第二章电弧及电气触头基本知识

第二章电弧及电气触头基本知识第1页，共39页，2023年，2月20日，星期三课程要求重点难点教学内容思考练习第二章电弧及电气触头基本知识

第一节电弧的基本知识第2页，共39页，2023年，2月20日，星期三课程要求教学目标：（1）了解电弧的主要特点与危害；（2）掌握电弧的形成与熄灭过程；（3）能叙述电弧的形成过程。首页第3页，共39页，2023年，2月20日，星期三重点难点重点：电弧的形成与熄灭过程。难点：电弧的形成过程。

首页第4页，共39页，2023年，2月20日，星期三教学内容一、电弧的特点二、电弧的主要危害三、电弧的产生四、电弧的熄灭首页第5页，共39页，2023年，2月20日，星期三一、电弧的特点电弧：是一种能量集中、温度很高、亮度很大的气体导电现象。1.电弧的组成2.电弧温度3.自持放电，发出强烈的白光4.游离的气体，质量轻，迅速移动、伸长、弯曲和变形。运动速度可达每秒几百米。

弧心：温度最高、电流密度最大的弧柱中心部位。弧焰：弧柱周围温度较低、亮度明显减弱的部分。弧柱区中心可达到10000℃以上，表面温度也有3000～4000℃。

第6页，共39页，2023年，2月20日，星期三二、电弧的主要危害

1.电弧的高温，可能烧坏电器触头和触头周围的其他部件；对充油设备还可能引起着火甚至爆炸等危险。2.在开关电器中，触头间只要有电弧的存在，电路就没有断开，电流仍然存在，电弧的存在延长了开关电器断开故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。3.容易造成飞弧短路、伤人或引起事故扩大。

第7页，共39页，2023年，2月20日，星期三三、电弧的产生过程

电弧的产生实际上是气体介质在某些因素作用下，发生强烈游离，产生很多带电质点，由绝缘变为导通的过程。电弧能成为导电通道，是由于电弧的弧柱内存在大量的带电粒子，这些带电粒子的定向运动形成电弧。1.自由电子的产生触头开断瞬间产生少量的自由电子的原因：阴极的热电子发射或强电场发射。热电子发射：触头刚分离时，触头间的接触压力和接触面积不断减小，接触电阻迅速增大，使接触处剧烈发热，局部高温使此处电子获得动能，就可能发射出来成为自由电子。强电场发射：触头刚分离时，由于触头间的间隙很小，在电压作用下间隙形成很高的电场强度，当电场强度超过3×106V／m时，阴极触头表面的电子就可能在强电场力的作用下，被拉出金属表面成为自由电子。第8页，共39页，2023年，2月20日，星期三2.碰撞游离形成电弧碰撞游离：自由电子，在电场力作用下加速运动，不断与中性气体质点（原子或分子）撞击，如果电场足够强，自由电子动能足够大，碰撞时就能将中性原子外层轨道上的电子撞击出来，脱离原子核内正电荷吸引力的束缚，成为新的自由电子。失去自由电子的原子则带正电，称为正离子。新的自由电子又去碰撞另外的中性原子…此过程愈演愈烈，发展成为“电子崩”。当带电粒子积累到一定的数量时，介质的导电性质发生改变，由绝缘体变为导体，在外加电压的作用下，电流通过触头间隙，发出声响和强烈的白光，就形成了电弧。游离：中性质点转化为带电质点的过程。电场游离主要取决于电子运动速度，即取决于电场强度、电子的平均自由行程以及气体的性质。触头间电压越高，电场强度也越高，则气体容易被击穿。

注意：气体的压力越大，越不容易产生电场游离。三、电弧的产生过程

第9页，共39页，2023年，2月20日，星期三3.热游离维持电弧

热游离：发生雪崩式碰撞游离形成电弧后，产生高温，气体中粒子运动速度增大，使原子外层轨道电子脱离原子核内正电荷束缚力成为自由电子。

气体温度愈高，粒子运动速度愈大，原子热游离的可能性也愈大，维持电弧稳定燃烧。

电弧的形成过程就是介质向等离子体态的转化过程。三、电弧的产生过程

第10页，共39页，2023年，2月20日，星期三4.影响游离作用的物理因素

（1）温度越高，热游离越强烈。

（2）压力越大，行程越小，碰撞游离越小。

（3）电压越高越容易将间隙击穿。

（4）开断距离增大则减小间隙中的电场强度。

（5）不同介质游离电场不同，热游离温度不同。

（6）不同金属的蒸汽有不同的游离电压。三、电弧的产生过程

第11页，共39页，2023年，2月20日，星期三四、电弧的熄灭

实质：气体介质由导通又变为截止的过程，是电弧区域内已电离的质点不断发生去游离的结果。1.去游离过程2.影响去游离的物理因素使弧隙中正离子和自由电子减少。复合扩散正负电荷中和成为中性质点的现象。电弧中的自由电子和正离子散溢到电弧外面，并与周围未被游离的冷介质相混合的现象。要使电弧熄灭，必须使去游离作用强于游离作用。（1）介质的特性（2）电弧的温度（3）气体介质压力（4）游离质点的密度（5）触头材料第12页，共39页，2023年，2月20日，星期三思考练习1.电弧具有什么特征？它对电力系统和电气设备有哪些危害？2.电弧是如何形成的？3.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？第13页，共39页，2023年，2月20日，星期三课程要求重点难点教学内容思考练习第二章电弧及电气触头基本知识

