城市轨道交通电弧与电气出头的基本知识

交流电弧的特性及熄灭条件交流电弧的特性及熄灭条件01交流电弧的特性交流电弧具有动态特性。在交流电路中，电流瞬时值随时间变化，因而电弧的温度、直径以及电弧电压也随时间变化，电弧的这种特性称为动特性电弧具有热惯性。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交流电流每半个周期过零一次，称为“自然过零”。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123交流电弧的特性02交流电弧的熄灭条件（1）交流电弧的燃烧过程与直流电弧的基本区别在于交流电弧中电流每半周要经过零点一次，此时电弧自然暂时熄灭（2）（3）在电流过零时，采取有效措施加强弧隙的冷却，使弧隙介质的绝缘能力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交流电流过零后，电弧是否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03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弧隙击穿的电压称为弧隙的绝缘能力或介电强度当电弧电流过零时电弧熄灭，弧隙中去游离作用继续进行，弧隙电阻不断增大，但弧隙介质的介电强度要恢复到正常状态值需要有一个过程，此恢复过程称为弧隙介质介电强度的恢复过程，以能耐受的电压Uj表示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123弧隙介质介电强度的恢复04弧隙电压的恢复过程（1）电流过零使电弧熄灭后，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（2）（3）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，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，用Uhf（t）表示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05交流电弧的熄灭条件（1）电弧电流过零后，电弧自然熄灭。电流过零后，弧隙中同时存在着两个作用相反的恢复过程，即介质介电强度恢复过程和弧隙电压的恢复过程（2）（3）如果弧隙介质介电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介电强度，弧隙就被击穿，电弧重燃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，最终熄灭电气触头的分类及其结构绝缘子的构造01按接触面的形式分点触头是指两个触头间的接触面为点状的触头，如球面和平面接触、两个球面接触等都是点接触。这种接触形式的优点是压强较大、接触点较固定、接触电阻稳定、触头结构简单、自洁作用较强；缺点是接触面积小、不宜通过较大电流、热稳定性差。因此，这种触头通常只用在工作电流和短路电流较小的情况下，如继电器和开关电器的辅助触点等线触头是指两个触头的接触面为线状的触头，如柱面与平面接触，或两个圆柱面间的接触等都属于线接触。线触头的压力强度较大，在同样压力下，线触头比面接触触头的实际接触点要多。线触头在接通或断开时，触头间的运动形式是一个触头沿另一个触头的表面滑动。由于触头的压强很大，滑动时很容易把触头表面的金属氧化层破坏掉（这种效应也被称为自洁作用），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1/3〜1/2。线触头的接触面积比较稳定，广泛应用于高、低压开关电器中面触头是指两个平面或两个曲面的接触触头，触头容量较大。在受到较大压力时，接触点数和实际接触面积仍比较小，所以为保证触头的动稳定，减小接触电阻，就必须对触头施加更大的压力123按接触面的形式分按结构形式分各种触头均需满足接触性能、动热稳定性、抗熔焊、耐电弧烧伤等各种要求，同时还要尽可能地便于安装、维修，降低造价02固定触头（1）固定触头是指连接导体之间不能相对移动的触头，如母线之间，母线与电器引出端头的连接等。固定触头按其连接方式可分为可拆卸和不可拆卸两类（2）（3）可拆卸的连接。采用螺栓连接方式，以方便安装和维修不可拆卸的连接。