開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理講解

1、電器學 中南大學信息學院電氣工程系中南大學信息學院電氣工程系 教學目的與要求：教學目的與要求： 掌握在當今開關(guān)電器中所使用的滅弧裝置的滅弧原理，熟悉提 高滅弧裝置開斷能力的輔助方法。 教學重點與難點：教學重點與難點： 金屬柵片滅弧裝置、真空滅弧裝置、SF6滅弧裝置、石英砂滅 弧裝置 2 第五章 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 3 本 章 教 學 基 本 內(nèi) 容 1開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作 2提高滅弧裝置開斷能力的的滅弧輔助方法 ：并聯(lián)低值電阻、附 加同步裝置、附加晶閘管裝置。 通過本章的學習，學生掌握當今開關(guān)電器中所使用的滅弧裝 置的滅弧原理，熟悉提高滅弧裝置開斷能力的輔助方法，便于在以 后

2、的工程實踐中靈活運用。 第五章 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 4 概 述 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 5-2 提高滅弧裝置開斷能力的輔助方法 小 結(jié) 基基 本本 內(nèi)內(nèi) 容容 第五章 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 5 當電源電壓超過數(shù)十伏、開斷電流在數(shù)十安以上時，為 減少電弧對觸頭的燒損和限制電弧擴展的空間，通常需要采 取加強滅弧能力的措施，為此而采用的裝置稱為滅弧裝置。 這些滅弧裝置的滅弧原理主要有下列十幾種： 1簡單開斷； 2磁吹滅弧裝置； 3縱縫滅弧裝置； 4絕緣柵片滅弧裝置； 5金屬柵片滅弧裝置； 6固體產(chǎn)氣滅弧裝置， 概概 述述 6 7石英砂滅弧裝置； 8變壓器油滅弧裝

3、置； 9壓縮空氣滅弧裝置； 10SF6滅弧裝置； 11真空滅弧裝置。 此外，為了增加滅弧裝置的開斷能力，通?？梢圆捎?下列輔助方法： 1在弧隙兩瑞并聯(lián)電阻； 2. 附加同步開斷裝置； 3附加晶閘管裝置。 概概 述述 7 上述滅弧裝置的滅弧原理是： (1) 在大氣中依靠觸頭分開時的機械拉長，使L增大； (2) 利用流過導(dǎo)電回路或特制線圈的電流在燃弧區(qū)產(chǎn)生磁場，使電 弧迅速移動和拉長； （3）依靠磁場的作用，將電弧驅(qū)入用耐弧材料制成的狹縫中，以加 強電弧的冷卻和消電離； (4) 用金屬板將電弧分隔成許多串聯(lián)的短弧； 概概 述述 8 (5) 在封閉的滅弧室中，利用電弧自身能量分解固體材料，產(chǎn)生氣體，

4、 以提高滅弧室中的壓力，或者利用產(chǎn)生的氣體進行吹??； (6) 利用電弧自身能量，使變壓器油分解成含有大量氫氣的氣體并建 立起很高的壓力，再利用此壓力推動冷油和氣體去吹??； 概概 述述 9 (7) 利用壓縮空氣吹??； (8) 利用SF6氣體吹弧； (9) 在高真空中開斷觸頭，利用弧隙中由電極金屬蒸汽形成的弧柱 在電流過零時迅速擴散的原理進行滅??； (10) 利用石英砂等固體顆粒介質(zhì)，限制電弧直徑的擴展和加強冷卻。 概概 述述 10 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 一、拉長電弧 在大氣中利用機械方式拉長 電弧進行滅弧的原理與圖例。 （1）原理：電弧放長

