（电气工程专业论文）一种新型灭磁开关研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t ar e v e r s i b l es w i t c hf o rm o t o re x c i t a t i o n ( i nas h o r to f ，e x c i t a t i o ns w i t c h ) i s i n d i s p e n s a b l ef o rm o t o re x c i t a t i o np r o t e c t i o n ，r u n n i n ga n ds t o p 。m o t o rt e c h n o l o g yi s d e v e l o p i n gn o w ，a n dd e e x c i t a t i o nt e c h n o l o g ya r ea l s oi m p r o v e m e n ta c c o r d i n g 。d i f f e r e n t m o t o r sa n d v a r yc o n d i t i o n s ，m o t o re x c i t a t i o nd e v i c e sa r ed i f f e r e n t 。d u et ot h ec o m p l e x i t y o fa r ce x t i n c t i o ni na i rm e d i u m ，g e n e r a l l yf u n d a m e n t a lr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa r ea v a i l a b l e o n l yf o rg u i d i n ga n dr e f e r e n c ei nt h ed e v e l o p m e n to fe x c i t a t i o ns w i t c h 。 f i r s t l y , w eg e n e r a l l yd e s c r i b e dt h ea p p l i c a t i o no fe x c i t a t i o ns w i t c ha n do f f e r e dt h et a s k o ft h i st h e s i s 。s e c o n d l y t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i ca r cd c ， t h e o r i e so fa r ce x t i n c t i o na n dd e v i c e so fa r ce x t i n c t i o ni nc o l n i n o nu s e 。c o m p a r e dt om o d e s o fd e e x c i t a t i o n ，w ee x p a t i a t e dt h ed i f f i c u l t i e so fd e e x c i t a t i o n 。 t h ep r i n c i p l e so fd e s i g n i n gn e we x c i t a t i o ns w i t c ha r et h ei m p o r t a n tp a r t so ft h et h e s i s 。 a n dt h ep a p e rd e p i c t ss p e c i a l i t i e so ft h en e ws w i t c h ，m e t h o d sa n dr e s u l t so fs w i t c ht e s t 。 t h i st h e s i si sm a i n l yc o n c e r na b o u tt h er e s e a r c h o fh i g hr e l i a b i l i t yf o re x c i t a t i o n s w i t c h 。