采用铆接或压接方式，触头连接后便不可拆卸。压接时，使用专用的压接模具，由压接工具施压成形。固定触头的接触表面应采取适当的防腐措施，以防止外界的侵蚀，保证接触可靠、耐用。防腐的方法一般是在触头连接后，在外面涂以绝缘漆、瓷釉或凡士林油等可断触头可断触头是在工作过程中可以分开的触头，广泛应用于高、低压开关电器中。按其结构可分为对接式触头、插入式触头、刀形触头、瓣形触头和指形触头03对接式触头结构简单，分断速度快接触面不够稳定，关合时易发生触头弹跳只适用于1000A以下的断路器中由于触头间无相对运动，故基本上没有自洁作用，触头容易被电弧烧伤、动热稳定性较差04123所需接触压力较小，有自洁作用，无弹跳现象

插入式触头触头磨损小，动热稳定性好除了刀形触头外，结构复杂，分断时间长存在问题05刀形触头结构简单广泛用于手动操作的高、低压电器，如刀开关、隔离开关等06瓣形触头其静触头是由多瓣独立的触指组成一个圆环，如同插座状，动触头是圆形导电杆接通时导电杆插入插座内，由强力弹簧或弹簧钢片把触指压向导电杆，静触指与动触头间形成线接触为了使触头具有抗电弧烧伤能力，常在外套的端部加装铜钨合金保护环，在动触头的端部镶嵌铜钨合金制成的耐弧端插座式触头接触面工作可靠，接触电阻稳定，结构复杂，断开时间较长，广泛用于少油断路器中作为主触头和灭弧触头07指形触头它由成对的装在载流体两侧的接触指、楔形触头和夹紧弹簧组成优点是动稳定性好，有自洁作用用在少油断路器中作工作触头，在一些隔离开关中也有应用缺点是不易与灭弧室配合，工作表面易被电弧烧伤滑动触头滑动触头也叫中间触头，又称可动触头，是指在工作中被连接的导体总是保持接触，能由一个接触面沿着另一个接触面滑动的触头。这种触头的作用是给移动的受电器供电，如电机的滑环炭刷、行车的滑线装置、断路器的滑动触头等08滑动触头豆形触头。它的静触指分上、下两层，均匀分布在上、下触头座的圆周上，每一触指配有小弹簧作缓冲，以减少摩擦力和防止动触杆卡涩，动触杆从其中心孔通过。在较小的接触压力下，具有良好的导电能力，而且结构紧凑。缺点是通用性差Z形滑动触头。Z形触头的结构与插座式触头相近。它把Z形触指静触头装在导电座里面，用弹簧保持触指的位置，并将触指紧压在圆形导电座和动触杆上。触头结构简单、工作可靠，没有导电片，高度低，接触稳定滚动式滑动触头。滚动式滑动触头是在工作中，导体由一个接触面沿着另一个接触面滑动的触头。它由圆形导电杆、成对的滚轮、固定导电杆以及弹簧等组成。弹簧的作用是保持滚轮和可动导电杆以及固定导电杆的接触压力。接通和断开过程中，滚轮沿着导电杆上、下滚动。滚动式滑动触头接触面的摩擦力小，自洁作用较差123滑动触头电气触头的概念和接触电阻触头的概念电气触头是指两个导体或几个导体之间相互接触的部分，如母线或导线的接触连接处以及开关电器中的动、静触头01对电气触头的基本要求结构可靠，便于调整、维修和更换接触电阻小且稳定，有良好的导电性能和接触性能通过规定电流时，发热稳定而且不超过允许值123对电气触头的基本要求45通过短路电流时，具有足够动、热稳定性开断规定短路电流时，触头不被灼伤，磨损尽可能小，不发生熔焊现象02触头的接触电阻（1）触头在正常工作和通过短路电流时的发热都与接触电阻值有关，所以触头的质在很大程度上取决于触头的接触电阻值（2）正常情况下，触头间的接触压力、表面加工情况、表面氧化程度及接触情况等都会影响接触电阻值03触头间的压力即使精细加工的触头表面，从微观上看也是凹凸不平的，触头接触面积的大小受施加压力大小的影响在不加外力情况下，将两个触头对接放置时，触头间仅有一点接触目的是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在开关电器中，一般在触头上附加刚性弹簧04触头材料及预防氧化的措施触头一般由铜、黄铜和青铜材料制成为防止触头表面被氧化，一般要采取镀锡、镀银和涂防腐漆和凡士林等措施加以防护05不同材料的触头连接一些电气设备，如变压器、电机等采用铜制引出端头，如果是在屋外和潮湿的场所中，就不能将铝导体用螺栓与铜端头连接因为铜铝直接接触会形成电位差（约为1.86V）为了避免出现这种情况，通常采用铜铝过渡接头，其结构是一端为铝，一端为铜当含有溶解盐的水分渗入接触面的缝隙时，会产生电解反应，铝被强烈地电腐蚀，导致触头损坏，并可能酿成重大事故06触头的热稳定和动稳定触头在长期负荷电流下工作时，由于接触电阻的存在，触头要发热，使其温度升高，同时也向周围介质散热。