5、后，電 弧電壓就增大，其靜態(tài)伏-安特性 向上移動。 11 （2）圖解：如下圖示，除依靠觸頭分開拉長電弧以外， 還可依靠導(dǎo)電回路的電流產(chǎn)生的磁場使電弧彎曲來拉長電弧。 前者沿電弧的軸向(亦稱切向)拉長電弧，后者是沿著垂直于 弧軸的方向(亦稱法向)拉長電弧。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 12 依靠拉長電弧使之恰好熄滅的最短長度，稱為臨界長度，記為Llj。 其計算公式為： 0 0.6 lj 0 l KI 式中 K常數(shù)，當電源電壓為500V時，K=0.75；250V時， K=0.15； 開斷電流的起始值（有效值），單位為A。 0 0 I 5-1 5-1

6、 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 13 （3）示例： 例一：刀開關(guān)拉長電弧。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 14 例二：利用流過導(dǎo)電回路的特制線圈的電流在燃弧期間產(chǎn)生磁場，使 電弧迅速移動和拉長。圖b）還增加了引弧角。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 15 二、磁吹線圈： 可用于低壓直流和交流接 觸器中。對后者，為減少渦流 損耗和避免由于鋼夾板中磁通 與電弧電流相位不同而產(chǎn)生反 向電動力，鐵心2上可開一槽 或者用硅鋼片疊成。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理

7、開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 16 當鐵心不飽和時，如果磁吹線圈開斷大電流時產(chǎn)生的磁場適當， 則在開斷小電流時將因電動力過小而引起吹弧困難。當然，通過設(shè)計 也能使磁吹線圈在開斷小電流時產(chǎn)生的磁場適當。 但這樣做，一方面將使磁吹線圈的匝數(shù)增加，增大了線圈體積 和多用有色金屬；另一方面將使開斷大電流時產(chǎn)生的磁場過強，使得 觸頭的電磨損大大增加。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 17 為緩和上述矛盾，可以通過適當選擇磁吹線圈的匝數(shù)以及鐵心和 鋼夾板的截而積，使得開斷小電流時磁場加強，在開斷大電流時則由于 磁路飽和而磁場不致過強。這樣，電弧所受到的電動力

8、將不再隨開斷電 流成平方倍數(shù)地增加。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 18 三、 縱縫滅弧裝置 所謂縱縫就是滅弧室的縫隙方向與電弧的軸線平行。 滅弧裝置的工作原理：利用磁吹線圈產(chǎn)生的磁場將電弧驅(qū)入耐弧絕 緣材料(石棉、水泥、陶土等)制成的具有縱縫的滅弧室中進行滅弧。它 既可用于熄滅直流電弧，也可用于熄滅交流電弧。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 19 按縫隙的尺寸和形式，它們又分兩 種，如圖5-5所示。 圖5-5a表示一單縱縫滅弧裝置的原 理結(jié)構(gòu)。圖中，1為用耐弧絕緣材料制成 的滅弧室壁，2為磁吹線圈的

9、鋼夾板，3 為電弧。 通常上部縫寬小于熄滅電弧的直徑。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 20 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 21 由圖5-6可見，當電流增大（橫坐標向右）時，縱縫滅弧裝置中電 弧的“伏安特性”隨電弧電流增加而下降的程度比自由燃弧時的“伏 安特性”下降程度要緩得多，特別當電流很大時，E可以認為是常數(shù)。 隨著縫寬的減小和電弧橫向運動速度的提高，電弧的“伏安特 性”也將升高，這表明滅弧能力也隨之增強。 采用多縱縫可以減小電弧進入上部窄縫的阻力，在驅(qū)動電弧運動 的電磁力給定時，可以采用比單縱縫

10、滅弧室更小的縫隙。這使滅弧空壁對 電弧的冷卻和消電離作用更強。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 22 四、絕緣柵片滅弧裝置 滅弧裝置如圖5-8所示。 其中，滅弧室l中裝有用耐弧 絕緣材料制成的幾片絕緣柵片2， 柵片的邊緣和電弧3的軸線垂直。 當開斷電流時，在觸頭4和5之 間產(chǎn)生的電弧在導(dǎo)電回路的磁場 作用下向上運動。 多縱縫滅弧裝置廣泛用于低壓接觸器中。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 23 當磁場的方向為垂直于紙面 向里時，電弧AB、BC和CD段所受 的電動力都使電弧壓向絕緣柵片 頂部，增大與柵片表面

