中職教育二年級(jí)全學(xué)期交通運(yùn)輸大類《氣體電弧理論》教學(xué)課件

氣體電弧理論學(xué)習(xí)目標(biāo)一、掌握電弧的概念及形成1二、了解電弧的特點(diǎn)及危害2三、掌握電弧的熄滅和熄滅條件3四、掌握熄滅交流電弧的基本方法4一、電弧的概念及形成一、電弧的概念及形成

在電力系統(tǒng)中，當(dāng)電流通過某些絕緣介質(zhì)（例如空氣）時(shí)，在開關(guān)觸頭之間會(huì)產(chǎn)生溫度極高、發(fā)出強(qiáng)烈白光、能導(dǎo)電、近似于圓柱形的氣體，稱為電弧。電弧是一種氣體放電現(xiàn)象。1.電弧的概念圖3.1.1電弧一、電弧的概念及形成

（1）高壓隔離開關(guān)合閘（2）帶負(fù)荷拉動(dòng)高壓隔離開關(guān)（3）線路短路（4）單相接地短路（5）兩相短路（6）變壓器短路（7）人工設(shè)備短路試驗(yàn)（8）人工線路接地短路試驗(yàn)2.八種常見的電弧產(chǎn)生方式一、電弧的概念及形成3.電弧的形成

開關(guān)觸頭在開斷電流時(shí)，觸頭間電場(chǎng)強(qiáng)度很大，使觸頭本身的電子及觸頭周圍介質(zhì)中的電子被游離而形成電弧。電弧是電氣設(shè)備開斷過程中不可避免的現(xiàn)象。

當(dāng)開關(guān)電器開斷電路時(shí)，如果電路電壓超過10～20V，電流超過80～100mA，觸頭在接觸前或剛剛分離后，觸頭之間就會(huì)產(chǎn)生電弧。一、電弧的概念及形成3.電弧的形成

（1）產(chǎn)生電弧的游離方式

①熱電子發(fā)射——如動(dòng)畫所示

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。一、電弧的概念及形成3.電弧的形成

（1）產(chǎn)生電弧的游離方式

②強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射——如動(dòng)畫所示

開關(guān)電器分閘的瞬間，由于動(dòng)、靜觸頭的距離很小，

觸頭間的電場(chǎng)強(qiáng)度就非常大，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。一、電弧的概念及形成3.電弧的形成

（1）產(chǎn)生電弧的游離方式

③碰撞游離——如動(dòng)畫所示

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

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。一、電弧的概念及形成3.電弧的形成

（1）產(chǎn)生電弧的游離方式

④熱游離——如動(dòng)畫所示

弧柱中氣體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。一、電弧的概念及形成3.電弧的形成

（2）電弧的形成過程——如動(dòng)畫所示斷路器斷開過程中電弧是這樣形成的：觸頭剛分離時(shí)突然解除接觸壓力，陰極表面立即出現(xiàn)高溫?zé)霟狳c(diǎn)，產(chǎn)生熱電子發(fā)射；同時(shí)，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(chǎng)發(fā)射。從陰極表面逸出的電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，加速向陽極運(yùn)動(dòng)，發(fā)生碰撞游離，導(dǎo)致觸頭間隙中帶電質(zhì)點(diǎn)急劇增加，溫度驟然升高，產(chǎn)生熱游離并且成為游離的主要因素。此時(shí)，在外加電壓作用下，間隙被擊穿，形成電弧。二、電弧的特點(diǎn)及危害二、電弧的特點(diǎn)及危害1.電弧的特點(diǎn)

圖3.1.2電力機(jī)車降弓時(shí)產(chǎn)生電弧二、電弧的特點(diǎn)及危害1.電弧的特點(diǎn)

（3）電弧能量集中，溫度很高。電弧放電時(shí)，能量高度集中，弧心溫度可達(dá)10000℃左右，電弧表面的溫度也可達(dá)到3000～4000℃。

（4）電弧是一束質(zhì)量很輕的游離狀態(tài)的氣體，在外力的作用下，能迅速移動(dòng)、伸長(zhǎng)、彎曲、變形。圖3.1.3高壓輸電線路故障產(chǎn)生電弧二、電弧的特點(diǎn)及危害2.電弧的危害

（1）當(dāng)開關(guān)電器的觸頭間發(fā)生電弧時(shí)，它的存在延長(zhǎng)了電器開斷故障電路的時(shí)間，加重了系統(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汽化，燒壞絕緣材料，對(duì)充油電器設(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）在最嚴(yán)重情況下甚至可能引起相間短路,或使開關(guān)電器爆炸，形成火災(zāi)，影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。二、電弧的特點(diǎn)及危害2.電弧的危害

如動(dòng)畫所示三、電弧的熄滅和熄滅條件三、掌握電弧的熄滅和熄滅條件

電弧的熄滅與電弧的去游離過程有關(guān)。電弧的去游離過程包括復(fù)合和擴(kuò)散兩種形式。1.電弧的熄滅圖3.1.4高壓隔離開關(guān)分閘時(shí)產(chǎn)生電弧三、掌握電弧的熄滅和熄滅條件

