电器学夏天伟 丁明道华南理工大学 第2章

电器学

第二章电接触与电弧理论作者：欧阳森EPCofSCUT12/27/20231本章概述内容要点电弧产生原因性质熄灭方法灭弧装置电弧的优缺点电接触本质触头在各种工作状态下的行为延长触头寿命和改善触头工作性能的技术措施12/27/20232本章概述触头与电弧接触的过程触头类型电弧的形成和性质触头的寿命电弧的优缺点12/27/202332.1电接触与触头电接触概念物理现象触头结构：两个或以上的导体基本要求：P35电阻不大且稳定分类连接触头图2－1机械性能；总电阻小；温升；电动力换接触头图2－2通常意义上的触头12/27/202342.1电接触与触头触头的四种工作情况及要求分断状态过电压——防电击穿断口间隔和爬电距离足够闭合状态1）一定过载能力，控制温升；2）抗电磁斥力和熔焊；3）接触电阻的长期稳定理论计算如何尽量小12/27/202352.1电接触与触头闭合过程情况：mv2/2；弹跳过程预击穿引起的短弧1）弹跳持续时间要短；2）抗电弧熔焊性好；分断过程考虑电弧的破坏影响：触头、绝缘等要求：介质恢复强度高，燃弧时间短，过电压低，抗电弧焊。12/27/202362.1电接触与触头触头的工作要求（开或断）电动斥力熔焊——材料要求温升——结构可靠熄灭电弧多方面，可围绕电击穿、热击穿阶段来分析触头基本参数开距、超程、初压力、终压力接触压力——力的全动态过程仿真或试验12/27/202372.2电弧及其产生过程电弧触头与电弧形成过程：P36触头分离——触点熔融——液态金属桥的形成——液体金属沸腾、爆炸——触头间隙形成——过电压击穿——火花放电或电弧——电弧熄灭一种物质形态——自然界第四态本质：能量积聚/泻放过程形成的物质形态Video危害：对系统、设备本身的性能、运行的影响烧蚀、污染、发热、误动、据动等等能量泻放抑止过电压——或者设备毁坏，区域电网崩溃12/27/202382.2电弧及其产生过程电弧形成过程危害P37其他工业和生活的用处1）气体的电离电子的稳态原轨道<－>激励状态(持续0.1~1us)－>自由电子式2－1原轨道<－>亚稳态(持续0.1~10ms)－>自由电子电离和电离能电离概念式2－212/27/202392.2电弧及其产生过程电离形式表面发射场所：金属电极表面种类：热发射、场致发射、光发射、二次发射等四种形式空间电离场所：触头间隙内种类：光电离、热电离、碰撞电离等三种形式12/27/2023102.2电弧及其产生过程各种电离的本质P37－38热发射：加热，电子克服电场势垒；逸出功场致发射：强电场使势垒减小光发射：射线照射金属表面，电子获取能量二次发射：粒子高速撞击光电离热电离碰撞电离：主要是电子12/27/2023112）电离及其形式消电离概念P38消电离形式复合概念：P38形式：表面复合空间复合复合概率：气体性质及纯度惰性气体、氢气、氮气等不会负荷SF6等——极强的俘获电子的能力能量过程：(中性)粒子增速；光量子辐射扩散12/27/2023123）气体放电过程原因及图2－4OD——非自持放电阶段无自由电子，直至有外界作用D以后——自持放电阶段各种电子较多，可形成持续放电击穿电压Ub——决定自持放电的主因CE：汤逊放电区（无光放电、黑暗放电）EF：过渡阶段，辉光电流增大、电离增强，维持放电所需电压下降FG：辉光布满阴极表面电流增大、电流密度稳定、阴极区电压降稳定GH：异常辉光放电阶段电流和电流密度皆增大H以后：弧光放电阶段电流密度和温度极高，热电离为主12/27/2023132.2电弧及其产生过程电弧的外观与本质图2－5A——anodeC——cathode阴极斑点温度极高（气