開關電器中的滅弧原理

開關電器中的滅弧原理第一頁，共二十二頁，2022年，8月28日3．電弧是一種自持放電現(xiàn)象，即電弧一旦形成，維持電弧穩(wěn)定燃燒所需的電壓很低。如，大氣中1cm長的直流電弧的弧柱電壓只有15－30V，在變壓器油中也不過100－200V。4．電弧是一束游離氣體，質(zhì)量很輕，容易變形，在外力作用下（如氣體、液體的流動或電動力作用）會迅速移動、伸長或彎曲，對敞露在大氣中的電弧尤為明顯。如，在大氣中開斷交流110kV、5A的電流時，電弧長度超過7m。電弧移動速度可達每秒幾十米至幾百米。第二頁，共二十二頁，2022年，8月28日二、電弧的產(chǎn)生與維持1．強電場發(fā)射開關電器的觸頭分離時，動靜觸頭間的壓力不斷下降，接觸面積減小，因而接觸電阻增大，溫度劇升。另一方面，觸頭開始分離時，觸頭間距很小，即使電壓很低，只有幾百伏甚至幾十伏，但是電場強度卻很大。由于上述原因，陰極表面可能向外發(fā)射電子，這種現(xiàn)象稱為強電場發(fā)射。第三頁，共二十二頁，2022年，8月28日2．熱電子發(fā)射

觸頭是由金屬材料制成的，在常溫下，金屬內(nèi)部就存在大量的自由電子，當開關開斷電路時，在觸頭分離的瞬間，由于大電流被切斷，在陰極上出現(xiàn)強烈的熾熱點，從而有電子從陰極表面向四周發(fā)射，這種現(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射。發(fā)射電子的多少與陰極材料及表面溫度有關。第四頁，共二十二頁，2022年，8月28日3．碰撞游離從陰極表面發(fā)射出來的電子，在電場力的作用下向陽極作加速運動。并不斷與中性質(zhì)點碰撞，如果電場足夠強，電子所受的力足夠大，且兩次碰撞間的自由行程足夠大，電子積累的能量足夠多，則發(fā)生碰撞時就可能使中性質(zhì)點發(fā)生游離，產(chǎn)生新的自由電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為碰撞游離。新產(chǎn)生的自由電子在電場中作加速運動又可能與中性質(zhì)點發(fā)生碰撞而產(chǎn)生碰撞游離。結(jié)果使觸頭間充滿大量自由電子和正離子。使觸頭間電阻很小，在外加電壓作用下，帶電粒子作定向運動形成電流，使介質(zhì)擊穿而形成電弧。第五頁，共二十二頁，2022年，8月28日4．熱游離處于高溫下的中性質(zhì)點由于高溫而產(chǎn)生強烈的熱運動。相互碰撞的結(jié)果而發(fā)生的游離稱為熱游離。作用：維持電弧的燃燒。一般氣體發(fā)生熱游離的溫度為9000～10000℃，而金屬蒸汽約為4000～5000℃。因為電弧中總有一些金屬蒸汽，而弧柱溫度在5000℃以上，所以，熱游離足以維持電弧的燃燒。第六頁，共二十二頁，2022年，8月28日三、電弧的去游離

去游離：在電弧中，介質(zhì)因游離而產(chǎn)生大量帶電粒子的同時，還會發(fā)生帶電粒子消失的相反過程，稱為去游離。1.復合：異號帶電粒子相互吸引而中和成中性質(zhì)點的現(xiàn)象。

在電弧中，電子的運動速度遠大于正離子，所以電子與正離子直接復合的可能性很小，復合是借助于中性質(zhì)點進行的，即電子在運動過程中，先附著在中性質(zhì)點上，形成負離子，然后質(zhì)量和運動速度大致相等的正、負離子復合成中性質(zhì)點。既然復合過程只有在離子運動的相對速度不大時才有可能，若利用液體或氣體吹弧，或?qū)㈦娀D入絕緣冷壁做成的狹縫中，都能迅速冷卻電弧，減小離子的運動速度，加強復合過程，此外增加氣體壓力，使氣體密度增加，也是加強復合過程的措施。第七頁，共二十二頁，2022年，8月28日2．擴散：弧柱內(nèi)帶電粒子逸出弧柱以外進入周圍介質(zhì)的一種現(xiàn)象。擴散是由于帶電粒子不規(guī)則的運行，以及電弧內(nèi)帶電粒子的密度大于電弧外，電弧中的溫度遠高于周圍介質(zhì)的溫度造成的。電弧和周圍介質(zhì)溫差愈大，以及帶電粒子密度差越大，擴散作用愈強。在高壓斷路器中，常采用氣體吹弧，帶走大量帶電粒子，以加強擴散作用，擴散出來的正負離子，因冷卻而加強復合，成為中性質(zhì)點。若游離作用大于去游離作用，則電弧電流增大，電弧愈加強烈燃燒；若游離作用等于去游離作用，則電弧電流不變，電弧穩(wěn)定燃燒；若游離作用小于去游離作用，則電弧電流減小，電弧最終熄滅。所以，要熄滅電弧，必須采取措施加強去游離作用而削弱游離作用。第八頁，共二十二頁，2022年，8月28日四、電弧特性1．電弧電壓沿弧長的分布

電弧形成后，電弧電壓沿弧長的分布可分為三個部分。如圖4－1所示，電弧電壓降由陰極電壓降U1、弧柱電壓降U2、陽極電壓降U3三部分組成，即電弧電壓Uh＝U1＋U2＋U3。陰極區(qū)+－弧柱區(qū)陽極區(qū)LUUh0U1U2U3圖4－1電弧電壓沿弧長分布第九頁，共二十二頁，2022年，8月28日2．電弧按照電壓分布的分類

