电器学第二章

1、2021-7-51 电器学 第二章 电接触与电弧理论 作者：欧阳森 EPC of SCUT 注：该课件与上 课PPT有较大差别 考试以此为准 2021-7-52 本章概述 n内容要点 n电弧 n产生原因 n性质 n熄灭方法 n灭弧装置 n电弧的优缺点 n电接触 n本质 n触头在各种工作状态下的行为 n延长触头寿命和改善触头工作性能的技术措施 2021-7-53 本章概述 n触头与电弧 n接触的过程 n触头类型 n电弧的形成和性质 n触头的寿命 n电弧的优缺点 2021-7-54 2.1 电接触与触头 n电接触 n概念 n物理现象 n触头 n结构：两个或以上的导体 n基本要求：P35 n电阻不大

2、且稳定 n分类 n连接触头 图21 n机械性能；总电阻小；温升；电动力 n换接触头 图22 n通常意义上的触头 2021-7-55 2.1 电接触与触头 n触头的四种工作情况及要求 n分断状态 n过电压防电击穿 n断口间隔和爬电距离足够 n闭合状态 n1）一定过载能力，控制温升； n2）抗电磁斥力和熔焊； n3）接触电阻的长期稳定 n理论计算 n如何尽量小 Input 灭弧室 电弧 触头 2021-7-56 2.1 电接触与触头 n闭合过程 n情况： mv2/2；弹跳过程预击穿引起的短弧 n1）弹跳持续时间要短； n2）抗电弧熔焊性好； n分断过程 n考虑电弧的破坏影响：触头、绝缘等 n要求：

3、 n介质恢复强度高，燃弧时间短，过电压低，抗电弧焊。 2021-7-57 2.1 电接触与触头 n触头的工作要求（开或断） n电动斥力 n熔焊材料要求 n温升结构 n可靠熄灭电弧 n多方面，可围绕电击穿、热击穿阶段来分析 n触头基本参数 n开距、超程、初压力、终压力 n接触压力力的全动态过程仿真或试验 2021-7-58 2.2 电弧及其产生过程 n电弧 n触头与电弧形成过程：P36 n触头分离触点熔融液态金属桥的形成液体金 属沸腾、爆炸触头间隙形成过电压击穿火花 放电或电弧电弧熄灭 n一种物质形态自然界第四态 n本质：能量积聚/泻放过程形成的物质形态 nVideo n危害： n对系统、设备本

4、身的性能、运行的影响 n烧蚀、污染、发热、误动、据动等等 n能量泻放 n抑止过电压或者设备毁坏，区域电网崩溃 2021-7-59 2.2 电弧及其产生过程 n电弧形成过程 n危害 P37 n其他工业和生活的用处 n1）气体的电离 n电子的稳态 n原轨道激励状态(持续0.11us)自由电子 n 式21 n原轨道亚稳态(持续0.110ms) 自由电子 n电离和电离能 n电离概念 n式22 12 WhvEE ii WeU 2021-7-510 2.2 电弧及其产生过程 n电离形式 n表面发射 n场所： n金属电极表面 n种类： n热发射、场致发射、光发射、二次发射等四种形式 n空间电离 n场所： n

5、触头间隙内 n种类： n光电离、热电离、碰撞电离等三种形式 2021-7-511 2.2 电弧及其产生过程 n各种电离的本质 P3738 n热发射：加热，电子克服电场势垒；逸出功 n场致发射：强电场使势垒减小 n光发射：射线照射金属表面，电子获取能量 n二次发射：粒子高速撞击 n光电离 n热电离 n碰撞电离：主要是电子 2021-7-512 2） 电离及其形式 n消电离概念 P38 n消电离形式 n复合 n概念： P38 n形式： n表面复合 n空间复合 n复合概率：气体性质及纯度 n惰性气体、氢气、氮气等不会负荷 nSF6等极强的俘获电子的能力 n能量过程： n(中性)粒子增速；光量子辐射

