开关电器中的电弧实用教案

1、第六章 电气设备及载流导体(dot) 教学要求： 掌握电弧的形成与熄灭,交流电弧的特性及熄灭交流电弧的方法 掌握高、低压(dy)开关电器的结构特点、工作原理、电气参数及其应用； 重点掌握断路器的工作原理； 掌握互感器的作用、结构、接线方式及准确度等级； 掌握母线、电缆、绝缘子、限流电器的工作原理、结构及应用。第1页/共31页第一页，共32页。开关(kigun)电器中的电弧 一、电弧的形成与熄灭 二、交流电弧的特性(txng)及熄灭 三、熄灭交流电弧的方法第2页/共31页第二页，共32页。 一、电弧的形成(xngchng)(xngchng)与熄灭1、电弧放电的特征和危害(wihi)2、电弧的形成

2、 弧柱中自由电子的主要来源 电弧形成的过程3、电弧的熄灭 电弧的去游离形式 影响去游离的因素第3页/共31页第三页，共32页。 1 1、电弧(dinh)(dinh)放电的特征和危害电弧的概念 当开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头刚刚分离后，触头之间就会产生强烈的白光，称为电弧。电弧的本质 电弧的实质是一种气体放电现象。电弧放电的特征 （1）电弧由三部分组成。包括阴极区、阳极区和弧柱区。 （2）电弧温度很高,能量大：容易烧坏触头，或使触头周围的绝缘材料遭受破坏(phui)。 （3）电弧是一种自持放电现象。 （4）电弧是一束游离的的气体。第4页/共31页第四页，共32页。1、 电弧(

3、dinh)放电的特征和危害电弧的危害 （1）电弧的存在(cnzi)延长了开关电器开断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。 （2）电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。 （3）由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。第5页/共31页第五页，共32页。 2 2 、 电 弧 的 形 成 ( x n g c h n g ) ( x n g c h n g ) 弧 柱 中 自 由 电 子 的 主 要 来 源 （ 1 1 ） （1）热电子发射 当断路器的动、静触头分离时，触头间的接触压力及接触面积逐

4、渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致阴极表面温度急剧(jj)升高而发射电子 ，形成热电子发射。 弧柱阳极区阴极区（2）强电场发射 开关电器分闸的瞬间，由于动、静触头的距离很小，触头间的电场强度就非常大 ，使触头内部的电子(dinz)在强电场作用下被拉出来 ，就形成强电场发射。第6页/共31页第六页，共32页。2 2、电弧的形成(xngchng) (xngchng) 弧柱中自由电子的主要来源（2 2） （3）碰撞游离 从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极运动，在运动过程中不断地与中性质(xngzh)点（原子或分子）发生碰撞。当高速运动的电子积聚足够大的动能时，就会从中性质(

5、xngzh)点中打出一个或多个电子，使中性质(xngzh)点游离，这一过程称为碰撞游离。 （4）热游离 弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很大的中性质(xngzh)点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。 第7页/共31页第七页，共32页。2 2、电弧(dinh)(dinh)的形成 电弧(dinh)(dinh)形成的过程 断路器断开过程中电弧是这样形成的。触头刚分离时突然解除接触压力，阴极表面立即出现高温炽热点，产生热电子(dinz)发射；同时，由于触头的间隙很小，使得电压强度很高，产生强电场发射。从阴极表面逸出的电子(dinz)

6、在强电场作用下，加速向阳极运动，发生碰撞游离，导致触头间隙中带电质点急剧增加，温度骤然升高，产生热游离并且成为游离的的主要因素，此时，在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧。强电场发射热电子发射电弧热游离温度磁撞游离加速 阴极发射（起因）碰撞游离（重要因素）击穿(j chun)（量变到质变）热游离（主要因素）维持发展第8页/共31页第八页，共32页。电弧的熄灭：带电质点(zhdin)不断消失 关键是加强去游离作用 介质的游离作用电弧产生 介质的去游离作用电弧熄灭 1去游离：正、负质点相互吸引中和为中性质点。 2熄弧条件(tiojin) 游离与去游离谁主导？ 当游离去游离电弧电流（剧烈燃烧） 当

