开关电器灭弧原理PPT课件

(1)第二章开关电器的灭弧原理，(2)第七节开关电器中电弧的产生和熄灭，(1)电弧现象和电弧特性，(1)电弧现象：当触点用电流断开电路时，触点之间产生强烈而刺眼的光。电弧是一种介质被分解的放电现象。2.其主要特点如下。(1)电弧是一种能量集中、温度高、亮度强的放电现象。(2)电弧分析可视为由阴极区、弧柱区和阳极区组成。(3)电弧是一种自持放电现象，即一旦电弧形成，维持电弧稳定燃烧所需的电压非常低。(4)电弧是一束自由气体，非常轻，容易变形。在外力的作用下(如气体和液体的流动或电动力的作用)，它会迅速移动、伸展或弯曲。(可视为特殊导电区域或元件)电弧温度极高。如果电弧长时间不熄灭，触点和触点之间的绝缘将被烧坏。如果电弧长时间不熄灭，延长中断时间将危及电力系统的安全运行。结论：切断电路时，必须尽快熄灭电弧。(2)电弧的产生和维持(1)电弧的形成：电弧的产生主要是触头之间产生大量自由电子的结果。自由：在一定条件下，中性粒子被分为正离子和电子自由：在一定条件下，离子和电子被还原为中性粒子。5，阴极发射(场致和热致)电子(原因)电子高速运动碰撞和自由(重要因素)击穿(从量变到质变)电流大幅增加热效应、光学效应热自由(主要因素)维护和发展(1)阴极在强电场下发射电子：接触瞬间分离。接触点之间将形成强电场强度e(e=u/d)2)高温下将产生阴极热离子发射；在分离过程中；接触电阻接触点之间的温度导体中的电子能量3碰撞离解；由高速运动的电子作用(如图2-26所示)产生；将中性粒子释放成新的自由电子和正离子。这个解离过程被称为碰撞解离。6，热发射电子示意图，7，8，不要打我！多么强大的力量！我被打昏了！当具有足够动能的中性粒子相互碰撞时，自由电子和正离子可以解离。这种现象被称为热分解。(2)电弧的维持和发展：在电弧的高温下，一方面，阴极将继续产生热离子发射；另一方面，金属触点将在高温下熔化和蒸发，从而介质将与金属蒸汽混合，这将增加电弧间隙的传导性并在介质中产生热离解，从而维持和发展电弧。热分解足以维持电弧的燃烧。10，中性粒子，中性粒子，中性粒子，中性粒子，电子，正离子，电子，正离子，电子，中性粒子，正离子，11，3，电弧中去电离：复合和扩散1。复合去电离(1)定义：不同离子或正离子与自由电子相互吸引并成为中性粒子的现象，称为复合去电离。复合解离过程：通过中性粒子进行，即电子在运动过程中附着在中性粒子上形成负离子，然后质量和运动速度大致相等的正负离子复合成中性粒子。(3)加速复合和解离的方法：延长电弧会降低电场强度E，减慢电子运动速度，增加复合的可能性；(2)加强电弧冷却，降低电子热运动速度，有利于复合；(3)增加气体介质的压力可以增加带电粒子的密度，减少自由行程，有利于复合。12，电子，中性粒子，负离子，正离子，中性粒子，复合和复合去离子过程示意图，电子，13，2。扩散去离子(1)定义：自由电子和正离子的现象(2)扩散和去离子有三种形式：(1)浓度差形成扩散：由于电弧柱中带电粒子的浓度远高于周围介质，带电粒子扩散到周围介质，扩散速率与电弧直径成反比；(2)温差形成扩散：由于电弧柱的温度远高于周围介质的温度，带电粒子扩散到周围介质；(3)采用高速冷风吹弧增强扩散：吹弧可以拉长电弧，增加电弧表面带电粒子的浓度，带走电弧柱中的带电粒子。由于冷却，扩散的带电粒子复合成中性粒子。电弧熄灭：1。如果离解效应大于离解效应，电弧电流增加，电弧燃烧更剧烈。2.如果离解等于离解，电弧电流不会改变，电弧将稳定燃烧。3.如果解离效应小于去离子效应，电弧电流减小，电弧最终熄灭。4.电弧的熄灭，采取措施加强自由效应和削弱自由效应。(1)交流电弧的伏安特性是动态的。(电弧的温度、电阻和电压随时间变化。电弧温度的变化总是滞后于电流的变化，如图2-27 (a)所示。(2)电弧电压波形呈马鞍形变化。电弧电压大于熄灭电压。(3)如果电流每半周过零一次，电弧将暂时自动熄灭。