b a s eo ng i v e nc i r c u i tp a r a m e t e r s ，s p e c i a lf o r ma n dm a t e r i a l s ，1 ：1p r o t o t y p et e s ti s e m p l o y e dt od e m o n s t r a t ea n dr e c t i f yt h er e l i a b i l i t yo fs w i t c h ，t h ep r o c e s so fe l e c t r i ca r c e x t i n c t i o n ，t h el i m i to fa r cr e g i o n ，t h ee f f e c to fm a g n e t i cf i e l da n dt h eo v e r - v o l t a g ei n o p e n i n gc i r c u i t 。t h i st h e s i si n t r o d u c em e t h o d so fd e s i g n i n gm a i np a r t so fe x c i t a t i o ns w i t c h d e t a i l e d l y 。 k e yw o r d s ：m o t o r d i r e c tc u r r e n ta r ce x c i t a t i o ns w i t c h d e e x c i t a t i o n i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文悬我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的磅究藏暴。尽我掰知，狳文中已经标鞠g 耀耱肉容羚，零论文不包含谨麓其怒 个人或集体已经发袋或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本入完全懑识到本声明的法律结果由本人承担。 攀位论文雩筝者签名；匆v 轨婆 | 蹦期烈f 年f _ 胃l7 因 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权绦整势囊謦家毒荚帮门箴裰 鸯送交论文熬复窝终帮邀予叛，竞诲论文被套阕秘 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库谶行检索，可以采用影印、缩印或扫搦等复制手段保存和汇编本学佼论文。 保密口，在年解密质适用本授权书。 本论文糯于 不保密口。 ( 清在疆土方框肉努“# ”) 学位论文作者籀名： 众切涎 日期：一扪晒年f 月i ，日 指导教师签名： 日期：年月日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 概述 1 绪论 随着现代电力技术的发展，推动了整个电气行业的发展 1 。2 】。随着电机容量的增 大及采用了强行励磁，电机励磁回路的灭磁过程变得复杂而且灭磁时间延长，快速可 靠地灭磁己成为迫切需要解决的问题。为确保电机的安全运行，许多国家的工厂和公 司都一再研究灭磁问题。 电机励磁电流降低到接近于零的过程称为灭磁过程 3 】，用于分断励磁回路的开关 电器称之为灭磁开关。由于励磁回路的电感很大，灭磁开关分断励磁回路时，在励磁 绕组两端会产生很大的过电压【4 5 】。过高的过电压容易导致绕组绝缘击穿，因此必须 采取有效的措施以限制励磁绕组两端的过电压。 灭磁开关可用于各种电站发电机的灭磁，也可用于大型直流冲击发电机的灭磁 和过电压保护，轧钢电机磁场反向等场所，具有很大的社会经济效益。 常用的灭磁方法有电机励磁绕组对常值电阻放电、电机励磁绕组反接灭磁、电机 励磁绕组对金刚砂电阻放电等。电机励磁绕组对常值电阻放电就是开关分断时，将励 磁绕组接至常值电阻上，利用常值电阻给励磁绕组放电；电机励磁绕组反接灭磁就是 利用改变励磁电源相对于励磁绕组的极性来灭磁的方法；电机励磁绕组对金刚砂电阻 放电就是利用非线性金刚砂电阻来对励磁绕组放电。 1 2 灭磁开关的发展与现状 灭磁开关的使用，取决于系统的控制方案。改变直流电机旋转方向通常有两种方 法：其一，改变电枢电流方向实现反转；其二，改变励磁电流方向实现反转。当系统 采用改变励磁电流方向实现反转时，就需要灭磁开关来分断、反接励磁电流，灭磁开 关的使用也比较频繁。