城市轨道交通变电所中的一次设备-电弧

第三章城市轨道交通变电所中的一次设备一、电弧现象电气设备的开关电器切断有电流的电路时，如果电路中的电压大于20V，电流超过80mA时，触头间会产生强烈而耀眼的白光柱，即产生电弧。从现象上看，电弧是一束明亮的光柱。实质上，电弧是一种游离状态的气体放电现象，它是电流通过某些绝缘介质(例如空气)所产生的瞬间火花。按产生电弧的电路电源不同，可将电弧分为：交流电弧、直流电弧和脉冲电弧。电极上电弧的孳生点（温度最高、最明亮的斑点）称为阴极斑点或阳极斑点。+弧柱区阳极区阴极区－图3-12电弧的结构电弧具有以下特点：1）起弧电压、电流的数值很低。

2）电弧中含有大量的电子、离子，因此电弧有良好的导电性能，具有很高的电导。弧柱电流密度可达10KA/cm2。电孤存在时，尽管开关电器的触头是断开的，电路中仍然有电流流过，电路将继续导通。3）电弧能量集中，温度很高。弧放电时，能量高度集中，弧心温度可达10000℃左右，电弧表面的温度也可达到3000℃～4000℃。4）电弧是一束质量很轻的游离状态的气体，在外力的作用下，能迅速移动、伸长、弯曲、变形。电弧对电力系统和电气设备造成危害，主要有以下几种：1）延长了开关电器切断电路的时间。2）由于电弧的温度很高，如果电弧长时间燃烧，不仅将触头表面的金属熔化或蒸发，而且引起电弧附近电气绝缘材料烧坏，引起事故。对充油电气设备，还可能使设备的内部温度和压力剧增，从而引起爆炸、火灾等。3）由于电弧能在外力的作用下迅速移动，很容易形成飞弧造成电源短路事故和伤人。

二、电弧的产生与维持

1．热电子发射

2．强电场发射

3．碰撞游离

4．热游离电弧的产生是开关电器开断负荷电路时，触头间的中性质点被游离的结果。电弧产生，第一是由于热的作用，发生热电子发射和热游离；第二是由于电场的作用，发生强电场发射和碰撞游离，在气隙间出现大量电子流，使气体由绝缘体变成导体。强电场发射和碰撞游离是产生电弧的主要原因，而电弧得以维持和发展的主要原因是热游离作用。应该注意的是，在整个过程中几种物理作用并不是截然分开的，而是交叉进行或同时存在的。电弧燃烧期间，起主要作用的是热游离。三、电弧的熄灭在开关电器的触头间，发生游离过程的同时，还发生着使带电质点减少的去游离过程。去游离就是正、负带电粒子中和而变成中性粒子的过程。去游离的方式分两类：复合和扩散。1．复合2．扩散3．影响去游离的主要因素主要有以下几个：（1）电弧温度（2）介质的特性（3）气体介质的压力（4）触头材料（5）触头间电场的强弱（6）开断电流的大小四、电弧的特性及熄灭1、电弧电压沿弧长的分布阴极区+

－弧柱区阳极区IUUh0U1U2U3

图3-13电弧电压沿弧长分布2、直流电弧的特性及熄灭图3-14具有电弧的R-L直流电路

图3-15直流电弧的伏安特性图3-16直流电弧的稳定燃烧点直流电弧具体的灭弧方法有：（1）拉长电弧（2）开断电路时在电路中逐级串人电阻（3）在断口上装灭弧栅（4）吹弧冷却电弧图3-17拉长电弧使电弧熄灭

图3-18外电路逐级引入电阻灭弧图3-19金属栅片分割短弧灭弧3、交流电弧的特性及熄灭交流电弧是指在开断交流回路过程中所产生的电弧。

图3-20含R-L-C的交流电弧电路图3-21交流电弧的伏安特性及电压、电流波形（a）伏安特性；（b）波形图交流电流每半个周期过零一次，称为“自然过零”。交流电弧电流过零期间，同时存在两个对立的基本过程，一个是弧隙介质绝缘强度(或介电强度)的恢复过程，另一个是弧隙电压恢复过程。在恢复过程中，电弧是否重燃取决于弧隙介质绝缘强度的恢复和弧隙电压的恢复快慢程度。若恢复电压高于介质的绝缘强度，电弧将会重燃，这种现象叫电击穿；反之，若采取有效措施加强弧隙的冷却，使弧隙介质的绝缘强度达到不会被弧隙外施电压击穿的程度，则在下半周电弧就不会重燃而最终熄灭。(1)介电强度恢复过程影响介质介电强度恢复速率的主要因素有：1）弧隙温度。弧隙温度降低越快，弧隙介质强度恢复速率越大。2）弧隙介质特性。不同的灭弧介质中弧隙介质强度恢复速率不同，如图3-22所示。3）灭弧介质的压力。压力高不易击穿产生电弧。4）断路器触头的分断速度。分断越快，开距越大，介质介电强度的恢复速率越大。图3-22介质介电强度的恢复过曲线1-真空；2-SF6；3-空气；4-油（2）弧隙电压恢复过程电流过零使电弧熄灭后，电路施加于弧隙的电压，将从不大的电弧电压逐渐增长，一直恢复到电源电压，这一过程中加在弧隙上的电压称为恢复电压。电弧电流过零前，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，弧隙电压等于熄弧电压，正处于马鞍形的后峰值处（图3-21的C点），电流过零后，弧隙电压从后峰值逐渐增长，一直恢复到电源电压，弧隙电压从熄弧电压变成电源电压的过程称为弧隙电压恢复过程。

电压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。这里用ur(t)表示电压恢复过程。交流电弧电流过零自然熄灭后，是否重燃主要取决于弧隙介质介电强度ud(t)的恢复过程和弧隙电压ur(t)的恢复过程。交流电弧的熄灭条件为：

ud(t)>ur(t)图3-24交流电弧在过零后重燃和熄灭过程（a）重燃；（b）熄灭目前，广泛采用的交流电弧的灭弧方法有以下几种：（1）速拉灭弧（2）冷却灭弧法（3）采用多断口灭弧图3-27双断口示意图1-静触头2-电弧3-动触头（4）吹弧或吸弧灭弧法按方向可把吹弧分为：1）横吹。

2）纵吹。3）纵横吹。

图3-28吹弧方式(a)横吹（b）纵吹l一电弧2一触头灭弧方法按外力的性质分，有气吹、油吹、电动力吹及磁力吹弧或吸弧等。有的开