第五章开关电器典型灭弧装置的工作原理..ppt

LOGO 教学目的与要求 掌握在当今开关电器中所使用的灭弧装置的灭弧原理 熟悉提高灭弧装置开断能力的辅助方法 教学重点与难点 金属栅片灭弧装置 真空灭弧装置 SF6灭弧装置 石英砂灭弧装置 第五章开关电器典型灭弧装置的工作原理 第五章 LOGO 本章教学基本内容 其中红色内容是重点 1 开关电器典型灭弧装置的工作2 提高灭弧装置开断能力的的灭弧辅助方法 并联低值电阻 附加同步装置 附加机械与半导体混合式开关 通过本章的学习 学生掌握当今开关电器中所使用的灭弧装置的灭弧原理 熟悉提高灭弧装置开断能力的辅助方法 便于在以后的工程实践中灵活运用 第五章开关电器典型灭弧装置的工作原理 第五章 LOGO 3 5 0概述 5 1开关电器典型灭弧装置的工作原理 5 2提高灭弧装置开断能力的辅助方法小结 基本内容 第五章开关电器典型灭弧装置的工作原理 第五章 当电源电压超过数十伏 开断电流在数十安以上时 为减少电弧对触头的烧损和限制电弧扩展的空间 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 这些灭弧装置主要有下列十几种 1 简单开断 2 磁吹灭弧装置 3 纵缝灭弧装置 4 绝缘栅片灭弧装置 5 金属栅片灭弧装置 6 固体产气灭弧装置 7 石英砂灭弧装置 8 变压器油灭弧装置 9 压缩空气灭弧装置 10 SF6灭弧装置 11 真空灭弧装置 概述 5 0概述 LOGO 5 此外 为了增加灭弧装置的开断能力 通常可以采用下列辅助方法 1 在弧隙两瑞并联电阻 2 附加同步开断装置 3 附加机械与半导体混合式开关 概述 第五章 1 灭弧装置的灭弧原理主要有 1 在大气中依靠触头分开时的机械拉长 使电弧增大 2 利用流过导电回路或特制线圈的电流在燃弧区产生磁场 使电弧迅速移动和拉长 3 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 4 用金属板将电弧分隔成许多串联的短弧 5 在封闭的灭弧室中 利用电弧自身能量分解固体材料 产生气体 以提高灭弧室中的压力 或者利用产生的气体进行吹弧 6 利用电弧自身能量 使变压器油分解成含有大量氢气的气体并建立起很高的压力 再利用此压力推动冷油和气体去吹弧 7 利用压缩空气吹弧 8 利用SF6气体吹弧 9 在高真空中开断触头 利用弧隙中由电极金属蒸汽形成的弧柱在电流过零时迅速扩散的原理进行灭弧 10 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 概述 LOGO 一个灭弧装置可以采用上述某一个原理进行灭弧 但是大多数情况下则综合采用几个原理 以增大灭弧效果 采取哪些灭弧原理决定于 满足所需开断的电流和电器工作的电压考虑电器的体积 制造成本 使用寿命和安装维修方便高压电器和低压电器所采用的灭弧原理不尽相同 概述 第五章 5 1开关电器典型灭弧装置的工作原理 一 简单开断 拉长电弧 依靠在大气中分开触头以拉长电弧进行灭弧的方法叫做简单开断 1 原理 电弧放长后 电弧电压就增大 其静态伏 安特性向上移动 根据直流灭弧条件 当电弧的静态伏 安特性高于电源电压与电路电阻上的电压降之差以后 电弧就要熄灭 5 1开关电器典型灭弧装置的工作原理 依靠拉长电弧使之恰好熄灭的最短长度 称为临界长度 记为Llj 当触头分开速度在1 10m s范围内 其计算公式为 式中K 常数 当电源电压为500V时 K 0 75 250V时 K 0 15 开断电流的起始值 有效值 单位为A 开断交流电路时 由于交流电流自身过零的作用 电弧临界长度要比开断相同直流的直流电弧的临界长度为小 LOGO 2 图解 如下图示 除依靠触头分开拉长电弧以外 还可依靠导电回路的电流产生的磁场使电弧弯曲来拉长电弧 前者沿电弧的轴向 亦称切向 拉长电弧 后者是沿着垂直于弧轴的方向 亦称法向 拉长电弧 第五章 3 示例 例一 刀开关拉长电弧 刀开关拉长电弧同时利用触头分开运动和导电回路产生磁场拉长电弧的情况 例二 利用流过导电回路的特制线圈的电流在燃弧期间产生磁场 使电弧迅速移动和拉长 当动静触头分开时 形成两个彼此串联的电弧 他们一方面被拉长 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 图b 还增加了引弧角 当触头分开差生电弧时 将在导电回路磁场中产生电动力作用下 