对灭磁开关的寿命和可靠性的要求也很高。 相对其他灭磁开关，本型灭磁开关的特点主要体现在其耐受环境能力上和空间尺 寸要求上，如耐湿热性能、耐振动、冲击性能耐盐雾性能、耐霉菌性能等，空间尺寸 尽可能小。但是，和其他灭磁开关一样，其寿命指标和可靠性的高低，是衡量该产品 先进性的关键指标之一，是研制的技术难点。 华中科技大学硕士学位论文 国外六十年代前苏联已全部采用“电力”厂以短弧栅放电灭磁的a f h 系列自动 灭磁开关，取代以常值电阻放电的c 3 m 7 9 0 1 、a 2 0 5 9 等自动灭磁开关。西方工业发 达国家自五十年代以来一直采用非线性电阻( s i c ) 灭磁的开关装置。表1 1 为国外 同类产品的一些相关资料。 表1 1 国外同类产品对照表 国别 日本 俄罗斯 项目 主要用途 推进电动机磁场电源开关推进电动机f 1 2 1 0 4 磁场反向开关 额定电压v ed c 6 8 0 v 幅压d c l 7 0 2 3 0 v 额定电流k 9 0 a9 a 1 5 0 a 极数 24 操作方式手动操作电动操作、手动操作 负载电感 1 1 3 3 h 至5 h 过电压 l ，) 时，则可测得另一较高的静态伏安特性。 图2 - 1测量直流电弧伏安特性的线路图2 - 2 不同弧长时直流电弧的静态伏- 安特性 由图2 2 可以看到，直流电弧静态伏安特性具有和一般金属导体不同的性质，即 当i h 增大时，减小。或者说电弧电阻r h ( 静态伏一安特性上任一点a 的r h = u h i h = t a n n ) 是随着i h 的增大而减小的。直流电弧静态伏一安特性呈如此形状的原因，在于当 i h 增大时，输入电弧的功率h u h 增加，于是弧柱的温度升高，直径增大，因而使r h 剧烈下降忡j 。 直流电弧的静态伏一安特性与许多因素有关。除上述电弧长度外，主要的有：电 极材料、气体介质种类、压力和介质相对于电弧的运动速度等。在实际工作中，最好 是通过试验测得具体条件下的电弧静态伏安特性。如不可能，则应选用测试条件相 近的试验公式。下面列出的一些试验公式可作参考【4 “、7 。 对于在空气中自由燃烧的直流电弧，有下列几种试验公式： ( 1 ) 在一个大气压下、弧长大于l c m ，i h 在几十安以下时， 4 华中科技大学硕士学位论文 u = a + b l + c _ + - d l ( 2 - 1 ) 式中 ，电弧长度，单位为c m ； ，。一电弧电流，单位为a ； u h 一弧隙端电压，单位为v ； a 、b 、c 和d 一常数。对铜，a = 3 0 ；b = 1 7 ：c - - 4 8 ：d = 3 3 。 n = 2 6 2x1 0 4 ( 2 ) 在一个大气压下、铜电极，弧长为0 8 c m ，i h 在6 0 0 a 以下时，电弧电压( 单 位为v ) 为： 鬻 c z - 2 ， ( 3 ) 在高气压气体介质中，i h 在l 一2 0 a 范围内，弧柱电场强度( 单位为v ，c m ) 为： e = d i ”( 1 0 。p ) ” ( 2 - 3 ) ( 4 ) 在一个大气压下自由燃烧的直流电弧，弧柱电场强度( 单位为w c m ) 为： e = c ， ( 2 - 4 ) 式中c 和n 常数。在大电流时，n - - 0 2 5 o 3 5 ，平均取o 3 。 对于在一个大气压的空气中、铅电极间横向极间横向运动的电弧，当运动速度v 在2 0 0 州s 以下，l h 在6 0 0 a 以下时，弧柱电场强度e ( 单位为v c m ) 为： e ：一9 2 ( v + 1 0 ) ( 2 5 ) 0 ih 由上可见，即使同样地在大气压下自由燃弧，在不同情况下得到的试验公式也有 很大的差异。差异的原因既可能是由于试验条件的不同，也可能是由于试验数据的分 散性或数据处理方法的不同。通常为了理论分析的方便，直流电弧的静态伏一安特性 常采用以下经验公式来表示： 乩2 + 可c l ( 2 _ 6 式中u o 近极压降，单位为v ： u h 直流电弧弧隙端电压，单位为v ； 华中科技大学硕士学位论文 f - 电弧长度； c 和n 一常数，视具体情况而定。 当i h 随时间以某一速度变化时，u h 也随之变化。图2 - 3 中曲线a a 表示电弧的 静态伏- 安特性。设开始时l h = 1 1 ，此时电弧稳定地燃烧在曲线a a 上的点1 。