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1、其次章开关电器灭弧原理其次章开关电器灭弧原理第七节开关电器中电弧的产生和熄灭第七节开关电器中电弧的产生和熄灭一、电弧现象及电弧特征一、电弧现象及电弧特征1 1电弧现象：在触头开断有电流的电路时，触头间产生猛电弧现象：在触头开断有电流的电路时，触头间产生猛烈而又刺眼的亮光的现象。电弧是介质被击穿的放电现象。烈而又刺眼的亮光的现象。电弧是介质被击穿的放电现象。2 2、其主要特征如下。、其主要特征如下。(1)(1)电弧是一种能量集中、温度很高、亮度很强的放电现象。电弧是一种能量集中、温度很高、亮度很强的放电现象。(2)(2)电弧分析时可看作由阴极区、弧柱区及阳极区电弧分析时可看作由阴极区、弧柱区及阳
2、极区3 3部分组成。部分组成。(3)(3)电弧是一种自持放电现象，即电弧一旦形成，维持电弧电弧是一种自持放电现象，即电弧一旦形成，维持电弧稳定燃烧所需的电压很低。稳定燃烧所需的电压很低。(4)(4)电弧是一束游离气体，很轻，易变形，在外力作用下电弧是一束游离气体，很轻，易变形，在外力作用下(如如气体、液体的流淌或电动力作用气体、液体的流淌或电动力作用)会快速移动、伸长或弯会快速移动、伸长或弯曲曲3、电弧的特点：电弧燃烧期间，电路中的电流仍以电弧的方式维持着。（可看作特殊导电区域或元件）电弧的温度极高，如电弧许久不熄灭，就会烧坏触头和触头旁边的绝缘，如电弧许久不熄，延长断路时间，会危害电力系统的
3、平安运行。结论：切断电路时，必需尽快熄灭电弧。二、电弧的产生与维持1电弧的形成 ：电弧的产生主要是触头间产生大量自由电子的结果。游离：确定条件下，中性质点分为正离子和电子的现象去游离：确定条件下，离子和电子还原为中性质点的现象 阴极放射(场致、热致）电子（起因）电子高速运动碰撞游离（重要因素）击穿（量变到质变）电流大增热效应、光效应热游离（主要因素）维持发展阴极在强电场作用下放射电子：触头分开瞬间，触头间会形成很强的电场强度E(E=Ud)阴极在高温下发生热电子放射：分开过程中：接触电阻触头间温度导体内电子能量碰撞游离：由高速运动的电子作用产生，（如图226所示）使中性质点游离为新的自由电子和正
4、离子，这种游离过程称碰撞游离。接触电阻好大呀！导体真热！热致放射电子的过程示意图热致放射电子的过程示意图好大的场强！导体真热！电子电子EUd糟糕！我要被拉出去了别撞我！好大力呀我被撞游离了！成电子和正离子了热游离使电弧维持和发展定义：介质的分子和原子猛烈的不规则的热运动，当那些具有足够动能的中性质点相互碰撞时，又可游离出自由电子和正离子，这种现象称热游离。电弧维持和发展：在电弧高温下，一方面阴极接着发生热电子放射，另一方面金属触头在高温下熔化蒸发，以致介质中混有金属蒸汽，使弧隙电导增加，并在介质中发生热游离，使电弧维持和发展。热游离足以维持电弧的燃烧。中性中性质点点中性中性质点点中性中性质点点
5、中性中性质点点电子子正离正离子子电子子正离正离子子电子子中性中性质点点正离正离子子 三、电弧中的去游离：复合和扩散 1复合去游离 定义：异号离子或正离子与自由电子相互吸引而中和成中性质点的现象，称复合去游离。复合去游离过程：借助于中性质点进行的，即电子在运动过程中，先附着在中性质点上，形成负离子，然后质量和运动速度大致相等的正、负离子复合成中性质点。加快复合去游离的方法：拉长电弧，使电场强度E下降，电子运动速度减慢，复合的可能性增大；加强电弧冷却，使电子热运动的速度减慢，有利于复合；加大气体介质的压力，可使带电质点的密度增大，自由行程削减，有利于复合。电子子中性中性质点点负离离子子正离正离子子