第二节电弧的特性和熄灭方法

第14页，共39页，2023年，2月20日，星期三课程要求教学目标：（1）了解交、直流电弧特点，直流电弧的灭弧方法；（2）掌握交流电弧的灭弧方法；（3）能说明不同的灭弧方式在开关电器中的应用。首页第15页，共39页，2023年，2月20日，星期三重点难点重点：开关电器的常用灭弧方法。难点：交、直流电弧的特性。首页第16页，共39页，2023年，2月20日，星期三教学内容一、直流电弧的特性二、直流电弧的熄灭三、交流电弧的特性四、交流电弧的熄灭五、熄灭交流电弧的基本方法首页第17页，共39页，2023年，2月20日，星期三一、直流电弧的特性

稳定燃烧的直流电弧压降由阴极区压降、弧柱压降和阳极区压降三部分组成。电弧阴极区压降近似等于常数，它与电极材料和弧隙的介质有关；弧柱压降与弧长成正比；阳极区的电压降比阴极区的小。

短弧：几毫米长，电弧电压主要由阳极、阴极电压降组成。电弧电压是与电流、外界条件无关的常数，约为20V左右。长弧：几厘米以上，电弧电压主要由弧柱电压降组成，电弧电压与电弧长度成正比。

第18页，共39页，2023年，2月20日，星期三二、直流电弧的熄灭

熄灭直流电弧方法：

1.冷却或拉长电弧，增大电弧电阻和电弧电压；

2.增大线路电阻，如熄弧过程中串入电阻；

3.长弧分割成串联短弧，利用短弧的特性，使得电弧电压大于触头施加的电压时，则电弧即可熄灭。

在高压大容量的直流电路中（如大容量发电机的励磁电路），一方面采用冷却电弧和短弧原理的方法来熄弧，另一方面采用逐步增大串联电阻的方法来熄弧。第19页，共39页，2023年，2月20日，星期三三、交流电弧的特性1.动态特性2.热惯性3.“自然过零”

电弧的温度、直径以及电弧电压随时间变化。电弧电压呈马鞍形变化，电流小时，电弧电压高，电流大时，电弧电压减小且接近于常数。A点：燃弧电压B点：熄弧电压由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟不上快速变化的电流，所以电弧温度的变化总滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。电流过零时，电弧自然熄灭。如果电弧是稳定燃烧的，则电弧电流过零熄灭后，在另半周又会重燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就熄灭。第20页，共39页，2023年，2月20日，星期三四、交流电弧的熄灭

电弧重燃取决于弧隙介质绝缘能力或介电强度和弧隙电压的恢复。1.弧隙介质介电强度的恢复

恢复过程：电弧电流过零，电弧熄灭时，弧隙中去游离作用继续进行，弧隙电阻不断增大，弧隙介质的介电强度要恢复到正常状态值所需要的过程。

介质介电强度的恢复速度与冷却条件、电流大小、开关电器灭弧装置的结构和灭弧介质的性质有关。低压电器常利用近阴极效应来灭弧。影响介质介电强度恢复速率的主要因素：

（1）弧隙温度。

（2）弧隙介质特性。

（3）灭弧介质的压力。

（4）断路器触头的分断速度。第21页，共39页，2023年，2月20日，星期三四、交流电弧的熄灭2.弧隙电压的恢复过程电流过零后，弧隙电压从熄弧电压恢复到电源电压的过程，用Uhf（t）表示，恢复过程与电路参数、负荷性质等有关。受电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，也可能是非周期性变化过程。不会在电压恢复过程中出现过电压周期性振荡的恢复电压更容易超过弧隙介质强度，造成电弧重燃。第22页，共39页，2023年，2月20日，星期三四、流电弧的熄灭3.交流电弧的熄灭条件

