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电弧基本理论 电弧是一种气体游离放电现象 三部分组成 阴极区 阳极区和弧柱区能量集中 温度很高 亮度很强电弧的气体放电是自持放电 维持电弧稳定燃烧的电压很低电弧是一束游离的气体 质量极轻 容易变形 在气体或液体的流动作用下 或在电动力的作用下 电弧能迅速移动 伸长或弯曲 一 电弧的产生 维持及物理过程触头的周围原本是空气或它绝缘介质 为什么在动静触头分离瞬间会变成导电的电弧呢 原因就在于在绝缘介质中出现了大量的自由电子 大量自由电子由阴极向阳极的定向运动形成了电弧 一 电弧的产生 维持及物理过程1 弧柱中自由电子的来源A 电极发射大量自由电子 对电弧的产生起决定作用 热电子的发射 动静触头分离时 触头间接触电阻增大 接触处大量发热 使阴极表面温度升高而发射电子 其数量取决于触头材料和表面温度 冷电子发射 强电场发射 动静触头分离时 触头间的间隙很小 触头间会形成很高的电场强度 将阴极触头金属表面中的自由电子从中拉出来 其数量取决于电场强度的大小 B 弧柱区的气体游离 产生大量的自由电子和离子 对电弧的形成和维持起决定作用 游离是指中性质点变成自由电子和正离子的过程电场游离 碰撞游离 形成 在电场作用下 电子加速向阳极运动 途中与介质中的中性质点发生碰撞 若自由电子具有足够动能 能与中性质点产生碰撞游离 使其游离为正离子和自由电子 这样的过程连续进行导致雪崩式碰撞 使触头间充满了自由电子 在外加电压作用下形成电子流 介质被击穿而形成电弧 热游离 维持 电弧形成后 触头间电压立刻降低 但弧柱的温度很高 处于高温下的介质分子和原子产生剧烈运动 不断发生碰撞 也会游离出自由电子和离子 这就是热游离过程 可以维持电弧的燃烧 一 电弧的产生 维持及物理过程2 电弧的形成过程总结阴极在强电场作用下发射电子 发射的电子在触头电压作用下产生碰撞游离 就形成了电弧 在高温作用下 阴极产生热发射 并在介质中发生热游离 使电弧维持和发展 这就是电弧形成的过程 一 电弧的产生 维持及物理过程3 去游离过程 带电质点减少 在电弧中 发生游离过程的同时还进行着使带电质点减少的去游离过程 游离过程 去游离过程 电弧电流增大 炽热燃烧游离过程 去游离过程 电弧电流不变 稳定燃烧游离过程 去游离过程 电弧电流减小 最终熄灭因此 要想使电弧熄灭 就必须设法加强去游离过程 使其大于游离过程 一 电弧的产生 维持及物理过程3 去游离过程A 复合去游离 带电质点的电荷彼此中和的现象 电子碰撞中性质点 速度慢的负离子与正离子中和B 扩散去游离 弧柱中的自由电子和正离子由于热运动而从弧柱内部逸出进入周围冷介质的现象 浓度扩散 温度扩散 二 熄灭交流电弧的过程交流电弧的特性 动态伏安特性 二 熄灭交流电弧的过程交流电弧的特性 过零时自然熄灭随着正弦交流电流的周期性变化 交流电弧电流也将随之每半周过零一次 电弧电压 电流波形 在电弧电流自然过零时 电弧向弧隙输送能量减少 电弧温度和热游离下降 电弧将自动暂时熄灭 二 熄灭交流电弧的过程决定交流电弧熄灭的基本因素是 弧隙介质强度的恢复过程 和 弧隙电压的恢复过程 弧隙介质强度的恢复过程 绝缘能力恢复过程电弧电流过零时 输入弧隙的能量减少 弧隙温度剧降 因而弧隙游离程度也下降 当弧隙温度降低到热游离基本停止时 弧隙重新转变为介质状态 但是弧隙的绝缘能力或称介质强度 以弧隙能耐受的电压表示 要恢复到正常状态仍需要一定时间 此称为 弧隙介质强度的恢复过程 以耐受电压Ud t 表示 二 熄灭交流电弧的过程决定交流电弧熄灭的基本因素是 弧隙介质强度的恢复过程 和 弧隙电压的恢复过程 弧隙电压的恢复过程电弧电流过零后 弧隙电压将由熄弧电压经过一个由电路参数所决定的振荡过程 逐渐恢复到电源电压 此称为 弧隙电压的恢复过程 以弧隙电压Ur t 表示 二 熄灭交流电弧的物理过程因此 在电弧电流过零后 存在着两个相互联系的对立过程 在恢复过程中 如果恢复电压Ur t 高于介质强度Ud t 弧隙被电击穿 电弧重燃 如果恢复电压低于介质强度 电弧就会真正熄灭 交流电弧熄灭的条件 