地面供电设备开关电弧

1、第三章第三章 地面供电设备地面供电设备第一节第一节 开关电弧开关电弧 1. 电弧的概念电弧的概念 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，称为电弧。 2.电弧的本质电弧的本质 电弧的实质是一种气体放电现象。 3. 电弧放电的特征电弧放电的特征 （1）电弧温度很高。 （2）电弧是一种自持放电现象。 （3）电弧是一束游离的的气体。第一节第一节 开关电弧开关电弧不依赖外界电离条件，仅由外施电压作用即可维持的一种气体放电表面3000-4000度，弧心温度可达10000度 4. 电弧的危害电弧的危害 （1）电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间，加重

2、了电力系统短路故障的危害。 （2）电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。 （3）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，或引起事故的扩大。 1 1、强电场发射、强电场发射 开关电器分闸的瞬间，由于动、静触头的距离很小，触头间的电场强度就非常大 ，使触头内部的电子在强电场作用下被拉出来 ，就形成强电场发射。 2 2、热电子发射、热电子发射 当断路器的动、静触头分离时，触头间的接触压力及接触面积逐渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致阴极表面温度急剧升高而发射电子 ，形成热电子发射。 一、电弧的产生一、电弧的产

3、生 3 3、碰撞游离、碰撞游离 从阴极表面发射出的电子在电场力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。当高速运动的电子积聚足够大的动能时，就会从中性质点中打出一个或多个电子，使中性质点游离，这一过程称为碰撞游离。4 4、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。弧柱导电就是靠热游离来维持的。 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，产生热电子发射；同时，由于触头的间隙很小，使得电压强度很高，产生强电场发射。从阴极表

4、面逸出的电子在强电场作用下，加速向阳极运动，发生碰撞游离，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，形成电弧。上述是电弧形成的上述是电弧形成的四个因素四个因素，实际上是个连续过程，实际上是个连续过程（一）电弧的熄灭 电弧的去游离过程包括复合复合和扩散扩散两种形式。 1. 1. 复合复合 复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象复合是正、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1000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，被中性质点捕

5、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。还有一种情况就是电子先被固体介质表面吸附后，再被正离子捕获成为中性质点。二、电弧的熄灭与重燃二、电弧的熄灭与重燃2. 2. 扩散扩散 扩散是弧柱中的带电质点逸出弧柱以外，进入周围介质的现象。扩散有三种形式： （1 1）温度扩散）温度扩散，由于电弧和周围介质间存在很大温差，使得电弧中的高温带电质点向温度低的周围介质中扩散，减少了电弧中的带电质点； （2 2）浓度扩散）浓度扩散，这是因为电弧和周围介质存在浓度差，带电质点就从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使电弧中的带电质点减少； （3 3）利用吹弧扩散）利用吹

6、弧扩散，在断路器中采用高速气体吹弧，带走电弧中的大量带电质点，以加强扩散作用。v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弧隙的介质强度。v当电弧电流过零时电弧熄灭，而弧隙的介质强度要恢复到正常状态值还需一定的时间，此恢复过程称之为弧隙介质强度的恢复过程。（二）交流电弧的重燃 在交流电路中，电流瞬时值随时间变化，因而电弧的温度、直径以及电弧电压也随时间变化，电弧的这种特性称为动特性。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟不上快速变化的电流，所以电弧温度的变化总滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。 经过分析，可见交流电弧在交流电流自然过零时将自动熄灭，但在下半周随着电压

7、的增高，电弧又重燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就此熄灭。 电弧电流自然过零后，电路施加于弧隙的电压，将从不大的电弧电压逐渐增长，一直恢复到电源电压，这一过程中的弧隙电压称为恢复电压。 实践证明，弧隙电压的变换规律与电路的性质、接线方式及电源的频率、幅值等因素有关三、灭弧方法三、灭弧方法1气吹弧灭弧法气吹弧灭弧法 利用外力如气流、油流或利用外力如气流、油流或电磁力来吹动电弧，使电电磁力来吹动电弧，使电弧拉长，同时也使电弧冷弧拉长，同时也使电弧冷却，电弧中的电场强度降却，电弧中的电场强度降低，复合和扩散增强，加低，复合和扩散增强，加速电弧熄灭。速电弧熄灭。（1）按吹弧的方向）按吹弧的方向