7、游离=去游离电弧电流不变（稳定燃烧） 当游离 BA燃弧电压 B熄弧电压经过对左图的分析，可见交流电弧(dinh)在交流电流自然过零时将自动熄灭，但在下半周随着电压的增高，电弧(dinh)又重燃。如果电弧(dinh)过零后，电弧(dinh)不发生重燃，电弧(dinh)就此熄灭。第16页/共31页第十六页，共32页。2 2、交流电弧的熄灭条件(tiojin)(tiojin)弧隙介质介电强度的恢复 弧隙介质能够承受外加电压作用而不致使(zhsh)弧隙击穿的电压称为弧隙的介质强度。当电弧电流过零时电弧熄灭，而弧隙的介质强度要恢复到正常状态值还需一定的时间，此恢复过程称之为弧隙介质强度的恢复过程，以耐受

8、的电压Ud（t）表示。 第17页/共31页第十七页，共32页。 2 2、交流(jioli)(jioli)电弧的熄灭条件弧隙电压的恢复过程 电流过零前，弧隙电压呈马鞍形变化，电压值很低，电源电压的绝大部分降落在线路和负载阻抗上。电流过零时，弧隙电压正处于马鞍形的后蜂值处。电流过零后，弧隙电压从后蜂值逐渐增长(zngzhng)，一直恢复到电源电压，这一过程中的弧隙电压称为恢复电压，其电压恢复过程以Ur（t）表示。 电压恢复过程与线路参数、负荷性质等有关。受线路参数等因素的影响，电压恢复过程可能是周期性的变化过程，也可能是非周期性的变化过程。第18页/共31页第十八页，共32页。 2 2、 交流电弧

9、的熄灭(xmi)(xmi)条件交流电弧的熄灭(xmi)(xmi)条件 如果弧隙介质强度在任何情况下都高于弧隙恢复电压，则电弧(dinh)熄灭；反之，如果弧隙恢复电压高于弧隙介质强度，弧隙就被击穿，电弧重燃。因此，交流电弧(dinh)的熄灭条件为： Ud（t） Ur（t） Ud（t）弧隙介质强度； Ur（t）弧隙恢复电压。第19页/共31页第十九页，共32页。三、 熄灭交流(jioli)(jioli)电弧的方法1、采用优质灭弧介质2、采用耐高温金属材料制作触头3、吹弧 吹弧气流产生的方法 吹弧的方向4、采用多断口5、提高(t go)触头的分闸速度第20页/共31页第二十页，共32页。1.优质(y

10、uzh)灭弧介质 熄灭交流电弧的关键在于电弧电流过零后，弧隙的介质强度的恢复过程能否始终大于弧隙电压的恢复过程。为了加强冷却，抑制热游离，增强去游离，在开关电器中装设专用的灭弧装置或使用特殊的灭弧介质，以提高开关的灭弧能力。 灭弧介质的特性，如导热系数、电强度、热游离温度、热容量等，对电弧的游离程度具有很大影响，这些参数值越大，去游离作用就越强。在高压(goy)开关中，广泛采用压缩空气、六氟化硫（SF6）气体、真空等作为灭弧介质。第21页/共31页第二十一页，共32页。 2 2、用耐高温金属材料作触头 触头材料对电弧中的去游离也有一定影响，用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属制作触头，可以

11、减少热电子发射和电弧中的金属蒸汽，从而减弱了游离过程，有利于熄灭电弧。同时，触头材料还要求(yoqi)有较高的抗电弧，抗熔焊能力。常用的触头材料有铜 、钨合金和银、钨合金等。 第22页/共31页第二十二页，共32页。 3 3、 吹弧 吹弧气流(qli)(qli)产生法.（1 1） 用新鲜而且低温的介质吹拂(chuf)电弧时，可以将带电质点吹到弧隙以外，加强了扩散，由于电弧被拉长变细，使弧隙的电导下降。吹弧还使电弧的温度下降，热游离减弱，复合加快。按吹弧气流的产生方法和吹弧方向的不同，吹弧可分为以下几种。 1. 吹弧气流产生的方法有： （1）用油气吹弧 用油气作吹弧介质的断路器称为油断路器。在这

