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1、电弧及其与电路的相互作用第1页，本讲稿共49页第一节第一节 概概 述述一、开关电弧一、开关电弧 当开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头刚刚分离当开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头刚刚分离后，触头之间就会产生强烈的白光，称为后，触头之间就会产生强烈的白光，称为电弧电弧。二、电弧产生的条件二、电弧产生的条件 在大气中开断电路时，只要电压超过在大气中开断电路时，只要电压超过12-20V,被开断被开断的电流超过的电流超过0.25-1A，在触头间隙，在触头间隙(也称弧隙也称弧隙)中就中就会产生电弧。会产生电弧。三、电弧的本质三、电弧的本质 电弧的实质是一种电弧的实质是一种气体放
2、电气体放电现象。也是一种现象。也是一种导导体体。第2页，本讲稿共49页v电弧是强功率的放电现象电弧是强功率的放电现象：在开断几十千安短路电流时，以焦耳热：在开断几十千安短路电流时，以焦耳热形式发出的功率可达形式发出的功率可达10,000kW。电弧可具有上万摄氏度或更高的温。电弧可具有上万摄氏度或更高的温度及强辐射，在电弧区的任何固体、液体或气体在电弧作用下都会度及强辐射，在电弧区的任何固体、液体或气体在电弧作用下都会产生强烈的物理及化学变化。在有的开关中，电弧燃烧时间比正常产生强烈的物理及化学变化。在有的开关中，电弧燃烧时间比正常情况只多一二十毫秒，开关就会出现严重烧损甚至爆炸。情况只多一二十
3、毫秒，开关就会出现严重烧损甚至爆炸。v电弧是一种自持放电现象电弧是一种自持放电现象：不用很高的电压就能维持相当长：不用很高的电压就能维持相当长的电弧稳定燃烧而不熄灭。如在大气中，每厘米长电弧的的电弧稳定燃烧而不熄灭。如在大气中，每厘米长电弧的维持电压只有维持电压只有15V左右。在大气中，在左右。在大气中，在100kV电压下开断仅电压下开断仅5A的电流时，电弧长度可达的电流时，电弧长度可达7m。电流更大时，可达。电流更大时，可达30m。因此，单纯采用拉长电弧来熄灭电弧的方法是不可取的。因此，单纯采用拉长电弧来熄灭电弧的方法是不可取的。四、电弧的外部特征四、电弧的外部特征第3页，本讲稿共49页v电
4、弧是等离子体，质量极轻、极容易改变形状电弧是等离子体，质量极轻、极容易改变形状：电弧区内气体：电弧区内气体的流动，包括自然对流以及外界甚至电弧电流本身产生的的流动，包括自然对流以及外界甚至电弧电流本身产生的磁场都会使电弧受力，改变形状，有的时候运动速度可达磁场都会使电弧受力，改变形状，有的时候运动速度可达每秒几百米。设计人员可以利用这一特点来快速熄弧并预每秒几百米。设计人员可以利用这一特点来快速熄弧并预防电弧的不利影响及破坏作用。防电弧的不利影响及破坏作用。第4页，本讲稿共49页v利用电弧的利用电弧的高温高温：金属焊接、熔炼；：金属焊接、熔炼；v利用电弧的利用电弧的强光强光：强光源；：强光源；
5、v电力开关中的电力开关中的负面作用负面作用：电弧的存在延长了开关电器开断故：电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害；电弧产障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害；电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险；由于电弧在充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险；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，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。或引起事故的扩大。v电力开关中的电力开关中的正面作用正面作用：充分利用电
