机车电传动系统课件

變壓器及平波電抗器

主變壓器又稱為牽引變壓器，是交直流電力機車上的一個重要的電器設備，用來將接觸網上取得的25KV高壓電降為機車和電路所需的電壓。平波電抗器是用來限制牽引電動機電流脈動的電抗器，由於其基本原理和結構與變壓器有相似之處，常與變壓器一起統稱為變壓器類產品。本章將重點介紹主變壓器的基本結構以及國產TBQ系列主變壓器的主要技術數據和結構特點。同時，對平波電抗器的結構特點也作簡要介紹。第一節概述一、主變壓器的特點（１）繞組多（２）電壓波動範圍大（３）負載變化大（４）耐振動（５）對阻抗電壓要求高（６）重量輕，體積小，用鋼多第一節概述二、主變位器的型號國產ＳＳ系列電力機車上使用ＴＢＱ系列主變壓器，其型號其意義為：“Ｔ”一“鐵”路機車用；“Ｂ”一“變”壓器；“Ｑ”一“牽”引；數字為設計序號；“一”後為“容量（ｋＶ·Ａ）／電壓等級（ｋＶ）”。例如ＳＳ４改型電力機車主變壓器的型號為：ＴＢＱ8－４９２３／２５型，即表示其容量為４９２３ｋＶ·A；電壓為２５ｋＶ。第二節主變壓器的基本結構主變壓器由器身、油箱、保護裝置、冷卻系統和出線裝置等部件組成。一、器身器身由鐵心、繞組（線圈）、器身絕緣和引線裝置等組成。１．鐵心鐵心的作用是構成變壓器的閉合磁路，同時也是支撐繞組及引線裝置的機械骨架。因此，要求鐵心必須具有良好的導磁性能和足夠的機械穩定性。第二節主變壓器的基本結構２．繞組繞組是組成變壓器繞組的基本單元，單相心式變壓器的每個繞組都是由分別佈置在兩個心柱上的兩個繞組並聯或串聯而成。繞組由紙包扁（圓）銅線和絕緣件組成，絕緣件構成繞組的主絕緣的縱絕緣，使繞組固定在一定位置上，並形成冷卻油道。第二節主變壓器的基本結構（１）繞組的結構形式繞組的結構形式分為同心式和交迭式兩種主變壓器中常用的同心式繞組有以下幾種形式。①圓筒式繞組②螺旋式繞組

③連續式繞組

④雙餅式繞組第二節主變壓器的基本結構（２）繞組的繞向繞組的線匝環繞方向稱為繞向，繞組的繞向分為左繞向和右繞向兩種（３）繞組的排列３、器身絕緣和引線裝置繞組引線均用裸銅排製成，引線與繞組出頭的焊接採用電阻焊接。由於鋼是加速變壓器油氧化的催化劑，故引線表面要覆蓋一層絕緣漆作保護層。所有繞組引線均通過引線支架固定在器身上。第二節主變壓器的基本結構二、油箱油箱是油浸式主變壓器的外殼，變壓器的器身就放在充滿變壓器油的油箱內（１）在保證內部必要的絕緣距離條件下，盡可能減小體積，以節約用油；（２）應具有必要的真空強度，以便在檢修時能利用油箱進行真空乾燥；（３）油箱外部各種附件的佈置應便於安裝和維護。第二節主變壓器的基本結構三、保護裝置１．儲油櫃（油枕）２．油位表３．吸濕器４．信號溫度計５．油流繼電器６．壓力釋放閥第二節主變壓器的基本結構四、冷卻系統主變壓器運行中產生的所有損耗將轉變為熱能，使各部件的溫度升高，當主變壓器溫升超過規定的限值，將使絕緣損壞，直接影響主變壓器的使用壽命（２０～３０年）。因此，主變壓器必須具有相應的散熱能力五、出線裝置主變壓器各繞組的引線從油箱內引至油箱外時，必須採用出線裝置，以便使帶電的導線與接地的油箱絕緣。第三節典型主變壓器結構特點一、ＴＢＱ8—４９２３/2５型主變壓器ＴＢＱ8－４９２３／２５型（簡稱ＴＢＱ8型）主變壓器是用於ＳＳ４改型電力機車上的主變壓器

鐵心為單相二柱式疊鐵心

主變壓器的繞組有：高壓繞組、牽引繞組、輔助繞組和勵磁繞組等４種ＴＢＱ8型主變壓器採用獨立的強迫導向油迴圈風冷卻系統專門設置了儲油櫃、吸濕器、淨油器等保護裝置。

ＴＢＱ8型主變壓器的出線裝置採用兩種套管

第三節典型主變壓器結構特點二、ＴＢＱ9·５８１６／２５型主變壓器ＴＢＱ9－５８１６／２５型（簡稱ＴＢＱ9型）主變壓器是用於ＳＳ8型電力機車上的主變壓器。該主變壓器是一體化變壓器，除主變壓器外，還有平波電抗器，它們裝在一個油箱裏，共用一個冷卻系統。ＴＢＱ9型主變壓器由下油箱、上油箱、器身、油保護裝置、冷卻系統及其他附屬裝置等組成。其中，器身由鐵心、繞組、絕緣件組成。油保護裝置由儲油櫃、油位表、吸濕器。信號溫度計、油流繼電器、壓力釋放閥等組成。第三節典型主變壓器結構特點主變壓器的鐵心為心式結構。採用性能優良的冷軋電工鋼片ＴＢＱ9型主變壓器有高壓繞組、牽引繞組、輔助繞組、勵磁繞組和採暖繞組等５種繞組。ＴＢＱ9型主變壓器採用３種套管第五節平波電抗器平波電抗器是串接在牽引電動機回路中的電感裝置，可用來減小整流電流的脈動，以改善牽引電動機的換回和限制過高的溫升要求平波電抗器的電感一電流特性曲線在工作範圍內為一條雙曲線即平波電抗器電感量Ｌ與流過平波電抗器的整流電流平均值Id的大小成反比通常，為使平波電抗器在大電流下仍具有一定數量的電感，要求其磁路具有較大的氣隙，以便在磁路高飽和時，磁化曲線仍具有較大的斜率。這樣，在小電流下工作時，電感量比要求值小很多，故電流脈動係數可能超過３０％。

第五節平波電抗器二、平波電抗器的結構1．ＴＸＰ７型平波電抗器的結構ＴＸＰ７型平波電抗器由鐵心組裝、繞組、引線、油道隔板組等４部分組成（１）鐵心組裝鐵心採用０．５ｍｍ厚的電工鋼片疊成平波電抗器鐵心柱截面近似圓形上。下鐵軛採用穿心螺杆拉緊夾件夾緊；鐵心餅採用穿心螺杆拉緊夾板絕緣夾緊第五節平波電抗器（２）繞組平波電抗器的每個鐵心柱上套有一個繞組。每個繞組由４組構成，兩鐵心柱上相同位置的各組線圈通過聯線彼此井聯，構成４組電感線圈。每組電感線圈和一臺牽引電動機串聯。繞組採用連續式，兩鐵心柱上的繞組繞制方向相反。繞組要經過浸漆處理，一般浸１０３２醇酸樹脂漆。繞組浸漆可以增加機械強度，但是降低了耐電強度和散熱能力。由於平波電抗器額定電流較大，而電壓等級並不太高，因此通過浸漆可進一步獲取抗短路能力和超載能力第五節平波電抗器（３）引線在平波電抗器繞組外部，連接繞組各引出端和油箱上出線端子的導線稱為引線。引線將電感線圈串接在電機回路。ＴＸＰ７型平波電抗器的銅排和油箱出線裝置之間的連接採用軟編織線結構。（４）油道隔板組ＴＸＰ７型平波電抗器設有繞組上部的上隔板，繞組前部的前隔板，繞組兩側的彎隔板和繞組下部的下隔板，油流導向措施較好，冷卻效果也比較理想。第五節平波電抗器２．ＴＸＰ8型平波電抗器的結構特點ＴＸＰ8型平波電抗器充分吸收了ＴＸＰ７型的優點，鐵心結構為單相二柱分段式疊鐵心，其結構尺寸略有不同。鐵心柱的中間部分是分段的，每柱有１２段鐵心餅，有１３個氣隙，最上和最下的氣隙為１４ｍｍ，其餘為１６ｍｍ氣隙。兩鐵心往氣隙總長為４０８ｍｍ。每個鐵心柱上套有一個繞組。每個繞組由４組電感繞組構成。每組電感繞組和一臺牽引電動機串聯。同一鐵心柱上的４組電感繞組彼此間有１０ｍｍ的油道。每組的線段之間的油道高為４．５ｍｍ。兩柱繞組之間的間隙為１５ｍｍ，間隙間有一根長撐條，以保證兩繞組間的絕緣距離。長撐條同時起著油流導向作用。繞組出線通過釺焊焊在銅排上，銅排將繞組出線引到油箱的出線裝置處，銅排與出線裝置之間通過軟編織線連接。