6、中性中性质点点复合及复合去游离过程示意复合及复合去游离过程示意电子子 2扩散去游离 定义：自由电子与正离子从弧柱逸出而进入四周介质中的现象，称为扩散去游离。扩散去游离有三种形式：浓度差形成扩散：由于弧柱中带电质点的浓度比四周介质高得多，使带电质点向四周介质扩散，扩散速率与电弧直径成反比；温度差形成扩散：由于弧柱的温度比四周介质高得多，使带电质点向四周介质扩散；用高速冷气吹弧增加扩散：吹弧可使电弧拉长，使电弧表面的带电质点浓度增加，并带走弧柱中的带电质点。扩散出去的带电质点，因冷却而复合为中性质点。扩散去游离现象扩散去游离现象3、电电弧的熄弧的熄灭灭：若游离作用大于去游离作用，若游离作用大于去游
7、离作用，则电则电弧弧电电流增大，流增大，电电弧愈加猛烈燃弧愈加猛烈燃烧烧；若游离作用等于去游离作用，若游离作用等于去游离作用，则电则电弧弧电电流不流不变变，电电弧弧稳稳定燃定燃烧烧；若游离作用小于去游离作用，若游离作用小于去游离作用，则电则电弧弧电电流减小，流减小，电电弧最弧最终终熄熄灭灭。电电弧的熄弧的熄灭灭，实实行措施加行措施加强强去游离作用而减弱游去游离作用而减弱游离作用。离作用。四、沟通电弧的特性(1)沟通电弧的伏安特性为动态特性。（电弧的温度、电阻及电弧电压随时间而变更,电弧温度的变更总是一滞后于电流的变更，如图227(a)所示。(2)电弧电压的波形呈马鞍形变更。燃弧电压大于熄弧电压
8、。(3)电流每半周过零一次，电弧会短暂自动熄灭。结论：电流过零时，实行适当措施使弧隙间介质的绝缘实力达到不被弧隙外施电压击穿的程度，则下半周电弧就不会重燃而熄灭，从而断开电路。过零零灭弧点弧点弧隙电阻看作动态的电阻就好理解了五、沟通电弧的熄灭条件五、沟通电弧的熄灭条件弧隙介质强度的增大弧隙介质强度的增大(即弧隙的绝缘实力，或称弧即弧隙的绝缘实力，或称弧隙的耐压强度隙的耐压强度)；udud（t t）加于弧隙的电压加于弧隙的电压(称复原电压称复原电压)的增大。的增大。UrUr（t t）电弧电流过零时，是熄灭电弧的有利时机，但电弧电弧电流过零时，是熄灭电弧的有利时机，但电弧是否能熄灭，取决于上述两方
9、面竞争的结果。是否能熄灭，取决于上述两方面竞争的结果。udud（t t）Ur Ur（t t）1弧隙介质强度复原过程 电弧电流过零时，弧隙介质的绝缘实力由起始介质强度渐渐增加的过程，称为弧隙介质强度复原过程，用ud(t)表示。(1)近阴极效应：在电流过零后（0.11S）在阴极旁边的薄层空间介质强度突然上升（150250v）的现象，称为近阴极效应。近阴极效应在熄灭低压短弧中得到广泛应用对几万伏以上的高压断路器的灭弧不起多大作用，（因为起始介质强度与加在弧隙上的高电压相比，无足轻重。起确定作用的是弧柱区中的介质强度复原过程。）Ud图图228电流过零后弧隙电荷及电位分布电流过零后弧隙电荷及电位分布减速