6、n扩散 2021-7-513 3）气体放电过程 n原因及图24 nOD非自持放电阶段 n无自由电子，直至有外界作用 nD以后自持放电阶段 n各种电子较多，可形成持续放电 n击穿电压Ub决定自持放电的主因 nCE：汤逊放电区（无光放电、黑暗放电） nEF：过渡阶段，辉光 n电流增大、电离增强，维持放电所需电压下降 nFG：辉光布满阴极表面 n电流增大、电流密度稳定、阴极区电压降稳定 nGH：异常辉光放电阶段 n电流和电流密度皆增大 nH以后：弧光放电阶段 n电流密度和温度极高，热电离为主 2021-7-514 2.2 电弧及其产生过程 n电弧的外观与本质 n图25 nAanode nCcatho

7、de n阴极斑点 n温度极高（气化温度）、电流密度极高 n在自身磁场作用下运动 n阳极斑点 2021-7-515 2.2 电弧及其产生过程 n近阴极区、近阳极区 n两极区的电压降与电流无关，20V n弧柱 n其内部气体全部电离 n等离子区：正负带电粒子电量相等 n电场强度近乎恒值 n图25 n电弧本质 n自持放电的一种形式 nP41 2021-7-516 2.3 电弧的特性和方程 n电压方程 式24 n近极区压降 n电场强度分布 图26 n直流电弧的伏安特性 图27 n该特性虽有各种经验公式，但最好由实验确定该特性虽有各种经验公式，但最好由实验确定 n负阻特性 n电流增大，而电弧电压降低 n增

8、大的电流使热电离加剧，离子浓度增大，维持稳定燃弧 所需电压降低 Acap UUUU 0A UUEl 2021-7-517 直流电弧的伏安特性 n图27的伏安特性分析 n曲线1中，设I2对应的电阻为R12，I1对应的 电阻为R11；同理，设曲线2中，I2对应R22 n方向：电流在曲线1上减小到I1，在曲线2上增加 到I2 n在曲线2上，是假定电流从I1减小到I2，而由于电弧的 热惯性，有R22R11； n又由于负阻特性，有R11I2R11 n所以，曲线2在曲线1的下方 2021-7-518 直流电弧的伏安特性 n直流电弧的静态和动态伏安特性 n图27中，参数为Uh、Ih，而Ih随时间t的变 化情

9、况决定了直流电弧的特性 n当电流随时间缓慢变化时，有静态伏安特性 n静态伏安特性只有一条：曲线1 n经验公式： n当电流随时间有一定速度的变化时，形成动态伏 安特性：P78图320 n速度无限大时，曲线03：dIh/dt=无限大 nIh变化期间，弧柱的温度、直径不变 n动态特性有无数条：曲线1和曲线3之间，如曲线2 0 2 h h cl UU I 2021-7-519 直流电弧的伏安特性 n分析动态伏安特性 n静态伏安特性 曲线1 n动态伏安特性 曲线2 n电流从I2I3时 n若快速变化，则从曲线2方向变化 n电弧变化滞后，电阻维持较大 n静态特性中的电弧电阻变小（弧柱变粗） n在I3时，快速

10、趋向曲线1相应点 n若瞬态变化，则沿曲线3方向 n在I3时，快速趋向曲线1相应点 n根据电流变化速度的不同，曲线2在1和3之间 动态变化，谓之动态伏安特性 2021-7-520 直流电弧的伏安特性 n起弧条件 n表22 n燃弧电压、燃弧电流、电极材料、间隙介质 等相关 2021-7-521 交流电弧的伏安特性 n交流电弧的伏安特性 n图28 n前提： n灭弧作用不太强烈，即电流过零期间，电弧电阻始终为一有 限值 n只有动态伏安特性交流变化的电流 n原点对称伏安特性两次交流过零点 n可以用下一小节“电弧的能量平衡”解释 n图29 n电阻性负载：电压电流同相位 n电感性负载：电流i落后于电压u相位

11、90度； n注意弧压升高到击穿阶段弧压升高到击穿阶段 n注意负阻特性负阻特性 2021-7-522 2.3 电弧的特性和方程 n电弧的能量平衡 n电弧功率计算 n电弧电压公式25 n电弧功率公式26 n短弧：U0占主导地位金属件散热 n长弧：UA占主导地位弧柱散热 n电弧的动态热平衡方程 n式27 n电弧的熄灭取决于PA和Pd n灭弧指导 Acap UUUU 0AAAAA PU IU IElI A Ad dQ PP dt 2021-7-523 2.3 电弧的特性和方程 n用“电弧的能量平衡”解释图28 n0A段 nIh过零期间，PA0 ，此时dQA/dt=-Pd n弧柱变冷、变细，Rh增大，因