触头

第一節概述

一、觸頭的分類

觸頭作為電器的執行機構，是非常重要的部件，它對電器的工作性能、總體結構、尺寸有著決定性的影響。觸頭的工作性能和品質直接影響到電器的可靠性。觸頭在正常工作情況下經常要受到機械撞擊、電弧等的有害作用，很容易損壞，故它又是有觸點電器的一個薄弱環節。觸頭可按以下方法分類：

1．接觸頭工作情況可分為有載開閉和無載開閉兩種。

2．接觸頭相互運動狀態可分為滾動式和滑動式兩種。前者較後者的機械磨損小，傳動力也大為減小。

3．按觸頭的用途可分為主觸頭、弧觸頭、預接觸頭和聯鎖觸頭等。弧觸頭用來滅弧，以保證主觸頭良好的工作。因此，對弧觸頭的動作要求是：在閉合過程中應比主觸頭先閉合，在開斷過程中應比主觸頭後斷開，以避免電弧燒傷主觸頭。預接觸頭為弧觸頭的候補觸頭。4．按開中斷點數目可分為單中斷點式和雙中斷點式觸頭。5．接觸頭正常工作位置可分為常開觸頭和常閉觸頭。

6．按結構形狀可分為指形觸頭和橋式觸頭等。7．接觸頭的接觸形式可分為面接觸、線接觸和點接觸三種形式。8．接觸頭控制電流的大小可分為弱電流、中電流和強電流三種。二、觸頭接觸面形式觸頭接觸面形式分為點接觸、線接觸和麵接觸三種。

1．點接觸

點接觸觸頭是指兩個導體只在一點或者很小的面積上

，20A以下的小電流電器，如繼電器的觸頭，接觸器和自動開關的聯鎖觸頭等。由於接觸面積小，保證其工作可靠性所需的接觸互壓力也較小。

2．線接觸

線接觸觸頭是指兩個導體沿著線或較窄的面積發生接觸的觸頭（如圓柱對圓柱、圓柱對平面）。其接觸面積和接觸壓力均適中，常用於幾十安至幾百安電流的中等容量的電器，如接觸器、自動開關及高壓開關電器的觸頭。3．面接觸

面接觸觸頭是指兩個導體沿著較廣的表面發生接觸的觸頭（如平面對平面）。其接觸面積和觸頭壓力均較大，多用於大電流的電器，例如大容量的接觸器和斷路器的主觸頭。

為了保證電器可靠工作，對觸頭有如下要求：工作可靠；有足夠的機械強度；長期通過額定電流時，溫升不超過規定值；通過短路電流時，有足夠的熱穩定性和電動穩定性；有足夠抵抗外界腐蝕（如氧化、化學氣體腐蝕）的能力，壽命長。

三、觸頭的參數

觸頭的參數主要有觸頭的結構尺寸、開距、超程、研距、觸頭初壓力和終壓力等。1．觸頭的結構尺寸

2．觸頭的開距

3．觸頭的超程4．觸頭的初壓力

5．觸頭終壓力

6觸頭的研距

第二節

觸頭的接觸電阻

一、接觸電阻的產生

接觸電阻包括收縮電阻和表面膜電阻。二、影響接觸電阻的因素影響接觸電阻的因素有接觸壓力、觸頭材料、觸頭溫度、觸頭表面情況、接觸形式及化學腐蝕等。三、減小接觸電阻的方法

根據接觸電阻的形成原因，減小接觸電阻一般可採用下列方法：

1．增加接觸點數目。為此，應選擇適當的接觸形式，用適當的方法加工接觸表面，並在接觸處加一定的壓力。2．採用本身電阻係數小，且不易氧化或氧化膜電阻較小的材料作為接觸導體，或作為接觸面的覆蓋層。

3．觸頭在開閉過程中應具有研磨過程，以擦去氧化膜。

一、產生振動的原因

觸頭在閉合過程中，觸頭間的碰撞、觸頭間的電動斥力和銜鐵與鐵心的碰撞都可能引起觸頭的機械振動。當觸頭閉合時，電器傳動機構的力直接作用在動觸頭支架上，使得品質為m的動觸頭以速度V；向靜觸頭。在動、靜觸頭相撞時動觸頭具有一定的動能，觸頭髮生碰撞後，觸頭表面將產生彈性變形，此時，一部分能量消耗在碰撞過程中（因為觸頭不是絕對彈性體），而大部分能量轉變為觸頭表面材料的變形勢能。當觸頭表面達到最大變形。變形勢能達到最大，而動觸頭的動能降為零，於是動觸頭停止向前運動。

第三節

觸頭的振動

一、產生振動的原因

觸頭在閉合過程中，觸頭間的碰撞、觸頭間的電動斥力和銜鐵與鐵心的碰撞都可能引起觸頭的機械振動。當觸頭閉合時，電器傳動機構的力直接作用在動觸頭支架上，使得品質為m的動觸頭以速度V；向靜觸頭。在動、靜觸頭相撞時動觸頭具有一定的動能，觸頭髮生碰撞後，觸頭表面將產生彈性變形，此時，一部分能量消耗在碰撞過程中（因為觸頭不是絕對彈性體），而大部分能量轉變為觸頭表面材料的變形勢能。

當觸頭表面達到最大變形。變形勢能達到最大，而動觸頭的動能降為零，於是動觸頭停止向前運動。緊接著觸頭的彈性變形開始恢復，將勢能釋放，由於靜觸頭固定不動，動觸頭就會受到反力作用，以初速度彈回，甚至離開靜觸頭，並把觸頭彈簧壓縮，將動能儲存在彈簧中，在觸頭彈簧的作用下，動觸頭反跳的速度逐漸減小。與此同時，傳動機構繼續推動觸頭支架將彈簧進一步壓縮。當動觸頭反跳的速度降為零時，反跳距離達到最大值。隨後，動觸頭在彈簧張力的作用下又開始向靜觸頭運動，觸頭間發生第二次碰撞和反跳。

由於觸頭每一次碰撞和反跳都要消耗掉一部分能量，同時，在碰撞和反跳的過程中，傳動機構使觸頭彈簧進一步壓縮，因而動觸頭的振動時間和振幅一次比一次要小，直至振動停止，觸頭完全閉合.另外，在觸頭帶電接通時，由於實際接觸的只有幾個點，在接觸點處便產生電流線的密集或彎曲。畸變的電流線和通過反向電流的平行導體一樣，相互作用產生斥力，使觸頭趨於分離，該電動力稱為收縮電動力。收縮電動力也能引起觸頭間的振動，特別是在閉合大的工作電流或短路電流時，電動斥力的作用更為顯著。對於電磁傳動的電器來講，在觸頭閉合過程中，銜鐵以一定的速度向靜鐵心運動，當銜鐵吸合時，同樣會因碰撞而產生振動，以致觸頭又發生第二次。

在觸頭振動過程中，如果Xm＜XD，碰撞後觸頭不會分離，這樣的振動不會產生電弧，對觸頭無害，因而稱之為無害振動。反之，若X。＞Xu，則碰播後動靜觸頭分離，形成斷開電路的氣隙，在觸頭間產生電弧，嚴重影響觸頭壽命，故稱之為有害振動。產生振動是不可避免的，所謂消除觸頭閉合過程中的振動，是指消除觸頭的有害振動。

二、減小振動的方法

為了提高觸頭的使用壽命，必須減小觸頭的振動。減小觸頭振動有如下幾種方法：1．使觸頭具有一定的初壓力2．降低動觸頭的閉合速度，減小碰撞動能

3．減小動觸頭的品質，以減小碰撞動能，從而減小觸頭的振幅4．對於電磁式電器，減小銜鐵和靜鐵芯碰撞時引起的磁系統的振動

三、熔焊的概念

觸頭的熔焊主要發生在觸頭閉合有載電路的過程中和觸頭處於閉合狀態時。在觸頭閉合過程中，觸頭的機械振動使觸頭間斷續產生電弧，在電弧高溫的作用下，使觸頭表面金屬熔化，當觸頭最終閉合時。這些熔化金屬可能凝結而引起熔接，使動、靜觸頭熔焊在一起不能打開。在觸頭處於閉合狀態時，若通過過大的電流，會使觸頭接觸處溫度升高，如果達到了熔化溫度，兩觸頭接觸處的材料便熔化並結合在一起，使接觸電阻迅速下降，其損耗和溫度都下降，熔化的金屬可能凝結而引起熔接。這種由熱效應而引起的觸頭熔接，稱為觸頭的“熔焊”。第四節觸頭的磨損

一、觸頭磨損的原因

觸頭磨損包括機械磨損、化學磨損和電磨損。觸頭的磨損主要取決於電磨損。電磨損主要發生在觸頭的閉合和開斷過程中，在觸頭閉合電流時產生的電磨損，主要是由於觸頭碰撞引起的振動所產生的，在觸頭開斷電流時所產生的電磨損，是由高溫電弧所造成的。