6、弧等离子体的温度控制，实现：充分利用电弧等离子体的温度控制，实现导体到绝缘体的转换。导体到绝缘体的转换。五、电弧的作用五、电弧的作用第5页，本讲稿共49页第二节第二节 电弧的产生和描述电弧的产生和描述一、弧光放电及其特点一、弧光放电及其特点逐渐增大间隙电压，就会发生逐渐增大间隙电压，就会发生放电放电现象。现象。第6页，本讲稿共49页v开始阶段开始阶段：只有很微小的电流流过间隙和电路，这是由于外界电离：只有很微小的电流流过间隙和电路，这是由于外界电离因素的作用，间隙中存在少量的带电粒子，因此，电流随着电压的因素的作用，间隙中存在少量的带电粒子，因此，电流随着电压的升高而有所增加。升高而有所增加。
7、v绝缘阶段绝缘阶段(b点之前点之前)：电流基本保持不变。外界电离作用所产生的带电：电流基本保持不变。外界电离作用所产生的带电粒子基本一定，电流是恒定值，其电流密度仅粒子基本一定，电流是恒定值，其电流密度仅10-19A/cm2数量级，可数量级，可认为间隙是绝缘的。认为间隙是绝缘的。v非自持放电阶段（非自持放电阶段（bc）：在外界电离因素和较高电场作用下，间隙中：在外界电离因素和较高电场作用下，间隙中的碰撞游离和阴极表面的电子发射使自由电子增加，电流随着电压升的碰撞游离和阴极表面的电子发射使自由电子增加，电流随着电压升高而较快地增大。若除去外界电离因素，则放电会停止，这种在外界高而较快地增大。若除
8、去外界电离因素，则放电会停止，这种在外界电离因素作用下的放电现象称为非自持性放电。电离因素作用下的放电现象称为非自持性放电。第7页，本讲稿共49页v自持放电阶段（自持放电阶段（c之后）之后）：间隙中出现了一种新的放电现象，电流迅速增间隙中出现了一种新的放电现象，电流迅速增加到较大的数值，气体开始发光并伴随有声响。即使除去外界电离因素的加到较大的数值，气体开始发光并伴随有声响。即使除去外界电离因素的作用，间隙在电场的作用下也可以持续放电。作用，间隙在电场的作用下也可以持续放电。v若电场比较均匀，则到达若电场比较均匀，则到达c点后间隙将被击穿，此时的电压就称点后间隙将被击穿，此时的电压就称为间隙的
9、为间隙的击穿电压击穿电压，当电源功率足够大时，击穿将直接发展成为，当电源功率足够大时，击穿将直接发展成为弧光放电弧光放电;（能量集中，电流密度大，高温，强光）（能量集中，电流密度大，高温，强光）v在电场比较均匀而气体压力较低时，气体间隙击穿后将首先出在电场比较均匀而气体压力较低时，气体间隙击穿后将首先出现现辉光放电辉光放电，然后随着电流的增大逐步过渡到弧光放电，然后随着电流的增大逐步过渡到弧光放电;v在极不均匀电场中，当气体压力较高且回路电阻较大时，先在电极表面电在极不均匀电场中，当气体压力较高且回路电阻较大时，先在电极表面电场较集中的区域出现场较集中的区域出现电晕放电电晕放电，当电极间电压增
10、大到一定值后，可通，当电极间电压增大到一定值后，可通过火花放电过渡到弧光放电。过火花放电过渡到弧光放电。第8页，本讲稿共49页v电弧通常可以分为三个区域电弧通常可以分为三个区域:阴极区、弧阴极区、弧柱区和阳极区柱区和阳极区二、电弧的组成部分二、电弧的组成部分v通常阴极区的电位降为通常阴极区的电位降为l0V20V，并与触，并与触头材料等有关。阴极区的长度很小，如在头材料等有关。阴极区的长度很小，如在大气中只有大气中只有10-4cm左右，因此电位梯度很大。左右，因此电位梯度很大。v阳极区的位降与阴极区的位降相近，长度稍长。阳极区的位降与阴极区的位降相近，长度稍长。v弧柱长度大，电位梯度一般不过几十
11、伏上下，弧柱长度大，电位梯度一般不过几十伏上下，最高几百伏，较阴极电位梯度小得多。最高几百伏，较阴极电位梯度小得多。第9页，本讲稿共49页v从电弧半径方向看，电弧中心温度最高从电弧半径方向看，电弧中心温度最高.弧柱周围发光较暗的弧柱周围发光较暗的区域称为区域称为弧焰弧焰，其中电流密度很小。，其中电流密度很小。第10页，本讲稿共49页v电弧中的电流从微观上看是电子及正离子在电场作用下移动的结果，电弧中的电流从微观上看是电子及正离子在电场作用下移动的结果，其中电子的移动构成电流的主要部分。其中电子的移动构成电流的主要部分。阴极的作用是发射大量电子阴极的作用是发射大量电子，在，在电场的作用下趋向阳极