化温度）、电流密度极高在自身磁场作用下运动阳极斑点12/27/2023142.2电弧及其产生过程近阴极区、近阳极区两极区的电压降与电流无关，<20V弧柱其内部气体全部电离等离子区：正负带电粒子电量相等电场强度近乎恒值图2－5电弧本质自持放电的一种形式P4112/27/2023152.3电弧的特性和方程电压方程式2－4近极区压降电场强度分布图2－6直流电弧的伏安特性图2－7该特性虽有各种经验公式，但最好由实验确定负阻特性电流增大，而电弧电压降低增大的电流使热电离加剧，离子浓度增大，维持稳定燃弧所需电压降低12/27/202316直流电弧的伏安特性图2－7的伏安特性分析曲线1中，设I2对应的电阻为R12，I1对应的电阻为R11；同理，设曲线2中，I2对应R22方向：电流在曲线1上减小到I1，在曲线2上增加到I2在曲线2上，是假定电流从I1减小到I2，而由于电弧的热惯性，有R22＝R11；又由于负阻特性，有R11<R12；那么，I2×R12>I2×R11所以，曲线2在曲线1的下方12/27/202317直流电弧的伏安特性直流电弧的静态和动态伏安特性图2－7中，参数为Uh、Ih，而Ih随时间t的变化情况决定了直流电弧的特性当电流随时间缓慢变化时，有静态伏安特性静态伏安特性只有一条：曲线1经验公式：当电流随时间有一定速度的变化时，形成动态伏安特性：P78图3－20速度无限大时，曲线0－3：dIh/dt=无限大Ih变化期间，弧柱的温度、直径不变动态特性有无数条：曲线1和曲线3之间，如曲线212/27/202318直流电弧的伏安特性分析动态伏安特性静态伏安特性曲线1动态伏安特性曲线2电流从I2－>I3时若快速变化，则从曲线2方向变化电弧变化滞后，电阻维持较大静态特性中的电弧电阻变小（弧柱变粗）在I3时，快速趋向曲线1相应点若瞬态变化，则沿曲线3方向在I3时，快速趋向曲线1相应点根据电流变化速度的不同，曲线2在1和3之间动态变化，谓之动态伏安特性12/27/202319直流电弧的伏安特性起弧条件表2－2燃弧电压、燃弧电流、电极材料、间隙介质等相关12/27/202320交流电弧的伏安特性交流电弧的伏安特性图2－8前提：灭弧作用不太强烈，即电流过零期间，电弧电阻始终为一有限值只有动态伏安特性——交流变化的电流原点对称伏安特性——两次交流过零点可以用下一小节“电弧的能量平衡”解释图2－9电阻性负载：电压电流同相位电感性负载：电流i落后于电压u相位90度；注意弧压升高到击穿阶段注意负阻特性12/27/2023212.3电弧的特性和方程电弧的能量平衡电弧功率计算电弧电压公式2－5电弧功率公式2－6短弧：U0占主导地位——金属件散热长弧：UA占主导地位——弧柱散热电弧的动态热平衡方程式2－7电弧的熄灭取决于PA和Pd灭弧指导12/27/2023222.3电弧的特性和方程用“电弧的能量平衡”解释图2－80A段Ih过零期间，PA＝0，此时dQA/dt=-Pd弧柱变冷、变细，Rh增大，因而0A段斜率（电阻）较大AB段Ih增大，PA增大，一直到dQA/dt>0那么弧柱变热、变粗，Rh迅速下降Rh的下降速度和ih的上升速度形成AB段BC段Ih减小，UA沿曲线BC上升但弧柱的热惯性使得曲线BC比AB低（图2－7）C0段Rh的上升。。。