此时通 过改变电路的参数( 例如改变与电弧串联的电阻) ，使i h 以某一较快速度由i ，增大到 1 2 ，则此时u h 将不是沿着曲线a a 下降，而是沿着较高的曲线1 3 趋向点4 。如果i h 从i i 瞬时地增大到1 2 ( 即d l h d t = o o ) ，则u h 将沿着直线1 - 2 趋向点4 。反之，如果i h 以某一较快的速度从i l 减小到1 3 ，则此时u h 将沿着比曲线a a 较低的曲线l 一5 趋向 点6 。如果i h 从1 1 瞬时地减小到零( 即d l h d t = c o ) ，则当忽略近极压降时，u h 将沿着 直线1 - 0 趋向于零。曲线1 - 3 和1 - 5 称为电流以某一速度变化时的电弧动态伏安特性， 而直线0 - 1 - 2 称为电流变化速度为无穷大时的电弧动态伏安特性。电弧动态伏一安特性 之所以会不同于静态伏安特性是因为弧柱的温度和直径具有热惯性。当l h 快速增大 时，r h 来不及减小，以致u h 大于新的稳态时的数值；而当i h 减小时，r h 来不及增大， 以至u h 小于新的稳态时的数值。当d l h d t = o o ( o o ) 时，在l h 变化期间，弧柱的温度 直径保持不变，因而r h 也保持不变，所以此时的u h 沿着直线o 一1 2 变化。 图2 - 3 直流电弧的动态伏一安特性 从图形2 - 3 可以看到，在一定条件下，电弧的静态伏一安特性只有一条，而动态伏 一安特性却随着i h 变化速度不同可有无数条。当i h 随时间变化的速度也在变化时( 例 如在交流情况下) ，电弧动态伏安特性将会表现出更为复杂的特性曲线。 2 2 直流电弧的熄灭原理 设有如图2 - 4 所示的直流电路，e 为电源电势，l 和r 分别为电路中的电感和电 阻，c 为折算到弧隙两端的线路电容。通常c 的数值很小，当电弧电压变化不很快时 6 华中科技大学硕士学位论文 其影响可以不计。当触头l 、2 之间存在电弧时，对此回路可写出下列微分方程式 e = 哮+ r i 一。 ( 2 - ，) 或 l 粤：e r 一u 出 “ ( 2 8 ) 由于电弧的静态伏一安特性呈非线性，故以采用图解法求解式( 2 7 ) 中的稳态i h 较为方便。在图2 5 中，曲线a a 表示给定条件下电弧的静态伏安特性，水平直线 a b 表示电源电势e ，斜向直线a c 与a b 成一夹角a 。令n = - , t a n r ，于是a c 的高度即 代表e r i b 。 一i l - - * - 崔i 鞭； 图2 - 4 带有电弧的直流电路图2 5 用图解法求直流电路的电弧电流 由图2 5 可见，直线a c 和曲线a a 交于1 和2 两点。在点1 以左和点2 以右， 直线a c 的高度低于曲线a a 的高度，即e r i h u h 0 。所以，在这一区域内， i h 将随时间的变化而增大，。只有在点1 和点2 上才有e r i b u h - o ，即l d l d d t = o ，于 是得i h = 常数。这就是说，i h 不随时间变化，电弧处于稳定燃烧状态。由上分析可见， 存在两个稳定点一1 和2 ，它们分别对应于两个电流一i i 和1 2 。但是，如果我们仔细分 析一下便可看到，点1 的稳定是虚假的。因为，当i h = 1 1 时，若有某种原因( 例如弧 长稍有变化) 引起i h 稍大于i l ，则电路工作状态将背离点1 进入点1 和2 之间的区域。 上面已经说过，在此区域内，d l d d t o ，于是i h 将继续增大，直到等于1 2 。反之，当 有某种原因引起i h 稍小于i l 时，则电路工作状态也将背离点1 进入点1 以左的区域， 在此区域内，d i h d t e ，因而电弧不能维持而趋于熄灭。 另一方面是增加电弧电阻( 即电弧电压降) ，也就是增加电弧间隙的去游离，提 高电弧静态伏一安特性到如图2 - 6 中虚线曲线a 一a 所示的位置，使之不和直线a c 相交。这样，电弧也将趋于熄灭。电弧压降u h 是由电弧近极压降u 。和弧柱压降u 2 组成，即： u = u 。+ u ：= u 。+ e l ( 2 _ 9 ) 为了提高曲线a a ，按式( 2 3 ) 、( 2 5 ) 和式( 2 9 ) ，可以采取下列方法： 盒督片 、 图2 - 6 使稳定燃弧点2 不存在的措施 图2 7 用金属栅片将电弧分割成许多短弧 1 ) 增大近极压降u o 如果我们像图2 7 所示那样，用许多平行排列的金属栅片电弧分割成许多串联的 短弧，那末，因为每一短弧都有一阴极和阳极压降，总的电弧电压便大为增加。