Uj（t）＞Uhf（t）

在交流电弧的灭弧中，应充分利用交流电流的自然过零点，采取有效的措施，加大弧隙间去游离的强度，使电弧不再重燃，最终熄灭。

第23页，共39页，2023年，2月20日，星期三五、熄灭交流电弧的基本方法1.吹弧2.采用多断口灭弧3.提高分闸速度利用灭弧介质（气体、油等）在灭弧室中吹动电弧，广泛应用在开关电器中，特别是高压断路器中。横吹纵吹纵横吹熄弧时，利用多断口把电弧分解为多个相串联的短电弧，使电弧的总长度加长，弧隙电导下降；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，促使弧隙电导迅速下降，提高了介电强度的恢复速度；另一方面，加在每一断口上的电压减小数倍，输入电弧的功率和能量减小，降低了弧隙电压的恢复速度，缩短了灭弧时间。迅速拉长电弧，有利于迅速减小弧柱内的电位梯度，增加电弧与周围介质的接触面积，加强冷却和扩散作用，如采用强力分闸弹簧。第24页，共39页，2023年，2月20日，星期三五、熄灭交流电弧的基本方法4.用耐高温金属材料制作触头5.采用优质灭弧介质6.短弧原理灭弧7.利用固体介质的狭缝灭弧装置灭弧铜钨合金和银钨合金油、压缩空气、SF6气体、真空利用一个金属灭弧栅将电弧分为多个短弧，利用近阴极效应的方法灭弧。常用于低压开关电器中，如自动开关和电磁接触器等。广泛应用于低压开关。第25页，共39页，2023年，2月20日，星期三思考练习1.交流电弧有什么特征？熄灭交流电弧的条件是什么？2.什么是近阴极效应？3.什么是弧隙介质介电强度和弧隙恢复电压？4.断路器断口并联电阻和电容的作用是什么？5.开关电器中常采用的基本灭弧方法有哪些？各自的灭弧原理是什么？第26页，共39页，2023年，2月20日，星期三课程要求重点难点教学内容思考练习第二章电弧及电气触头基本知识

第三节电气触头基本知识第27页，共39页，2023年，2月20日，星期三课程要求教学目标：（1）熟悉对电气触头的基本要求；（2）建立接触电阻的概念、影响接触电阻的因素；（3）了解电气触头的种类、结构形式及应用。首页第28页，共39页，2023年，2月20日，星期三重点难点重点：接触电阻，减小接触电阻的措施。难点：触头的种类、结构形式。首页第29页，共39页，2023年，2月20日，星期三教学内容一、电气触头的概念二、触头的接触电阻三、触头的分类及其结构首页第30页，共39页，2023年，2月20日，星期三一、电气触头的概念

电气触头：两个或几个导体之间接触的部分。

电气触头直接影响到设备和装置的工作可靠性，它的性能好坏直接决定了开关电器的品质。

基本要求：（1）结构可靠；（2）接触电阻小且稳定，即有良好导电性能和接触性能；（3）通过规定电流时，发热稳定而且温度不超过允许值；（4）通过短路电流时，具有足够的动稳定性和热稳定性；（5）开断规定的短路电流时，触头不被灼伤，磨损尽可能小，不发生熔焊现象。第31页，共39页，2023年，2月20日，星期三二、触头的接触电阻

主要因素：触头的表面加工状况、表面氧化程度、触头间的压力及接触情况等。1.触头间压力的影响2.触头材料及预防氧化的措施不同压力作用时两触头表面的接触情况（F2＞F1）在开关电器中，一般在触头上附加钢性弹簧，以增大并保持触头间的接触压力，使触头接触可靠，减小接触电阻并保持稳定。材料：铜、黄铜和青铜等。为了防止氧化，通常在触头表面镀上一层锡或铅锡合金。镀锡铜触头：环境温度可在60℃以上，可用在户外装置，也可用在潮湿场所。镀银触头：用于户外装置或潮湿场所使用的大电流触头。钢制触头：接触表面应镀锡，并涂上两层漆加以密封。铝制触头：表面涂中性凡士林油加以覆盖，以防氧化。第32页，共39页，2023年，2月20日，星期三二、触头的接触电阻

主要因素：触头的表面加工状况、表面氧化程度、触头间的压力及接触情况等。3.不同材料的触头连接

直接连接铝与铝：铜与铜（干燥室内）：直接连接铜与铜（室外、高温潮湿、腐蚀性气体室内）：搪锡钢与钢：搪锡或镀锌铜与铝（干燥室内）：铜搪锡铜与铝（室外、空气湿度接近l00%室内）：过渡板，铜搪锡钢与铝/钢与铜：钢搪锡第33页，共39页，2023年，2月20日，星期三三、触头的分类及其结构

1.按接触面的形式分类(1)点触头优点：压强较大、接触点较固定、接触电阻稳定、触头结构简单、自净作用较强。缺点：接触面积小、不宜通过较大电流、热稳定性差。用途：只用在工作电流和短路电流较小的情况，如继电器和开关电器辅助触点等。第34页，共39页，2023年，2月20日，星期三

(2)线触头(3)面触头

特点：压力强度较大，在同样压力下，线触头比面接触触头的实际接触点要多，接触面积比较稳定。触头间的运动形式是一个触头沿另一个触头的表面滑动，从而可减小接触电阻，铜制线触头的接触电阻是平面触头的1/2－1/3，广泛应用于高、低压开关电器中。