其弧根迅速移到燃弧角3上燃烧 不仅使电弧迅速拉长 还大大减少对触头的烧损 二 磁吹线圈 1 结构 1为磁吹线圈由粗导体绕成 与静触头7相连 2为铁心可减小磁阻以增大穿过触头间隙的磁通 铁心两端平行固定两块钢夹板5 动静触头放在两块钢夹板之间 2 原理 触头闭合时 磁吹线圈在钢夹板之间产生的磁通 如图所示 当触头分开产生电弧4时 产生电动力使电弧向上运动 方向为垂直纸面向上 并转移到引弧角上燃烧和熄灭 可用于低压直流和交流接触器中 对后者 为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上可开一槽或者用硅钢片叠成 当铁心不饱和时 弧隙中的磁通与开断电流成正比 如果磁吹线圈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 通过设计也能使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 增大了线圈体积和多用有色金属 另一方面将使开断大电流时产生的磁场过强 使得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 使得触头的电磨损大大增加 解决办法 适当选择磁吹线圈的匝数以及铁心和钢夹板的截面积 使得开断小电流时磁场加强 开断大电流时则由于磁路饱和不致过强 三 纵缝灭弧装置所谓纵缝就是灭弧室的缝隙方向与电弧的轴线平行 灭弧装置的工作原理 利用磁吹线圈产生的磁场将电弧驱入耐弧绝缘材料 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 5 1开关电器典型灭弧装置的工作原理 LOGO 按缝隙的尺寸和形式 它们又分两种 如图5 5所示 图5 5a表示一单纵缝灭弧装置的原理结构 图中 1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 通常上部缝宽小于熄灭电弧的直径 第五章 5 1开关电器典型灭弧装置的工作原理 由图5 6可见 当电流增大 横坐标向右 时 纵缝灭弧装置中电弧的 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 安特性 下降程度要缓得多 特别当电流很大时 E可以认为是常数 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 也将升高 这表明灭弧能力也随之增强 图5 6b表示多纵缝灭弧装置的构造 采用多纵缝可以减小电弧进入上部窄缝的阻力 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 这使灭弧空壁对电弧的冷却和消电离作用更强 多纵缝灭弧装置广泛用于低压接触器中 四 绝缘栅片灭弧装置灭弧装置如图5 8所示 其中 灭弧室l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 当开断电流时 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 LOGO 21 当磁场的方向为垂直于纸面向里时 电弧AB BC和CD段所受的电动力都使电弧压向绝缘栅片顶部 增大与栅片表面的接触面积 从而加强了电弧的冷却和消电离作用 而DE段所受的电动力使电弧向上拉长 更加深入栅片间隙和增加电弧与绝缘栅片的接被面积 由于受到绝缘栅片的阻挡 电弧弯曲成如图5 9中A G曲线所示的形状 B 5 1开关电器典型灭弧装置的工作原理 第五章 除此以外 电弧AB段和CD段相互作用产生一相吸电动力 CD段和EF段相互作用产生一相斥电动力 使AB CD和EF段压向绝缘栅片 CD段和EF段对DE段相互作用也产生一相斥电动力 使DE段向上运动 这种灭弧装置充分利用了电弧自身磁场产生的电动力 五 金属栅片 又称去离子栅 灭弧装置 这种灭弧装置的原理构造如图5 10a所示 灭弧室1内部有许多由厚度为2 3mm钢板冲成的横向栅片2 栅片外表面镀铜以增大传热能力和防止钢片生锈 每一栅片冲有三角形的缺口 栅片缺口错开的作用为减少电弧初始碰到的栅片数 从而减少进入的阻力 在电弧进入栅片之后 电弧电压变为 通常l 与l差别不大 当n数值较大时 所以电弧电压且与电弧电流几乎无关 金属栅片灭弧装置既能用于熄灭直流电弧 也能用于熄灭交流电弧 熄灭直流电弧条件 UN 为被开断电路的电源电压U0 