此时 式( 2 9 ) 变成： u = n u o + e l 式中n 一串联的短弧数； z 一全部短弧弧柱的长度之和。 ( 2 1 0 ) 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 增大电弧长度f 从式( 2 9 ) 可见，增大l 可以提高u h 。常用的方法有： ( 1 ) 用机械方法增加触头之间的距离，见图2 8 a ； ( 2 ) 依靠导电回路自身的磁场或外加磁场使电弧横向拉长，见图2 - 8 a ( 3 ) 在磁场作用下，在弧根在电极上移动以拉长电弧，见图形2 8 c 口h l o l ， ) 图2 * 8 增大弧长的方法 v ，一切向速度v 。一速度 3 ) 增大电场强度e 从式( 2 - 9 ) 可见，增大e 也提高u h ，其具体方法又分下列几种： ( 1 ) 增高气体介质的压力p 【参见式( 2 3 ) 】； ( 2 ) 半大电弧与流体介质之间的相对运动速度v 【参见式( 2 5 ) 】，两者之间相对 运动的方式，可以使电弧磁场作用下静止的流体介质中横向运动，也可以用高速运动 的流体介质横吹或纵吹电弧； ( 3 ) 使电弧与耐弧的绝缘材料密切接触，依靠后者对电弧的冷却作用以及其表 面对带电粒子复合能力的加强，使e 增大。 2 3 直流电弧的能量和燃弧时间 开断直流电路时，从开关电器触头分开产生电弧起到电弧熄灭为止的时间，称为 直流电弧的燃弧时间【6 18 1 。 在弧隙中产生电弧以后，如不满足直流电弧熄灭条件，电弧是不会熄灭的。实际 上，即使满足熄灭条件，它也不会立即熄灭，而只是开始趋向熄灭。也就是说，直流 电弧的熄灭总需经历一定的时间。通常这有两方面的原因：一是由于电路存在电感， 电流不能突然变为零：一是由于弧柱具有热惯性，等效电阻不会突变到无穷大。下面 仍以图2 - 4 为例，来说明电感的存在对直流电弧燃弧时间的影响。 华中科技大学硕士学位论文 将式( 2 7 ) 改写成如下形式 = 肛r i h - l d 孑i h 将此式等号两边各乘以i h d t ，然后进行积分，并令积分上下限为 为电弧开始产生时的电流) ，t = t r i - ( t r h 为燃弧时间) 时，i h = 0 。于是得 ( 2 1 1 ) 当t = 0 时，i h = l h 0 ( 1 h 0 f 分l 西= f “日。斫一l “r ，：西+ 罢竽 ( 2 一1 2 ) 此式等号左边为燃弧期问电弧中消耗的能量，等号右边第一项为在此期间电源供 给的能量，第二项为在此期间电阻r 中消耗的能量，第三项为燃弧开始时电感中储存 的能量。由此式可见，整个燃弧过程中消耗在电弧中的能量，除去电源供给的能量与 电阻中消耗的能量之差以外，还要加上电感中储存的能量。换句话说，燃弧开始时储 存在电感中的能量是不能返回电源的，而是必须泄放到弧隙中。由此，我们可以得出 结论： ( 1 ) 电路电感越大，则其中储能越多，要电弧熄灭必需从弧隙散发的能量也越 多，因而电弧越难熄灭。 ( 2 ) 由于电感中能量的泄放需要一定的时问，因而电感的存在使电弧不能立即 熄灭，必须等电感中能量泄放完或基本上泄放完后，电弧才能熄灭。 下面，再讨论燃弧时间的计算方法8 h 】。假设电路中电感数值较大，以致电弧由 于热惯性引起的燃弧时间的延长与电感引起的相比，可以忽略不计。这样，在计算燃 弧时间时，就可采用电弧的静态伏一安特性，而不必一定要采用其动态伏安特性。又 设电弧的静态伏安特性可用式( 2 6 ) 表示，于是，当触头以速度v ( 单位为c m s ) 分开时，电弧长度l = v t ，而式( 2 - 7 ) 可以写为 警= 圭( e r i h - u 0 - 簖蚋 ( 2 _ 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 是个非线性微分方程。它可借助于电子计算机用差分法或龙格填i 塔法 求解。图2 - 9 示出用差分法计算直流电弧燃时间的程序框图。 在求得燃弧期间i h 的随时间变化的关系之后，便可用下式计算电弧能量 = e 附0l h d t rf ，：出+ 睾 ( 2 1 4 ) 1 0 华中科技大学硕士学位论文 此式可借助计算机用一般数值积分法计算。 