12、而0A段斜率（电阻）较大 nAB段 nIh增大，PA增大，一直到dQA/dt0 n那么弧柱变热、变粗，Rh迅速下降 nRh的下降速度和ih的上升速度形成AB段 nBC段 nIh减小，UA沿曲线BC上升 n但弧柱的热惯性使得曲线BC比AB低（图27） nC0段 nRh的上升。 n特殊点： nA燃弧尖峰 nC熄弧尖峰 2021-7-524 2.4 直流电弧及其熄灭 n电路模型图213 n电压平衡方程：式28 n图解 210 n横线是电源电势U n曲线1为静态伏安特性 n曲线2为U-iR特性 n曲线2与横线U之间的夹角为 A di UiRLu dt 2021-7-525 2.4 直流电弧及其熄灭 n

13、两个稳定点 n虚假稳定点A n真正稳定点B nAB之间，有Ldi/dt0 2021-7-526 2.4 直流电弧及其熄灭 n熄弧方法（根据图210及其解释） n电弧伏安特性上移，至稳定点2不存在为止 n根据式25 n增大近极压降 n图212 d）的方法：长弧短弧 n增大电弧长度 n图212的方法 n增大弧柱电场强度E n增大气体介质压强、速度、材料等等 n增大电弧电阻 n拉长电弧、冷却等 n增大回路电阻 n斜直线的角变大，至稳定点2不存在为止 2021-7-527 2.4 直流电弧及其熄灭 n直流电弧熄弧/分断电路时的过电压 n那么： n1）L越大，过电压越高（储能多）； n2）熄弧速度越快，

14、过电压越高 h ghh dI UUURIL dt m ax 0 h h g I dI UUL dt 2021-7-528 2.4 直流电弧及其熄灭 n灭弧措施及图213 n灭弧强度 n过强则导致高的过电压 n过低则延长灭弧时间，甚至灭弧失败 n213 a）负载并联电阻 n熄弧后回路方程： ()0 h hs dI LIRR dt 00 /| st IUR () s RR t L h s U Ie R s RR t L abhs UI RUe () 0 s RR t L h II e max000 | s RR t L hsst UUI R eUI R max0 2| s RR t L habt

15、UUUUUeU 其他情况其他情况 2021-7-529 2.4 直流电弧及其熄灭 n理论上：增大与负载并联的电阻Rs可减小I0，以减 小可能的过电压 n但增大了正常情况下的功率损耗 n213 b） n二极管：避免正常时的功率损耗 n此时可采用较大的Rs n213 c） n双断口以降低过电压 nC1为主灭弧机构 nC2为辅助灭弧机构 n电阻Rs用于减小电弧电流（减少电感中的能量） nC2较弱的灭弧能力使熄弧过程延长，防止高的过电压产生 2021-7-530 2.5 交流电弧及其熄灭 n电弧熄灭原理 n直流电弧 n方法： n电弧伏安特性上移 n拉长电弧冷却 n增大弧阻和弧压 n特点特点：电流过零熄

16、灭 n交流电弧 n电流过零时的两种竞争过程 图214 n介质恢复过程 n弧隙电压恢复过程 n特点特点：每工频周期存在两个过零点 n共同点共同点：提高介质恢复强度 2021-7-531 2.5 交流电弧及其熄灭 n介质恢复过程 n了解近阴极区和弧柱区的不同 n1）近阴极区的介质恢复 图215 n近阴极效应 n由于电子移动速度快，故介质恢复过程快：0.11us n过零前后，电极位置互换，电子速度快于正离子，浓度的 变化使得在新阴极表面的场致发射场致发射很弱甚至没有 n温度低于热电离热电离温度 n金属栅截割电弧 n短弧灭弧原理 n综合利用两者灭弧的方法 2021-7-532 2.5 交流电弧及其熄灭