结论：当电流过零时，应采取适当措施确保电弧间隙间介质的绝缘能力不会被施加在电弧间隙外的电压击穿，这样电弧就不会在循环的下半部分重燃和熄灭，从而断开电路。17、过零灭弧点、弧隙电阻作为动态电阻很好理解，18、5、交流灭弧条件提高弧隙介质强度(即弧隙绝缘容量或弧隙耐压强度)；Ud(t)施加于电弧间隙的电压增加(称为恢复电压)。电弧电流过零是熄灭电弧的有利时机，但能否熄灭取决于上述两方面竞争的结果。Ud(t) ur (t)，19，1。电弧间隙介质强度恢复过程当电弧电流过零时，电弧间隙介质的绝缘容量从初始介质强度开始逐渐增加，这称为电弧间隙介质强度恢复过程，用ud (t)表示。(1)近阴极效应：电流过零点(0.1-1秒)后，阴极附近薄层空间介质强度突然上升(150-250伏)的现象称为近阴极效应。近阴极效应广泛用于熄灭低压短电弧，对数万伏以上的高压断路器的灭弧影响很小(因为初始介质强度与施加到电弧间隙的高压相比微不足道)。起决定性作用的是弧柱区中等强度的恢复过程。)，20，减速场，加速场，电子数很小，场强不足以将电子从导体中拉出，t=0矩，21，(2)弧柱区介电强度的恢复过程。弧柱区介电强度的恢复过程与断路器灭弧装置的结构、介电特性、电弧电流、冷却条件、触头分离速度等因素有关。(1)不同介质强度的恢复过程曲线如图2-29所示。结论：不同介质的恢复速度不同(其他条件相同)；(2)弧隙温度和弧隙介质强度的恢复曲线如图2-30所示。结论：电弧电流越小，电弧温度越低，电弧冷却条件越好，电流过零时电弧温度下降越快，中等强度恢复过程越快。b、提高触头的分断速度，能迅速加长电弧，使其散热和扩散表面积迅速增加，自由强化，能提高介质强度的恢复速度。22、不同介质的初始介质强度，不同介质的最终介质强度。23，温度下降缓慢，因此中等强度恢复缓慢，中等强度恢复迅速。24岁，(2)影响弧隙电压恢复过程的因素：电路参数(L，C，R)负载特性(电阻，电感，电容)恢复过程的特征(过渡过程):可能是周期性变化的振荡过程，也可能是非周期性变化的非振荡过程，如图2-31所示。恢复电压的组成：如图2-32所示：瞬态恢复电压utr，即恢复电压的瞬时值，仅存在几十微秒至几毫秒；(2)工频恢复电压usr，即与电源电压波形一致且等于电源电压的电压，是恢复电压的稳态值。3.交流电弧的熄灭条件：Ud(t)Ur(t)(或两条曲线之间没有交点)。27，(微秒)，28，过零再击穿点，29，第8节弧隙电压恢复过程分析分析了弧隙电压恢复过程中电路参数的影响，进一步分析了如何从外部电路促进灭弧单相和单相交流电路的电压恢复过程，如图2-34 (a)所示。1.近似分析的几个条件如下：电源g为单相交流发电系统，其等效电路如图2-34 (a)所示，R、l、c为系统元件参数。(2) R为QF触点并联电阻(也可视为灭弧后的弧隙电阻)。短路时，QF和C并联，因此弧隙电压恢复过程ur与C两端的电压变化过程uc相同。(3)灭弧后，从灭弧电压到电源电压的过程非常短(数百微秒)；(4)电弧电流过零时的电源电压瞬时值为u0，在此过程中不变，取而代之的是DC电源。弧隙电压恢复过程ur(t)的计算：当DC电源突然接通由r、l和c组成的串联电路时，c两端的电压变化过程uc为等效电路，如图2-35所示。从图2-35可以看出，当q突然接通时，有(2-67) (2-68)个初始条件：当t=0时，UC=-ur0，i1=0。将等式(2-68)代入等式(2-67)并整理出等式(2-69)。该方程是一个常系数线性微分方程，其通解为(2-70)。32岁。讨论了当循环参数处于不同情况时，恢复过程是不同的(1)具有不同的负实根，并且存在：33，注：横轴坐标单位为微秒，恢复过程时间很短。34岁。当得出结论(在非周期电压恢复过程中)当电弧电流过零时，恢复电压的最大值不超过电源电压的瞬时值(小于或等于Um)，不会产生过电压。(2)R值越小，恢复电压(可以使用)的上升速度越慢。u0越大，上升速度越快(不可控，打开和关闭时间不确定).