当发热量等于散热量时，触头就稳定在工作温度下运行这个温度值小于触头材料长期允许的温度。因此，触头是安全的。由于负荷电流相对于短路电流要小得多，所产生的电动力不会影响触头的正常工作因此，开关电器必须采取有效措施，保证在通过短路电流时有足够的动稳定和热稳定当触头短时间内通过大电流时，如短路电流、电动机的起动电流等，所产生的热效应和电动力具有冲击特性，对触头能否正常工作造成很大威胁，可能引起触头熔焊和短时过热、触头接触压力下降等后果电弧的产生和熄灭电弧的产生和熄灭01电弧的产生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123电弧的产生4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02自由电子的产生触头开断的瞬间由阴极通过热电子发射或强电场发射产生少量的自由电子触头刚分离时，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123自由电子的产生4触头刚分离时，由于触头间的间隙很小，间隙形成很高的电场强度5当电场强度超过3Χ10^6V/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03碰撞游离形成电弧从阴极表面发射出来的自由电子，在触头间电场力的作用下加速运动，不断与间隙中的中性气体质点（原子或分子）撞击如果电场足够强，自由电子的动能足够大，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123碰撞游离形成电弧4碰撞游离不断进行、不断加剧，带电质点成倍增加，此过程愈演愈烈，如雪崩似地进行着，发展成为“电子崩”5在极短促的时间内，大量的自由电子和正离子出现，在触头间隙形成了电弧新的自由电子又在电场中加速积累动能，去碰撞另外的中性原子，产生新的游离热游离维持电弧04123热游离维持电弧45触头间隙在发生了雪崩式碰撞游离后，便形成电弧并产生高温温度增高时，气体中粒子的运动速度也随着增大，就可能使原子外层轨道的电子脱离原子核内正电荷的束缚力(吸引力）成为自由电子气体温度越高，粒子运动速度就越大，原子热游离的可能性也就越大，从而供给弧隙大量的电子和正离子，维持电弧稳定燃烧一旦触头间隙形成电弧放电后，电弧的电阻很小，导电性很好，触头间隙的电压就会立刻降至最小，触头间隙的电场强度也大大降低，这时电场游离在间隙中作用不明显由于热平衡，电弧温度达到某一数值后不再上升，电导达到某一值后也不再上升，热游离将在一定强度下稳定下来，达到平衡状态05断路器断开过程中电弧形成过程123断路器断开过程中电弧形成过程45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主要因素在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧电弧的熄灭电弧的熄灭过程实际上是气体介质由导通又变为截止的过程。电弧中发生游离的同时，还存在着相反的过程，即去游离。去游离使弧隙中正离子和自由电子减少。去游离的主要方式包括复合和扩散两种形式06复合（1）复合是指异性带电质点相遇，正负电荷中和成为中性质点的现象（2）（3）复合的方式是电子先附在中性质点上形成负离子，负离子的运动速度比较小，正负离子的复合就容易进行目前广泛使用的SF₆断路器就利用了SF₆气体的强电负性来实现电弧的尽快熄灭07扩散（1）温度扩散。由于电弧和周围介质间存在很大温差，使得电弧中的高温带电质点向温度低的周围介质中扩散，减少了电弧中的带电质点（2）（3）浓度扩散。这是因为电弧和周围介质存在浓度差，带电质点就从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使电弧中的带电质点减少利用吹弧扩散，在断路器中采用高速气体吹弧，带走电弧中的大量带电质点，以加强扩散作用08影响去游离的因素电弧温度。电弧是由热游离维持的，降低电弧温度就可以减弱热游离，减少新的带电质点的产生。同时，也减小了带电质点的运动速度，加强了复合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动电弧，或使电弧与固体介质表面接触等。都可以降低电弧的温度介质的特性。电弧燃烧时所在介质的特性在很大程度上决定了电弧中去游离的强度，这些特性包括热导率、热容量、热游离温