17、 n近阴极区的电场和电位分布 n假定在x=l处E=0 n正离子和电子浓度一样 n泊松方程 图215 b） nn: 电荷的数密度；: 介电常数 n假定x=0处U=0 n对泊松方程进行x的积分： nx=l时有最大值： () nq Elx () 2 j nqxx Ul 2 2 j nql U 2021-7-533 2.5 交流电弧及其熄灭 n2）介质恢复过程的弧柱区 n零休时间 n电弧电流自然过零前后数十微秒内 n电弧电阻并非无穷大 n残存带电粒子形成剩余电流剩余电流 n电源仍向弧隙输送能量 n热击穿及热击穿阶段 n弧隙能量获取大于散发 n电击穿及其阶段 n弧隙间电压足够高 2021-7-534 2

18、.5 交流电弧及其熄灭 n弧隙电压恢复过程 n恢复电压 n稳态恢复电压直流和工频 n暂态恢复电压 n不同性质电路的分断 图216 n电阻性：只有稳态分量 n电压电流同相位 n电感性负载：电流i落后于电压u相位90度； n电流为零时，电压处于幅值最大时刻 2021-7-535 2.5 交流电弧及其熄灭 n电容性负载：电流i超前于电压u相位90度； n注意： n虚线为电容电压Uc n实线在过零前是电弧电流i，过零后为电弧电压Uhf n因为电弧电流过零后，且电弧熄灭，故 n电容电压达到最大 n电容和电源隔离，无放电回路，电容电压不变 n电流过零电弧后，电源电压继续变化，使Uhf最终达到 最大为两倍的

19、电源幅值 n选择：电感性为设计、试验代表 2021-7-536 2.5 交流电弧及其熄灭 n电感性弧隙恢复电压分析 n假设条件：电阻为零，且过程极短暂 n解特征：工频暂态量稳态量Ugm n实际上实际上，电弧总存在等效并联电阻和电容，则有： 2 2 gm did Uc uULUcLCUc dtdt 00 cossin gm UcUAtBt 2 2 hfhf L gmhfhf d udu diL uULuLCu dtdtRdt hfhf LCR duu iiiC dtR 2021-7-537 2.5 交流电弧及其熄灭 n根据解的实根或虚根情况，有两种恢复电压曲线 n共同点：恒定量Ugm暂态分量 n

20、实根：存在暂态衰减量 n虚根：存在单调变化量 n灭弧时刻选择依据 n零休期热击穿阶段 n1） （首次自然过零点） n2）弧隙输入功率最小； n3）线路储能较小，不易出现高的过电压（电击穿） n实际情况非图24所示 n图24只是固有ujf和uhf的特性 n由于弧隙电阻Rs的存在，使ujf和uhf两者都趋于降低， 即两者是相互关联的 2021-7-538 2.5 交流电弧及其熄灭 n熄弧过程 图218 n三个半波的过程 n三个相位是：电流过零点落后于电压过零点的相角 n第一个过零点： nujf不高，弧压uh不大，电流畸变不大，重燃 n第二个过零点： n弧长增大，弧压uh增大，则电弧电流ih变小 n

21、过零点的电流有畸变 nujf变大 n第三个过零点： n弧长和弧压uh更增大，ih变小更多 nujf增加更多 n3小于90度，uhf在较低的工频恢复电压uhf瞬时值作用下上升 2021-7-539 2.6 灭弧装置（介绍） n灭火花电路 图219 n用于继电器 n本质：放电回路 n简单灭弧 n拉长电弧：弧压增大，特性上移 n空气冷却：介质恢复 n磁吹灭弧装置 图220 n电流：681； n铁心和夹板：减小磁路增大磁通； n考虑结构、磁通与灭弧等的优化 2 FI 2 FI 2021-7-540 2.6 灭弧装置（介绍） n弧罩与纵缝灭弧装置 图221 n纵缝：灭弧室缝隙方向与电弧轴线平行 n目的：

