第三章开关电器中的电弧-31

1、发电厂电气部分发电厂电气部分第六章导体和电气第六章导体和电气设备的原理与选择设备的原理与选择第六章第六章 电气设备及载流导体电气设备及载流导体v教学要求教学要求：v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v掌握高、低压开关电器的结构特点、工作原理、电气参数及其应用；v重点掌握断路器的工作原理；v掌握互感器的作用、结构、接线方式及准确度等级；v掌握母线、电缆、绝缘子、限流电器的工作原理、结构及应用。开关电器中的电弧开关电器中的电弧v一、电弧的形成与熄灭电弧的形成与熄灭v二、交流电弧的特性及熄灭交流电弧的特性及熄灭v三、熄灭交流电弧的方法熄灭交流电弧的方法 一、电弧的形成与熄灭一、

2、电弧的形成与熄灭1、电弧放电的特征和危害、电弧放电的特征和危害 弧柱中自由电子的主要来源弧柱中自由电子的主要来源 电弧形成的过程电弧形成的过程 电弧的去游离形式电弧的去游离形式 影响去游离的因素影响去游离的因素 1、电弧放电的特征和危害电弧放电的特征和危害电弧的概念电弧的概念 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。电弧的本质电弧的本质 电弧的实质是一种气体放电现象。电弧放电的特征电弧放电的特征 （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。 （3）电弧

3、是一种自持放电现象。 （4）电弧是一束游离的的气体。1、 电弧放电的特征和危害电弧放电的特征和危害电弧的危害电弧的危害 （1）电弧的存在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。 2、电弧的形成电弧的形成弧柱中自由电子的主要来源（弧柱中自由电子的主要来源（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渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致阴极

4、表面温度急剧升高而发射电子 ，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 ，使触头内部的电子在强电场作用下被拉出来 ，就形成强电场发射。2、电弧的形成电弧的形成 弧柱中自由电子的主要来源（弧柱中自由电子的主要来源（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，就会从中性质点中打出一个或多个电子，使中性质点游离，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

5、中性质点互相碰撞时，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。 2、电弧的形成电弧的形成 电弧形成的过程电弧形成的过程 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

6、）击穿（量变到质变）热游离（主要因素）维持发展电弧的熄灭：带电质点不断消失电弧的熄灭：带电质点不断消失v关键是加强去游离作用v 介质的游离作用电弧产生 v 介质的去游离作用电弧熄灭v1去游离：正、负质点相互吸引中和为中性质点。v2熄弧条件 游离与去游离谁主导？当游离去游离电弧电流（剧烈燃烧）当游离=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，电弧又重燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就此熄灭。2、交流电弧的熄灭条件交流电弧的熄灭条件弧隙介质介电强度的恢复弧隙介质介电强度的恢复 弧隙

7、介质能够承受外加电压作用而不致使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，以耐受的电压Ud（t）表示。 2、交流电弧的熄灭条件交流电弧的熄灭条件弧隙电压的恢复过程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，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

8、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。 2、 交流电弧的熄灭条件交流电弧的熄灭条件交流电弧的熄灭条件交流电弧的熄灭条件 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。三、三、 熄灭交流电弧的方法熄灭交流电弧的方法1、采用优质灭弧介质、采用优质灭弧介质2、采用耐高温金属材料制作触头、采用耐高温金属材料制作触头3、吹弧、吹弧 吹弧气流产生的方法吹弧气流产生的方法 吹弧的方向吹弧的方

9、向4、采用多断口、采用多断口5、提高触头的分闸速度、提高触头的分闸速度1.优质灭弧介质优质灭弧介质v 熄灭交流电弧的关键在于电弧电流过零后，弧隙的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。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、灭弧介质的特性，如导热系数、电强度、

10、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。在高压开关中，广泛采用压缩空气、大，去游离作用就越强。在高压开关中，广泛采用压缩空气、六氟化硫（六氟化硫（SF6）气体、真空等作为灭弧介质。）气体、真空等作为灭弧介质。 2、用耐高温金属材料作触头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熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属制作触头，可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸汽，从头，可以减少热电子发射和电弧中

11、的金属蒸汽，从而减弱了游离过程，有利于熄灭电弧。同时，触头而减弱了游离过程，有利于熄灭电弧。同时，触头材料还要求有较高的抗电弧，抗熔焊能力。常用的材料还要求有较高的抗电弧，抗熔焊能力。常用的触头材料有铜触头材料有铜 、钨合金和银、钨合金等。、钨合金和银、钨合金等。 3、 吹弧吹弧 吹弧气流产生法吹弧气流产生法.（1） 用新鲜而且低温的介质吹拂电弧时，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：吹弧气流产生的方法有： （1）用油气

12、吹弧）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。3、吹弧吹弧 吹弧气流产生法吹弧气流产生法.（2） （2）用压缩空气或六氟化硫气体吹弧）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

13、管吹弧）产气管吹弧 产气管由纤维、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。3、 吹弧吹弧 吹弧方向法吹弧方向法 （1） 2. 按吹弧的方向分为：按吹弧的方向分为： （1）纵吹）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 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散，还能将电弧迅速吹弯吹长

14、。 3、 吹弧吹弧 吹弧方向法吹弧方向法（2） （3）纵横吹）纵横吹 横吹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，可将纵吹和横吹结合起来。在大电流时主要靠横吹，小电流时主要靠纵吹，这就是纵横吹灭弧室。 4、 采用多断口熄弧采用多断口熄弧 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。多断口使电弧的总长度加弧分割成多个相串联的小电弧段。多断口使电弧的总长度加长，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

15、被拉长的速度成倍增加，使弧隙电阻加速增大，提高下，电弧被拉长的速度成倍增加，使弧隙电阻加速增大，提高了介质强度的恢复速度，缩短了灭弧时间。了介质强度的恢复速度，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。开关电器的尺寸。5、提高触头的分闸速度提高触头的分闸速度 迅速拉长电弧，有利于迅速减小弧柱中的电位梯度，增加迅速拉长电弧，有利于迅速减小弧柱中的电位梯度，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，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，如采用强现代高压开关中都采取了迅速拉