8、(相对电弧相对电弧方向方向)分纵吹和横吹，如图分纵吹和横吹，如图31a和图和图31b所示。所示。图3-12.金属栅片灭弧金属栅片灭弧 灭弧室灭弧室1内部有许多由厚度为内部有许多由厚度为23mm钢板冲成的横向栅钢板冲成的横向栅片片2。 栅片外表面镀铜以增栅片外表面镀铜以增大传热能力和防止钢片生锈。大传热能力和防止钢片生锈。 每一栅片冲有三角形的缺口。每一栅片冲有三角形的缺口。栅片缺口错开的作用为减少栅片缺口错开的作用为减少电弧初始碰到的栅片数，从电弧初始碰到的栅片数，从而减少进入的阻力。而减少进入的阻力。图3-2 金属栅片灭弧装置广泛用于低压开关电器中。金属栅片灭弧装置广泛用于低压开关电器中。

9、其主要缺点是灭弧室除电弧能量损耗之外，还有栅片中电其主要缺点是灭弧室除电弧能量损耗之外，还有栅片中电阻、磁滞和涡流引起的损耗。加之栅片间隙较小，阻碍了热阻、磁滞和涡流引起的损耗。加之栅片间隙较小，阻碍了热量的散发。这些都使灭弧室的温度容易升向，从而引起灭弧量的散发。这些都使灭弧室的温度容易升向，从而引起灭弧条件恶化。条件恶化。 因此，这种灭弧装置不适用于过分频繁操作的场所因此，这种灭弧装置不适用于过分频繁操作的场所。3狭缝灭弧狭缝灭弧 灭弧栅由许多带缺口的钢片制成，当断开电路时，动、静触头灭弧栅由许多带缺口的钢片制成，当断开电路时，动、静触头间产生电弧，磁通对电弧产生一个向上的电磁力，将电弧拉

10、入间产生电弧，磁通对电弧产生一个向上的电磁力，将电弧拉入灭弧栅片，从而将电弧分割成一串短电弧。根据近阴极效应，灭弧栅片，从而将电弧分割成一串短电弧。根据近阴极效应，当电流过零时，每个短电弧的阴极都会出现当电流过零时，每个短电弧的阴极都会出现150250V的介质的介质强度，如果其总和超过触头间的电压，则电弧熄灭。强度，如果其总和超过触头间的电压，则电弧熄灭。4.绝缘油灭弧绝缘油灭弧 用油气作吹弧介质的断路器称为油断路器。在这用油气作吹弧介质的断路器称为油断路器。在这种断路器种断路器中，有用专用材料制成的灭弧室，其中充满了绝缘中，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

11、后，电弧的高温使油。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、甲烷、乙烷、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二氧化碳等气体，其中氢的灭弧能力是空气的7.5倍。这些油气体在灭弧室中积蓄能量，一旦打开吹倍。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。口，即形成高压气流吹弧。5、真空灭弧装置、真空灭弧装置 由于空气稀薄，空气分子及其电子的平均自由行程加长，这由于空气稀薄，空气分子及其电子的平均自由行程加长，这就使弧中气体粒子受到其他粒子碰障而电离的几率大大减少。就使弧中气体粒子受到其他粒子碰障而电

12、离的几率大大减少。因此，真空具有很高的绝缘和灭弧性能。因此，真空具有很高的绝缘和灭弧性能。 将触头在高度真空中开断便构成有很高开断能力的灭弧装置。将触头在高度真空中开断便构成有很高开断能力的灭弧装置。 按照触头结构的不同，真空灭弧装置分带圆柱状触头、带螺按照触头结构的不同，真空灭弧装置分带圆柱状触头、带螺旋槽的磁吹触头和带纵磁场线圈的触头三种。旋槽的磁吹触头和带纵磁场线圈的触头三种。 SF6是无色、无臭、无毒、无公害和不燃烧的气体。是无色、无臭、无毒、无公害和不燃烧的气体。 其沸点在大气压时为其沸点在大气压时为-60，加温到，加温到150 都不易与其他都不易与其他物质起化学反应，到物质起化学反应，到500时仍不能自行分解。它的密度是时仍不能自行分解。它的密度是空气的空气的5倍。常温时的传热能力倍。常温时的传热能力(包括对流在内包括对流在内)为空气的为空气的1.6倍。倍。 它具