22、冷却电弧以灭弧 n多缝：比单缝的阻力小； n纵向曲缝： n显著增大接触面积，提高弧柱的冷却和消电离作 用 n电弧受到的阻力较大（需要较大的外加磁场） 2021-7-541 2.6 灭弧装置（介绍） n栅片灭弧装置 n绝缘栅片 n利用电弧段之间的电磁力使电弧与栅片紧密接触 来增强熄弧能力 n金属栅片 n切割成短弧 n利用近极区效应增强熄弧能力 2021-7-542 2.6 灭弧装置（介绍） n固体产气灭弧装置 n熔断器 n原理： n1、熔体熔化和汽化，形成短弧 n2、绝缘管产生高压气体 n石英砂灭弧装置 n熔断器 n石英砂来限制弧柱的扩展并冷却电弧 n1、短弧（多断口串联） n2、高压气体（石英

23、砂限值气体扩散） n3、狭缝冷却 n缺点：石英砂的熔解导致稳定燃弧现象出现 2021-7-543 2.6 灭弧装置（介绍） n油吹灭弧装置 n变压器油分解、气化 n气泡的气体中 n油蒸汽40，其他气体60 n其他气体：氢气(70%以上)、乙、乙烯。 n气泡体积关系： n易于灭弧： n气体中：氢导热系数最大，粘度最小 n气泡压力大油限值其体积，且油在电弧作用下分解和 气化 n油易于灭弧 n缺点： n有临界电流、极限开断电流 n结构复杂，维护麻烦 h VkW 2021-7-544 2.6 灭弧装置（介绍） n压缩空气灭弧装置 n利用压缩空气增强灭弧 n结构 n棒棒，管管，棒管 n缺点： n结构复杂

24、 n灭弧能力过强，常引起电流截断导致高过电压 n喷口堵塞可能导致弧柱冷却不够，导致电弧重 燃极限开断电流 2021-7-545 2.6 灭弧装置（介绍） n六氟化硫（SF6）灭弧 n正八面体分子结构，强负电性 n即对电子有极大的亲和力，而粘合形成负离子负离子质量为电子的 几千倍，在电场中移动缓慢，极大提高介质的恢复强度速度 n常温下稳定：150度不易起化学反应 n无色、无臭、无味、无毒、不燃、无腐蚀性 n密度大，热容量高（易于灭弧） n高温会分解，但低温下极易恢复 n击穿电压高（约为空气的23倍） n简单开断时，开断能力比空气强约100倍；而简单的辅助手段即可大 幅提高开断能力 n缺点： n易

25、液化 n不均匀电场中的击穿电压下降明显 n电弧可以拉很长而很难截断 2021-7-546 2.6 灭弧装置（介绍） n真空灭弧 n真空度：1.3310-3Pa n电子自由行程很大，达43m ，不易碰撞 n空气分子自由形成达7.6m n介质击穿条件： n电子碰撞粒子时期电离（电场电离）以产生更多的电子 n击穿电压比空气高很多 n电弧构成：金属蒸汽 n金属蒸汽不多且不易扩散 n介质强度恢复快 n灭弧能力强（无足够介质） n灭弧室尺寸可以较小 n容易形成截流而形成高的过电压 2021-7-547 2.6 灭弧装置（介绍） n优点： n免维修；防爆 n耐压强度高 n分断能力高 nmm级别开距 n介质强

26、度恢复快 n操作频率高 n结构简单，体积小，重量轻，操作噪声小 n缺点： n过电压高，截流 n击穿电压受电极表面粗糙度和污染程度影响很大 n电弧使电极，特别是阴极光洁度影响极大 2021-7-548 2021-7-549 2021-7-550 2.6 灭弧装置（介绍） n无弧分断 n交流电流过零点分断，并使介质强度以足够 快的速度恢复 n同步开关，图223 n给触头并联晶体管 n混合开关，图224 n固体开关 n新型材料的阻抗特性 2021-7-551 2.7 触头的接触电阻 n两个触头表面情况 n加工的凸凹不平 n工业金属表面的凸凹不平（110um） n氧化污染 n接触处有金属、氧化污染后的

