中职教育二年级全学期交通运输大类《气体电弧理论》微课教学设计

微课教学设计课题气体电弧理论目标1.掌握电弧的概念及形成；2.了解电弧的特点及危害；3.掌握电弧的熄灭和熄灭条件；4.掌握熄灭交流电弧的基本方法。难点1.电弧的熄灭和熄灭条件；2.熄灭交流电弧的基本方法。微课说明总时间：16:49，幻灯片总数：38页；呈现形式：PPT配画外音解说，PPT制作尽可能图像化，适当使用动画表现。镜头编号视频内容解说词效果说明1课前导入同学们，大家好！我们在日常生活中，使用插座时，有时会产生电火花。而在高压电气中，当高压开关设备接通或断开时，也会产生类似于“电火花”的放电现象，我们称之为电弧。那么电弧究竟是如何产生的呢？它有什么特点呢？这节课，我们来一起学习气体电弧理论吧。图片2标题——气体电弧理论3学习目标在本节课的学习中，我们将要掌握电弧的概念及形成，了解电弧的特点及危害，掌握电弧的熄灭和熄灭条件，以及掌握熄灭交流电弧的基本方法。4一、电弧的概念及形成51.电弧的概念首先我们来了解一下电弧的概念。在电力系统中，当电流通过某些绝缘介质（例如空气）时，在开关触头之间会产生温度极高、发出强烈白光、能导电、近似于圆柱形的气体，称为电弧。电弧是一种气体放电现象。图片62.八种常见的电弧产生方式现在我们来认识一下八种常见的电弧产生方式。73.电弧的形成那么电弧是如何形成的呢？开关触头在开断电流时，触头间电场强度很大，使触头本身的电子及触头周围介质中的电子被游离而形成电弧。电弧是电气设备开断过程中不可避免的现象。当开关电器开断电路时，如果电路电压超过10～20V，电流超过80～100mA，触头在接触前或刚刚分离后，触头之间就会产生电弧。视频8（1）产生电弧的游离方式——①热电子发射产生电弧的游离方式主要有四种：①热电子发射当断路器的动、静触头分离时，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，导致阴极表面温度急剧升高而发射电子，形成热电子发射。动画9②强电场发射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。动画10③碰撞游离③碰撞游离从阴极表面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。动画11④热游离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。动画12（2）电弧的形成过程综上所述，断路器断开过程中电弧是这样形成的：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；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。此时，在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧。动画13二、电弧的特点及危害141.电弧的特点电弧有什么特点和危害呢？电弧的特点有以下四点：（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，因此电弧具有良好的导电性能，具有很高的电导。弧柱电流密度可达10kA/cm^2。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通，电路将继续导通。只有当电弧熄灭后，电路中才无电流通过而真正断开。图片151.电弧的特点（3）电弧能量集中，温度很高。电弧放电时，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。图片162.电弧的危害电弧的危害，主要有：（1）当开关电器的触头间发生电弧时，它的存在延长了电器开断故障电路的时间，加重了系统短路故障的危害。（2）电弧产生的高温，将使触头表面熔化和汽化，烧坏绝缘材料，对充油电器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。（4）在最严重情况下甚至可能引起相间短路,或使开关电器爆炸，形成火灾，影响电力系统安全运行。172.电弧的危害视频18三、电弧的熄灭和熄灭条件191.电弧的熄灭在实际生产中，我们要采取一定的方法来熄灭电弧。电弧的熄灭与电弧的去游离过程有关。电弧的去游离过程包括复合和扩散两种形式。