特殊点：A——燃弧尖峰C——熄弧尖峰12/27/2023232.4直流电弧及其熄灭电路模型——图2－13电压平衡方程：式2－8图解2－10横线是电源电势U曲线1为静态伏安特性曲线2为U-iR特性曲线2与横线U之间的夹角为α12/27/2023242.4直流电弧及其熄灭两个稳定点虚假稳定点A真正稳定点BAB之间，有Ldi/dt>012/27/2023252.4直流电弧及其熄灭熄弧方法（根据图2－10及其解释）电弧伏安特性上移，至稳定点2不存在为止根据式2－5增大近极压降图2－12d）的方法：长弧－>短弧增大电弧长度图2－12的方法增大弧柱电场强度E增大气体介质压强、速度、材料等等增大电弧电阻拉长电弧、冷却等增大回路电阻斜直线的α角变大，至稳定点2不存在为止12/27/2023262.4直流电弧及其熄灭直流电弧熄弧/分断电路时的过电压那么：1）L越大，过电压越高（储能多）；2）熄弧速度越快，过电压越高12/27/2023272.4直流电弧及其熄灭灭弧措施及图2－13灭弧强度过强则导致高的过电压过低则延长灭弧时间，甚至灭弧失败2－13a）负载并联电阻熄弧后回路方程：其他情况12/27/2023282.4直流电弧及其熄灭理论上：增大与负载并联的电阻Rs可减小I0，以减小可能的过电压但增大了正常情况下的功率损耗2－13b）二极管：避免正常时的功率损耗此时可采用较大的Rs2－13c）双断口以降低过电压C1为主灭弧机构C2为辅助灭弧机构电阻Rs用于减小电弧电流（减少电感中的能量）C2较弱的灭弧能力使熄弧过程延长，防止高的过电压产生12/27/2023292.5交流电弧及其熄灭电弧熄灭原理直流电弧方法：电弧伏安特性上移拉长电弧＋冷却增大弧阻和弧压特点：电流过零熄灭交流电弧电流过零时的两种竞争过程图2－14介质恢复过程弧隙电压恢复过程特点：每工频周期存在两个过零点共同点：提高介质恢复强度12/27/2023302.5交流电弧及其熄灭介质恢复过程了解近阴极区和弧柱区的不同1）近阴极区的介质恢复图2－15近阴极效应由于电子移动速度快，故介质恢复过程快：0.1~1us过零前后，电极位置互换，电子速度快于正离子，浓度的变化使得在新阴极表面的场致发射很弱甚至没有温度低于热电离温度金属栅截割电弧短弧灭弧原理综合利用两者灭弧的方法12/27/2023312.5交流电弧及其熄灭近阴极区的电场和电位分布假定在x=l处E=0正离子和电子浓度一样泊松方程图2－15b）n:电荷的数密度；ε:介电常数假定x=0处U=0对泊松方程进行x的积分：x=l时有最大值：12/27/2023322.5交流电弧及其熄灭2）介质恢复过程的弧柱区零休时间电弧电流自然过零前后数十微秒内电弧电阻并非无穷大残存带电粒子形成剩余电流电源仍向弧隙输送能量热击穿及热击穿阶段弧隙能量获取大于散发电击穿及其阶段弧隙间电压足够高12/27/2023332.5交流电弧及其熄灭弧隙电压恢复过程恢复电压稳态恢复电压——直流和工频暂态恢复电压不同性质电路的分断图2－16电阻性：只有稳态分量电压电流同相位电感性负载：电流i落后于电压u相位90度；电流为零时，电压处于幅值最大时刻12/27/2023342.5交流电弧及其熄灭电容性负载：电流i超前于电压u相位90度；注意：虚线为电容电压Uc实线在过零前是电弧电流i，过零后为电弧电压Uhf因为电弧电流过零后，且电弧熄灭，故电容电压达到最大电容和电源隔离，无放电回路，电容电压不变电流过零电弧后，电源电压继续变化，使Uhf最终达到最大为两倍的电源幅值选择：电感性为设计、试验代表12/27/2023352.5交流电弧及其熄灭电感性弧隙恢复电压分析假设条件：电阻为零，且过程极短暂解特征：工频暂态量＋稳态量Ugm实际上，电弧总存在等效并联电阻和电容，则有：12/27/2023362.5交流电弧及其熄灭根据解的实根或虚根情况，有两种恢复电压曲线共同点：恒定量Ugm＋暂态分量实根：存在暂态衰减量虚根：存在单调变化量灭弧时刻选择依据零休期热击穿阶段1）（首次自然过零点）2）弧隙输入功率最小；3）线路储能较小，不