11、的接觸面 積，從而加強了電弧的冷卻和消 電離作用；而DE段所受的電動力 使電弧向上拉長，更加深入柵片 間隙和增加電弧與絕緣柵片的接 被面積。 由于受到絕緣柵片的阻擋，電弧彎曲成如圖5-9中AG曲 線所示的形狀。 B 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 24 除此以外，電弧AB段和EF段相互作用產(chǎn)生一相吸電動 力、CD段和EF段相互作用產(chǎn)生一相斥電動力，使AB、CD和E F段壓向絕緣冊片；CD段和EF段對DE段相互作用也產(chǎn)生一相 斥電動力，使DE段向上運動。 這種滅弧裝置充分利用了電弧自身磁場產(chǎn)生的電動力。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理

12、開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 25 五、金屬柵片(又稱去離子?xùn)?滅弧裝置： 這種滅弧裝置的原理構(gòu)造如圖5-10 a所示。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 26 滅弧室1內(nèi)部有許多由厚度為23mm鋼板沖成的橫向柵片2。 柵片外表面鍍銅以增大傳熱能力和防止鋼片生銹。 每一柵片沖有三角形的缺口。柵片缺口錯開的作用為減 少電弧初始碰到的柵片數(shù)，從而減少進入的阻力。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 27 在電弧進入柵片之后，電弧電壓變?yōu)?金屬柵片滅弧裝置既能用于熄滅直流電弧，也能用于熄 滅交流電弧。 當熄滅直流

13、電弧時： 0h UnUEl 0 N U n U 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 28 圖5-11表示厚為2mm、片距5mm的 平板形柵片的滅弧裝置開斷350A電流 時，介質(zhì)初始恢復(fù)強度Ujf0和Kjf與n 變化的關(guān)系是不成比例。其原因是電 弧進入柵片分成很多短弧后，它們在 滅弧室中的運動速度不同、運動方向 也不同。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 29 金屬柵片滅弧裝置廣泛用 于低壓開關(guān)電器中。 其主要缺點是滅弧室除電 弧能量損耗之外，還有柵片中 電阻、磁滯和渦流引起的損耗。 加之柵片間隙較小，阻礙了熱

14、 量的散發(fā)。這些都使滅弧室的 溫度容易升向，從而引起滅弧 條件惡化。 因此，這種滅弧裝置不適 用于過分頻繁操作的場所。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 30 六、固體產(chǎn)氣滅弧裝置 某些固體絕緣材料如鋼紙(亦稱反白)、有 機玻璃等，在電弧的高溫作用下能迅速氣化， 產(chǎn)生大量主要成分為氫及其化合物的氣體。 利用這些材料的產(chǎn)氣性質(zhì)進行滅弧的滅弧 裝置稱為固體產(chǎn)氣滅弧裝置。 圖5-13是利用串聯(lián)短弧和高氣壓兩種方式 滅弧。其中，鋼紙管在電弧的高溫作用下分解， 產(chǎn)生氣體，使壓力提高。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理

15、 31 如圖5-14所示，滅弧期間管內(nèi)的壓力可達4.8MPa。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 32 圖5-15是利用產(chǎn)氣原理提高氣壓，再利用氣壓進行滅弧的高壓跌落 式熔斷器熔管的原理結(jié)構(gòu)圖。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 33 當短路電流通過時，熔絲3被熔斷產(chǎn)生電弧，于是彈簧6長度縮短， 電弧被迅速拉長。同時，電弧的高溫使鋼紙分解產(chǎn)生大量的氣體，管內(nèi) 壓力迅速升高，這一壓力推動軟線5加速向右運動，從而也加速電弧的拉 長和壓力的升高。 當軟線5被推出鋼紙管8以后，管內(nèi)的高壓氣體向外沖出，進行縱向 吹弧