二、觸頭電磨損的形式

（1）．液橋的形成和金屬轉移

在弱電流電器（如繼電器）中，液橋對觸頭的電磨損有著重要的影響。

（2）．電弧對觸頭的腐蝕

當電器控制交流電路時，如果電流小於20A觸頭不會出現金屬轉移。當電流大於20A時電器觸頭的磨損也是很嚴重的。三、減小電磨損的方法

減小觸頭的電磨損，提高觸頭的壽命，一般可從兩方面著手，即減小觸頭在開斷過程中的磨損和減小觸頭在閉合過程中的磨損。

第五節觸頭材料

觸頭所採用的材料關係到觸頭工作的可靠性，尤其是對觸頭磨損影響甚大。根據各種電器的任務和使用條件的不同，對觸頭材料性能的要求亦不同，一般要求如下：

（1）電氣性能：要求材料本身的電阻係數小，接觸電阻小且在長期工作中能保持穩定。要求生弧的最小電流和最小電壓高，電子逸出功及游離電位大。（2）熱性能：要求熔點高，導熱性好，熱容量大。（3）機械性能：要有適當的強度和硬度，耐磨性好。（4）化學性能：要具有很好的化學穩定性，在常溫下不易氧化，或者氧化物的電阻儘量小，耐腐蝕。觸頭材料分為三大類，即純金屬、合金和金屬陶冶材料。

傳動裝置

傳動裝置是有觸點電器的主要組成部件，其作用是驅動電器觸頭的分合。在電力機車電器中，主要採用電磁傳動裝置、電空傳動裝置和電動機傳動裝置，此外，也採用一些手動和機械傳動裝置。

電磁傳動裝置是通過電磁鐵把電磁能轉變成機械能來驅動電器動作的裝置。它的用途很廣，可作為接觸器的傳動機構，繼電器的測量機構，自動開關和高壓斷路器的測量元件和操作機構等。

電空傳動裝置是一種以電空閥控制的壓縮空氣為動力，推動活塞（或傳動薄膜）運動，從而驅動電器運動部件動作的裝置。它廣泛用於觸頭開閉高電壓、大電流的場合，例如電力機車主電路中的接觸器都採用電空傳動的接觸器。電動機傳動機構是以電動機輸出的機械轉矩作為動力來驅動電器動作的裝置，所用的電動機又稱為伺服電動機。廣泛用於操縱頻繁、觸頭開閉級數較多的場合，例如韶山型電力機車中的調壓開關就採用了電動機傳動機構。

第一節電磁傳動裝置

一、電磁鐵的基本組成和工作原理

電磁鐵是一種通電後對鐵磁物質產生吸力，將電磁能轉變成機械能的電器（如牽引電磁鐵、制動電磁鐵）或電器部件（如接觸器的電磁傳動機構）。

電磁鐵主要由線圈和導磁體（或稱磁系統）兩部分組成。導磁體一般由鐵心、磁軛和銜鐵三部分組成。銜鐵又稱動鐵心，鐵心和磁軛又稱靜鐵心。也可以沒有銜鐵，而以工作物作為可動被吸體，相當於銜鐵的作用。

由於異性磁極相吸，於是在鐵心和銜鐵間產生電磁吸力。當電磁吸力大於反力彈簧的反作用力（指把反力彈簧的彈力歸算到工作氣隙中心線處的力）時，銜鐵被吸向鐵心，直到與極靴接觸為止。這個過程稱為銜鐵的吸合過程，銜鐵與極靴接觸的位置稱為衡鐵閉合位置。此時，銜鐵與極靴之間仍有一個很小的氣隙。當線圈中的電流減小或中斷時，鐵心中的磁通就變小，吸力也隨之減小，當吸力小於反力彈簧的反力時，銜鐵就在反力彈簧的作用下返回至打開位置，這個過程稱為銜鐵釋放過程。

二、電磁鐵的分類

1．按線圈電流種類可分為直流電磁鐵和交流電磁鐵。2．按線圈與電路連接方式可分為並聯電磁鐵和串聯電磁鐵3．按銜鐵運動方式可分為直動式和轉動式兩大類4．按導磁體的形狀可分為U型、E型和螺管型

第二節

電磁鐵的吸力與特性

一、電磁鐵的吸力計算基本公式

1.直流電磁鐵的吸力計算基本公式

麥克斯韋公式是在假定磁極端面下的磁通分佈均勻的條件下得出來的，故只適用於計算氣隙較小時的吸力，例如電磁鐵處在閉合位置或接近閉合位置的時候。若用於磁場分佈不均勻的情況下，會引起較大的誤差，但是由於這個公式非常簡練，在分析問題時仍然用得很多。

2.交流電磁鐵的吸力計算及分析

麥克斯韋公式同樣適用於交流電磁鐵，但是，要用磁通（或磁感應強度）的暫態值代入公式。

（1）交流電磁鐵的吸力是脈動的，方向不變；

（2）交流電磁鐵的吸力由兩部分組成，即吸力的恒定分量和交流分量，恒定分量為吸力最大值的一半。吸力交變分量的頻率是磁通頻率的兩倍。吸力的平均值等於吸力的恒定分量。

二、電磁鐵的特性

1．電磁鐵的吸力特性：吸力特性是指銜鐵緩慢移動時，電磁吸力與工作氣隙的關係曲線。其特性曲線的形狀隨電磁鐵的結構型式、幾何尺寸、線圈類型的不同而不同。交流電磁鐵的吸力特性是指吸力平均值與工作氣隙的關係曲線。

2．電磁鐵的反力特性：反力由反力彈簧的彈簧力、觸頭彈簧的彈簧力和運動部分的重力等組成。這些力的作用點各不相同，為了便於和電磁鐵的吸力特性進行比較，對轉動式電磁鐵，按力矩不變的原則，把這些力歸算到鐵心中心線（即電磁吸力的作用點）上。

3．電磁鐵的吸力與反力特性的配合

兩曲線之間的面積就是使銜鐵運動所具有的動能。這個面積過大，不僅浪費銅和鐵，浪費電能，同時，由於運動部件具有過大的動能，使動觸頭和靜觸頭接觸時，產生較大的衝擊，縮短電器的工作壽命。嚴重時，還會使兩觸頭接觸後又彈開，產生電弧，使觸頭電磨損增加，甚至造成熔焊，使電器不能可靠分斷，即要求吸力特性和反力特性有較好的配合。

第三節

電空傳動裝置

電空傳動裝置在較大行程下仍能保持足夠大的傳動力，且在電力機車上有現成的壓縮空氣氣源，所以，電力機車主電路電器通常都採用電空傳動裝置。此外，採用電空傳動裝置還能節省銅和矽鋼片，節約電能。電空傳動裝置由壓縮空氣驅動裝置和電空閥組成。一、電空閥：電空閥是借電磁吸力來控制空氣管路的導通或關斷，從而達到遠距離控制氣動器械的目的。電空閥按工作原理分為開式和閉式兩種，從結構上來說由電磁機構和氣閥兩部分組成。1．閉式電空閥2．開式電空閥二、壓縮空氣驅動裝置：壓縮空氣驅動裝置按其結構形式分為氣缸式傳動裝置和薄膜式傳動裝置。

電磁鐵的磁路

一、磁路的基本定律

1．磁路歐姆定律磁路兩端的磁壓降，等於通過磁路的磁通與其磁阻的乘積。2．磁路的基爾霍夫第一定律在磁路任一節點處，進入節點的磁通與離開該節點的磁通相等，即在任一節點處磁通的代數和等於零。3．磁路的基爾霍夫第二定律沿磁路的任一閉合回路，磁壓降的代數和等於與該回路磁通相交鏈的線圈磁勢的代數和。

電弧及滅弧裝置

一、電弧現象及特點電弧屬於氣體放電的一種形式。對於有觸點電器而言，由於它主要產生於觸頭斷開電路時，高溫將燒損觸頭及絕緣，嚴重情況下甚至引起相間短路、電器爆炸，釀成火災，危及人員及設備的安全。所以從電器的角度來研究電弧，目的在於瞭解它的基本規律，找出相應的辦法，讓電弧在電器中儘快熄滅。可分為三個區域，即近陰極區、近陽極區及弧柱區。

陰極壓降與陽極壓降的數值幾乎與電流大小無關，在材料及介質確定後可以認為是常數。

弧柱區的長度幾乎與電極間的距離相同。是電弧中溫度最高、亮

電弧三個區及電位度最強的區域。因在自由狀態下近似圓柱形，故稱弧柱區。在此區域

降、電位梯度的分佈中正、負帶電粒子數相同，亦稱等離子區。由於不存在空間電荷，整個弧柱區的特性類似於一金屬導體。每單位弧柱長度電壓降相等。其電位梯度尼也為一常數，電位梯度與電極材料、電流大小、氣體介質種類和氣壓等因素有關。