（1）復(fù)合——如動(dòng)畫所示

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)。1.電弧的熄滅三、掌握電弧的熄滅和熄滅條件

（2）擴(kuò)散——如動(dòng)畫所示

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)；1.電弧的熄滅三、掌握電弧的熄滅和熄滅條件

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.電弧的熄滅三、掌握電弧的熄滅和熄滅條件2.交流電弧的特性圖3.1.5交流電弧的伏安特性和電流、電壓波形圖（a）伏安特性（b）電流、電壓波形圖三、掌握電弧的熄滅和熄滅條件

（1）交流電弧的物理特性

交流電弧的電流變化速度很快，不可能建立穩(wěn)定平衡狀態(tài)，因此它的伏安特性具有動(dòng)態(tài)特性，如圖3.1.5（a）所示。交流電流每半個(gè)周期經(jīng)過一次零值，稱為自然過零。電流過零時(shí)，交流電弧電流通過零點(diǎn)，由于電源停止供給電弧能量，熱游離迅速下降，電弧自動(dòng)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(huì)重新燃燒。如果電弧過零后，不發(fā)生重燃，電弧就會(huì)熄滅。2.交流電弧的特性三、掌握電弧的熄滅和熄滅條件

（2）由電流的波形及伏安特性，得到電弧電壓隨時(shí)間變化的波形呈馬鞍形，電流小時(shí)，電弧電壓高；電流大時(shí)，電弧電壓減小且接近于常數(shù)，如圖3.1.5(b)所示。其中A點(diǎn)為電弧產(chǎn)生時(shí)的電壓，稱為燃弧電壓；C點(diǎn)為電弧熄滅時(shí)的電壓，稱為熄弧電壓。2.交流電弧的特性三、掌握電弧的熄滅和熄滅條件

綜上所述，在開斷交流電弧時(shí)，應(yīng)充分利用交流電流的自然過零點(diǎn)，采取有效的措施，加強(qiáng)對(duì)弧隙的冷卻，抑制熱游離，加大弧隙間去游離的強(qiáng)度，使電弧不再重燃，最終熄滅。

為此，在開關(guān)設(shè)備中均裝設(shè)了滅弧裝置，稱為滅弧室，滅弧室不斷改進(jìn)，大大提高了開關(guān)的滅弧能力。另一方面，為了進(jìn)一步提高滅弧能力，還可以采用性能更為優(yōu)越的新型滅弧介質(zhì)如SF6等。3.交流電弧的熄滅條件四、熄滅交流電弧的基本方法四、熄滅交流電弧的基本方法

1.采用滅弧能力強(qiáng)的滅弧介質(zhì)四、熄滅交流電弧的基本方法

②SF6氣體

SF6是良好的負(fù)電性氣體，其氟原子具有很強(qiáng)的吸附電子的能力，能迅速捕捉自由電子而形成穩(wěn)定的負(fù)離子，為復(fù)合創(chuàng)造了有利條件，因而具有很強(qiáng)的滅弧能力，滅弧能力比空氣強(qiáng)100倍。1.采用滅弧能力強(qiáng)的滅弧介質(zhì)四、熄滅交流電弧的基本方法

1.采用滅弧能力強(qiáng)的滅弧介質(zhì)四、熄滅交流電弧的基本方法

電弧中的去游離強(qiáng)度，在很大程度上與觸頭材料有關(guān)。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，如銅、鎢合金和銀、鎢合金等，在電弧高溫下不容易熔化和蒸發(fā)，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，抑制游離作用，有利于熄滅電弧。2.采用特殊金屬材料作滅弧觸頭四、熄滅交流電弧的基本方法

利用任何一種較冷的絕緣介質(zhì)的氣流來縱吹電弧(氣流方向與弧柱平行)或橫吹電弧(氣流方向與弧柱垂直)，使電弧迅速擴(kuò)散，加強(qiáng)冷卻，從而達(dá)到滅弧的目的。3.吹弧圖3.1.6吹弧方式（a）橫吹（b）縱吹電弧電弧觸頭觸頭四、熄滅交流電弧的基本方法

高壓開關(guān)設(shè)備常采用每相有兩個(gè)或多個(gè)串聯(lián)斷口的滅弧方式，如圖3.1.7所示為雙斷口。采用雙斷口是把電弧分割成兩個(gè)小弧段，在相等的觸頭行程下，雙斷口比單斷口的電弧拉長(zhǎng)了，從而增大弧隙電阻。4.采用多斷口熄弧圖3.1.7雙斷口示意圖靜觸頭動(dòng)觸頭電弧四、熄滅交流電弧的基本方法

而且電弧被拉長(zhǎng)的速度也增加，加速了弧隙電阻的增大，增大了介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速率，縮短了滅弧時(shí)間。由于加在每個(gè)斷口上的電壓降低，使弧隙的恢復(fù)電壓降低，也有利于電弧的熄滅，因此滅弧性能更好。在要求將電弧拉到相同的長(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。4.采用多斷口熄弧四、熄滅交流電弧的基本方法

在高壓開關(guān)電器中都裝有強(qiáng)力分閘彈簧，以加快觸頭的分離速度，迅速拉長(zhǎng)電弧，使弧隙的電場(chǎng)強(qiáng)度驟降，同時(shí)使電弧的表面積增大，有利于電弧的冷卻及帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散和復(fù)合，削弱游離而加強(qiáng)去游離，從而加速電弧的熄滅。5.提高觸頭的分離速度四、熄滅交流電弧的基本方法

這種滅弧裝置的構(gòu)造