易出现高的过电压（电击穿）实际情况非图2－4所示图2－4只是固有ujf和uhf的特性由于弧隙电阻Rs的存在，使ujf和uhf两者都趋于降低，即两者是相互关联的12/27/2023372.5交流电弧及其熄灭熄弧过程图2－18三个半波的过程三个相位φ是：电流过零点落后于电压过零点的相角第一个过零点：ujf不高，弧压uh不大，电流畸变不大，重燃第二个过零点：弧长增大，弧压uh增大，则电弧电流ih变小过零点的电流有畸变ujf变大第三个过零点：弧长和弧压uh更增大，ih变小更多ujf增加更多Φ3小于90度，uhf在较低的工频恢复电压uhf瞬时值作用下上升12/27/2023382.6灭弧装置（介绍）灭火花电路图2－19用于继电器本质：放电回路简单灭弧拉长电弧：弧压增大，特性上移空气冷却：介质恢复磁吹灭弧装置图2－20电流：6——>8——>1；铁心和夹板：减小磁路增大磁通；考虑结构、磁通与灭弧等的优化12/27/2023392.6灭弧装置（介绍）弧罩与纵缝灭弧装置图2－21纵缝：灭弧室缝隙方向与电弧轴线平行目的：冷却电弧以灭弧多缝：比单缝的阻力小；纵向曲缝：显著增大接触面积，提高弧柱的冷却和消电离作用电弧受到的阻力较大（需要较大的外加磁场）12/27/2023402.6灭弧装置（介绍）栅片灭弧装置绝缘栅片利用电弧段之间的电磁力使电弧与栅片紧密接触来增强熄弧能力金属栅片切割成短弧利用近极区效应增强熄弧能力12/27/2023412.6灭弧装置（介绍）固体产气灭弧装置熔断器原理：1、熔体熔化和汽化，形成短弧2、绝缘管产生高压气体石英砂灭弧装置熔断器石英砂来限制弧柱的扩展并冷却电弧1、短弧（多断口串联）2、高压气体（石英砂限值气体扩散）3、狭缝冷却缺点：石英砂的熔解导致稳定燃弧现象出现12/27/2023422.6灭弧装置（介绍）油吹灭弧装置变压器油分解、气化气泡的气体中油蒸汽40％，其他气体60％其他气体：氢气(70%以上)、乙、乙烯。气泡体积关系：易于灭弧：气体中：氢导热系数最大，粘度最小气泡压力大——油限值其体积，且油在电弧作用下分解和气化油易于灭弧缺点：有临界电流、极限开断电流结构复杂，维护麻烦12/27/2023432.6灭弧装置（介绍）压缩空气灭弧装置利用压缩空气增强灭弧结构棒－棒，管－管，棒－管缺点：结构复杂灭弧能力过强，常引起电流截断导致高过电压喷口堵塞可能导致弧柱冷却不够，导致电弧重燃——极限开断电流12/27/2023442.6灭弧装置（介绍）六氟化硫（SF6）灭弧正八面体分子结构，强负电性即对电子有极大的亲和力，而粘合形成负离子——负离子质量为电子的几千倍，在电场中移动缓慢，极大提高介质的恢复强度速度常温下稳定：150度不易起化学反应无色、无臭、无味、无毒、不燃、无腐蚀性密度大，热容量高（易于灭弧）高温会分解，但低温下极易恢复击穿电压高（约为空气的2～3倍）简单开断时，开断能力比空气强约100倍；而简单的辅助手段即可大幅提高开断能力缺点：易液化不均匀电场中的击穿电压下降明显电弧可以拉很长而很难截断12/27/2023452.6灭弧装置（介绍）真空灭弧真空度：1.33×10-3Pa电子自由行程很大，达43m，不易碰撞空气分子自由形成达7.6m介质击穿条件：电子碰撞粒子时期电离（电场电离）以产生更多的电子击穿电压比空气高很多电弧构成：金属蒸汽金属蒸汽不多且不易扩散介质强度恢复快灭弧能力强（无足够介质）灭弧室尺寸可以较小容易形成截流而形成高的过电压12/27/2023462.6灭弧装置（介绍）优点：免维修；防爆耐压强度高分断能力高mm级别开距介质强度恢复快操作频率高结构简单，体积小，重量轻，操作噪声小缺点：过电压高，截流击穿电