图2 - 9 差分法计算直流电弧燃时间的程序框图 2 4 直流电弧熄灭时的过电压 为了减轻电弧对触头和灭弧室的烧损以及降低它们的温升，通常希望燃弧时间越 短越好。但是，由于电路中不可避免地总是存在一定的电感，当燃弧时间过短，亦即 电弧电流从某一起始值下降到零的速度过快时，电感中将产生很大的自感电势。它连 华中科技大学硕士学位论文 同电源电势一起加在弧隙两端以及与之相连的线路和电气设备上，其电压可能比电源 电压大好多倍，通常称之为过电压。过电压产生后，一方面可能击穿弧隙，使电弧继 续燃烧；另一方面，可能将电气设备的绝缘击穿，引起破坏性事故。所以在直流电路 中，如没有采取措施限制过电压的数值，则不可以过分减少燃缴时间。 过电压u 。的计算方法如下：仍以图2 4 为例，由式( 2 1 1 ) ，加在弧隙两端的过 电压 吁u h - - - - e r & - l 警 ( 2 - 1 5 ) 通常在i h 趋近于零时u h 最高，亦即此时过电压最大，所以u 。的最大值可表示为 u = e l 警l ( 2 - 1 5 a ) 由此式可见： ( 1 ) 当其他条件不变时，l 越大，则u 。越大，因而一般需将电弧拉得越长才 越能熄灭； ( 2 ) 当电弧电流趋近于零时的下降速度越快，亦即弧隙的消电离作用越强，则 u 。越大。所以在未采取限制过电压措施时采用消电离作用过分强烈的灭弧方法， 非但无益，反而有害。 j ，v u ? 下 l 鄹 t 1 一 , 6 0 a i 刊 图2 1 0 开断电感性负载时，电弧电压和电弧电流的示波图 图2 - 1 0 表示开断电感性负载时弧隙两端电压u g 和i h 变化情况的示波图。由图可 见，i h 在o 0 1 2 s 时间内下降到零，u g 在l h 过零时升到最高值4 6 0 v ，约为电源电压( 1 2 0 v ) 华中科技大学硕士学位论文 的4 倍。 在弧隙的消电离作用过分强烈的情况下，甚至可能发生电弧电流小到某一数值 时，由于弧隙中电离气体被强行吹走、电弧电流被强行截断的情况。因为流过l 的电 流不可能突然停止，于是原来流过弧隙的电流便转而流入与弧隙并联的电容c ( 参看 图2 - 4 ) ，电容器充电使其电压升高。当l 中电流等于零时，c 上的电压u 。亦即弧隙 两端电压u g 达到最大值u g 。然后，c 再对l 和电源放电，经几次衰减振荡之后， 最后弧隙两端电压稳定在电源电势的数值。u 。或u 。的的变化过程如图2 一1 1 所示。设 电流被截断时的瞬时值为i o ，此时弧隙两端的电压为u o ，则按能量平衡原理，可以得 出 昙c 【，；。= 昙c u ；一= j 1l i 。2 + 丢c u ； ( 2 1 6 ) 式中u 。u 。；一弧两端、电容c 上电压的峰值。 于是，在最不利的情况下，弧隙两端的过电压峰值为 u = 考静“2u 2 、丢7 ；州。 u t 翻# u， ( 2 1 7 ) 图2 - 1 1电弧电流被强行截断时弧隙上电压的变化情况 为了防止开断电感性负载时产生太高的过电压，通常可采用如图2 1 2 所示的几 种限压措施。图2 - 1 2 a 为负载并联一串有整流器v 的电阻r b 。当开关闭合时，电阻 r 。中不流过电流。对这一线路的过电压计算方法如下： 设弧隙k 开断时电弧电流下降到i o 时被截断，则因此时负载电感中自感电势的 方向如图中带圈的正负号所示，它在l - r ：r b 。v - l 回路中产生电流i 。若不计v 的正向 压降，i 的变化过程可用下式描述 华中科技大学硕士学位论文 l 尝+ ( 尺+ ，= 。 ( 2 _ 1 8 ) 将此微分方程求解并代入起始条件：t = 0 时，i = i o ，则得 苎垒， ，= l o e 。( 2 1 9 ) 负载两端的电压 墨， u = i r b = r b ，o e ( 2 2 0 ) 当t = 0 时，得弧隙k 两端过电压的最大值为 u g 。= e + u 止。= e + r b l o ( 2 - 2 1 ) 由此式可见，选择适当的r b 数值，可以将过电压降低到所需的水平。这一方法 常用在低压开关电器中。 x瓢r b l b ， 图2 1 2 开断电感负载时的儿种限压措施 图2 - 1 2 b 表示另一种限制过电压的方法。开关电器有两个并联的弧隙：灭弧能力 较强的主弧隙k l 和灭弧能力较弱的辅助弧隙k 2 。