27、金属及各种绝缘 膜图225 n触头温升 n恶性循环：温升导致接触电阻增加，接触电阻的 增加又导致温升增加 0 (1) jw RR 2021-7-552 2.7 触头的接触电阻 n表面膜 n尘埃膜、化学吸附膜、无机膜、有机膜 n接触电阻 n接触压力 n图227 n触头温升 n材料和接触面积 n材料、表面加工情况、接触点个数和接触面积（半径）、 氧化和污染情况等 n归结为参数Ke，图227 n接触形式 n图226 (0.102) c j m j K R F 2021-7-553 2.7 触头的接触电阻 n束流现象 n电流限于接触点和接触面积极度缩小所造成 的电流收缩现象 n反向电动斥力 nPinc

28、h效应造成的附加斥力 2 00 4( ) e R FI ln r 2 0 6 p FI 2021-7-554 2.8 闭合状态下的触头 n触头的四种工作情况及要求 n分断状态 n过电压防电击穿 n闭合状态 n1）一定过载能力，控制温升； n2）抗电磁斥力和熔焊； n3）接触电阻小。 n闭合过程 n情况： mv2/2；弹跳过程预击穿引起的短弧 n1）弹跳持续时间要短； n2）抗电弧熔焊性好； n分断过程 n介质恢复强度高，然弧时间短，过电压低，抗电弧焊。 2021-7-555 2.8 闭合状态下的触头 n闭合状态下 n温度升高 n触头之间的电动斥力 n触头的发热 n本体发热和触点发热 n触点产热

29、多，散热面积小 n触点发热的温升：式223 222 /(8)/(8) jpjj I RU 2021-7-556 2.8 闭合状态下的触头 n例21 n注意计算过程：2.175应该是175 n接触电阻和接触电压降 n实际的RjUj曲线：图228 n软化电压Us n金属材料软化 n此时Rj骤减 n熔化电压Um n触头温度达熔点 n接触电阻允许值 (0.5 0.8) js UU / jj RUI 2021-7-557 2.8 闭合状态下的触头 nUj与时间的特性 图229 n触头表面的氧化腐蚀导致膜层增加 n膜的破坏使Rj骤减 n应对 n材料选择 n铜镀银、嵌银或金等 n机构设置 2021-7-55

30、8 2.8 闭合状态下的触头 n触头间的电动力 n导体截面变化时，电力线弯曲 n径向力分量 n轴向力分量 nF I2 2021-7-559 2.9 触头接通过程及其熔焊 n触头接通/闭合： n弹性和塑性变形 n部分能量转换为热量塑性变形 n部分能量转换为反弹运动弹性变形 n二次弹跳原因 n图231 n触头的闭合 n铁心的闭合（衔铁与磁轭闭合） n触头材料蒸发的压力 2021-7-560 2.9 触头接通过程及其熔焊 n闭合弹跳过程 n图232 n能量渐小 n部分能量转换为热量塑性变形 n部分能量转换为反弹运动弹性变形 n共振 n熔焊与弹跳力的作用 n振幅计算 n能量平衡公式 nW：位能；WA：

31、塑性变形的消耗能 n式231 2 2 A mv WW 2021-7-561 2.9 触头接通过程及其熔焊 n触头的熔焊 n分类 n静熔焊 n动熔焊 n影响因素 n电参数 n机械参数 n表面状况 n材料 n触头的冷焊 n压力情况下连接处金属分子或原子间的结合 2021-7-562 2.10 触头分断过程与其侵蚀 n分断过程触头损失严重 n过程历时长 n电弧持续时间长 n侵蚀 n机械侵蚀：机械摩擦 n化学侵蚀：氧化膜破碎导致 n电侵蚀：电火花或电弧 n电侵蚀 n桥蚀 图25 n弧蚀 2021-7-563 2.10 触头分断过程与其侵蚀 n桥蚀 n阳极材料向阴极转移 n阴极凸起、阳极凹陷 n火花放电 n物理过程 n电压较高而功率较小 n强电场击穿 n无热电离 n间歇性和不稳定 n阴极受电蚀阴极向阳极发射电子 2021-7-564 2.10 触头分断过程与其侵蚀 n弧蚀 n阴极电蚀 n正离子在阴极附近形成正空间电荷层，形成强电场 n阴极材料向阳极转移 n阴极凹陷、阳极凸起 n净侵蚀 n高温情况下，阴极和阳极材料的局部熔化和蒸发 n阳极电蚀 n火花放电和电弧放