压受电极表面粗糙度和污染程度影响很大电弧使电极，特别是阴极光洁度影响极大12/27/20234712/27/20234812/27/2023492.6灭弧装置（介绍）无弧分断交流电流过零点分断，并使介质强度以足够快的速度恢复同步开关，图2－23给触头并联晶体管混合开关，图2－24固体开关新型材料的阻抗特性12/27/2023502.7触头的接触电阻两个触头表面情况加工的凸凹不平工业金属表面的凸凹不平（1～10um）氧化污染接触处有金属、氧化污染后的金属及各种绝缘膜——图2－25触头温升恶性循环：温升导致接触电阻增加，接触电阻的增加又导致温升增加12/27/2023512.7触头的接触电阻表面膜尘埃膜、化学吸附膜、无机膜、有机膜接触电阻接触压力图2－27触头温升材料和接触面积材料、表面加工情况、接触点个数和接触面积（半径）、氧化和污染情况等归结为参数Ke，图2－27接触形式图2－2612/27/2023522.7触头的接触电阻束流现象电流限于接触点和接触面积极度缩小所造成的电流收缩现象反向电动斥力Pinch效应造成的附加斥力12/27/2023532.8闭合状态下的触头触头的四种工作情况及要求分断状态过电压——防电击穿闭合状态1）一定过载能力，控制温升；2）抗电磁斥力和熔焊；3）接触电阻小。闭合过程情况：mv2/2；弹跳过程预击穿引起的短弧1）弹跳持续时间要短；2）抗电弧熔焊性好；分断过程介质恢复强度高，然弧时间短，过电压低，抗电弧焊。12/27/2023542.8闭合状态下的触头闭合状态下温度升高触头之间的电动斥力触头的发热本体发热和触点发热触点产热多，散热面积小触点发热的温升：式2－2312/27/2023552.8闭合状态下的触头例2－1注意计算过程：2.175应该是175接触电阻和接触电压降实际的Rj－Uj曲线：图2－28软化电压Us金属材料软化此时Rj骤减熔化电压Um触头温度达熔点接触电阻允许值12/27/2023562.8闭合状态下的触头Uj与时间的特性图2－29触头表面的氧化腐蚀导致膜层增加膜的破坏使Rj骤减应对材料选择铜镀银、嵌银或金等机构设置12/27/2023572.8闭合状态下的触头触头间的电动力导体截面变化时，电力线弯曲径向力分量轴向力分量F－I212/27/2023582.9触头接通过程及其熔焊触头接通/闭合：弹性和塑性变形部分能量转换为热量————塑性变形部分能量转换为反弹运动——弹性变形二次弹跳原因图2－31触头的闭合铁心的闭合（衔铁与磁轭闭合）触头材料蒸发的压力12/27/2023592.9触头接通过程及其熔焊闭合弹跳过程图2－32能量渐小部分能量转换为热量————塑性变形部分能量转换为反弹运动——弹性变形共振熔焊与弹跳力的作用振幅计算能量平衡公式W：位能；WA：塑性变形的消耗能式2－3112/27/2023602.9触头接通过程及其熔焊触头的熔焊分类静熔焊动熔焊影响因素电参数机械参数表面状况材料触头的冷焊压力情况下连接处金属分子或原子间的结合12/27/2023612.10触头分断过程与其侵蚀分断过程触头损失严重过程历时长电弧持续时间长侵蚀机械侵蚀：机械摩擦化学侵蚀：氧化膜破碎导致电侵蚀：电火花或电弧电侵蚀桥蚀图2－5弧蚀12/27/2023622.10触头分断过程与其侵蚀桥蚀阳极材料向阴极转移阴极凸起、阳极凹陷火花放电物理过程电压较高而功率较小强电场击穿无热电离间歇性和不稳定阴极受电蚀——阴极向阳极发射电子12/27/2023632.10触头分断过程与其侵蚀弧蚀阴极电蚀正离子在阴极附近形成正空间电荷层，形成强电场阴极材料向阳极转移阴极凹陷、阳极凸起净侵蚀高温情况下，阴极和阳极材料的局部熔化和