图片20（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表面吸附后，再被正离子捕获成为中性质点。动画21（2）扩散——①温度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；动画22②浓度扩散③利用吹弧扩散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。动画232.交流电弧的特性接下来我们看一下交流电弧的特性。如图所示，为交流电弧的伏安特性和电流、电压波形图。图片24（1）交流电弧的物理特性交流电弧的电流变化速度很快，不可能建立稳定平衡状态，因此它的伏安特性具有动态特性，如图（a）所示。交流电流每半个周期经过一次零值，称为自然过零。电流过零时，交流电弧电流通过零点，由于电源停止供给电弧能量，热游离迅速下降，电弧自动熄灭。如果电弧是稳定燃烧的，则电弧电流过零熄灭后，在另半周又会重新燃烧。如果电弧过零后，不发生重燃，电弧就会熄灭。25（2）电流的波形及伏安特性由电流的波形及伏安特性，得到电弧电压随时间变化的波形呈马鞍形，电流小时，电弧电压高；电流大时，电弧电压减小且接近于常数，如图(b)所示。其中A点为电弧产生时的电压，称为燃弧电压；C点为电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压。263.交流电弧的熄灭条件综上所述，在开断交流电弧时，应充分利用交流电流的自然过零点，采取有效的措施，加强对弧隙的冷却，抑制热游离，加大弧隙间去游离的强度，使电弧不再重燃，最终熄灭。为此，在开关设备中均装设了灭弧装置，称为灭弧室，灭弧室不断改进，大大提高了开关的灭弧能力。另一方面，为了进一步提高灭弧能力，还可以采用性能更为优越的新型灭弧介质如SF6等。27四、熄灭交流电弧的基本方法281.采用灭弧能力强的灭弧介质——①压缩空气熄灭交流电弧的方法都有哪些呢？主要有六种：第一种：采用灭弧能力强的灭弧介质电弧中的去游离强度，在很大程度上取决于电弧周围介质的特性。高压电器中广泛采用以下几种灭弧介质：压缩空气——压缩空气的压强约为20×10^5Pa，由于其分子密度大，质点的自由行程小，能量不易积累，不易发生游离，所以有良好的绝缘和灭弧能力。29②SF6气体SF6气体——SF6是良好的负电性气体，其氟原子具有很强的吸附电子的能力，能迅速捕捉自由电子而形成稳定的负离子，为复合创造了有利条件，因而具有很强的灭弧能力，灭弧能力比空气强100倍。30③真空真空——真空气体压强低于133.3×10^−4Pa，气体稀薄，弧隙中的自由电子和中性质点都很少，碰撞游离的可能性大大减少，而且，弧柱与真空的带电质点的浓度差很大，有利于扩散。其绝缘能力比变压器油、1个大气压力下的SF6、空气都大。312.采用特殊金属材料作灭弧触头第二种：采用特殊金属材料作灭弧触头电弧中的去游离强度，在很大程度上与触头材料有关。用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属制作触头，如铜、钨合金和银、钨合金等，在电弧高温下不容易融化和蒸发，有较高的抗电弧、抗熔焊能力，可以减少热电子发射和金属蒸汽，抑制游离作用，有利于熄灭电弧。323.吹弧第三种：吹弧利用任何一种较冷的绝缘介质的气流来纵吹电弧(气流方向与弧柱平行)或横吹电弧(气流方向与弧柱垂直)，使电弧迅速扩散，加强冷却，从而达到灭弧的目的。图片334.采用多断口熄弧第四种：采用多断口熄弧高压开关设备常采用每相有两个或多个串联断口的灭弧方式，如图所示为双断口。采用双断口是把电弧分割成两个小弧段，在相等的触头行程下，双断口比单断口的电弧拉长了，从而增大弧隙电阻。图片344.采用多断口熄弧而且电弧被拉长的速度也增加，加速了弧隙电阻的增大，增大了介质强度的恢复速率，缩短了灭弧时间。由于加在每个断口上的电压降低，使弧隙的恢复电压降低，也有利于电弧的熄灭，因此灭弧性能更好。在要求将电弧拉到相同的长度时，采用多断口结构成倍减小了触头行程，也就减小了开关电器的尺寸。355.提高触头的分离速度第五种：提高触头的分离速度在高压开关电器中都装有强力分闸弹簧，以加快触头的分离速度，迅速拉长电弧，使弧隙的电场强度骤降，同时使电弧的表面积增大，有利于电弧的冷却及带电质点的扩散和复合，削弱游离而加强去游离，从而加速电弧的熄灭。366.金属栅片灭弧装置第六种：金属栅片灭弧装置这种灭弧装置的构造原理如图所示。灭弧室内装有很多由钢板冲成的金属灭弧栅片，栅片