電弧按其外形可分為長弧與短弧。

電弧還可按其電流的性質分為直流電弧和交流電弧。

二、開斷電路時電弧產生的物理過程

從物質原子的結構而言，是由原子核與若干電子構成的。電子沿一定的軌道繞原子核運動。電子可能運行的軌道由於能量級的不同有許多條，越靠近原子核，軌道的能量級越低。在正常情況下，電子是按一定數量規律分佈在不同的能量級軌道上運動。但當原子受到外界能量（熱、光、碰撞等）作用時，其狀態就會有所變化，電子吸收這些能量後，會改變自己的運行軌道。如果加到電子上的能量不夠大，只能使電子從低能量級軌道跳到高能量級軌道，從而使原子的內能增加，這種現象稱為激勵。激勵所需能量稱激勵能。如果外界加到電子上的能量足夠大，能使電子克服原子核的吸引力作用而成為自由電子，這種現象稱為游離。游離所需的能量，叫做游離能。不同的物質其游離能不同。氣體物質若是由於碰撞或熱運動而獲得能量發生游離則稱為碰撞游離、熱游離。1．碰撞游離2．熱游離

金屬材料的表面發射根據其原因可分為以下幾種。1．熱發射電子2．強電場發射電子

電器工作時，如果觸頭開斷電路的電壓和電流大於其生弧電壓和生弧電流（產生電弧的最小電壓、電流值），就會產生電弧。觸頭間產生電弧的物理過程如下：

觸頭剛開始分離時，接觸面積逐漸減小，接觸處的電阻越來越大，電流密度也逐漸增大，觸頭表面的溫度劇增。觸頭表面形成熱發射電子。在觸頭剛剛分開發生熱發射的同時，由於觸頭之間的距離很小，線路電壓在這很小的間隙內形成很高的電場。陰極表面形成強電場發射電子。由於這兩種發射的作用，大量電子從陰極表面進入弧隙，它們在電場的作用下，隨著觸頭的分開就會不斷地撞擊中性氣體分子，形成碰撞游離，產生自由電子與正離子。

被游離的自由電子在電場作用下又會發生新的撞擊和游離。孤隙中的中性氣體就變為導電的自由電子與正離子。在電場作用下，它們向陰極、陽極運動，電弧形成，電路並未斷開。隨著電弧形成產生的高溫，弧隙間的熱游離作用越來越強，氣體中帶電粒子越來越多，電弧則完全形成了。應該注意的是，在整個過程中幾種物理作用並不是截然分開的，而是交叉進行或同時存在的。

從能量的角度來看，電弧燃燒時要從電源不斷向電弧內部輸入能量，而這個能量又不斷轉變為電弧的熱量通過傳導、對流及輻射三種方式散失。三、電弧熄滅的物理過程

當電弧穩定燃燒時是處在熱動平衡狀態，此時不可能有電子和離子的積累。這說明電弧中氣體游離現象的同時還存在一個相反的過程，我們稱之為消游離。消游離就是正、負帶電粒子中和而變成中性粒子的過程。消游離的方式分兩類：複合和擴散。

1．複合帶異性電荷的粒子相遇後相互作用中和而變成中性粒子稱為複合。複合按其地點可分為：(1）表面複合帶正、負電荷的粒子附在金屬或絕緣材料表面上，相互吸引而中和電荷，變成中性粒子。（2）空間複合帶電粒子運動速度是直接影響複合作用大小的重要因素。降底溫度、減小電場強度可使粒子運動速度減小，易於複合。此外，帶電粒子濃度增大時，複合機會增多，複合作用也可以加強。在電弧電流不變的條件下，設法縮小電弧直徑，則粒子濃度可增大。複合過程總是伴隨著能量的釋放。釋放出來的能量成為加熱電極、絕緣物及氣體的熱源，同時也向四周散發。

2．擴散

加速電弧的冷卻是提高擴散作用的有效方法。

電弧中存在著游離與消游離兩方面的作用。當游離作用佔優勢時電弧就會產生和擴大，當消游離作用佔優勢時，電弧就趨於熄滅。游離與消游離作用與許多物理因素有關，如電場強度、溫度、濃度、氣體壓力等。那末，我們可以根據這些物理因素的變化影響情況，找出一些切實可行的方法，減小游離，增加消游離，使觸頭斷開電路時產生的電弧儘快地熄滅。

第二節直流電弧及其熄滅

一、直流電弧的伏安特性

電弧的伏安特性說明電弧電壓與電流的關係，是電弧重要特性之一。它實質上是反映電弧內的物理過程。直流電弧是指產生電弧的電路電源為直流。直流電弧的伏安特性可用實驗方法求得。如電路圖所示，在兩極中有一穩定燃燒的電弧。我們若是通過調節可變電阻R的值非常緩慢地調節回路電流，在這個過程中分別測量電弧電流IDH和電弧兩端電壓UDH，可繪出其伏安特性，此伏安特性稱為直流電弧的靜伏安特性（簡稱靜特性）。

靜特性是指在電弧穩定燃燒條件下，電弧不受熱慣性影響時，電弧電流與電弧壓降的關係。從靜特性曲線1中可以看出，當電弧電流上升時，電弧電壓下降，這是和一般金屬導體不同的。其原因是因為隨著電流的增大，電弧內的游離作用加強，離子濃度增加，導電性越好，其對外所顯示的電阻值就愈小。

若調節可變電阻R來調節回路電流，讓回路電流以一定速度增加或減少，則可得曲線3和2。這時所得的伏安特性稱直流電弧的動伏安特性（簡稱動特性）。動特性是指在電弧不穩定燃燒條件下，電弧電流變化快，其熱慣性對電弧有影響時，電弧電流與電弧壓降的關係。

根據電流變化速度不一樣，動特性曲線有許多條。伏安特性曲線1、2、3並不重合，而且是電流增加過程的伏安特性3位於靜伏安特性1之上方，電流減小過程的伏安特性2位於靜伏安特性1的下方。其原因是因為當回路電流以一定速度變化時，電弧內部有保持原來熱狀態（游離和消游離狀態）的熱慣性作用，致使電弧內部狀態的變化總是滯後於回路電流的變化。當回路電流變化速度愈高時，這種熱慣性作用就愈明顯。電弧的電阻值也就不同於相應點應有的電阻值，電弧的壓降同樣就和相應點的壓降不同。靜特性曲線1與縱軸交點的電壓值稱為燃弧電壓，所謂燃弧電壓，就是產生電弧所必須的最低電壓，電壓低於此值，就不足以點燃電弧。伏安特性曲線2與縱軸交點的電壓值稱為熄弧電壓，所謂熄弧電壓，就是指熄滅電弧的最高電壓，電壓高於此值，電弧將不能熄滅。熄弧電壓總是小於燃弧電壓的，其原因是燃弧前弧隙仲介質強度高，即游離程度小，要形成電弧就必須具有較高的電壓。

燃弧電壓應比維持電弧所需的最低電壓要高。電弧在燃燒過程中游離程度高，介質強度低，維持其燃燒的最低電壓就低，而熄弧電壓應比這個電壓還要低，所以熄弧電壓總是小於燃弧電壓。電弧的靜伏安特性與弧長有關。在其他條件相同時，弧長L愈長，靜伏安特性愈向上移。其原因如下；在同一電流情況下，電弧單位長度的電阻值不變，電弧拉長後的總電阻值增加，因而電弧的電壓就增大了。由於靜伏安特性向上平移，燃弧電壓和熄弧電壓也都要增加。從這個角度來說，拉長電弧，可以加速電弧的熄滅。

二、直流電弧的熄滅

設有典型的直流電弧電路，E為電源電勢L和R分別為電路中和電弧串聯的電感和電阻。根據克希荷夫第二定律，可寫出電壓平衡方程式。由於電弧的電阻呈非線性的特點，以採用圖解法為便。

從分析可以看出，若因外界的原因使A、B兩點的電流發生變化，進入左、右兩區中，那末B點的電流將不會再回到iB，而A點的電流仍可回到iA。故我們稱B點為視在穩定燃燒點，A點為真正的穩定燃燒點。

要想使直流電弧熄滅，就應該作到消除穩定燃燒點。從圖形來看就應該是曲線1與直線2沒有交點且曲線1位於直線2的上方。要想達到這個目的，圖形上的變化可有很多種，但結合實際來考慮，將曲線1向上平移至3的作法最為可行。從其代表的物理意義上來講，就是將電弧拉長。所以拉長電弧對熄滅直流電弧是最常用的方法，而且拉長的方式也有很多種。

還有一種方法也能使直流電弧熄滅，那就是在電弧兩端並聯電阻。從圖形上看，由於I=iH十iRB，使得電弧兩端的伏安特性發生了變化，滿足了直流電弧熄滅的條件，電弧將熄滅。這種方法有一定的缺陷，那就是電弧雖熄滅了，但電路並未斷開。所以要利用這種方法，還必須裝置附加開關以分斷並聯電阻電路。