10、场加速场电子数很少场强不足以从导体中拉出电子T时刻(2)弧柱区介质强度的复原过程。弧柱区介质强度的复原过程与断路器的灭弧装置结构、介质特性、电弧电流、冷却条件及触头分开速度等因素有关。不同介质强度复原过程曲线如图229所示结论：不同介质复原速度不同（其他条件相同）弧隙温度与弧隙介质强度复原曲线图230。结论：a、电弧电流愈小，电弧温度愈低，对电弧的冷却条件愈好，电流过零时电弧温度下降愈快，介质强度复原过程愈快。b、提高触头的分断速度，可快速拉长电弧，使其散热和扩散的表面积快速增加，去游离加强，可提高介质强度的复原速度。不同介不同介质的起始介的起始介质强度度不同介不同介质的最的最终介介质强度度温
11、度温度下降下降好慢好慢耶耶所以介所以介质强度度复原得复原得慢呀慢呀介介质强度复原度复原得快呀得快呀哇塞温哇塞温度下降度下降好快呀好快呀2弧隙电压的复原过程定义：电弧电流过零时，经过由电路参数所确定的电磁振荡，弧隙电压渐渐由熄弧电压复原到电源电压的过程，称为弧隙电压的复原过程，用Ur(t)表示。影响弧隙电压的复原过程的因素：电路参数(L、C、R)负荷性质(阻、感、容性)复原过程(过渡过程)的特点：可能是周期性变更的振荡过程，也可能是非周期性变更的不振荡过程，如图231所示。复原电压的组成：如图232所示：瞬变复原电压utr，为复原电压的暂态值，它存在的时间只有几十微秒至几毫秒；工频复原电压usr
12、，即与电源电压波形重合、与电源电压相等的电压，为复原电压的稳态值。3沟通电弧的熄灭条件：Ud(t)Ur(t)（或两曲线无交点）（微秒）过零再次击穿点第八节 弧隙电压复原过程分析 分析弧隙电压复原过程中电路参数的影响，进而分析从外电路考虑如何有利于熄弧一、单相沟通电路的电压复原过程断路器开断单相短路电流的短路电路如图234(a)所示，近似分析的几个条件：电源G为单相沟通发电系统，其等值电路如图234(b)所示。、为系统元件参数。r为QF触头并联电阻(也可认为是熄弧后的弧隙电阻)。短路时，QF与c并联，所以，弧隙电压复原过程ur与c两端的电压变更过程uc相同。熄弧后，从熄弧电压到电源电压的过程很短
13、（几百微秒）电弧电流过零时电源电压瞬时值为u0，且在过程中不变，以直流源代替。弧隙电压复原过程ur（t）的计算：变为直流电源突然合闸于R、L、C组成的串联电路时，在C两端的电压变更过程uc，等值电路如图235所示。由图235可知，当Q突然合闸时，有 (267)(268)初始条件：t0时ucur0，i10将式(268)代入式(267)并整理得式(269)该式为常系数线性微分方程，其通解为(270).探讨：回路参数处于不同状况时，复原过程不同(1)为不等的负实根，且有：留意：横留意：横轴座座标单位位为微秒微秒复原过程时间很短当结论：(非周期性电压复原过程中）复原电压的最大值不超过电弧电流过零时的电
14、源电压瞬时值（小于等于Um），不会产生过电压。r值越小，复原电压上升速率越慢（可以利用）u0越大升速越快（不行控，开断时刻是不确定的）探讨：弧隙电压复原过程为衰减的周期性振荡过程探讨：弧隙电压复原过程为衰减的周期性振荡过程留意留意rCrC可能在电路中出现过电压可能在电路中出现过电压电压复原速率为：结论：结论：a a、弧隙电压复原过程为振荡复原过程，复原速度及复原、弧隙电压复原过程为振荡复原过程，复原速度及复原幅值均与电路参数有关。幅值均与电路参数有关。b b、可能出现系统过电压，且增加熄弧的困难、可能出现系统过电压，且增加熄弧的困难c c、r r值较小时，由公式（）可知：衰减快（值较小时，由公