12、方向从而构成电场的作用下趋向阳极方向从而构成阴极区阴极区的电流。的电流。v阴极表面电子发射只形成阴极区的电流，弧柱部分导电需要在弧柱区阴极表面电子发射只形成阴极区的电流，弧柱部分导电需要在弧柱区域也能出现大量自由电子，这就需要使弧柱区的气体原子游离。气体域也能出现大量自由电子，这就需要使弧柱区的气体原子游离。气体原子游离的方式通常有原子游离的方式通常有碰撞游离碰撞游离和和热游离热游离两种。两种。v碰撞游离碰撞游离：从阴极表面发射出的电子在：从阴极表面发射出的电子在电场力电场力的作用下高速向阳极运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。当动，在运动过程中不断地
13、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，超过原子高速运动的电子积聚足够大的动能，超过原子游离能游离能Ai时，就会从中时，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游离(电场游离电场游离)。三、电弧弧柱的游离过程三、电弧弧柱的游离过程+v第11页，本讲稿共49页v游离能游离能Ai通常用通常用游离电位游离电位Ui表示。各种气体的游离电位：表示。各种气体的游离电位：种类种类HeFNHOCWCuAg电位电位/V24.517.514.5513.5413.511.37.987.727.57
14、v可见，金属蒸气比一般气体容易游离。为提高灭弧能力，应减少金属可见，金属蒸气比一般气体容易游离。为提高灭弧能力，应减少金属蒸气量。蒸气量。v在大气间隙中，电位梯度达到在大气间隙中，电位梯度达到30kV/cm时时,就会由于电场游离而导致就会由于电场游离而导致击穿，但在燃烧的电弧中弧柱电位梯度很小，因此在击穿，但在燃烧的电弧中弧柱电位梯度很小，因此在弧柱中电场游离弧柱中电场游离就微乎其微就微乎其微了。了。v热游离热游离：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：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。
15、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。弧柱弧柱导电就是靠热游离来维持的导电就是靠热游离来维持的。第12页，本讲稿共49页v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，产生压力，阴极表面立即出现高温炽热点，产生热电子发射热电子发射；同时，；同时，由于触头的间隙很小，使得电场强度很高，产生由于触头的间隙很小，使得电场强度很高，产生强电场发射强电场发射。从阴。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
16、碰撞游离离，导致触头间隙中带电质点急剧增加，温度骤然升高，产生，导致触头间隙中带电质点急剧增加，温度骤然升高，产生热游离热游离并且成为游离的的主要因素，此时，在外加电压作用下，间隙并且成为游离的的主要因素，此时，在外加电压作用下，间隙被击穿，被击穿，形成电弧形成电弧。第13页，本讲稿共49页v与可逆化学反应相似。在电弧中一方面由于热游离使得正离子与电子与可逆化学反应相似。在电弧中一方面由于热游离使得正离子与电子不断增多，同时也存在去游离的作用，使正离子和电子减少。去游离不断增多，同时也存在去游离的作用，使正离子和电子减少。去游离包括包括复合复合和和扩散扩散两种方式。两种方式。v复合复合：是正、
17、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。由于弧柱中：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。而接近，交换电荷后成为中性质点。当电弧区有金属物时，可以吸引当电弧区有金属物时，可以吸引带电粒子使金