16、，使電弧熄滅。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 34 七、石英砂滅弧裝置： 利用石英砂限制弧柱的擴展并冷卻電弧使之熄滅的裝置，叫做 石英砂滅弧裝置。 圖中 熔管1用瓷制成，2和3分別為端蓋和接線板。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 35 七、石英砂滅弧裝置： 利用石英砂限制弧柱的擴展并冷卻電弧使之熄滅的裝置，叫做 石英砂滅弧裝置。 圖中 熔管1用瓷制成，2和3分別為端蓋和接線板。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 36 石英砂熔斷器釆用了多斷口串聯(lián)、提高弧隙中

17、氣壓以加強電離氣體 的擴散作用，以及利用狹縫冷卻電弧共三種滅弧原理，所以它的滅弧能力 強，限流作用非常顯著。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 37 八、變壓器油滅弧裝置 1、分類： （1）自能式：利用電弧自身的能量將油蒸發(fā)分解而成 油氣，提高滅弧室中的壓力以驅(qū)動油或油氣進行吹弧。 （2）外能式：用外界能量(通常是儲存在彈簧中的能量) 推動活塞，提高滅弧室中的壓力以驅(qū)動油或油氣進行滅弧。 （3）混合式：兼用上述兩種能量，提高滅弧室中的壓 力以驅(qū)動油或油氣進行吹弧。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 38 2

18、、即使在油中簡單地位長電弧，其滅弧能力也比在大氣 中拉長電弧高得多。這是因為： (1) 油氣的主要成分是氫，它在所有氣體中具有最高 的導(dǎo)熱系數(shù)和最小的粘度，這就使弧柱的熱量容易散發(fā)。 (2) 在電弧的高溫作用下，油的氣化和分解過程非常 劇烈。油氣形成后由于受到周圍冷油的阻礙，體積不能迅速膨 脹，因而氣泡中壓力很高，通?？蛇_（0.51）MP。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 39 (3) 在熄滅交流電弧過程中，當電流增大時，電弧的功 率增大，油氣的形成加劇，氣泡中油氣溫度增高和壓力上升。 在壓力較高的情況下，氣泡壁處油的沸點升高，處于過熱狀 態(tài)。當電

19、流減小到過零附近時，由于電弧功率減小，油氣產(chǎn) 生的速度下降，但氣泡在壓力作用下仍繼續(xù)膨脹，結(jié)果引起 氣泡中油氣的溫度和壓力迅速降低。此時氣泡壁處油的沸點 下降，處于過熱狀態(tài)的油猛烈氣化。由于氣泡壁各處油的氣 化速度不一致，在氣泡內(nèi)就形成了壓力差。此壓力差促使油 氣產(chǎn)生混亂的運動，使剛剛形成的溫度較低的油氣進入弧柱 中，加強了弧柱的冷卻。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 40 (4) 在某些情況 下，還可利用被開斷 電流產(chǎn)生的電動力使 電弧彎曲和靠近氣泡 壁，加強對弧柱的冷 卻作用。 按照油或油氣與 電弧作用的方式，自 能吹弧滅弧裝置又可 分為橫吹、

20、縱吹、縱 橫吹和環(huán)吹四種。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 41 開斷電流越大，則單位時間內(nèi)產(chǎn)生的氣體越多，滅弧室 內(nèi)壓力越高，吹弧力量越強，于是燃弧時間越短； 當開斷較小電流時，滅弧室內(nèi)壓力越低，吹弧力量減弱， 燃弧時間增長，實際上沒有吹弧作用，即相當于在油中簡單 開斷。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 42 由圖可見，燃弧時間有一 最大值，相應(yīng)于最大燃弧時間 的電流稱為臨界電流Ilj。其數(shù) 值視滅弧裝置的具體結(jié)構(gòu)而異， 一般為幾十安到上千安。 自能吹弧滅弧裝置的極限 開斷電流Ilx主要決定于滅弧室

