隙中。當(dāng)兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，電弧能夠穩(wěn)定燃燒。由于弧隙中溫度高，離子濃度大，所以離子將向溫度低濃度小的周圍介質(zhì)中擴(kuò)散。擴(kuò)散使弧隙中的電子、離子數(shù)減少．有利于熄滅電弧、擴(kuò)散出去的離子，因冷卻而更易復(fù)合。由此可見，熄滅電孤，要減弱游離過程。加強(qiáng)去游離過程就是實(shí)際斷路器中的滅弧裝置原理。

擴(kuò)散是弧柱中的帶電質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)；（2）濃度擴(kuò)散，這是因?yàn)殡娀『椭車橘|(zhì)存在濃度差，帶電質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，以加強(qiáng)擴(kuò)散作用。1.2擴(kuò)散

1.1復(fù)合

復(fù)合是正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)相互結(jié)合變成不帶電質(zhì)點(diǎn)的現(xiàn)象。由于弧柱中電子的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)時(shí)，被中性質(zhì)點(diǎn)捕獲變成負(fù)離子，然后再與質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)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(diǎn)。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(diǎn)。

2.1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(diǎn)的的產(chǎn)生。同時(shí)，也減小了帶電質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度，加強(qiáng)了復(fù)合作用。通過快速拉長(zhǎng)電弧，用氣體或油吹動(dòng)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。

2.2.介質(zhì)的特性電弧燃燒時(shí)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。

2.電弧的影響去游離的因素2.3氣體介質(zhì)的壓力氣體介質(zhì)的壓力對(duì)電弧去游離的影響很大。因?yàn)?，氣體的壓力越大，電弧中質(zhì)點(diǎn)的濃度就越大，質(zhì)點(diǎn)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)。

2.4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(diǎn)高、導(dǎo)熱能力強(qiáng)和熱容量大的耐高溫金屬時(shí)，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(chǎng)電壓等因素的影響。

在交流電路中，電流瞬時(shí)值隨時(shí)間變化，因而電弧的溫度、直徑以及電弧電壓也隨時(shí)間變化，電弧的這種特性稱為動(dòng)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。第四節(jié)交流電弧的特性及熄滅經(jīng)過對(duì)圖2-2的分析，可見交流電弧在交流電流自然過零時(shí)將自動(dòng)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。4.1交流電弧的特性

4.2.1弧隙介質(zhì)介電強(qiáng)度的恢復(fù)

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(shí)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(shí)間，此恢復(fù)過程稱之為弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過程，以耐受的電壓Uj（t）表示。

4.2交流電弧的熄滅條件電流過零前，弧隙電壓呈馬鞍形變化，電壓值很低，電源電壓的絕大部分降落在線路和負(fù)載阻抗上。電流過零時(shí)，弧隙電壓正處于馬鞍形的后蜂值處。電流過零后，弧隙電壓從后蜂值逐漸增長(zhǎng)，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，其電壓恢復(fù)過程以Uhf（t）表示。電壓恢復(fù)過程與線路參數(shù)、負(fù)荷性質(zhì)等有關(guān)。受線路參數(shù)等因素的影響，電壓恢復(fù)過程可能是周期性的變化過程，也可能是非周期性的變化過程。

4.2.2弧隙電壓的恢復(fù)過程4.2.3交流電弧的熄滅條件如果弧隙介質(zhì)強(qiáng)度在任何情況下都高于弧隙恢復(fù)電壓，則電弧熄滅；反之，如果弧隙恢復(fù)電壓高于弧隙介質(zhì)強(qiáng)度，弧隙就被擊穿，電弧重燃。因此，交流電弧的熄滅條件為：

Uj（t）>Uhf（t）

Uj（t）—弧隙介質(zhì)強(qiáng)度

Uhf（t）—弧隙恢復(fù)電壓5.1提高觸頭的分閘速度

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(zhǎng)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(zhǎng)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。第五節(jié)熄滅交流電弧的方法

5.2采用多斷口每一相有兩個(gè)或多個(gè)斷口相串聯(lián)。在熄弧時(shí)，多斷口把電弧分割成多個(gè)相串聯(lián)的小電弧段。多斷口使電弧的總長(zhǎng)度加長(zhǎng)，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(zhǎng)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(shí)間。采用多斷口時(shí)，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(zhǎng)度時(shí)，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。如下圖所示：

5.3吹弧

用新鮮而且低溫的介質(zhì)吹拂電弧時(shí)，可以將帶電質(zhì)點(diǎn)吹到弧隙以外，加強(qiáng)了擴(kuò)散，由于電弧被拉長(zhǎng)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。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。5.3.1吹弧氣流產(chǎn)生的方法