18、属带电，再吸引相反电荷的粒子复合为中性粒子。电弧带电粒子使金属带电，再吸引相反电荷的粒子复合为中性粒子。电弧区有绝缘物时，带电粒子附在上面也可促进复合。区有绝缘物时，带电粒子附在上面也可促进复合。四、弧柱的消游离（去游离）过程四、弧柱的消游离（去游离）过程第14页，本讲稿共49页v扩散扩散：弧柱中的带电粒子，由于热运动从弧柱中浓度较高的：弧柱中的带电粒子，由于热运动从弧柱中浓度较高的区域移动到弧柱周围浓度较低的区域的现象叫做扩散区域移动到弧柱周围浓度较低的区域的现象叫做扩散.扩散扩散的结果，使弧柱中的带电粒子减少，因此对弧柱而言是一种的结果，使弧柱中的带电粒子减少，因此对弧柱而言是一种去游离。
19、去游离。v在断路器中采用高速气体在断路器中采用高速气体吹弧吹弧，带走电弧中的大量带电质点，带走电弧中的大量带电质点，以加强扩散作用以加强扩散作用第15页，本讲稿共49页v电弧温度电弧温度：电弧是由热游离维持的，降低电弧温度就可以减弱热游离，减少新的电弧是由热游离维持的，降低电弧温度就可以减弱热游离，减少新的带电质点的的产生。同时，也减小了带电质点的运动速度，加强了复带电质点的的产生。同时，也减小了带电质点的运动速度，加强了复合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动电弧，或使电弧与固体合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动电弧，或使电弧与固体介质表面接触等，都可以降低电弧的温度。介质表面接触等
20、，都可以降低电弧的温度。v介质的特性介质的特性：电弧燃烧时所在介质的特性在很大程度上决定了电弧中去游离的强度，电弧燃烧时所在介质的特性在很大程度上决定了电弧中去游离的强度，这些特性包括：导热系数、热容量、热游离温度、介电强度等。若这这些特性包括：导热系数、热容量、热游离温度、介电强度等。若这些参数值大，则去游离过程就越强，电弧就越容易熄灭。些参数值大，则去游离过程就越强，电弧就越容易熄灭。五、影响去游离的因素五、影响去游离的因素第16页，本讲稿共49页v气体介质的压力气体介质的压力：气体的压力越大气体的压力越大(大于标准大气压大于标准大气压)，电弧中质点的浓度就越大，质点，电弧中质点的浓度就越
21、大，质点间的距离就越小，间的距离就越小，复合复合作用越强，电弧就越容易熄灭作用越强，电弧就越容易熄灭;在高度的真空中，由于发生碰撞的几率减小，抑制了碰撞游离，而在高度的真空中，由于发生碰撞的几率减小，抑制了碰撞游离，而扩扩散散作用却很强。因此，真空是很好的灭弧介质。作用却很强。因此，真空是很好的灭弧介质。v触头材料触头材料：触头材料也影响去游离的过程。当触头采用熔点高、导热能力强和触头材料也影响去游离的过程。当触头采用熔点高、导热能力强和热容量大的耐高温金属时，减少了热电子发射和电弧中的金属蒸汽，热容量大的耐高温金属时，减少了热电子发射和电弧中的金属蒸汽，有利于电弧熄灭。有利于电弧熄灭。v 当
22、当 游离游离去游离去游离电弧电流电弧电流 当游离当游离=去游离去游离电弧电流不变（稳定燃烧）电弧电流不变（稳定燃烧）当游离当游离去游离去游离电弧电流电弧电流（熄灭）（熄灭）第17页，本讲稿共49页第三节第三节 直流电弧直流电弧一、直流电弧的伏安特性一、直流电弧的伏安特性在直流电路中产生的电弧称为在直流电路中产生的电弧称为直流电弧直流电弧。表示直流电弧两端的电弧电压表示直流电弧两端的电弧电压Uh与流过它的与流过它的电弧电流电弧电流Ih 的关系。伏安特性曲线一般可由实的关系。伏安特性曲线一般可由实验法求得。验法求得。直流电弧在一定长度下稳定燃烧时所直流电弧在一定长度下稳定燃烧时所测得的伏安特性称为
23、测得的伏安特性称为静态伏安待性静态伏安待性。1 1、静态伏安特性、静态伏安特性第18页，本讲稿共49页状态均匀的稳定电弧：状态均匀的稳定电弧：截面积截面积电导率电导率小电流范围：小电流范围：Eh随随i增加而下降增加而下降大电流范围：大电流范围：Eh近似常数近似常数弧长弧长第19页，本讲稿共49页v直流电弧的工作点直流电弧的工作点二、直流电弧的燃烧与熄灭二、直流电弧的燃烧与熄灭t BA燃弧电压燃弧电压 B熄弧电压熄弧电压直径直径第26页，本讲稿共49页由两条曲线组成，一条曲线是电流增加时的特性，另一条属于电流减小由两条曲线组成，一条曲线是电流增加时的特性，另一条属于电流减小时的特性。后一条曲线低