12、种断路器中，有用专用材料制成的灭弧室，其中充满了绝缘油。当断路器触头分离产生电弧后，电弧的高温使一部分绝缘油迅速分解为氢气、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳等气体，其中氢的灭弧能力是空气的7.5倍。这些油气体在灭弧室中积蓄能量，一旦打开吹口，即形成高压气流吹弧。第23页/共31页第二十三页，共32页。3 3、吹弧 吹弧气流(qli)(qli)产生法.（2 2） （2）用压缩空气或六氟化硫气体吹弧 将20个左右大气压的压缩空气或5个大气压左右的六氟化硫气体（SF6）先储存在专门的储气罐中，断路器分闸时产生电弧，随后打开喷口，用具有一定压力的气体吹弧。 （3）产气管(qgun)吹弧 产气管(qgun)由

13、纤维、塑料等有机固体材料制成，电弧燃烧时与管的内壁紧密接触，在高温作用下，一部分管壁材料迅速分解为氢气、二氧化碳等，这些气体在管内受热膨胀，增高压力，向管的端部形成吹弧。第24页/共31页第二十四页，共32页。3 3、 吹弧 吹弧方向(fngxing)(fngxing)法 （1 1） 2. 按吹弧的方向分为(fn wi)： （1）纵吹 吹弧的介质（气流或油流）沿电弧方向的吹拂称为纵吹，纵吹能增强弧柱中的带电质点向外扩散，使新鲜介质更好地与炽热电弧接触，加强电弧的冷却，有利于迅速灭弧。 （2）横吹 横吹时气流或油流的方向与触头运动方向是垂直的，或者说与电弧轴线方向垂直。横吹不但能加强冷却和增强扩

14、散，还能将电弧迅速吹弯吹长。第25页/共31页第二十五页，共32页。 3 3、 吹弧 吹弧方向(fngxing)(fngxing)法（2 2） （3）纵横吹(hn chu) 横吹(hn chu)灭弧室在开断小电流时因室内压力太小，开断性能较差。为了改善开断小电流时的灭弧性能，可将纵吹和横吹(hn chu)结合起来。在大电流时主要靠横吹(hn chu)，小电流时主要靠纵吹，这就是纵横吹(hn chu)灭弧室。第26页/共31页第二十六页，共32页。 4 4、 采用(ciyng)(ciyng)多断口熄弧 每一相有两个或多个断口相串联。在熄弧时，多断口把电弧分割成多个相串联的小电弧段。多断口使电弧的

15、总长度加长，导致弧隙的电阻增加；在触头行程、分闸速度相同的情况下，电弧被拉长的速度成倍增加，使弧隙电阻加速增大，提高了介质(jizh)强度的恢复速度，缩短了灭弧时间。 采用多断口时，加在每一断口上的电压成倍减少，降低了弧隙的恢复电压，亦有利于熄灭电弧。在要求将电弧拉到同样的长度时，采用多断口结构成倍减小了触头行程，也就减小了开关电器的尺寸。第27页/共31页第二十七页，共32页。5 5、提高(t go)(t go)触头的分闸速度 迅速拉长电弧，有利于迅速减小弧柱中的电位(din wi)梯度，增加电弧与周围介质的接触面积，加强冷却和扩散的作用。因此，现代高压开关中都采取了迅速拉长电弧的措施灭弧，

16、如采用强力分闸弹簧，其分闸速度已达16m/s以上。第28页/共31页第二十八页，共32页。作业(zuy)1.什么是弧隙介质强度和弧隙恢复电压？2.交流( jioli)电弧有什么特征？熄灭交流( jioli)电弧的条件是什么？第29页/共31页第二十九页，共32页。 电弧(dinh)(dinh)的基本知识思考题（1）电弧有什么特征？对电力系统和电气设备有哪些危害？（2）电弧的游离和去游离方式各有哪些？影响去游离的因素 是什么？（3）断路器开断短路电流时，弧隙电压的恢复过程有那几种形式？各有什么特点？（4）开关电器中常(zhngchng)采用的基本灭弧方法有哪些？各自的原理何在？第30页/共31页第三十页，共32页。谢谢您的观看(gunkn)！第31页/共31页第三十一页，共32页。NoImage内