（1）用油氣吹弧產(chǎn)氣管由纖維、塑料等有機(jī)固體材料制成，電弧燃燒時(shí)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。（2）用壓縮空氣或六氟化硫氣體吹弧將20個(gè)左右大氣壓的壓縮空氣或5個(gè)大氣壓左右的六氟化硫氣體（SF6）先儲(chǔ)存在專門的儲(chǔ)氣罐中，斷路器分閘時(shí)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5.3.2按吹弧的方向分（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(diǎn)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。橫吹時(shí)氣流或油流的方向與觸頭運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)。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。（2）橫吹（3）縱橫吹橫吹滅弧室在開斷小電流時(shí)因室內(nèi)壓力太小，開斷性能較差。為了改善開斷小電流時(shí)的滅弧性能，可將縱吹和橫吹結(jié)合起來。在大電流時(shí)主要靠橫吹，小電流時(shí)主要靠縱吹。

5.4短弧原理滅弧

滅弧裝置是一個(gè)金屬柵滅弧罩，利用將電弧分為多個(gè)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(zhǎng)弧就被多個(gè)金屬片分割成多個(gè)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(shí)間。

5.4.1利用固體介質(zhì)的狹縫狹溝滅弧

滅弧裝置的滅弧片是由石棉水泥或陶土制成的。觸頭間產(chǎn)生電弧后，在磁吹裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，將電弧吹入由滅弧片構(gòu)成的狹縫中，把電弧迅速拉長(zhǎng)的同時(shí)，使電弧與滅弧片內(nèi)壁緊密接觸，對(duì)電弧的表面進(jìn)行冷卻和吸附，產(chǎn)生強(qiáng)烈的去游離。原理圖如右圖所示。

石英砂熔斷器中的熔絲熔斷時(shí)，在石英砂的狹溝中產(chǎn)生電弧。由于受到石英砂的冷卻和表面吸附作用，使電弧迅速熄滅。同時(shí)，熔絲氣化時(shí)產(chǎn)生的金屬蒸汽滲入石英砂中遇冷而迅速凝結(jié)，大大減少了弧隙中的金屬蒸汽，使得電弧容易熄滅。原理圖如右圖所示。

5.4.2用耐高溫金屬材料作觸頭、優(yōu)質(zhì)滅弧介質(zhì)

觸頭材料對(duì)電弧中的去游離也有一定影響，用熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量大的耐高溫金屬制作觸頭，可以減少熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸汽，從而減弱了游離過程，有利于熄滅電弧。滅弧介質(zhì)的特性，如導(dǎo)熱系數(shù)、電強(qiáng)度、熱游離溫度、熱容量等，對(duì)電弧的游離程度具有很大影響，這些參數(shù)值越大，去游離作用就越強(qiáng)。在高壓開關(guān)中，廣泛采用壓縮空氣、六氟化硫（SF6）氣體、真空等作為滅弧介質(zhì)。

6.1電氣觸頭基本知識(shí)概述

6.1.1觸頭的概念電氣觸頭是指兩個(gè)導(dǎo)體或幾個(gè)導(dǎo)體之間相互接觸的部分，如母線或?qū)Ь€的接觸連接處以及開關(guān)電器中的動(dòng)、靜觸頭。

6.1.2

對(duì)電氣觸頭的基本要求（1）結(jié)構(gòu)可靠；（2）接觸電阻小且穩(wěn)定，有良好的導(dǎo)電性能和接觸性能；（3）通過規(guī)定電流時(shí)，發(fā)熱穩(wěn)定而且不超過允許值；（4）通過短路電流時(shí)，具有足夠的動(dòng)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；（5）開斷規(guī)定短路電流時(shí)，觸頭不被灼傷，不發(fā)生熔焊。第六節(jié)電氣觸頭的基本知識(shí)

6.2觸頭的接觸電阻

觸頭在正常工作和通過短路電流時(shí)的發(fā)熱都與接觸電阻值有關(guān)，所以觸頭的質(zhì)量在很大程度上取決于觸頭的接觸電阻值。正常情況下，觸頭間的接觸壓力、表面加工狀況、表面氧化程度及接觸情況等都會(huì)影響接觸電阻值。

6.2.1觸頭間的壓力觸頭間的壓力越大，觸頭間的接觸電阻就越小。

6.2.2觸頭材料及防氧化措施觸頭一般由銅、黃銅和青銅等材料制成。為防止觸頭表面被氧化，一般需要采取鍍錫、鍍銀和涂防腐漆和凡士林油等措施加以防護(hù)。6.3觸頭的熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定

觸頭在長(zhǎng)期負(fù)荷電流下工作時(shí)，由于接觸電阻的存在，觸頭要發(fā)熱，使其溫度升高，同時(shí)也向周圍介質(zhì)散熱，當(dāng)發(fā)熱量等于散熱量時(shí)，觸頭就穩(wěn)定在工作溫度下運(yùn)行。這個(gè)溫度值小于觸頭材料長(zhǎng)期允許的溫度。因此，觸頭是安全的。由于負(fù)荷