24、于前一条，这是由于电极和弧柱气体的时的特性。后一条曲线低于前一条，这是由于电极和弧柱气体的热惯性热惯性所致。交流电弧的伏安特性与电流的数值、电弧冷却的程度、电极的材料、气所致。交流电弧的伏安特性与电流的数值、电弧冷却的程度、电极的材料、气体的成分、电弧的长度以及电流的频率等因素有关。体的成分、电弧的长度以及电流的频率等因素有关。动态伏安特性曲线动态伏安特性曲线：交流电弧的电流变化速度很快，不可能建立稳定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，其伏安特性为动态特性。平衡状态，因此，其伏安特性为动态特性。第27页，本讲稿共49页 冷却对电弧的影响第28页，本讲稿共49页交流电弧熄
25、灭过程主要有以下三种交流电弧熄灭过程主要有以下三种:二、交流电弧的熄灭二、交流电弧的熄灭1)1)强迫熄弧强迫熄弧p在这种情况下，电弧电压在这种情况下，电弧电压Uh很高，电源电压不能维持，电弧电很高，电源电压不能维持，电弧电流很快被减小到零而熄灭，这种灭弧过程与直流电弧熄灭情流很快被减小到零而熄灭，这种灭弧过程与直流电弧熄灭情况相同。况相同。p填充石英砂的熔断器在开断交流短路电流时，就会出现这种强填充石英砂的熔断器在开断交流短路电流时，就会出现这种强迫熄弧现象。这种熔断器熔丝很长，如迫熄弧现象。这种熔断器熔丝很长，如10kV10kV石英砂熔断器的熔石英砂熔断器的熔丝长度近丝长度近lmlm。石英砂
26、有很强的散热能力，熔丝又很细，因此电。石英砂有很强的散热能力，熔丝又很细，因此电弧电压较高，电弧电流不能维持而急剧减小导致熄弧。与直流弧电压较高，电弧电流不能维持而急剧减小导致熄弧。与直流熄弧情况相同，在电感元件上将出现过电压。熄弧情况相同，在电感元件上将出现过电压。第29页，本讲稿共49页2)2)截流开断截流开断p在一定条件下，电弧特别是在一定条件下，电弧特别是小电流小电流的电弧还可能由于出现不的电弧还可能由于出现不稳定现象而导致熄灭。稳定现象而导致熄灭。p出现这种熄弧的基本原因是出现这种熄弧的基本原因是:包含电弧在内的电路，在一定条件下是动包含电弧在内的电路，在一定条件下是动态不稳定系统，
27、在外界的干扰下，电弧燃烧不稳定，出现了自激的高态不稳定系统，在外界的干扰下，电弧燃烧不稳定，出现了自激的高频振荡，最后电弧电流降到零导致熄弧。频振荡，最后电弧电流降到零导致熄弧。p熄弧过程中电流的变化：熄弧过程中电流的变化：p通常，电弧中振荡的频率很高，可达几百千赫，在频率响应通常，电弧中振荡的频率很高，可达几百千赫，在频率响应较差的示波器显示的示波图中，电流的波形如右图，好像电较差的示波器显示的示波图中，电流的波形如右图，好像电流被突然截断一般，故这一现象通常称为流被突然截断一般，故这一现象通常称为截流截流现象。截流前电现象。截流前电流值称为截流值。流值称为截流值。p直流电弧也存在截流。直流
28、电弧也存在截流。0.01s第30页，本讲稿共49页3)3)过零熄弧过零熄弧p对频率为对频率为50Hz50Hz的交流电路，电流每秒有的交流电路，电流每秒有100100次零值，因此不管开关熄弧次零值，因此不管开关熄弧能力如何差，电弧电压如何低，电流能力如何差，电弧电压如何低，电流i i都要过零，电弧自然熄灭，至少都要过零，电弧自然熄灭，至少是暂时地熄灭。是暂时地熄灭。-自然过零自然过零p这时对交流电弧来说，不是电弧电流能不能降低到零，而是这时对交流电弧来说，不是电弧电流能不能降低到零，而是电流过零后电弧间隙电流过零后电弧间隙(简称弧隙简称弧隙)是否会重新被击穿而是否会重新被击穿而复燃复燃的的问题。
29、如电流过零后，弧隙未复燃，电弧就最后熄灭问题。如电流过零后，弧隙未复燃，电弧就最后熄灭;反之，如反之，如发生复燃发生复燃,则电弧在电流此次过零时不能熄灭，至少需燃烧至电则电弧在电流此次过零时不能熄灭，至少需燃烧至电弧电流下次过零时再熄灭。弧电流下次过零时再熄灭。p弧隙是否复燃决定于两方面弧隙是否复燃决定于两方面:一是弧隙的一是弧隙的介质强度介质强度，另一是加在，另一是加在弧隙上的电压，通常称为弧隙上的电压，通常称为恢复电压恢复电压。uh第31页，本讲稿共49页 弧隙介质能够承受外加电压作弧隙介质能够承受外加电压作用而不致使弧隙击穿的电压称为用而不致使弧隙击穿的电压称为弧隙的弧隙的介质强度介质强