阴极和阳极压降之和 当熄灭交流电弧时 金属栅片灭弧装置不仅在电流过零前由于电弧电压升高 可以减小电弧电流的幅值 减小电弧电流与电源电压的相角差 从而降低电流过零时的工频恢复电压瞬时值 而且在电流过零后 由于每一短弧都有一近阴极效应引起的介质初始恢复强度Ujfo n个短弧就有n个Ujfo 从而提高了弧隙总的介质恢复强度特性 使交流电弧易于熄灭 5 1开关电器典型灭弧装置的工作原理 图5 11表示厚为2mm 片距5mm的平板形栅片的灭弧装置开断350A电流时 介质初始恢复强度Ujf0和Kjf与n变化的关系是不成比例 其原因是电弧进入栅片分成很多短弧后 它们在灭弧室中的运动速度不同 运动方向也不同 金属栅片灭弧装置广泛用于低压开关电器中 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 因此 这种灭弧装置不适用于过分频繁操作的场所 六 固体产气灭弧装置某些固体绝缘材料如钢纸 亦称反白 有机玻璃等 在电弧的高温作用下能迅速气化 产生大量主要成分为氢及其化合物的气体 利用这些材料的产气性质进行灭弧的灭弧装置称为固体产气灭弧装置 图5 13是利用串联短弧和高气压两种方式灭弧 其中 钢纸管4在电弧的高温作用下分解 产生气体 使压力提高 如图5 14所示 灭弧期间管内的压力可达4 8MPa 31 图5 15是利用产气原理提高气压 再利用气压进行灭弧的高压跌落式熔断器熔管的原理结构图 当短路电流通过时 熔丝3被熔断产生电弧 于是弹簧6长度缩短 电弧被迅速拉长 同时 电弧的高温使钢纸分解产生大量的气体 管内压力迅速升高 这一压力推动软线5加速向右运动 从而也加速电弧的拉长和压力的升高 当软线5被推出钢纸管8以后 管内的高压气体向外冲出 进行纵向吹弧 使电弧熄灭 七 石英砂灭弧装置 利用石英砂限制弧柱的扩展并冷却电弧使之熄灭的装置 叫做石英砂灭弧装置 图中熔管1用瓷制成 2和3分别为端盖和接线板 34 当熔片4的狭颈熔断 气化形成几个串联的短弧后 这些短弧继续将熔片的狭颈部分气化 由于熔片气化后让出的空间很小 每一短弧都相当于在石英砂包围的狭缝中燃烧 它因为和石英砂紧密接触而受到强烈冷却 与此同时 由于熔片4的金属从固态变为气态后体积受局部石英砂的限制不能自由膨胀 于是在燃弧区形成很高的压力 此压力推动弧隙中电离气体迅速向石英砂缝隙中扩散 并在缝隙中受到冷却和消电离 这就大大加强了对弧隙的冷却作用 LOGO 35 石英砂熔断器釆用了多断口串联 提高弧隙中气压以加强电离气体的扩散作用 以及利用狭缝冷却电弧共三种灭弧原理 所以它的灭弧能力强 限流作用非常显著 第五章 八 变压器油灭弧装置1 分类 1 自能吹弧灭弧装置 利用电弧自身的能量将油蒸发分解而成油气 提高灭弧室中的压力以驱动油或油气进行吹弧 2 外能吹弧灭弧装置 利用外界能量 通常是储存在弹簧中的能量 推动活塞 提高灭弧室中的压力以驱动油或油气进行灭弧 3 混合吹弧灭弧装置 兼用上述两种能量 提高灭弧室中的压力以驱动油或油气进行吹弧 第一种结构简单 已获广泛应用 37 2 即使在油中简单地位长电弧 其灭弧能力也比在大气中拉长电弧高得多 这是因为 1 油气的主要成分是氢 它在所有气体中具有最高的导热系数和最小的粘度 这就使弧柱的热量容易散发 2 在电弧的高温作用下 油的气化和分解过程非常剧烈 油气形成后由于受到周围冷油的阻碍 体积不能迅速膨胀 因而气泡中压力很高 通常可达 0 5 1 MP 3 在熄灭交流电弧过程中 当电流增大时 电弧的功率增大 油气的形成加剧 气泡中油气温度增高和压力上升 在压力较高的情况下 气泡壁处油的沸点升高 处于过热状态 当电流减小特别是过零附近时 由于电弧功率减小 油气产生的速度下降 但气泡在压力作用下仍继续膨胀 结果引起气泡中油气的温度和压力迅速降低 此时气泡壁处油的沸点下降 处于过热状态的油猛烈气化 由于气泡壁各处油的气化速度不一致 在气泡内就形成了压力差 此压力差促使油气产生混乱的运动 使刚刚形成的温度较低的油气进入弧柱中 加强了弧柱的冷却 4 在某些情况下 还可利用被开断电流产生的电动力使电弧弯曲和靠近气泡壁 加强对弧柱的冷却作用 按照油或油气与电弧作用的方式 自能吹弧灭弧装置又可分为横吹 纵吹 纵横吹和环吹四种 开断电流越大 则单位时间内产生的气体越多 灭弧室内压力越高 吹弧力量越强 于是燃弧时间越短 当开断较小电流时 灭弧室内压力低 吹弧力量减弱 燃弧时间增长 实际上没有吹弧作用 即相当于在油中简单开断 