（1）長?。弘姌O間距離長，陰極和陽極電壓降可以忽略不計。（2）短?。弘姌O間距離短，弧柱電壓忽略不計。3．電弧的伏安特性（1）直流電弧的伏安特性曲線1是在電流變化很慢，曲線上每一點的游離與去游離都達到平衡，電弧處于穩(wěn)定燃燒的狀態(tài)，故稱為靜態(tài)特性。曲線2為電流很快從a點增加的曲線。曲線3為電流很快從b點減小的曲線。iua2130b直流電弧的伏安特性第十頁，共二十二頁，2022年，8月28日（2）交流電弧的伏安特性

在交流電路中，電流的瞬時值不斷地隨時間變化，因此電弧的特性應是動態(tài)特性，并且交流電流每半個周期經(jīng)過一次零值。電流過零值時，電弧自動熄滅。如果電弧是穩(wěn)定燃燒的，則電弧電流過零熄滅后，在另半周又會重新燃燒。ui0ABC交流電弧的伏安特性第十一頁，共二十二頁，2022年，8月28日五、直流電弧的熄滅方法

1.增大回路電阻2.將長電弧分割為多個短電弧3.增大電弧長度4.使電弧與耐弧度絕緣材料緊密接觸第十二頁，共二十二頁，2022年，8月28日六、交流電弧的熄滅條件1．弧隙介質(zhì)強度的恢復過程2．弧隙電壓的恢復過程3．交流電弧的熄滅條件

ud(t)>ur(t)（一）弧隙介質(zhì)強度的恢復1．弧隙介質(zhì)強度的恢復過程在電弧電流過零之前，弧隙中的空間充滿了電子和正離子。當電弧電流流過零熄滅后，電極極性發(fā)生改變，弧隙中的電子迅速奔向新陽極，比電子質(zhì)量大一千多倍的正離子，相對電子而言則基本未動，所以在新陰極附近形成正空間電荷。2．電流過零后電荷和電壓沿短弧隙的分布情況。如圖所示，電壓主要降落在陰極附近的薄層空間。此薄層空間的耐壓約為150～250V的介質(zhì)強度。近陰極效應：陰極附近電介質(zhì)強度出現(xiàn)突然升高的現(xiàn)象。第十三頁，共二十二頁，2022年，8月28日（二）、弧隙電壓的恢復弧隙電壓的恢復過程，即恢復電壓的變化過程，與電路參數(shù)、負荷性質(zhì)有關。0（b）（a）＋－ux第十四頁，共二十二頁，2022年，8月28日熄滅交流電弧的基本方法1．采用滅弧能力強的滅弧介質(zhì)2．利用氣體或油吹弧3．采用特殊的金屬材料作滅弧介質(zhì)4．采用多斷口熄弧5．提高斷路器觸頭的分離速度6．低壓開關的滅弧方法

（1）利用金屬滅弧柵滅?。?）利用固體介質(zhì)狹縫滅弧第十五頁，共二十二頁，2022年，8月28日（1）變壓器油:變壓器油在電弧高溫的作用下，分解出大量氫氣和油蒸汽，氫氣的絕緣和滅弧能力是空氣的7.5倍。（2）壓縮空氣：壓力：2MPa，分子密度大，質(zhì)點的自由行程小，不易發(fā)生游離。（3）SF6氣體：良好的負電性氣體，氟原子吸附電子能力很強，能迅速捕捉自由電子形成負離子，對復合有利。

（4）真空：真空氣體壓力低于133.3×10－4Pa，氣體稀薄，弧隙中的自由電子和中性質(zhì)點都很少，碰撞游離的可能性大大減少，而且弧柱內(nèi)與弧柱外帶電粒子的濃度差和溫差都很大，有利于擴散。其絕緣能力比變壓器油、1個大氣壓下的SF6

、空氣都大。返回第十六頁，共二十二頁，2022年，8月28日返回第十七頁，共二十二頁，2022年，8月28日

常有的觸頭材料有銅、鎢合金和銀、鎢合金等，在電弧高溫作用下不易熔化和蒸發(fā)，有較高的抗電弧、抗熔焊能力，可以減少熱電子發(fā)射和金屬蒸汽，抑制游離的作用。返回第十八頁，共二十二頁，2022年，8月28日采用多斷口串聯(lián)，可把電弧分割成多段，在相同的觸頭行程下電弧拉長速度和長度比單斷口大，從而弧隙電阻增大，同時加在每個斷口上的電壓降低，使弧隙恢復電壓降低，因而有利于滅弧。返回第十九頁，共二十二頁，2022年，8月28日加快斷路器的觸頭分離速度可以迅速拉長電弧，使弧隙的電場強度驟降，同時使電弧的表面積突然增大，有利于電弧的冷卻及帶電質(zhì)點的擴散和復合，從而加速電弧的熄滅。返回第二十頁，共二十二頁，2022年，8月28日

滅弧柵由許多帶缺口的鋼片制成，當斷開電路時，動、靜觸頭間產(chǎn)生電弧，磁通對電弧產(chǎn)生一個向上的電磁力，將電弧拉入滅弧柵片，從而將電弧分割成一串短電弧。根據(jù)近陰極效應，當電流過零時，每個短電弧的陰極都會出現(xiàn)150～250V的介質(zhì)強度，如果其總和超過觸頭間的電壓，則電弧熄滅。返回第二十一頁，共二十