30、度。当电弧电流。当电弧电流过零时电弧熄灭，而弧隙的介过零时电弧熄灭，而弧隙的介质强度要恢复到正常状态值还质强度要恢复到正常状态值还需一定的时间，此恢复过程称需一定的时间，此恢复过程称之为弧隙之为弧隙介质强度的恢复过程介质强度的恢复过程，以耐受的电压以耐受的电压Uj（t）表示。表示。三、电压恢复过程与介质强度恢复过程三、电压恢复过程与介质强度恢复过程1)1)介质强度恢复过程介质强度恢复过程第32页，本讲稿共49页p电流过流前，弧隙电压呈马鞍形变化，电压值很低，电源电压电流过流前，弧隙电压呈马鞍形变化，电压值很低，电源电压的绝大部分降落在线路和负载阻抗上。电流过零时，弧隙电压的绝大部分降落在线路和
31、负载阻抗上。电流过零时，弧隙电压正处于马鞍形的后峰值处。电流过零后，弧隙电压从后峰值逐正处于马鞍形的后峰值处。电流过零后，弧隙电压从后峰值逐渐增长，一直恢复到电源电压，这一过程中的弧隙电压称为渐增长，一直恢复到电源电压，这一过程中的弧隙电压称为恢恢复电压复电压，其电压恢复过程以，其电压恢复过程以Uhf（t）表示。表示。p电压恢复过程与线路参数、负荷性质等有关。受线路参数等因电压恢复过程与线路参数、负荷性质等有关。受线路参数等因素的影响，电压恢复过程可能是周期性的变化过程，也可能是素的影响，电压恢复过程可能是周期性的变化过程，也可能是非周期性的变化过程。非周期性的变化过程。2)2)电压恢复过程电
32、压恢复过程(c)电感电路电感电路(a)电阻电路电阻电路(b)电容电路电容电路第33页，本讲稿共49页如果弧隙介质强度在任何情况下如果弧隙介质强度在任何情况下都高于弧隙恢复电压，则电弧熄都高于弧隙恢复电压，则电弧熄灭；反之，如果弧隙恢复电压高灭；反之，如果弧隙恢复电压高于弧隙介质强度，弧隙就被击穿，于弧隙介质强度，弧隙就被击穿，电弧重燃。因此，电弧重燃。因此，交流电弧的熄交流电弧的熄灭条件为灭条件为：Uj（t）Uhf（t）Uj（t）弧隙介质强度；弧隙介质强度；Uhf（t）弧隙恢复电压。弧隙恢复电压。3)3)熄弧条件熄弧条件第34页，本讲稿共49页一、提高触头的一、提高触头的分闸速度分闸速度二、采
33、用二、采用多断口多断口三、吹弧三、吹弧 吹弧气流产生吹弧气流产生的方法的方法 吹弧的方向吹弧的方向四、短弧原理灭弧四、短弧原理灭弧五、利用固体介质的五、利用固体介质的狭缝狭沟灭弧狭缝狭沟灭弧六、采用耐高温六、采用耐高温金属材料制作触头金属材料制作触头七、七、采用优质灭弧介质采用优质灭弧介质第五节第五节 熄灭电弧的措施熄灭电弧的措施第35页，本讲稿共49页 提高触头的提高触头的分闸速度分闸速度 熄灭交流电弧的关键在于电弧电流过零后，弧隙的介质强熄灭交流电弧的关键在于电弧电流过零后，弧隙的介质强度的恢复过程能否始终大于弧隙电压的恢复过程。度的恢复过程能否始终大于弧隙电压的恢复过程。迅速拉长电弧，有
34、利于迅速减小弧柱中的电位梯度，增加迅速拉长电弧，有利于迅速减小弧柱中的电位梯度，增加电弧与周围介质的接触面积，加强冷却和扩散作用，使介质快速电弧与周围介质的接触面积，加强冷却和扩散作用，使介质快速恢复。因此，现代高压开关中都采取了迅速拉长电弧的措施灭弧，恢复。因此，现代高压开关中都采取了迅速拉长电弧的措施灭弧，如采用强力分闸弹簧，其分闸速度已达如采用强力分闸弹簧，其分闸速度已达16m/s以上。以上。第36页，本讲稿共49页 采用多断口采用多断口 每一相有两个或多个断口相串联。在熄弧时，多断口把电每一相有两个或多个断口相串联。在熄弧时，多断口把电弧分割成多个相串联的小电弧段。多断口使电弧的总长度
35、加弧分割成多个相串联的小电弧段。多断口使电弧的总长度加长，导致弧隙的电阻增加；在触头行程、分闸速度相同的情况长，导致弧隙的电阻增加；在触头行程、分闸速度相同的情况下，电弧被拉长的速度成倍增加，使弧隙电阻加速增大，提高下，电弧被拉长的速度成倍增加，使弧隙电阻加速增大，提高了介质强度的恢复速度，缩短了灭弧时间。了介质强度的恢复速度，缩短了灭弧时间。采用多断口时，加在每一断口上的电压成倍减少，降低了采用多断口时，加在每一断口上的电压成倍减少，降低了弧隙的恢复电压，亦有利于熄灭电弧。在要求将电弧拉到同样弧隙的恢复电压，亦有利于熄灭电弧。在要求将电弧拉到同样的长度时，采用多断口结构成倍减小了触头行程，也
