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开关电器的灭弧电弧是电气设备运行中经常发生的物理现象,其特点是光亮很强和温度很高。它不仅对触头有很大的破坏作用,电弧的产生对供电系统的安全运行有很大影响。首先,电弧延长了电路开断短路电流的时间。在开关分断短路电流时,开关触头上的电弧就延长了短路电流通过电路的时间,使短路电流危害的时间延长,这可能对电路设备造成更大的损坏。同时,电弧的高温可能烧坏开关的触头,烧毁电气设备和导线电缆,甚至可能引起火灾和爆炸事故。此外,强烈的电弧可能损伤人的视力,严重的可导致人失明。因此,开关设备在结构设计上就要保证其操作时电弧能迅速地熄灭。当电弧稳定燃烧时是处在热动平衡状态,此时不可能有电子和离子的积累。这说明电弧中气体游离现象的同时还存在一个相反的过程,我们称之为消游离。消游离就是正、负带电粒子中和而变成中性粒子的过程。消游离的方式分两类:复合和扩散。1•复合带异性电荷的粒子相遇后相互作用中和而变成中性粒子称为复合。复合按其地点可分为:表面复合:带正、负电荷的粒子附在金属或绝缘材料表面上,相互吸引而中和电荷,变成中性粒子。空间复合:带正、负电荷的粒子在放电间隙中相互吸引而中和电荷,变成中性粒子。自由电子与正离子相遇,相互吸引而中和电荷而变成中性粒子,称为直接复合。由于自由电子的运动速度比正离子大得多,所以直接复合的机率很小。往往自由电子粘合在中性粒子上,再与正离子相遇而复合,中和电荷形成两个中性粒子。这种过程称间接复合。因为正、负离子的运动速度相当,间接复合的机率大,约为直接复合的上千倍。自由电子粘合在中性粒子上形成负离子的强弱与气体的种类和纯净度有关。氟原子及其化合物SF分子与自由电子的粘合6作用很强,所以称为负电性气体。SF的复合能力很强,是比较理想的消游离和绝缘介质。现已应用在高压断路器中。显而易见,带电粒子运动速度是直接影响复合作用大小的重要因素。降低温度、减小电场强度可使粒子运动速度减小,易于复合。此外,带电粒子浓度增大时,复合机会增多,复合作用也可以加强。在电弧电流不变的条件下,设法缩小电弧直径,则粒子浓度可增大。复合过程总是伴随着能量的释放。释放出来的能量成为加热电极、绝缘物及气体的热源,同时也向四周散发。2•扩散带电粒子从电弧区转移到周围介质中去的现象称为扩散。扩散的方向一般为从高温、高浓度区向低温、低浓度区。扩散使电弧中的带电粒子减小。扩散出来的带电粒子因冷却很容易相互结合,中和电荷而形成中性粒子。扩散速度与电弧内外浓度差、温度差成正比。电弧直径愈小,弧区中带电粒子浓度愈大;电弧与周围介质温差愈大,扩散速度愈大。因此,加速电弧的冷却是提高扩散作用的有效方法。综上所述,电弧中存在着游离和消游离两方面的作用。当游离作用占优势时电弧就会产生和扩大,当消游离作用占优势时,电弧就趋于熄灭。游离与消游离作用与许多物理因素有关,如电场强度、温度、浓度、气体压力等。那么,我们可以根据这些物理因素的变化影响情况,找出一些切实可行的方法,减小游离,增加消游离,使触头断开电路时产生的电弧尽快地熄灭。我们知道电弧的产生会对供电系统的安全运行产生非常不利的影响,因此有必要了解下电弧产生的原因:在实际中,开关触头在分断电流时之所以会有电弧,原因在于触头本身及触头周围的介质中含有大量的可被游离的电子。当分断的触头之间存在足够大的外施电压的条件下,这些电子就有可能被强烈电离而产生电弧。