三、斷開感性電路的過電壓為了減小電弧對觸頭及電器的燒損，通常希望熄弧時間越短越好。但是在斷開感性電路時，若熄弧時間過短，電感中將產生很大的自感電勢的值很大。其數位常比電源電壓大好多倍，通常稱之為過電壓。為了區別於大氣過電壓,稱之為內部過電壓（或操作過電壓）。過電壓產生後，一方面可能將電氣設備的絕緣擊穿，引起破壞性故障；另一方面，可能擊穿弧隙,使電弧重燃。為此必須要加以防止和限制。

斷開感性電路產生過電壓的根本原因，在於貯存在電感中的磁場能量要在非常短暫的時間內釋放出來並消耗掉。如果能將磁場能量逐漸地消耗在電阻上，就可以控制此時的過電壓。

書上幾種方法均能將電感中的磁場能量逐漸地消耗在電阻上或者延長電路電流變化的時間，起到抑制過電壓的作用。圖（a）中所表示方法其缺點是在正常工作時，附加電阻有功率損耗。圖（b）中的情況在正常工作時電容充電達到電源電勢，在附加電阻上沒有功率消耗。圖（C）所示情況在正常工作時二極體的反向電流很小，其上的功率損耗亦很小。

到

A點時電弧點燃，再隨著電流的增大，電弧電阻減小，電弧壓降也下降直到B點，此時弧電流達到峰值。在B點後隨著電流的減小，弧電阻增加，電弧壓降上升。變化到

C點時，電弧電流趨近於零，電壓達到熄弧電壓，電弧熄滅。當電流過零點後，在第三象限重複上述變化規律。顯然，由於熱慣性作用，電弧電阻的變化總是滯後於電流的變化，因此，交流電弧的伏安特性為動特性。二、交流電弧過零後的物理過程

交流電弧電流過零時，由於電源停止供給能量，故電弧自然熄滅，這也是交流電弧比直流電弧容易熄滅的原因。但是交流電弧過零自然熄滅後，還會重新燃燒。所以怎樣防止電弧重燃就是研究交流電弧的重點。哪些因素能使電弧重新點燃，哪些因素抑制電弧重燃，就要分析一下交流電弧過零熄滅後，在弧隙間存在著哪些物理過程。

交流電弧過零後，弧隙間存在兩個對立的基本過程，一是由於弧電流值下降至零，弧隙溫度迅速下降，使得原來導電的粒子要轉變為不導電的中性粒子，此過程稱弧隙間介質強度恢復過程，這是阻止電弧重燃的因素。另一方面是交流電弧過零後，加在弧隙上的電壓逐漸增高的過程，稱為弧隙電壓恢復過程，此過程可能將弧隙擊穿重新點燃電弧，所以這是使電弧重燃的因素。

1．介質強度恢復過程

交流電弧過零熄滅後，由於外部條件的變化，弧隙內消游離作用加強，使得原來的導電狀態要向絕緣介質狀態轉變，這就是介質強度恢復過程。這個過程的快慢與許多因素有關，例如溫度、散熱情況、空間位置等。在靠近兩極的區域，由於金屬材料的傳熱性好，所以此區域的溫度要比弧柱區的溫度低，故此處的介質強度恢復要比弧柱區的快。

電流過零後，兩電極改變極性，原來的陰極改變為新的陽極，而原來的陽極改變為新的陰極。電場方向的改變，弧隙中剩餘電子和離子的運動方向也應隨之改變。

但是由於電子的品質遠比正離子品質小得多，因而電子的運動方向改變要遠比正離子靈敏得多，形成電子很快向新陽極運動，而正離子在此瞬間幾乎停止在原地，來不及向新陰極運動。新的陰極此時還不能形成強電場發射電子與熱發射。因此，在新的陰極附近就存在一層沒有電子而只有正離子的空間，相當於形成了一薄層絕緣介質。從電路的角度來看，必需加一定的電壓才能將此絕緣薄層擊穿，電弧才會重燃，弧隙重新導電。。這個擊穿電壓值稱為弧隙的起始介質強度。這種在交流電流過零後弧隙形成一定的介質恢復強度的效應，稱為交流電弧的近陰極效應。

實驗證明：近陰極效應所產生的起始介質強度與電極材料、溫度，特別是所通過的電流有關。其數值在40～250V之間。電流越大，其值越低。近陰極效應是交流短弧熄弧的主要因素，是低壓交流電器中主要熄弧方法。通常把弧隙間介質強度恢復隨時間變化的關係稱做弧隙介質恢復強度特性。此特性可通過實驗測出並用圖形表示。2．弧隙電壓恢復過程在交流電路中，電流過零電弧熄滅後，觸頭兩端電壓從熄弧電壓恢復到電源電壓的過程稱電壓恢復過程。這個過程根據線路參數情況的不同形成較為複雜的情況。總的來說，可分為兩類；一類叫非週期（非振盪）電壓恢復過程，另一類叫週期（振盪）電壓恢復過程。因為電壓恢復過程是使電弧重燃的因素，很顯然，週期電壓恢復過程中有較高的電壓峰值，對電弧不再重燃是十分不利的，所以也是應該儘量避免的。

第三节

交流電弧及其熄滅

一、交流電弧的伏安特性交流電弧與直流電弧有所不同，交流電流的暫態值隨時間變化，每週期內有兩次過零點。電流經過零點時，弧隙的輸入能量等於零，電弧溫度下降，電弧自然熄滅。而後隨著電壓和電流的變化，電弧重新燃燒。因此，交流電弧的燃燒，實際上就是電弧的點燃、熄滅周而復始的過程。這個特點也反映在它的伏安特性中。

交流電弧在一周內的伏安特性。從

O點開始，因電弧還未產生，所以隨著電壓的增加只有小量的由陰極發射產生的電流。

到A點時電弧點燃，再隨著電流的增大，電弧電阻減小，電弧壓降也下降直到B點，此時弧電流達到峰值。在B點後隨著電流的減小，弧電阻增加，電弧壓降上升。變化到C點時，電弧電流趨近於零，電壓達到熄弧電壓，電弧熄滅。當電流過零點後，在第三象限重複上述變化規律。顯然，由於熱慣性作用，電弧電阻的變化總是滯後於電流的變化，因此，交流電弧的伏安特性為動特性。二、交流電弧過零後的物理過程

交流電弧電流過零時，由於電源停止供給能量，故電弧自然熄滅，這也是交流電弧比直流電弧容易熄滅的原因。

但是交流電弧過零自然熄滅後，還會重新燃燒。所以怎樣防止電弧重燃就是研究交流電弧的重點。哪些因素能使電弧重新點燃，哪些因素抑制電弧重燃，就要分析一下交流電弧過零熄滅後，在弧隙間存在著哪些物理過程。交流電弧過零後，弧隙間存在兩個對立的基本過程，一是由於弧電流值下降至零，弧隙溫度迅速下降，使得原來導電的粒子要轉變為不導電的中性粒子，此過程稱弧隙間介質強度恢復過程，這是阻止電弧重燃的因素。另一方面是交流電弧過零後，加在弧隙上的電壓逐漸增高的過程，稱為弧隙電壓恢復過程，此過程可能將弧隙擊穿重新點燃電弧，所以這是使電弧重燃的因素。

1．介質強度恢復過程

交流電弧過零熄滅後，由於外部條件的變化，弧隙內消游離作用加強，使得原來的導電狀態要向絕緣介質狀態轉變，這就是介質強度恢復過程。這個過程的快慢與許多因素有關，例如溫度、散熱情況、空間位置等。在靠近兩極的區域，由於金屬材料的傳熱性好，所以此區域的溫度要比弧柱區的溫度低，故此處的介質強度恢復要比弧柱區的快。

電流過零後，兩電極改變極性，原來的陰極改變為新的陽極，而原來的陽極改變為新的陰極。電場方向的改變，弧隙中剩餘電子和離子的運動方向也應隨之改變。

但是由於電子的品質遠比正離子品質小得多，因而電子的運動方向改變要遠比正離子靈敏得多，形成電子很快向新陽極運動，而正離子在此瞬間幾乎停止在原地，來不及向新陰極運動。新的陰極此時還不能形成強電場發射電子與熱發射。因此，在新的陰極附近就存在一層沒有電子而只有正離子的空間，相當於形成了一薄層絕緣介質。從電路的角度來看，必需加一定的電壓才能將此絕緣薄層擊穿，電弧才會重燃，弧隙重新導電。。這個擊穿電壓值稱為弧隙的起始介質強度。這種在交流電流過零後弧隙形成一定的介質恢復強度的效應，稱為交流電弧的近陰極效應。實驗證明：近陰極效應所產生的起始介質強度與電極材料、溫度，特別是所通過的電流有關。其數值在40～250V之間。電流越大，其值越低。近陰極效應是交流短弧熄弧的主要因素，是低壓交流電器中主要熄弧方法。通常把弧隙間介質強度恢復隨時間變化的關係稱做弧隙介質恢復強度特性。此特性可通過實驗測出並用圖形表示。