由图可见 燃弧时间有一最大值 相应于最大燃弧时间的电流称为临界电流Ilj 其数值视灭弧装置的具体结构而异 一般为几十安到上千安 自能吹弧灭弧装置的极限开断电流Ilx主要决定于灭弧室的机械强度 九 压缩空气灭弧方式 在开断电路对 将预先储备好的压缩空气用管道引向燃弧区 利用压缩空气猛烈吹弧和提高燃弧区的压力 使电弧熄灭的装置叫做压缩空气灭弧装置 按照气流吹弧的方向分横吹式和纵吹式两类 横吹式缺点较多 已淘汰 现主要介绍纵吹式 按照触头的结构 纵吹式灭弧装置可分为三类 两个触头都是棒状的 图5 20a 两个触头都是管状的 图5 20b 一个触头都是棒状的 一个触头都是管状的 图5 20c d 压缩空气灭弧装置的极限开断电流与喷口截面积 触头开距 压缩空气的气压等因素有关 十 SF6灭弧装置 SF6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 60 加温到150 都不易与其他物质起化学反应 到500 时仍不能自行分解 它的密度是空气的5倍 常温时的传热能力 包括对流在内 为空气的1 6倍 它具有很高的绝缘性能 图5 22表示在相同条件下 SF6 变压器油和氢气的击穿电压随压力的变化情况 由图可知 SF6的击穿电压在压力为0 1MPa时约为氮气的5 6倍 当压力为0 16MP时已与变压器油相等 由试验得知 这在相同的压力下 SF6的击穿电压为压缩空气的2 3倍 所以 采用SF6作为绝缘介质可以大大减小绝缘间隙的尺寸和缩小电器的体积 SF6另一突出优点是它只有很强的灭弧能力 主要原因有三条 SF6在高温时形成由硫 氟的原子 正离子和电子构成的等离子体 与一般灭弧介质相比 这一等离子体在弧温下具有较高的电离度 因而在同样电流时 电弧电压较低 这就使燃弧时弧隙中产生的热量较少 不需要大的介质吹弧速度便可使弧隙得到足够的冷却作用 图5 23表示在相同条件下 在氮气中和在SF6中弧柱温度T延其半径rh分布情况 由图可知 后者直径远比前者小 由于弧柱细 含热量少 因而电弧时间常数也大大减小 时间常数小表明弧隙的介质恢复速度上升较快 这就使SF6灭弧装置能承受很高的恢复电压上升速度 SF6分子和它分解而成的氟原子在高温时有一特异的性质 即他们对电子有很大的亲和力 当电子和它们接近时 便受到它们的吸附作用而粘在一起构成负离子 负离子的质量为电子的几千倍 他们在电场中移动缓慢 不易产生电场电离 弧隙失去一部分活动性强的电子后 产生电场电离和热电离的可能性大大降低 这就提高了介质恢复强度上升的速度 SF6主要缺点 SF6容易液化 当 40 时 工作压力不得大于0 35MP 30 时 工作压力不得大于0 5MP 在不均匀电场中击穿电压下降很多 十一 真空灭弧装置 介质击穿必须通过电子碰撞气体粒子使之电离 电场电离 以产生更多的电子才能进行 而交流电弧电流过零后是否重燃 也取决于此时弧隙中带电粒子和中性粒子的密度 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 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 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 图5 29是带圆柱状触头真空灭弧装置的原理结构图 它的开断能力在10kV时 不超过6 7kA 它的开断能力在10kV时 可开断40kA以上的电流 图5 30是带螺旋槽的磁吹触头真空灭弧装置的原理结构图 它的开断能力在10kV时 可开断200kA的电流 图5 31是带纵向磁场线圈的真空灭弧装置的原理结构图 5 2提高灭弧装置开断能力的辅助方法 一 并联电阻帮助灭弧电路 图5 33是图5 32的简化图 并联电阻有助于灭弧 二 附加同步开断装置由于交流电流每秒要通过零点2f f是电源频率 次 如果我们能使开关电器的触头在电流过零瞬时分开 并以极高的速度拉开到足以承受恢复电压而不发生间隙击穿的距离 则此时弧隙中将不产生电弧 也不存在所谓热击穿阶段 同时 由于弧隙是未电离的 只需较小的极间距离 就可承受较高的恢复电压 这种开断电路的方法叫做同步开断 而相应的开关电器叫做同步开关开关 由上述可见 这种理想的同步开关可以无需采用灭弧装置 然而 事实上 实现这一方案非常困难 其原因主要是 1 技术上还不能保证开关电器的触头稳定地每次恰在电流过零时分开 2 还没有比较简