開關電器的滅弧

開關電器的滅弧電弧是電氣設備運行中經常發(fā)生的物理現(xiàn)象，其特點是光亮很強和溫度很高。它不僅對觸頭有很大的破壞作用，電弧的產生對供電系統(tǒng)的安全運行有很大影響。首先，電弧延長了電路開斷短路電流的時間。在開關分斷短路電流時，開關觸頭上的電弧就延長了短路電流通過電路的時間，使短路電流危害的時間延長，這可能對電路設備造成更大的損壞。同時，電弧的高溫可能燒壞開關的觸頭，燒毀電氣設備和導線電纜，甚至可能引起火災和爆炸事故。此外，強烈的電弧可能損傷人的視力，嚴重的可導致人失明。因此，開關設備在結構設計上就要保證其操作時電弧能迅速地熄滅。當電弧穩(wěn)定燃燒時是處在熱動平衡狀態(tài)，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(xiàn)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：復合和擴散。1?復合帶異性電荷的粒子相遇后相互作用中和而變成中性粒子稱為復合。復合按其地點可分為：表面復合：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?？臻g復合：帶正、負電荷的粒子在放電間隙中相互吸引而中和電荷，變成中性粒子。自由電子與正離子相遇，相互吸引而中和電荷而變成中性粒子，稱為直接復合。由于自由電子的運動速度比正離子大得多，所以直接復合的機率很小。往往自由電子粘合在中性粒子上，再與正離子相遇而復合，中和電荷形成兩個中性粒子。這種過程稱間接復合。因為正、負離子的運動速度相當，間接復合的機率大，約為直接復合的上千倍。自由電子粘合在中性粒子上形成負離子的強弱與氣體的種類和純凈度有關。氟原子及其化合物SF分子與自由電子的粘合6作用很強，所以稱為負電性氣體。SF的復合能力很強，是比較理想的消游離和絕緣介質。現(xiàn)已應用在高壓斷路器中。顯而易見，帶電粒子運動速度是直接影響復合作用大小的重要因素。降低溫度、減小電場強度可使粒子運動速度減小，易于復合。此外，帶電粒子濃度增大時，復合機會增多，復合作用也可以加強。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。復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(fā)。2?擴散帶電粒子從電弧區(qū)轉移到周圍介質中去的現(xiàn)象稱為擴散。擴散的方向一般為從高溫、高濃度區(qū)向低溫、低濃度區(qū)。擴散使電弧中的帶電粒子減小。擴散出來的帶電粒子因冷卻很容易相互結合，中和電荷而形成中性粒子。擴散速度與電弧內外濃度差、溫度差成正比。電弧直徑愈小，弧區(qū)中帶電粒子濃度愈大；電弧與周圍介質溫差愈大，擴散速度愈大。因此，加速電弧的冷卻是提高擴散作用的有效方法。綜上所述，電弧中存在著游離和消游離兩方面的作用。當游離作用占優(yōu)勢時電弧就會產生和擴大，當消游離作用占優(yōu)勢時，電弧就趨于熄滅。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。那么，我們可以根據(jù)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盡快地熄滅。我們知道電弧的產生會對供電系統(tǒng)的安全運行產生非常不利的影響，因此有必要了解下電弧產生的原因：在實際中，開關觸頭在分斷電流時之所以會有電弧，原因在于觸頭本身及觸頭周圍的介質中含有大量的可被游離的電子。