36、就减小了的长度时，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。如开关电器的尺寸。如图图图图所示：所示：第37页，本讲稿共49页 采用多断口采用多断口第38页，本讲稿共49页 吹弧吹弧 吹弧气流产生法吹弧气流产生法.（1）用新鲜而且低温的介质吹拂电弧时，可以将带电质点吹到弧隙以外，加用新鲜而且低温的介质吹拂电弧时，可以将带电质点吹到弧隙以外，加强了扩散，由于电弧被拉长变细，使弧隙的电导下降。吹弧还使电弧的温度强了扩散，由于电弧被拉长变细，使弧隙的电导下降。吹弧还使电弧的温度下降，热游离减弱，复合加快。按吹弧气流的产生方法和吹弧方向的不同，下降，热游离减弱，复合加快。按吹弧气流的产
37、生方法和吹弧方向的不同，吹弧可分为以下几种。吹弧可分为以下几种。1.吹弧气流产生的方法有：吹弧气流产生的方法有：（1）用油气吹弧）用油气吹弧 用油气作吹弧介质的断路器称为油断路器。在这种断路器用油气作吹弧介质的断路器称为油断路器。在这种断路器中，有用专用材料制成的灭弧室，其中充满了绝缘油。当断路器触头中，有用专用材料制成的灭弧室，其中充满了绝缘油。当断路器触头分离产生电弧后，电弧的高温使一部分绝缘油迅速分解为氢气、乙炔、分离产生电弧后，电弧的高温使一部分绝缘油迅速分解为氢气、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳等气体，其中氢的灭弧能力是空气的甲烷、乙烷、二氧化碳等气体，其中氢的灭弧能力是空气的7.5倍。
38、这倍。这些油气体在灭弧室中积蓄能量，一旦打开吹口，即形成高压气流吹弧。些油气体在灭弧室中积蓄能量，一旦打开吹口，即形成高压气流吹弧。第39页，本讲稿共49页 吹弧吹弧 吹弧气流产生法吹弧气流产生法.（2）（2）用压缩空气或六氟化硫气体吹弧）用压缩空气或六氟化硫气体吹弧 将将20个左右大气压的压缩空气或个左右大气压的压缩空气或5个大气压左右的六氟化硫气体个大气压左右的六氟化硫气体（SF6）先储存在专门的储气罐中，断路器分闸时产生电弧，随后打）先储存在专门的储气罐中，断路器分闸时产生电弧，随后打开喷口，用具有一定压力的气体吹弧。开喷口，用具有一定压力的气体吹弧。（3）产气管吹弧）产气管吹弧 产气管
39、由纤维、塑料等有机固体材料制成，电弧燃烧时与管产气管由纤维、塑料等有机固体材料制成，电弧燃烧时与管的内壁紧密接触，在高温作用下，一部分管壁材料迅速分解为氢的内壁紧密接触，在高温作用下，一部分管壁材料迅速分解为氢气、二氧化碳等，这些气体在管内受热膨胀，增高压力，向管的气、二氧化碳等，这些气体在管内受热膨胀，增高压力，向管的端部形成吹弧。端部形成吹弧。第40页，本讲稿共49页 吹弧吹弧 吹弧方向法吹弧方向法（1）2.按吹弧的方向分为：按吹弧的方向分为：（1）纵吹）纵吹 吹弧的介质（气流或油流）沿电弧方向的吹拂称为纵吹，纵吹能增吹弧的介质（气流或油流）沿电弧方向的吹拂称为纵吹，纵吹能增强弧柱中的带电
40、质点向外扩散，使新鲜介质更好地与炽热电弧接触，加强弧柱中的带电质点向外扩散，使新鲜介质更好地与炽热电弧接触，加强电弧的冷却，有利于迅速灭弧。强电弧的冷却，有利于迅速灭弧。（2）横吹）横吹 横吹时气流或油流的方向与触头运动方向是垂直的，或者说与电横吹时气流或油流的方向与触头运动方向是垂直的，或者说与电弧轴线方向垂直。横吹不但能加强冷却和增强扩散，还能将电弧迅弧轴线方向垂直。横吹不但能加强冷却和增强扩散，还能将电弧迅速吹弯吹长。有介质灭弧栅的横吹灭弧室，栅片能更充分地冷却和速吹弯吹长。有介质灭弧栅的横吹灭弧室，栅片能更充分地冷却和吸附电弧，加强去游离。在相同的工作条件下，横吹比纵吹效果要吸附电弧，
41、加强去游离。在相同的工作条件下，横吹比纵吹效果要好。好。第41页，本讲稿共49页 吹弧吹弧 吹弧方向法吹弧方向法（2）第42页，本讲稿共49页 吹弧吹弧 吹弧方向法吹弧方向法（3）（3）纵横吹）纵横吹 横吹灭弧室在开断小电流时因室横吹灭弧室在开断小电流时因室内压力太小，开断性能较差。为了改内压力太小，开断性能较差。为了改善开断小电流时的灭弧性能，可将纵善开断小电流时的灭弧性能，可将纵吹和横吹结合起来。在大电流时主要吹和横吹结合起来。在大电流时主要靠横吹，小电流时主要靠纵吹，这就靠横吹，小电流时主要靠纵吹，这就是纵横吹灭弧室。是纵横吹灭弧室。第43页，本讲稿共49页 短弧原理灭弧短弧原理灭弧 灭