15、式（）可知：衰减快（1 12rC2rC），复原速度慢。），复原速度慢。留意！留意！这可是最极可是最极端的状况端的状况将此时的电阻叫做临界并联电阻：将此时的电阻叫做临界并联电阻：复原过程曲线与图236类似。但这种状况接近于振荡状况，故称为临界状况。结论：当rrcr时，弧隙电压复原过程为非周期性；当rrcr时，为周期性。3、以上分析可知：弧隙电压复原过程只取决于电路参数。触头两端的并联电阻r可以变更复原电压的特性，即影响复原电压的幅值和复原速度。当rrcr时）二、三相沟通电路不同短路形式的工频复原电压 由于运行方式和短路形式不同，相应的电路参数和开断瞬间的工频复原电压u0不相同，干脆影响断路器的开
16、断条件。1开断单相短路 电流过零时，工频复原电压瞬时值为：2开断中性点不干脆接地系统的三相短路 三相沟通电路中，三相电流不同时过零，断路器开断三相短路时，电弧电流过便有先后，先过零的一相，电弧首先熄灭，称为首先开断相。在图238中，忽视电阻，只计电抗xL，即相电流滞后相应的相电压90。设U相为首先开断相，当U相电流过零时其电弧熄灭，V、W相触头仍由电弧短接,由电路学问可得：数值上，有UUUVUWUph，式中Uph为相电压，Uu01.5 Uph (288)首先开断相断口上的工频复原电压为相电压15倍，如图238(b)所示。在U相电流过零后，经14周期，V、W两相短路电流同时过零，电弧同时熄灭。这
17、时Uvw的瞬时值达最大，V、W两相断口各承受一半电压值，即：结论：结论：断口电弧的熄灭关键在于首先开断相（首先开断相断口的复断口电弧的熄灭关键在于首先开断相（首先开断相断口的复原电压最大）。原电压最大）。后续开断相的燃弧时间比首先开断相长（后续开断相的燃弧时间比首先开断相长（0 0005s005s），电弧能），电弧能量较大，可能使触头烧坏、喷油、喷气等现象比首开相更为量较大，可能使触头烧坏、喷油、喷气等现象比首开相更为严峻。严峻。开断中性点干脆接地系统中的三相不接地短路的状况与上述开断中性点干脆接地系统中的三相不接地短路的状况与上述相同。相同。例如，对例如，对110kV110kV高压断路器，首
18、先开断相断口的复原电压如下。高压断路器，首先开断相断口的复原电压如下。工频复原电压有效值为工频复原电压有效值为 1.5UPh 1.5UPh1 15110511033959526(kV)26(kV)工频复原电压最大值为工频复原电压最大值为 295 295262613413472(kV)72(kV)复原电压最大值复原电压最大值(取取Km=1Km=15)5)为为 1 151345134727220220208(kV)08(kV)3开断中性点干脆接地系统中的三相接地短路 与上述状况不同，这时U、V、w三相分别经大地成回路，各相不同时过零。设开断依次为U、V、W，当系统零序阻抗与正序阻抗之比不大于3时，
19、有：4开断两相短路电路 开断中性点干脆接地系统中的两相接地短路时，工频复原电压为13Uph；开断其余状况的两相短路时，工频复原电压为0866Uph。总之：首先开断相开断时，断口上的工频复原电压为：首开相在衰减振荡复原过程中可能的最大值为：第九节熄灭沟通电弧的基本方法一、熄灭沟通电弧的基本途径：1、削减电弧形成的可能及大小：削减热电子放射、场致电子放射，削减金属蒸气的产生。2、加强弧隙介质强度的复原过程 加强弧隙的去游离 抑制游离3、降低弧隙复原电压的幅值和复原速度，均可促使电弧熄灭。二、熄灭沟通电弧的基本方法，归纳起来有下述几种。这是根本是根本的方法！的方法！1接受特殊金属材料作灭弧触头，并尽