21、的機械強度。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 43 九、壓縮空氣滅弧方式。 在開斷電路對，將預(yù)先儲備好的壓縮空氣用管道引向燃弧區(qū)，利用 壓縮空氣猛烈吹弧和提高燃弧區(qū)的壓力，使電弧熄滅的裝置叫做壓縮空 氣滅弧裝置。 按照氣流吹弧的方向分橫吹式和縱吹式兩類。 橫吹式缺點較多，已淘汰，現(xiàn)主要介紹縱吹式。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 44 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 45 十、SF6滅弧裝置。 SF6是無色、無臭、無毒、無公害和不燃燒的氣體。 其沸點在大氣壓

22、時為-60，加溫到150 都不易與其他物質(zhì)起化學 反應(yīng)，到500時仍不能自行分解。它的密度是空氣的5倍。常溫時的傳 熱能力(包括對流在內(nèi))為空氣的1.6倍。 它具有很高的絕線性能。在壓力為0.1MPa時約為氮氣的56倍，當壓力 為0.16MP時已與變壓器油相等，而擊穿電壓為壓縮空氣的23倍。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 46 所以，采用 SF6作為絕緣介 質(zhì)可以大大減小 絕緣間隙的尺寸 和縮小電器的體 積。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 47 SF6另一突出優(yōu)點是它只有很強的滅弧能力，主要原因有三

23、條。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 48 （十一）真空滅弧裝置。 由于空氣稀薄，空氣分子及其電子的平均自由行程加長，這就使弧 中氣體粒子受到其他粒子碰障而電離的幾率大大減少。因此，真空具有 很高的絕緣和滅弧性能。 將觸頭在高度真空中開斷便構(gòu)成有很高開斷能力的滅弧裝置。 按照觸頭結(jié)構(gòu)的不同，真空滅弧裝置分帶圓柱狀觸頭、帶螺旋槽的 磁吹觸頭和帶縱磁場線圈的觸頭三種。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 49 圖5-29是帶圓柱狀觸頭真空滅弧裝置的原理結(jié)構(gòu)圖。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)

24、電器典型滅弧裝置的工作原理 50 在一定條件下，真空的擊穿電壓比空氣高得多，但是，它受觸頭材 料、電極形狀、特別是電極表面粗糙度和電極上有無臟圬影響很大。 真 空滅弧裝置的觸頭形狀示例。 5-1 5-1 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理 51 5-2 5-2 提高滅弧裝置開斷能力的輔助方法提高滅弧裝置開斷能力的輔助方法 一、并聯(lián)電阻幫助滅弧電路：圖5-33是圖5-32的簡化圖。 并聯(lián)電阻有助于滅弧。 52 二、附加同步開斷裝置 由于交流電流每秒要通過零點2f(f是電源頻率)次。如果我們能使 開關(guān)電器的觸頭在電流過零瞬時分開，并以極高的速度拉開到足以承受恢 復(fù)電壓而不

25、發(fā)生間隙擊穿的距離，則此時弧隙中將不產(chǎn)生電弧，也不存在 所謂熱擊穿階段。 同時，由于弧隙是未電離的，只需較小的極間距離，就可承受較 高的恢復(fù)電壓。這種開斷電路的方法叫做同步開斷，而相應(yīng)的開關(guān)電器叫 做同步開關(guān)開關(guān)。 5-2 5-2 提高滅弧裝置開斷能力的輔助方法提高滅弧裝置開斷能力的輔助方法 53 由上述可見，這種理想的同步開關(guān)可以無需采用滅弧裝置。然而， 事實上，實現(xiàn)這一方案非常困難。 其原因主要是： (1） 技術(shù)上還不能保證開關(guān)電器的觸頭穩(wěn)定地每次恰在電流過 零時分開； (2)還沒有比較簡便的方法使開關(guān)電器的動觸頭獲得所需的高速 度。 5-2 5-2 提高滅弧裝置開斷能力的輔助方法提高滅弧裝置開斷能力的輔助方法 54 工程上獲得實際應(yīng)用的是帶滅弧裝置的同步開關(guān)，即在現(xiàn)有的開關(guān)電 器滅弧裝置上加裝同步裝置，使觸頭在電流過零前一極短時刻(例如lms左右) 分開，