开断电路时，k l 先分开，它熄弧后， 电流流经k 2 和并联r b ，然后k 2 再分开并熄弧。这样，一方面由于电路中串入了较大 的电阻，减小了电弧电流，亦即减少了储存在电感中的能量；另一方面，由于k 2 灭 弧能力较弱，不会使电流下降速度过快甚至截断，所以就防止了产生很高的过电压。 2 5 常用的灭弧装置 当电源电压超过数十伏，开关电流在数十安以上时，为减少电弧对触头的烧损和 限制飞弧距离，通常需要采取加强灭弧能力的措施，为此而采用的装置称为灭弧装置。 目前，已经设计了许多类型的灭弧装置以适应各种不同工作条件的需要。归纳起来， 这些灭装置的灭弧原理主要有下列几种娟 ： ( 1 ) 拉长电弧； 1 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 依靠磁场的作用，将电弧驱入用耐弧材料制成的狭缝中以加强电弧的冷却 和消电离； ( 3 ) 用金属栅片将电弧分隔成许多串联的短弧： ( 4 ) 提高灭弧室中的介质的压力； ( 5 ) 利用压缩空气或者s f 6 气体吹弧； ( 6 ) 利用石英砂等固体颗粒介质，限制电弧直径的扩展和加强冷却。 此外，作为提高灭弧装置开断能力的辅助方法，还可采用： ( 1 ) 在弧隙两端并联低值电阻； ( 2 ) 附加同步开断装置； ( 3 ) 附加晶闸管装置。 一个灭弧装置可以采用上述的某一个原理进行灭弧，但在大多数情况上，则是综 合采用几个原理，以增加灭弧效果。在具体开关电器中，究竟采用哪一种灭弧原理， 除必须满足开关电器的技术要求之外，还要考虑开关电器的体积、制造成本、使用寿 命和安装维修方便等各方面的因素。因此在高压和低压开关电器方面所采用的灭弧原 理不尽相同。以下介绍的几种常用的灭弧装置。 2 5 1 磁吹线圈 图2 - 1 3 a 表示某触头系统导电回路的原理布置图。当动触头2 向上运动与静触头 1 分离时，在左右两个弧隙中产生两个彼此串联的电弧。它们方面被切向拉长，一 方面受导电回路磁场产生的电动力作用，向两侧作法向运动，使电弧受到拉长和冷却； 有时，也可将作为触头支架的导体制成如图2 - 1 3 b 中的3 所示的所谓灭弧角的形状。 当触头分开产生电弧时，将在导电回路磁场产生的电动力作用之下，其弧根据迅速移 到灭弧角3 上燃烧。这样，不仅使弧迅速拉长，而且可以大大减少对触头的烧损。 蠡9 鼎 ) b ) 圈2 1 3 利用导电回路磁场产生的电动力拉长电弧 1 静触头2 动触头3 弧角 当需要更大的电动力驱使电弧进入灭弧室时，可以采用图2 一1 4 所示的磁吹线圈 华中科技大学硕士学位论文 以产生附加的磁场。图中磁吹线圈1 由几匝粗导体绕成，它在电路上与静触头7 相串 联。为了减小磁路的磁阻以增大穿过触头间隙的磁通，在磁吹线圈的中心装一铁心2 ， 铁心两端平行地固定着两块钢夹板5 ( 见图2 - 1 4 b ) ，动、静触头便安置在两钢夹板之 间。当触头处于闭合状态并流过电流时，磁吹线圈在钢夹板之间产生磁通，其方向如 图2 - 1 4 b 中虚线箭头所示。当动、触头分开并产生电弧4 时，由于钢夹板中磁通方向 与电弧的轴线垂直，电弧就在电动力作用下向上运动( 在图2 - 1 4 b 中是垂直于纸面向 上运动) 并转移到引弧角上燃烧和熄灭。 磁吹线圈可用于低压直流和交流接触器中。在后者的情况下，为了减少涡流损耗 和避免由于钢夹板中磁通与电弧电流相位不同而产生反向电动力，铁心2 上可开一槽 8 ( 如图2 1 4 中的8 所示) 或者用硅钢片叠成。 在这种磁吹线圈与电路串联的联接方式中，当铁心不饱和时，弧隙中的磁通b 与 开断电流i 。( 亦即电弧电流l h ) 成正比。于是作用在单位弧长上的电动力为 f 4 = b i h = k i ： ( 2 2 2 ) 式中k 一比例系数。 ，b ) 图2 1 4 磁吹线圈的结构和丁作原理 l 一磁吹线圈2 - 铁心3 - gl 弧角4 电弧5 - 磁性夹板6 - 动触头7 - 静触头8 槽 在这一情况下，如果磁吹线圈在开断大电流时产生的磁场适当，则在开断小电流 时将因电动力过小而引起吹弧困难。当然，也可以设计成磁吹线圈在开断小电流时产 生的磁场适当。但这样做，一方面将使磁吹线圈的匝数增加，增大了线圈的体积和有 色金属的用量；另一方面将使开断大电流时产生的磁场过强，过强的磁场，不仅会使 燃弧区扩展过大和容易产生不能允许的过电压，而且因为在触头刚分瞬间，触头间形 成的熔化金属桥可能被过大的电动力驱赶到接触区以外去，使得触头的电磨损大大增 加。