电弧及电气设备的基本理论

第三章电弧与电气触头的根本理论第一节

电弧的形成与熄灭第二节

直流电弧的特征及熄灭第三节

交流电弧的特征及熄灭第四节

电气触头▉电弧放电的特征和危害1.电弧的概念当开关电器开断电路时，电压和电流到达一定值时，触头刚刚别离后，触头之间就会产生强烈的白光，称为电弧。2.电弧的本质电弧的实质是一种气体放电现象。3.电弧放电的特征〔1〕电弧由三局部组成。包括阴极区、阳极区和弧柱区。〔2〕电弧温度很高。〔3〕电弧是一种自持放电现象。〔4〕电弧是一束游离的的气体。

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电弧放电的特征和危害4.电弧的危害〔1〕电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。〔2〕电弧产生的高温，将使触头外表熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。〔3〕由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。▉电弧的形成—弧柱中自由电子的主要来源〔1〕〔1〕热电子发射当断路器的动、静触头别离时，触头间的接触压力及接触面积逐渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致阴极外表温度急剧升高而发射电子，形成热电子发射。〔2〕强电场发射开关电器分闸的瞬间，由于动、静触头的距离很小，触头间的电场强度就非常大，使触头内部的电子在强电场作用下被拉出来，就形成强电场发射。▉电弧的形成—弧柱中自由电子的主要来源〔2〕〔3〕碰撞游离从阴极外表发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极运动，在运动过程中不断地与中性质点〔原子或分子〕发生碰撞。当高速运动的电子积聚足够大的动能时，就会从中性质点中打出一个或多个电子，使中性质点游离，这一过程称为碰撞游离。〔4〕热游离弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很大的中性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。▉电弧的形成—电弧形成的过程断路器断开过程中电弧是这样形成的。触头刚别离时突然解除接触压力，阴极外表立即出现高温炽热点，产生热电子发射；同时，由于触头的间隙很小，使得电压强度很高，产生强电场发射。从阴极外表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的主要因素，此时，在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧。▉电弧的熄灭—电弧的去游离形式…〔1〕电弧的去游离过程包括复合和扩散两种形式。1.复合复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。由于弧柱中电子的运动速度很快，约为正离子的1000倍，所以电子直接与正离子复合的几率很小。一般情况下，先是电子碰撞中性质点时，被中性质点捕获变成负离子，然后再与质量和运动速度相当的正离子互相吸引而接近，交换电荷后成为中性质点。还有一种情况就是电子先被固体介质外表吸附后，再被正离子捕获成为中性质点。▉电弧的熄灭—电弧的去游离形式…〔2〕2.扩散扩散是弧柱中的带电质点逸出弧柱以外，进入周围介质的现象。扩散有三种形式：〔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〕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；〔3〕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。▉电弧的熄灭—影响去游离的因素…〔1〕1.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外表接触等，都可以降低电弧的温度。2.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：导热系数、热容量、热游离温度、介电强度等。假设这些参数值大，那么去游离过程就越强，电弧就越容易熄灭。▉电弧的熄灭—影响去游离的因素…〔2〕3.气体介质的压力气体介质的压力对电弧去游离的影响很大。因为，气体的压力越大，电弧中质点的浓度就越大，质点间的距离就越小，复合作用越强，电弧就越容易熄灭。在高度的真空中，由于发生碰撞的几率减小，抑制了碰撞游离，而扩散作用却很强。因此，真空是很好的灭弧介质。

4.触头材料触头材料也影响去游离的过程。当触头采用熔点高、导热能力强和热容量大的耐高温金属时，减少了热电子发射和电弧中的金属蒸汽，有利于电弧熄灭。

除了上述因素以外，去游离还受电场电压等因素的影响。

第二节

直流电弧的特性及熄灭一、直流电弧的特性电弧电压分布图静态伏安特性曲线二、直流电弧的灭弧方法

直流电弧的特性定义：在直流电路中产生的电弧叫直流电弧1.电弧电压分布图电弧电压＝阴极区压降＋弧柱压降＋阳极区压降具有直流电弧的R-L电路2.电压方程式：3.电弧的伏安特性直流电弧的伏安特性直流电弧的稳定燃烧1.拉长电弧2.开断电路时在电路中逐级串人电阻直流电弧的熄灭方法拉长电弧灭弧引入电阻灭弧3.在断口上装灭弧栅4.冷却电弧第三节交流电弧的特性及熄灭一、交流电弧的伏安特性二、交流电弧的熄灭条件