2．弧隙電壓恢復過程在交流電路中，電流過零電弧熄滅後，觸頭兩端電壓從熄弧電壓恢復到電源電壓的過程稱電壓恢復過程。這個過程根據線路參數情況的不同形成較為複雜的情況。總的來說，可分為兩類；一類叫非週期（非振盪）電壓恢復過程，另一類叫週期（振盪）電壓恢復過程。因為電壓恢復過程是使電弧重燃的因素，很顯然，週期電壓恢復過程中有較高的電壓峰值，對電弧不再重燃是十分不利的，所以也是應該儘量避免的。我們把恢復過程中的電壓稱為恢復電壓。恢復電壓可由兩部分組成；穩態分量和暫態分量。穩態分量一般稱工頻恢復電壓，暫態分量則根據線路負載情況不同呈較複雜情況。在交流電弧開斷過程中，對於不同性質的負載，觸頭上電壓變化過程不同。

開斷電阻性負載時，由於電壓與電流同相，兩者同時過零。電弧自行熄滅後按工頻恢復電壓變化，沒有暫態分量，故電弧容易熄滅開斷純電容性負載時，電流超前電源電壓90”。電流過零電弧自行熄滅時，電源電壓達到幅值，電容充電電壓的大小與電源電壓幅值相等，但極性相反。加在弧隙兩端的電壓為電容充電電壓與電源電壓的代數和。當電源電壓為反向幅值時，恢復電壓可達兩倍工頻恢復電壓。此過程不含哲態分量。開斷純電感性負載時，電流滯後於電源電壓900電流過零時，電源電壓正處於幅值。電弧兩端恢復電壓常含有暫態分量，先按一振盪過程上升，然後再按工頻恢復電壓變化。所以，此情況電弧較難熄滅。對於一個電阻為R、電感為L、集中電容為C、電弧電阻為r的交流電路而言，只要適當調整線路參數，就可以避免週期電壓恢復過程的出現。另外，還可以增大r的值，也就是用增大消游離的方法來達到。

從觸頭的結構型式來說，由於雙中斷點結構時恢復電壓是作用在兩個斷口上，使每個斷口的電壓值比一個斷口時的要低。所以電弧容易熄滅。

三、交流電弧熄滅的條件

交流電弧過零後弧隙間介質強度的恢復和電壓的恢復是兩個對立的過程。因為介質強度恢復過程主要是弧隙內部帶電粒子不斷減少的過程，而電壓恢復過程恰相反，它使弧隙中的氣體產生新的游離而使帶電粒子不斷增加用B末可以簡單地確定交流電弧熄滅條件為：交流電弧電流過零後，如果弧隙介質強度恢復的速度超過了弧隙電壓恢復的速度，則電弧熄滅。反之，電弧重燃。在實際中，由於介質恢復過程與電壓恢復過程是相互聯繫又相互影響的，所以情況較為複雜。如果恢復電壓上升得快，弧隙游離加強，使得介質強度恢復速度減慢。如果介質強度增長的速度慢，它又對恢復電壓上升起阻尼作用。因此，在交流電弧熄滅過程中有兩個方面的因素要加以考慮：

（1）交流電弧電流過零是最有利的滅弧時機，這時輸入弧隙的功率趨近於零，如電弧散失的功率大於此時由電源輸入的功率，電弧就會熄滅。如果熄弧措施太強，使電弧電流提前強制過零，這時交流電弧的熄滅與直流電弧相同，會造成熄弧困難。

（2）對交流電弧的電路參數而言，電源電壓越高，恢復電壓峰值也愈高，熄弧困難。電弧熄滅前電路的電流越大，電弧功率越大，熄弧困難。電路中電感比例越大，熄弧越困難。第四節

電弧熄滅的方法及裝置

一、拉長電弧

電弧拉長以後，電弧電壓增大，改變了電弧的伏安特性。在直流電弧中，其靜伏安特性上移，電弧可以熄滅。在交流電弧中，由於燃弧電壓的提高,電弧重燃困難。電弧的拉長可以沿電弧的軸向（縱向）和沿垂直於電弧軸向（橫向）拉長。1．機械拉長2．回路電動力拉長3．磁吹滅弧

二、滅弧罩

滅弧罩是讓電弧與固體介質相接觸，降低電弧溫度，從而加速電弧熄滅的比較常用的裝置。其結構型式是多種多樣的，但其基本構成單元為“縫”。我們將滅弧罩壁與壁之間構成的間隙稱作“縫”。根據縫的數量可分為單縫和多縫。根據縫的寬度與電弧直徑之比可分為窄縫與寬縫。縫的寬度小於電弧直徑的稱窄縫，反之，大於電弧直徑的稱寬縫。根據縫的軸線與電弧軸線間的相對位置關係可分為縱縫與橫縫。縫的軸線和電弧軸線相平行的稱為縱縫，兩者相垂直的則稱為橫縫。

1．縱縫滅弧罩

縱向窄縫的滅弧情況，當電弧受力被拉入窄縫後，電弧與縫壁能緊密接觸。在繼續受力情況下，電弧在移動過程中能不斷改變與縫壁接觸的部位，因而冷卻效果好，對熄弧有利。但是在頻繁開斷電流時，縫內殘餘的游離氣體不易排出，這對熄弧不利。所以此種形式適用於操作頻率不高的場合。

縱向寬縫的滅弧情況，寬縫滅弧罩的特點與窄縫的正好相反，冷卻效果差，但排出殘餘游離氣體的性能好。

寬縫中又設置了若干絕緣隔板，這樣就形成了縱向多縫。電弧進入滅弧罩後，被隔板分成兩個直徑較原來小的電弧，並和縫壁接觸而冷卻，冷卻效果加強，熄弧性能提高。此外，由於縫較寬，熄弧後殘存的游離氣體容易排出，所以這種結構型式適用於較頻繁開斷的場合。縱向曲縫式滅弧罩的滅弧情況。縱向曲縫式又稱迷宮式，它的縫壁製成凹凸相間的齒狀，上下齒相互錯開。同時，在電弧進入處齒長較短，愈往深處，齒長愈長。當電弧受外力作用從下向上進入滅弧罩的過程中，它不僅與縫壁接觸面積越來越大，而且長度也愈來愈長。這就加強了冷卻作用，具有很強的滅弧能力。但是，也正因縫隙愈往深處愈小，電弧在縫內運動時受到的阻力愈來愈大。所以，這種結構的滅弧罩，一定要配合以較大的讓電弧運動的力。否則，其滅弧效果反而不好。2．橫縫滅弧罩為了加強冷卻效果，橫縫滅弧罩往往以多縫的結構型式使用，也就是稱為橫向絕緣柵片，當電弧進入滅弧罩後，受到絕緣柵片的阻擋，電弧在外力作用下便發生彎曲，從而拉長了電弧，並加強了冷卻。由於滅弧罩要受電弧高溫的作用，所以對滅弧罩的材料也有一定的要求，如：受電弧高溫作用不會因熱變形、絕緣性能不能下降，機械強度好且易加工製造等。滅弧罩材料過去廣泛採用石棉水泥和陶土材料。現在逐漸改為採用耐弧陶瓷和耐弧塑膠，它們在耐弧性能與機械強度方面都有所提高。三、油冷滅弧裝置油冷滅弧是將電弧置於液體介質（一般為變壓器油）中，電弧將油汽化、分解而形成油氣。油氣中主要成分是氫，在油中以氣泡的形式包圍電弧。氫氣具有很高的導熱係數，這就使電弧的熱量容易散發。由於存在著溫度差，所以氣泡產生運動，又進一步加強了電弧的冷卻。式滅弧罩若再要提高其滅弧效果，可在油箱中加設一定機構，使電弧定向發生運動，這就是油吹滅弧。由於電弧在油中滅弧能力比在大氣中拉長電弧大得多，所以這種方法一般用於高壓電器中，如油開關。四、氣吹滅弧裝置氣吹滅弧是利用壓縮空氣來熄滅電弧的。壓縮空氣作用於電弧，可以很好地冷卻電弧、提高電弧區的壓力、很快帶走殘餘的游離氣體，所以有較高的滅弧性能。按照氣流吹弧的方向，它可以分為橫吹和縱吹兩類。橫吹滅弧裝置的絕緣件結構複雜，電流小時橫吹過強會引起很高的過電壓，故已被淘汰。圖2—20表示了縱吹（徑向吹）的一種形式。壓縮空氣沿電弧徑向吹入，然後通過動觸頭的噴口、內孔向大氣爿出，電弧的弧根能很快被吹離觸頭表面，因而觸頭接觸表面不易燒損。因為壓縮空氣的壓力與電弧本身無關，所以使用氣吹滅弧時要注意熄滅小電流電弧時容易引起過電壓。由於氣吹滅弧的滅弧能力較強，故一般運用在高壓電器中，例如韶山型機車的主斷路器。五、橫向全屬柵片滅弧橫向金屬柵片又稱去離子柵，它利用的是短弧滅弧原理。用磁性材料的金屬片置於電弧中，將電弧分成若干短弧，利用交流電弧的近陰極效應和直流電弧的近極壓降來達到熄滅電弧的目的。橫向金屬柵片滅弧裝置主要用於交流電器，因為它可將起始介質強度成倍的增長。對於直流電弧而言，因無近陰極效應，只能靠成倍提高極旁壓降來進行滅弧。由於極旁壓降值較小，要想達到較好的滅弧效果，金屬柵片的數量太大，會造成滅弧裝置體積龐大。所以直流電弧中很少採用真空滅弧裝置六、真空滅弧裝置在真空中氣體很稀薄，電子的自由行程遠大於觸頭間的距離。自由電子在弧隙中作走向運動時幾乎不會和氣體分子或原子相碰撞，不會產生碰撞游離。所以將觸頭置於真空中斷開時產生的電弧則是由於陰極發射電子和產生的金屬蒸氣被電離而形成的。當電弧電流接近零時，陰極發射的電子和金屬蒸氣減少，弧隙中殘留的金屬蒸氣和等離子體向周圍真空迅速擴散。這樣，弧隙可以在數微秒之內由導電狀態恢復到真空間隙的絕緣水準。因此，在真空中觸頭有很高的介質恢復速度、絕緣能力和分斷電流的能力。真空電弧按其電流的大小可分為擴散弧和收縮弧兩種。擴散弧的電流較小（幾百至幾千安培），此時電弧分裂為許多並聯的支弧。當真空滅弧裝置中出現收縮弧後，就不能再開斷電路。電弧由擴散弧轉變為收縮弧的電流，也就是該真空滅弧裝置的極限開斷電流，它隨觸頭材料和直徑大小而不同。在開斷交流電路時，當被開斷的電流減小到某一數值時，擴散弧會發生電流突然被截斷的現象，稱之為截流。這樣，在開斷感性負載電流時，弧隙上將產生很高的過電壓，這是使用真空滅弧裝置應注意的問題。