42、弧装置是一个金属栅灭弧罩，利用将电弧分为多个串联的短灭弧装置是一个金属栅灭弧罩，利用将电弧分为多个串联的短弧的方法来灭弧。由于受到电磁力的作用，电弧从金属栅片的缺口处被弧的方法来灭弧。由于受到电磁力的作用，电弧从金属栅片的缺口处被引入金属栅片内，一束长弧就被多个金属片分割成多个引入金属栅片内，一束长弧就被多个金属片分割成多个串联的短弧串联的短弧。如果所有串联短弧阴极区的起始介质强度如果所有串联短弧阴极区的起始介质强度或或阴极区的电压降阴极区的电压降的的总和永远大于触头间的总和永远大于触头间的外施电压，电弧就不再外施电压，电弧就不再重燃而熄灭。采用缺口重燃而熄灭。采用缺口铁质栅片，是为了减少铁质
43、栅片，是为了减少电弧进入栅片的阻力，电弧进入栅片的阻力，缩短燃弧时间。缩短燃弧时间。参见参见P121 图图6-12第44页，本讲稿共49页 利用固体介质的利用固体介质的狭缝狭沟灭弧狭缝狭沟灭弧 灭弧装置的灭弧片是由石棉水泥或陶土制成的。触头间灭弧装置的灭弧片是由石棉水泥或陶土制成的。触头间产生电弧后，在磁吹装置产生的磁场作用下，将电弧吹入由灭产生电弧后，在磁吹装置产生的磁场作用下，将电弧吹入由灭弧片构成的狭缝中，把电弧迅速拉长的同时，使电弧与灭弧片弧片构成的狭缝中，把电弧迅速拉长的同时，使电弧与灭弧片内壁紧密接触，对电弧的表面进行冷却和吸附，产生强烈的去内壁紧密接触，对电弧的表面进行冷却和吸附
44、，产生强烈的去游离。游离。石英砂熔断器中的熔丝熔断时，在石英砂的狭沟中产生石英砂熔断器中的熔丝熔断时，在石英砂的狭沟中产生电弧。由于受到石英砂的冷却和表面吸附作用，使电弧迅速熄电弧。由于受到石英砂的冷却和表面吸附作用，使电弧迅速熄灭。同时，熔丝气化时产生的金属蒸汽渗入石英砂中遇冷而迅灭。同时，熔丝气化时产生的金属蒸汽渗入石英砂中遇冷而迅速凝结，大大减少了弧隙中的金属蒸汽，使得电弧容易熄灭。速凝结，大大减少了弧隙中的金属蒸汽，使得电弧容易熄灭。第45页，本讲稿共49页 利用固体介质的利用固体介质的狭缝狭沟灭弧狭缝狭沟灭弧第46页，本讲稿共49页 用耐高温用耐高温金属材料作触头金属材料作触头、优质
45、灭弧介质优质灭弧介质 触头材料对电弧中的去游离也有一定影响，用熔点高、导触头材料对电弧中的去游离也有一定影响，用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属制作触头，可以减少热电子发热系数和热容量大的耐高温金属制作触头，可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸汽，从而减弱了游离过程，有利于熄灭电射和电弧中的金属蒸汽，从而减弱了游离过程，有利于熄灭电弧。弧。灭弧介质的特性，如导热系数、电强度、热游离温度、热容量等，灭弧介质的特性，如导热系数、电强度、热游离温度、热容量等，对电弧的游离程度具有很大影响，这些参数值越大，去游离作用就越对电弧的游离程度具有很大影响，这些参数值越大，去游离作用就越强。在高压开关中，
46、广泛采用压缩空气、六氟化硫（强。在高压开关中，广泛采用压缩空气、六氟化硫（SF6）气体、真）气体、真空等作为灭弧介质。空等作为灭弧介质。第47页，本讲稿共49页F电弧的本质及外部特征电弧的本质及外部特征 F电弧是如何产生的？影响去游离的因素电弧是如何产生的？影响去游离的因素 F直流电弧的伏安特性直流电弧的伏安特性 F直流电弧的熄灭条件及影响熄弧的因素直流电弧的熄灭条件及影响熄弧的因素F直流电弧的开断参数直流电弧的开断参数 F交流电弧的特性交流电弧的特性 F交流电弧的熄弧方式及熄弧条件交流电弧的熄弧方式及熄弧条件 F熄灭电弧的措施小小 结结第48页，本讲稿共49页4.4.2 交流交流电弧对电路的影响电弧对电路的影响4.5 电弧的黑盒模型电弧的黑盒模型教材中下述内容为选学：教材中下述内容为选学：第49页，本讲稿共49页