Ud t Ur t 介质强度和弧隙电压的恢复过程图示 a t1时刻发生 b 电弧熄灭 c 电弧熄灭击穿 电弧重燃 弧隙介质强度的恢复过程介质强度的恢复过程与下列因素有关 电弧电流的大小 电弧温度 弧隙的冷却条件 灭弧装置的结构 灭弧介质的特性 SF6气体和真空介质 触头分离的速度 电阻 近阴极效应 交流低压电器常利用近阴极效应来灭弧150 250伏的起始介质强度 0 1微秒 1微秒 在电流过零后在阴极附近的薄层空间介质强度突然升高的现象 弧隙电压的恢复过程弧隙电压的恢复过程与线路参数和负荷性质有关 弧隙电压的恢复过程可能是周期性或非周期性的 周期性振荡过程非周期性过程 弧隙电压的恢复过程分析 毫秒内的变化 单相交流电路的电压恢复过程电容电压的恢复过程即为断路器触头两端的电压恢复过程 恢复电压 瞬变恢复电压和工频恢复电压组成瞬变恢复电压 首先出现存在几十微秒至几毫秒暂态分量工频恢复电压 恢复电压稳态值 高压断路器熄灭电弧的基本方法 1 采用特殊金属材料作灭弧触头电弧中的去游离强度很大程度上取决于觚头材料 若采用熔点高 导热系数和热容量大的耐高温金属作触头材料 可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸气 抑制游离作用 同时 触头材料还要求有较高的抗电弧 抗熔焊能力 常用的触头材料有 铜钨合金 银钨合金 2 利用灭弧介质电弧中的去游离强度很大程度上取决于电弧周围介质的特性 如介质的传热能力 介电强度 热游离温度和热容量等 这些参数的数值越大 则去游离作用越强 电弧就越容易熄灭 常用的灭弧介质有 空气 油 变压器油或断路器油 SF6 真空 3 利用气体或油吹动电弧电弧在气流或油流中被强烈地冷却而使复合加强 吹弧也有利于带电离子的扩散 在高压断路器中利用各种结构形式的灭弧室 使气体或油产生巨大的压力并有力地吹向电弧 使电弧熄灭 吹动的方式有 纵吹和横吹纵吹 吹动方向与弧柱轴线平行 主要使电弧冷却变细 最后熄灭 横吹 吹动方向与弧柱轴线垂直 主要把电弧拉长 表面积增大并加强冷却 4 利用多断口灭弧高压断路器常制成每相有两个或更多个串联的断口 如图为双断口的灭弧方式 采用多断口是把电弧分割成很多小电弧段 在相等的触头行程下 多断口比单断口的电弧拉长了 从而增大了弧隙电阻 而且电弧被拉长的速度 即触头分离速度 也增加 加速了弧隙电阻的增大 同时 也增大了介质强度的恢复速度 由于加在每个断口的电压更低 使弧隙的恢复电压降低 因此灭弧性能更好 4 利用多断口灭弧采用多断口的结构后 每一个断口在开断位置的电压分配和开断过程中的恢复电压分配出现了不均匀现象 如图为单相断路器在开断接地故障后的电路图 U 电源电压U1 U2 两个断口的电压Cd 断口的等效电容C0 底座对地等效电容 4 利用多断口灭弧则断口电压分布的计算可按下图进行 可见 U1 U2两个断口上的电压相差很大 第一个断口的工作条件比第二个断口要严重 4 利用多断口灭弧为了充分发挥每个灭弧室的作用 应该使两个断口的工作条件接近相等 通常在每个断口并联一个比Cd和C0都大得多的电容C 2500pf 称为 均压电容 可见U1 U2 电压平均分布在两个断口上 每个断口工作条件基本上一致 5 拉长电弧并增大断路器触头的分离速度迅速拉长电弧 可使弧隙的电场强度骤降 同时 使弧隙的表面积突然增大 有利于电弧的冷却和带电质点向周围介质扩散 使热游离作用减弱 加强了离子的复合速度 从而加速电弧的熄灭 为此 在高压断路器中都装有强有力的断路弹簧 以加快触头的分离速度 如 真空断路器的开断速度很快 半周波断路器 5 拉长电弧并增大断路器触头的分离速度断路器分闸速度的快慢通常由断路器全开断时间来衡量 它包括断路器固有动作时间和燃弧时间两部分 当全开断时间 0 12s 称为低速断路器 0 08s 称为快速断路器0 08s 0 12s 称为中速断路器 6 短弧原理灭弧利用一个金属灭弧栅将电弧分为多个短弧 利用近阴极效应的方法灭弧 常用于低压开关电器中 如自动开关和电磁接触器等 7 利用固体介质的狭缝灭弧将电弧拉入灭弧片的狭缝中 灭弧片由石棉水泥或陶土材料制成 加强冷却 灭弧片结构有直