電力機車的電氣制動牽引與制動是一對矛盾。制動是調速的一種特殊形式。電傳動機車一般有兩套制動系統，一是空氣制動系統即機械制動系統，包括閘瓦制動和盤形制動。二是電氣制動系統，包括電阻制動和再生制動。本章將詳細分析電氣制動的基本原理，電氣制動的穩定性，電氣制動的形式，電氣制動的特性及其控制方式。學習本章應達到以下目的：1．會分析電阻制動和加饋電阻制動的原理；2．掌握電阻制動/加饋電阻制動電氣線路構成；3．會分析電阻制動特性曲線。第一節概述

制動是機車運行的基本工作狀態之一。當列車需要減速、停車或在長大下坡道上運行需要限制列車的速度時，都必須採取制動措施，控制機車的運行速度。現代鐵路運輸的安全性，在很大程度上取決於機車制動性能的好壞。隨著鐵路運輸的發展，行車速度的不斷提高，對機車的制動性能也相應提出了更高的要求，以更好的保證列車高速運行時的安全性和可靠性。1．電氣制動的基本原理電氣制動是利用電機的可逆性原理。電力機車在牽引工況運行時，牽引電機做電動機運行，將電網的電能轉變為機械能，軸上輸出牽引轉矩以驅動列車運行。電力機車在電氣制動時，列車的慣性力帶動牽引電動機，此時牽引電機將做發電機運行，將列車動能轉變為電能，輸出制動電流的同時，在牽引電機軸上產生反向轉矩並作用於輪對，形成制動力，使列車減速或在下坡道上以一定速度運行。2．電氣制動的形式根據電氣制動時電能消耗的方式，電氣制動分為電阻制動和再生制動二種形式，如果將電氣制動時產生的電能利用電阻使之轉化為熱能消耗掉，稱之為電阻制動。如果將電氣制動時產生的電能重新回饋到電網加以利用，稱之為再生制動。3．電氣制動的優越性（1）提高了列車行車的安全性。列車除機械制動系統外，由於配備了電氣制動系統。因而提高了列車運行的安全性（2）減少了閘瓦和車輪磨耗;（3）提高了列車下坡運行速度;4．機車採用電氣制動時應滿足的基本要求（1）具有電氣穩定性並保證必要的機械穩定性；（2）有廣泛的調節範圍，衝擊力小；（3）機車由牽引狀態轉換為電氣制動狀態時應線路簡單，操縱方便，有良好的制動性能，負載分配力求均勻。5．穩定性概念（1）機械穩定性：指機車牽引列車在正常運行中，不會由於偶然原因引起速度發生微量變化而使列車的穩定運行遭到破壞。電氣制動的機械穩定性是指當偶然原因使機車運行速度增高（或降低）時，制動力應隨之增大（降低），以保持原來的穩定運行狀態。（2）電氣穩定性：指電傳動機車在正常運行中，不會由於偶然因素，電流發生微量變化，而使牽引電機的電平衡狀態遭到破壞。第二節電阻制動一、串勵牽引電機電阻制動1．串勵電機的自激發電過程採用串勵牽引電機的電力機車在進行電阻制動時，必須首先切斷牽引電機電樞與電網的聯接，使電機電樞與制動電阻接成回路。

2．調節方式串勵式電阻制動不需要額外的勵磁電壓，用改變制動電阻RZ的大小來調節制動電流和制動力。在高壓大電流情況下，制動電阻要求有許多抽頭和相應的開關電器，造成線路複雜設備增多，且制動力的調節是有級的，不利於機車平穩運行。同時制動電阻的取值應適當不宜過大，否則會使電機不能自激。當多臺電機並聯共用一個制動電阻時，還會出現不穩定狀態。所以在整流器電力機車上使用電阻制動時，一般不用串勵式電阻制動，而採用它勵式電阻制動，即用改變勵磁電流的方式來調節機車的制動電流和制動力，實現對機車運行速度的控制。二、他勵牽引電機電阻制動採用它勵電機電阻制動時，首先切斷牽引電機電樞與電網的連接，使電樞繞組與制動電阻接成回路，而電機原串勵繞組則由另外電源供電，電機作它勵發電機運行。1．電氣穩定性分析2．制動特性及控制方式（1）速度特性V=f（IZ）（2）制動力特性B=f（IZ）（3）制動特性B=f（V）（4）控制方式

3．電阻制動的工作範圍列車在制動時，由於受牽引電機、機車本身、制動電阻等多種因素的限制，只允許在一定範圍內使用電阻制動。其限制如下：（1）最大勵磁電流限制──曲線①ILmax。若超过此限制则励磁绕组发热会烧损绕组，另一方面磁路饱和，磁通增加有限，调节效果不明显。（2）粘著力限制──曲線②Bψmax。若机车制动力大于此限制会造成滑行。应当说明根据牵规规定，计算制动时的粘着系数ψjT應比牽引時粘著係數低20％，因此，此制動粘著力限制小於牽引粘著力限制。（3）最大制動電流限制──曲線③IZmax。此值取决于电机电枢绕组的运行温升，一般不超过牵引工况时的持续电流，但因受机车通风条件，制动电阻功率限制，此值根据制动电阻的允许发热而定。电力机车的制动功率为了充分发挥其制动效果，一般等于或小于机车的小时功率，该限制亦表示最大制动功率限制。（4）牽引電機安全換向限制──曲線④。牽引電機安全換向取決於電抗電勢er，因er〈VIZ，要維持er在允許值內，必須隨著機車速度的提高，相應地減小制動電流。否則牽引電機主極磁通畸變嚴重，可能導致換向器發生火花加劇甚至環火。（5）機車構造速度限制──曲線⑤。它受機車機械運行部分強度的限制，實際線上路複雜的區段它可能受到線路允許速度的限制。三、電阻制動之不足及克服方法電阻制動除前述的優越性以外，因為電阻制動時控制電路比較簡單，制動力調節十分方便，因而易於實現制動力的自動控制，使電阻制動的性能得以充分發揮，但是電阻制動的最大缺點，從特性曲線上看是低速時制動力直線下降，制動效果不明顯。目前一般採用二種方法加以克服。1．分級電阻制動2．加饋電阻制動