■弧隙介质强度的恢复

■弧隙电压的恢复过程

■交流电弧熄灭的条件▉交流电弧的特性…〔1〕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。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。经过对图3-10的分析，可见交流电弧在交流电流自然过零时将自动熄灭，但在下半周随着电压的增高，电弧又重燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就此熄灭。▉交流电弧的特性…〔2〕交流电弧的伏安特性▉交流电弧的熄灭条件—弧隙介质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介质强度。当电弧电流过零时电弧熄灭，而弧隙的介质强度要恢复到正常状态值还需一定的时间，此恢复过程称之为弧隙介质强度的恢复过程。

▉交流电弧的熄灭条件—弧隙电压的恢复过程电弧电流自然过零后，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，这一过程中的狐隙电压称为恢复电压。电压恢复过程与线路参数、负荷性质等有关。恢复电压＝瞬态恢复电压＋工频恢复电压▉交流电弧的熄灭条件—交流电弧的熄灭条件1.如果电源电压恢复过程大于介质强度恢复过程，气隙被击穿，电弧重燃。2.如果电源电压恢复过程低于介质强度恢复过程，电弧熄灭。电弧熄灭的条件：交流电弧的灭弧方法1.空气中交流电弧的熄灭〔1〕拉长电弧：拉长电弧可强化去游离过程〔2〕磁吹熄弧：利用电磁力将电弧吹入特制的灭弧装置中熄灭〔3〕气吹熄弧：用高速气流对电弧进行纵吹或横吹，可使电弧拉长变细，加速电弧的冷却和扩散去游离作用。2.油中交流电弧的熄灭方法〔1〕静止油中电弧的熄灭油是很好的灭弧介质，当开关触头切断负荷电流时，电弧在油中燃烧，使之分解出大量气体，其中的大量氢气可使弧隙的去游离作用增强，使电弧很快熄灭。〔2〕吹弧型油中电弧的熄灭在特制的灭弧室中盛有变压器油，当电弧产生时，油受热分解出大量的气体对电弧进行吹动，使之拉长或变细，使电弧尽快熄灭。3.六氟化硫气体灭弧六氟化硫〔SF6)气体是一种不可燃的惰性气体，其导热率随温度的变化而变化，绝缘性能很好。它的灭弧能力是空气的100倍。当用它吹弧时，采用不高的压力和不太大的吹弧速度就能熄灭高压断路器中的电弧。六氟化硫断路器具有开断容量大，寿命长，开断性能好，无火灾危险等优点，受到了广阔用户的普遍欢送。4.真空灭弧

真空间隙内的气体稀薄，分子的自由行程大，发生碰撞的概率小。由触头中热游离出来的电子很快扩散出去，故电弧很快熄灭。第四节电气触头一、概述二、对电气触头的要求三、触头的分类和结构

■按接触面的形式分类■按结构形式分类▉电气触头根本知识概述1.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局部，如母线或导线的接触连接处以及开关电器中的动、静触头。2.触头的电阻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，所以触头的质量在很大程度上取决于触头的接触电阻值。正常情况下，触头间的接触压力、外表加工状况、外表氧化程度及接触情况等都会影响接触电阻值。

〔1〕触头间的压力触头间的压力越大，触头间的接触电阻就越小。〔2〕触头材料及防氧化措施触头一般由铜、黄铜和青铜等材料制成。为防止触头外表被氧化，一般需要采取镀锡、镀银和涂防腐漆和凡士林油等措施加以防护。

对电气触头的根本要求〔1〕结构可靠；〔2〕有良好的导电性能和接触性能；〔3〕通过规定电流时，发热温度不超过允许值；〔4〕通过短路电流时，具有足够的动稳定性和热稳定性；〔5〕开断规定短路电流时，触头不被烧伤，不发生熔焊。

▉触头的分类及其结构1.按接触面的形式分类〔1〕点接触是指两个触头间的接触面为点接触的触头，如球面和平面接触、两个球面接触等都是点接触。这种接触点较固定、接触电阻稳定、触头结构简单；但接触面积小不宜通过较大电流、热稳定性差。〔2〕线接触是指两个触头的接触面为线接触的触头，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。这种接触电阻较小，接触面比较稳定。〔3〕面接触是指两个平面或两个曲面的接触。在受到较大压力时，接触点数和实际接触面积仍比较小。

▉触头的分类及其结构2.按结构形式分类〔1〕可断触头可断触头按其