那么要使电弧熄灭,就必须使触头间电弧中的去游离率大于游离率,即其中离子消失的速率大大于离子产生的速率。所以在电气设备的运行中,常常会采用下列几种方法灭弧:速拉灭弧法、冷却灭弧法、吹弧灭弧法、长弧切短灭弧法、狭沟或狭缝灭弧法、真空灭弧法和六氟化硫灭弧法。速拉灭弧法:这是开关电器中普遍采用的最基本的一中灭弧法。迅速拉长电弧,可使弧隙的电场强度骤降,离子的复合迅速增强,从而加速断乎的熄灭。这种方法是利用开关中装设的强有力的断路弹簧,快速分断触头,迅速拉长电弧,最终达到灭弧的目的。冷却灭弧法:通过降低电弧的温度,使电弧中的高温游离减弱,正负离子的复合增强,使电弧加速熄灭。这种方法在开关电器中也应用普遍,也是一种基本的灭弧方法。以上两种灭弧法都是利用空气的流动降温灭弧的,低压小功率电器开关基本上都是空气自然冷却灭弧。如一般接触器、转换开关等。吹弧灭弧法:利用外力(如气流、油流或电磁力)来吹动电弧,使电弧加速冷却,同时拉长电弧,降低电弧中的电场强度,使离子的复合和扩散增强,从而加速电弧的熄灭。这种灭弧方法的灭弧能力不是很强,灭弧速度也不快,一般是用于中低电压的电路开关中。长弧切短灭弧法:由于电弧的电压降主要降落在阴极和阳极上,其中阴极电压降又比阳极电压降大得多,而电弧的中间部分(弧柱)的电压降是很小的。因此如果利用金属片将长弧切割成若干倍。当外施电压小于电弧上的电压降时,则电弧不能维持而迅速熄灭。利用铁磁将触头间电弧快速吸入钢灭弧栅。同时钢片对电弧还有一定的冷却降温作用。粗弧分细灭弧法:将粗大的电弧分成若干平行的细小电弧,使电弧与周围介质的接触面增大,改善电弧的散热条件,降低电弧的温度,从而加速电弧中离子的复合和扩散都得到加强,使电弧加速熄灭。狭沟灭弧法:利用电动力吹弧使电弧进入绝缘栅片内,使电弧在固体介质所形成的狭沟中燃烧,改善了电弧的冷却条件,同时由于电弧与介质表面接触使带电质点复合大大增强,从而加速电弧的熄灭。比如有的熔断器熔管内充填石英砂,在熔断器中充填石英砂,其目的是为了增强熔断器的灭弧能力。石英砂具有较高的导热性和绝缘性能,并且与电弧有很大的接触面积,便于吸收电弧能量,因此能使电弧迅速冷却。使熔丝在石英砂中熔断。真空灭弧法:因为真空具有较高的绝缘强度。如果将开关触头装在真空容器内,则在触头分断时其间产生的电弧一般较小,且在电流第一次过零时就能熄灭电弧。比如在真空断路器分断瞬间,由于两触头间的电容存在,使触头间绝缘击穿,产生真空电弧。由于触头形状和结构的原因,使得真空电弧柱迅速向弧柱体外的真空区域扩散。当被分断的电流接近零时,触头间电弧的温度和压力急剧下降,使电弧不能继续维持而熄灭。电弧熄灭后的几US内,两触头间的真空间隙耐压水平迅速恢复。同时,触头间也达到了一定距离,能承受很高的恢复电压。所以,一般电流在过零后,不会发生电弧重燃而被分断。这就是其灭弧的原理。六氟化硫灭弧法:由于六氟化硫(SF6)具有优良的绝缘性能和灭弧性能,其绝缘强度约为空气的三倍,其绝缘强度恢复的速度约比空气快一百倍,因此采用六氟化硫来灭弧可以大大提高开关的断流容量和缩短灭弧时间。原理是:当短路开始,电信号反馈到脱扣器,使开关分闸。在分闸的瞬间,动触头和静触头之间就产生了电弧。动触头继续向下运动,电弧很快转移到引弧电极上。此时,绕在圆筒电极外而串联在静触头与圆筒电极之间的磁吹线圈通过短路电流
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