20、可能接受先进的触头制作工艺以削减接触电阻。削减热、场致电子放射削减金属蒸气，抑制游离作用。2提高断路器触头的分别速度 在高压断路器中都装有强力断路弹簧，以加快触头的分别速度，快速拉长电弧，使弧隙的电场强度骤降，同时使电弧的表面积突然增大，有利于电弧的冷却及带电质点的扩散和复合，减弱游离而加强去游离，从而加速电弧的熄灭。3接受灭弧实力强的灭弧介质 电弧中的去游离强度，在很大程度上取决于电弧四周介质的特性。高压断路器中广泛接受以下几种灭弧介质。(1)变压器油：利用变压器油在电弧高温的作用下，可分解出大量氢气和油蒸汽灭弧(2)压缩空气：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。(3)
21、sF6气体：利用SF6良好的负电性，其氟原子具有很强的吸附电子的实力，能快速捕获自由电子而形成稳定的负离子，为复合创建了有利条件，因而具有很强的灭弧实力，其灭弧实力比空气强1OO倍。(4)真空：真空气体淡薄，弧隙中的自由电子和中性质点极少，碰撞游离的可能性大大削减，且弧柱与真空的带电质点的浓度差和温度差很大，有利于扩散。4利用气体或油吹弧 利用各种预先设计好的灭弧室，使气体或油在电弧高温下产生巨大压力，并利用喷口形成猛烈吹弧。这个方法既起到对流换热、猛烈冷却弧隙的作用，又起到部分取代原弧隙中游离气体或高温气体的作用。电弧被拉长、冷却变细，复合加强，同时吹弧也有利于扩散，最终使电弧熄灭。纵吹：吹
22、动方向与电弧弧柱轴线平行称纵吹。作用：是使电弧冷却、变细，最终熄灭。横吹：吹动方向与电弧弧柱轴线垂直称横吹，作用：把电弧拉长，表面积增大，冷却加强，熄弧效果较好。高压断路器中常接受纵、横吹混合吹弧方式，熄弧效果更好。纵吹弧过程示意图纵吹弧过程示意图横吹弧过程示意横吹弧过程示意纵横吹弧过程示意图纵横吹弧过程示意图5断路器的主触头两端加装低值并联电阻(几欧至几十欧)原理：作用：分流电弧电流；阻尼作用阻值选择：满足rrcr 该电阻值不能过小，过小则主触头灭弧后协助触头开断困难实际连接：工作过程：分闸时先断Q1，再断Q2合闸时，依次相反，先合Q2，再合Q16接受多断口熄弧定义：每相有两个或两个以上的串
23、联断口作用：可把电弧分割成多段，在相同的触头行程下电弧拉长速度和长度比单断口大，从而弧隙电阻增大，同时增大介质强度的复原速度；加在每个断口上的电压降低，使弧隙复原电压降低，因而有利于灭弧。存在问题：电压在每个断口上的安排有不匀整现象，影响断路器的灭弧。解决方法：每一个断口加装均压电容 嘿！这才是动触头的运动方向哈哈！电弧咋成了黑的？没关系是个意思而已加装均压电容的原理分析：不装电容时：三、低压开关中的熄弧方法 利用金属灭弧栅灭弧。利用灭弧栅灭弧实质上是利用短弧原理灭弧。当断开电路时，动、静触头间产生电弧，对电弧产生一个向上的电磁力，将电弧拉至上部无缺口的部分，被栅片分割成一串短弧。据近阴极效应，当电流过零时，每个短弧的阴极都会出现150250V的介质强度，如其总和超过触头间的电压，则电弧熄灭。利用固体介质狭缝灭弧。灭弧片由耐高温的绝缘材料制成，有多种形式，图245(b)为最简洁的直缝式，作用：限制电弧直径，增加了弧隙压力同时拉长电弧，加强冷却作用，加强电弧内的复合过程，最终使电弧熄灭。本章结束。不过还有几道作业P62：10、12、14