为了缓和上述矛盾，可以通过适当选择磁吹线圈的匝数以及铁心和钢夹板的截面 1 6 华中科技大学硕士学位论文 积，使得开断小电流时磁场加强，在开断大电流时，则由于磁路饱和而磁场不致过强。 这祥，电孤受到静电动力便不辫陡开断电流成平方倍数辘增加。 2 5 2 纵缝灭弧装量 这种灭弧装置的工作原理，是利用设置的磁场将电弧驱入用耐弧绝缘材料( 石棉、 水泥、陶土等) 制成的具有纵缝的灭弧室中进行灭弧。它既可用于熄灭直流电弧，也 可用于熄灭交流电弧。所谓纵缝，就是灭弧室的缝隙方向与电弧的轴线平行。按照缝 隙的尺寸和形式，它们又分为两种，如图2 1 5 示。图2 - 1 5 a 表示一单纵缝灭弧装置的 原理结构。图中l 为用耐弧绝缘材料制成的灭弧室壁，2 为磁吹线圈的钢夹板，3 为 电弧。通常上部缝宽小于需熄灭的电弧的直径。当开断电流时，电弧3 在磁吹线圈产 生的磁场作用下被驱入上部窄缝中，与缝壁紧密接触，弧柱受到强烈冷却和消电离， 电弧电压迅速上升因而熄灭。图2 1 6 表示在不同缝宽、不同电弧横向运动速度下， 诩稀 鳓蚴 图2 1 5 纵缝灭弧装置的原理结构图2 1 6 纵缝灭弧装置中弧柱电场强度e a ) 单纵缝b ) 多纵缝流和电弧电流，。的关系 1 一灭弧室壁2 一钢夹板3 一电弧隔板缝宽：a - - l m mb - - 2 m m c - - 4 m m 4 一绝缘隔板 虚线一自由燃弧； 电弧运动速度：1 2 0 0 m s2 - 1 5 0 m s 3 1 0 0 m s4 - - 5 0 m s5 一o r l l ，s 弧柱电场强度e ( 单位为v c m ) 和电弧电流i h 的关系，其数值关系为 e = 7 + 鲁+ 芸 1 - e - 。 。2 1 h 5 - 2 1 3 】+ 等 1 _ e - 0 0 1 盯】 江2 3 ) 式中6 一缝宽，单位为m m ； v 一电弧横向运动速度，单位为m s i h 一电弧电流，单位为a 。 华中科技大学硕士学位论史 由图2 1 6 可见，在电流较大时，纵缝灭弧装置中的电弧伏安特性随电弧电流增 加而下降的程度，比自由燃弧时的伏一安特性下降程度要缓得多，在很大电流时，甚 至可以认为e 等于常数。并且，随着缝宽的减小和电弧横向运动速度的提高，电弧的 伏安特性也升高，这就表明，灭弧能力也随之增强。 图2 - 1 5 b 表示多纵缝灭弧装置的构造。它和图2 - 1 5 a 基本相同，只是灭弧室内空 间用绝缘隔板4 分隔成几条平行的缝隙。开断电路时，电弧3 在磁吹线圈产生的磁 场作用下被驱入上部窄缝。如果电弧弧柱较粗，开始时可能被隔板分裂成平行的两 个电弧。但是，由于伏安特性下降的两并联电弧是不稳定的，也就是说，如果某一 电弧中电流较小，则其电弧电阻较大，这反过来又将引起流过它的电流减小直到它 被熄灭，因此，在熄弧过程后期，灭弧室实际上仍仅存在一个电弧。采用多纵缝可 以减小电弧进入上部窄缝的阻力，因而在驱动电弧运动的电磁力给定时，可以采用 比单纵缝灭弧室更小的缝隙。显然，这就使灭弧室壁对电弧的冷却和消电离作用更 加强烈。 图2 - 1 7 纵向曲缝灭弧装置的构造 图2 1 7 表示纵向曲缝( 亦称迷宫式) 灭弧装置的构造示意图。灭弧室由耐弧绝 缘材料制成，其内腔缝壁制成对凸凹相间的齿状，上下齿相互错开，同时，在电弧 进入处齿长较短，愈往深处，齿长愈长。当电弧受外加磁场作用，从灭弧室下部进 入，逐步向上运动的过程中，由于受到缝壁上下齿的排挤，它不仅与缝壁的接触面 积越来越大，而且长度也越来越长。这就大大加强了弧柱的冷却和消电离作用，显 著提高电弧的伏一安特性，因而具有很强的灭弧效果。但是，也正因缝隙越往深处越 小，电弧在缝内运动时受到的气动阻力越来越大。为了维持电弧在缝内有一定的运 动速度，以保证缝壁对电弧的冷却作用和使缝壁不致被弧柱的高温烧坏，必须供给 足够大的外加磁场。 华中科技大学硕士学位论文 2 5 3 绝缘栅片灭弧装置 为了进一步加强熄弧，我们还可以增加绝缘栅片灭弧装置如图2 1 8 所示。灭弧 室1 中装有用耐弧绝缘材料制成的几片绝缘栅片2 ，栅片的边缘和电弧3 的轴线垂 直。当开断电波时，在触头4 和5 之间产生的电弧在导电回路的磁场作用下向上运 动，由于受到绝缘栅片的阻挡，