當分斷的觸頭之間存在足夠大的外施電壓的條件下，這些電子就有可能被強烈電離而產生電弧。那么要使電弧熄滅，就必須使觸頭間電弧中的去游離率大于游離率，即其中離子消失的速率大大于離子產生的速率。所以在電氣設備的運行中，常常會采用下列幾種方法滅弧：速拉滅弧法、冷卻滅弧法、吹弧滅弧法、長弧切短滅弧法、狹溝或狹縫滅弧法、真空滅弧法和六氟化硫滅弧法。速拉滅弧法：這是開關電器中普遍采用的最基本的一中滅弧法。迅速拉長電弧，可使弧隙的電場強度驟降，離子的復合迅速增強，從而加速斷乎的熄滅。這種方法是利用開關中裝設的強有力的斷路彈簧，快速分斷觸頭，迅速拉長電弧，最終達到滅弧的目的。冷卻滅弧法：通過降低電弧的溫度，使電弧中的高溫游離減弱，正負離子的復合增強，使電弧加速熄滅。這種方法在開關電器中也應用普遍，也是一種基本的滅弧方法。以上兩種滅弧法都是利用空氣的流動降溫滅弧的，低壓小功率電器開關基本上都是空氣自然冷卻滅弧。如一般接觸器、轉換開關等。吹弧滅弧法：利用外力（如氣流、油流或電磁力）來吹動電弧，使電弧加速冷卻，同時拉長電弧，降低電弧中的電場強度，使離子的復合和擴散增強，從而加速電弧的熄滅。這種滅弧方法的滅弧能力不是很強，滅弧速度也不快，一般是用于中低電壓的電路開關中。長弧切短滅弧法：由于電弧的電壓降主要降落在陰極和陽極上，其中陰極電壓降又比陽極電壓降大得多，而電弧的中間部分（弧柱）的電壓降是很小的。因此如果利用金屬片將長弧切割成若干倍。當外施電壓小于電弧上的電壓降時，則電弧不能維持而迅速熄滅。利用鐵磁將觸頭間電弧快速吸入鋼滅弧柵。同時鋼片對電弧還有一定的冷卻降溫作用。粗弧分細滅弧法：將粗大的電弧分成若干平行的細小電弧，使電弧與周圍介質的接觸面增大，改善電弧的散熱條件，降低電弧的溫度，從而加速電弧中離子的復合和擴散都得到加強，使電弧加速熄滅。狹溝滅弧法：利用電動力吹弧使電弧進入絕緣柵片內，使電弧在固體介質所形成的狹溝中燃燒，改善了電弧的冷卻條件，同時由于電弧與介質表面接觸使帶電質點復合大大增強，從而加速電弧的熄滅。比如有的熔斷器熔管內充填石英砂，在熔斷器中充填石英砂，其目的是為了增強熔斷器的滅弧能力。石英砂具有較高的導熱性和絕緣性能，并且與電弧有很大的接觸面積，便于吸收電弧能量，因此能使電弧迅速冷卻。使熔絲在石英砂中熔斷。真空滅弧法：因為真空具有較高的絕緣強度。如果將開關觸頭裝在真空容器內，則在觸頭分斷時其間產生的電弧一般較小，且在電流第一次過零時就能熄滅電弧。比如在真空斷路器分斷瞬間，由于兩觸頭間的電容存在，使觸頭間絕緣擊穿，產生真空電弧。由于觸頭形狀和結構的原因，使得真空電弧柱迅速向弧柱體外的真空區(qū)域擴散。當被分斷的電流接近零時，觸頭間電弧的溫度和壓力急劇下降，使電弧不能繼續(xù)維持而熄滅。電弧熄滅后的幾US內，兩觸頭間的真空間隙耐壓水平迅速恢復。同時，觸頭間也達到了一定距離，能承受很高的恢復電壓。所以，一般電流在過零后，不會發(fā)生電弧重燃而被分斷。這就是其滅弧的原理。六氟化硫滅弧法：由于六氟化硫（SF6）具有優(yōu)良的絕緣性能和滅弧性能，其絕緣強度約為空氣的三倍，其絕緣強度恢復的速度約比空氣快一百倍，因此采用六氟化硫來滅弧可以大大提高開關的斷流容量和縮短滅弧時間。原理是：當短路開始，電信號反饋到脫扣器，使開關分閘。在分閘的瞬間，動觸頭和靜觸頭之間就產生了電弧。動觸頭繼續(xù)向下運動，電弧很快轉移到引弧電極上。此時，繞在圓筒電極外而串聯(lián)在靜觸頭與圓筒電極之間的磁吹線圈通過短路電流