理論上講，加饋電阻制動可使機車制停。而實際上由於牽引電機整流器不允許靜止不動長時間流過額定電流，以防整流器過熱而燒損。故在機車速度低於一定值時，就切除加饋制動，改用空氣制動使機車停車。國產SS3B、SS4G、SS8型電力機車均採用此種加饋電阻制動。小結在第二十章的基礎上，本章討論了機車速度調節的特殊問題──電氣制動。分析了電氣制動的工作原理，機車特性，制動力的調節方式。電氣制動的基本工作原理是利用電機的可逆性原理，把牽引工況下的串勵電動機轉換成電制動工況的它勵發電機，產生制動轉矩從而限制機車速度。根據如何消耗發電機所產生的電能劃分出二種電氣制動方式，即電阻制動和再生制動。電阻制動是目前電力機上普遍採用的一種控制方式。其電路結構簡單，只需將串勵電動機車的勵磁繞組與電樞繞組分離，電樞繞組並接制動電阻，勵磁繞組單獨接勵磁電源即可。電阻制動易於實現自動控制，可以實現恒磁通、恒速、恒流控制。尤其恒速控制對機車通過長大坡道，提高機車平均速度等有良好的經濟意義。恒流控制可以充分利用機車的制動功率。為了克服低速電阻制動之不足採用分級電阻制動和加饋電阻制動。復習思考題1、電力機車電氣制動的基本原理是什麼？2、電力機車電氣制動有幾種形式？3、電氣制動與空氣制動相比有哪些顯著的優越性？4、何謂電阻制動？5、為什麼串勵電機不適合在制動工況運行？6、分析串勵電阻制動的電氣穩定性。7、它勵電阻制動的調節方式有幾種？8、它勵電阻制動為什麼不用於機車制停？9、何謂電力機車的電氣制動特性，它包括哪些工作特性？10、何謂恒速控制？分析它對於利用機車制動功率有何意義？11、繪圖說明電阻制動工作特性的限界條件。

電力機車的輔助線路第一節電力機車的輔助設備電力機車的輔助設備是為保證主線路中各電氣設備的正常工作而設置的。輔助線路是指將輔助設備及其相關的電氣設備連接而成的線路。輔助線路能否正常工作，直接影響主線路能否正常工作，亦即影響機車的正常工作。輔助線路中的設備主要有分相設備、空氣壓縮機組、通風機組、油泵及其它設備如取暖設備、通風設備、電熱玻璃、熱飯電爐、空調等。一、輔助線路組成電力機車的輔助線路主要由電源電路、負載電路、保護電路組成。

二、分相設備分相設備主要有旋轉劈相機、靜止劈相機兩種。靜止劈相機是由晶閘管構成的一種變流器，由整流器與逆變器兩部分組成，這種變流器又稱為輔助電源。

三、輔助設備的設置和起動

1、輔助設備的設置電力機車上的各種輔助設備是為了保證機車正常運行和實現各種輔助功能而設置的，其中主要是保證主線路各電氣設備的正常工作。根據機車的要求，一般有以下輔助設備：(1)分相設備(2)空氣壓縮機及其驅動電機(3)通風機及其驅動電機

(4)迴圈油泵(5)其他輔助設備

2、輔助機組的起動機車上的輔助機組一般不需要調速，因此採用直接起動的方式，縮短起動時間，但是直接起動時起動電流較大，若所有輔機同時起動，將會因為從電網取用電流過大而使網壓過分降低，嚴重時會導致輔機起動失敗。所以，常用輔助機組分別起動的方式解決電機同時起動帶來的電流衝擊問題，分別起動不致使網壓過分降低。也有的機車採用電阻降壓的起動方式起動輔助電機，以減小起動電流，缺點是增加了附加設備。第二節韶山8型機車輔助電路

SS8機車輔助電路亦是採用傳統的單—三相供電系統，輔機均採用三相非同步電動機拖動。電源來自主變壓器的輔助繞組a6-b6-x6，其中a6-x6的額定電壓為389V，a6-b6的額定電壓229V。機車在庫內可通過輔助電路庫用插座13SX引入380V單相或三相電源，將6QP投向庫用位，則輔助電路設備即可由庫內電源供電。一、單---三相供電系統1、劈相機分相起動2、通風機電動機電容分相起動3、庫用電源電路可使用的庫內電源有兩種：（1）庫內三相電源（2）庫內單相電源二、負載電路1、三相負載電路2、單相負載電路（1）380V單相負載電路（2）220V單相負載電路三、保護電路

SS8機車輔助電路設有過電壓、過電流、接地及安全保護。1、接地保護

2、輔機超載保護

3、過電壓保護

4、過電流保護

5、安全聯鎖SS8型機車設有安全門鎖裝置，由門鎖保護閥YV控制。當YV得電時，控制風缸風經YV通向升弓風缸，同時鎖閉鑰匙箱，安全鎖鑰匙無法取出；當YV失電時，切斷風源，鑰匙箱上司機電鑰匙插孔露出解鎖，安全鎖鑰匙才能取出從而開啟各室門。保護閥線圈由雙路供電：一路由控制電源線454→主電路入庫轉換開關7QS、8QS聯鎖→車頂門行程開關7QP聯鎖→YV線圈。另一路由a6x6→204、205導線引入→4T降壓→11u整流→導線217→YV線圈。即使出現控制電路切斷而機車高壓供電依然存在的情況，YV線圈仍有一路交流供電，安全鎖的鑰匙仍無法取出，各室門依然打不開，從而達到確保人身安全的目的。第三節列車供電系統長期以來，我國普通客車一直採用軸驅式發電機供電，軟臥空調車有利用柴油發電機和軸驅式發電機兩種。軸驅式空調客車供電方案，由於其效率低,且停電時不能發電，從而限制了該供電方式的發展。隨著客車空調裝置的普遍使用，從80年代起，我國開始研製使用柴油機發電車提供三相380V交流電對空調列車集中供電，但是根據我國的能源政策，在電氣化區段採用發電車供電，從發展的角度是不合理的。一、列車供電系統組成及工作原理

該系統包括電力機車向旅客列車供電的電源裝置，DC600/AC380V相容供電空調客車，該客車上包括客車充電器、空調採暖用逆變電源，列車安全供電控制監測裝置(集控供電控制器、客車漏電檢測器等)。在電氣化區段運行時採用電力機車集中供電(DC600V)，客車分散變流供電方式。（1）電氣化區段系統運行方式：電氣化區段，SS8型機車列車供電裝置將受電弓接受的25KV單相交流電，經降壓整流，濾波成600V直流電壓，分兩路向空調客車供電。

(2)非電氣化區段系統運行方式：非電氣化區段，內燃機車牽引相容空調客車時可採用現用大功率發電機系統供電，其輸出為雙路380V三相50HZ。

(3)控制電路：由於電氣化區段存在分相區，因此電力機車在向客車供電時存在暫態斷電狀態，為保證照明不間斷，防止有節點控制器件的頻繁開閉，供電系統的控制電路及照明均採用直流110V電源，每輛客車設置100Ah蓄電池組，全列車設DC110幹線，以保證充電故障時客車的應急照明及控制等用電。為防止誤操作客車配電櫃供電開關引起DC600V、AC380V供電回路短路，確保列車安全供電，列車設供電集控系統。供電集控系統由機車發電車上的集控器及貫穿全列車的集控線組成。供電系統設置二級接地保護檢測，以提高供電安全性。客車設本車漏電檢測電路，當DC600V供電線路及三相交流用電負載對地絕緣不良時，自動切除DC600V供電。二、機車列車供電電源SS8型機車設有向列車供電系統。採用集中整流分散逆變方式，即集中由機車整流。機車上設有兩套供電繞組及整流裝置，同時工作分別向列車供給兩路DC600V電源，車輛各用戶根據需要變換、取用，機車列車供電電路作為機車電氣線路的一個獨立系統分為主電路和控制電路。主電路的檢測及保護分為：（l）過壓吸收電路由阻容吸收網路67R、31C、壓敏電阻6RV組成。(2)接地保護電路由11QP接地故障隔離開關、限流電阻73R、經濟電阻69R、接地繼電器7KE及浪湧吸收電容33C組成。

(3)過流保護電路:交流側過流保護由11KC、7TA組成，過流整定值為1000A土10%。當出現交流側過流時，11KC動作使30KM斷開，切除供電電路。本章概要輔助線路中的輔助設備是為保證主線路正常工作和實現各種輔助功能而設置。主要有為供給三相非同步電動機三相電的分相設備；為產生壓縮空氣用以進行空氣制動、驅動部分電空電器的壓縮機組；用以冷卻牽引電動機、矽整流機組、主變壓器、平波電抗器、制動電阻等電器設備的通風機組等。輔助線路通常有電源部分、三（單）相負載、保護電路組成。輔助線路的保護有過電壓、過電流、接地、欠電壓及單機超載保護等。SS4改、SS8型電力機車的輔助電路與其他韶山系列機車輔助電路大同小異。機車向客車供電技術是一項新技術，它採用DC600V供電制式。復習題1、國產交直系電力機車輔助電路中設有那些主要設備？2、輔助機組為什麼要採用分別起動方式？3、簡述旋轉劈相機的工作原理。4、輔助線路主要由那幾部分組成？5、SS8機車正常運行中，設201線接地，試分析其保護動作原理。6、簡述SS8機車列車供電系統的作用及組成。7、熟悉SS8機車列車供電系統控制電路的工作原理。

电力机车工作原理

電力機車按供電電流制——傳動型式分為四類，即直流供電——直流牽引電動機的直直型電力機車；交流供電——直（脈）流牽引電動機的交直型電力機車；交流供電——變流器環節——三相交流非同步電動機的交直交型電力機車和交流供電——變頻環節——三相交流同步電動機的交交型電力機車。本章著重分析前三種電力機車的工作原理及工作特點，並推導電力機車的基本特性