(35)。讨论：弧隙电压恢复过程是一个衰减的周期振荡过程。注意，=-1/2RC，36，电路中可能出现过压，(2，结论：1 .弧隙电压恢复过程是一个振荡恢复过程，恢复速度和幅度都与电路参数有关。过电压可能发生在系统中，并且增加电弧熄灭的困难的C和R值相对较小。从公式(2-80)可以看出，衰减快(=-1/2RC)，恢复速度慢。注意！这是最极端的情况，39，此时的电阻称为临界并联电阻：40，恢复过程曲线类似于图2-36。然而，这种情况接近振荡情况，所以它被称为危急情况。结论：当rrcr时，弧隙电压恢复过程是非周期性的；(rrcr是周期性的。3.以上分析表明：弧隙电压恢复过程仅取决于电路参数。(2)触点两端的并联电阻R可以改变恢复电压的特性，即影响恢复电压的幅度和恢复速度。rrcr)时，不同短路形式的工频恢复电压。41、2、3相交流电路因不同的运行方式和短路形式而不同，相应的电路参数和开通时的工频恢复电压u0也不同，直接影响到开通情况让U相成为第一个开放相。当U相电流过零时，电弧熄灭，V相和W相触点仍被电弧短路。从电路知识中可以得出：数值上，UU=紫外=UW=Uph，其中Uph是相电压，UU 0=1.5UPH (2-88)。第一次断相时的工频恢复电压是相电压的1.5倍，如图2-38 (b)所示。U相电流过零后，V相和W相短路电流同时过零，1/4周期后电弧同时熄灭。此时，Uvw的瞬时值达到最大值，V和W两相断口各承受一半的电压值，即。嘿。44岁。结论：熄灭断口电弧的关键是先断相(第一个断相断口的恢复电压最大)。(2)后续开相的起弧时间比第一开相长(0.005 s)，电弧能量较大，可能使触头烧坏、喷油、喷气等现象比第一开相更严重。(3)中性点直接接地系统的三相不接地短路情况同上。例如，对于110千伏高压断路器，第一次断相的恢复电压如下。工频恢复电压的有效值为1.5UPH=1.5110/ 3=95.26(千伏)。工频恢复电压的最大值为 295.26=134.72(千伏)。恢复电压的最大值(Km=1.5)为1.5134.72=202.08 (kV)。中性点直接接地系统中的三相接地短路不同于上述情况。此时，三个相位U、V和W分别穿过地球，并且每个相位不同时过零。将开关顺序设置为U、V、W。当系统的零序阻抗与正序阻抗之比不大于3时，有：4。当两相短路断开时，工频恢复电压为1.3Uph；当其他情况下两相短路被切断时，工频恢复电压为0.866Uph。总之：当第一开相打开时，断口上的工频恢复电压为：衰减振荡恢复过程中第一开相的最大可能值为：47，第9节熄灭交流电弧的基本方法1。熄灭交流电弧的基本方法：1 .减少电弧形成的可能性和尺寸：减少热离子发射、场致电子发射和金属蒸汽的产生。2.加强弧隙介质强度的恢复过程，加强弧隙的解离，抑制解离，降低弧隙恢复电压的幅值和恢复速度都可以促进电弧熄灭。其次，熄灭交流电弧的基本方法可以归纳如下。这是根本的办法！采用特殊金属材料作为灭弧触头，并尽可能采用先进的触头制造技术来降低接触电阻。减少热量和场电子发射，减少金属蒸汽和抑制离解。2.提高断路器触头的分离速度。在高压断路器中安装强力分断弹簧，加快触头的分离速度，迅速拉长电弧，使电弧间隙的电场强度直线下降，同时使电弧的表面积突然增大，这有利于电弧的冷却和带电粒子的扩散和复合，削弱解离，加强解离，从而加速电弧的熄灭。3.使用具有强灭弧能力的灭弧介质的电弧去离子强度在很大程度上取决于电弧周围介质的特性。以下灭弧介质广泛用于高压断路器。(1)变压器油：在高电弧温度的作用下，变压器油会分解大量的氢气和油蒸气来熄灭电弧。(2)压缩空气：分子密度高，颗粒自由行程小，能量不易积聚，不易解离。(3)sF6气体：sF6具有良好的电负性，其氟原子具有很强的吸附电子的能力，能够快速捕获自由电子并形成稳定的负离子，为复合创造有利条件，因而具有很强的灭弧能力，比空气强100倍。(4)真空：真空气体稀薄，电弧间隙中的自由电子和中性粒子很少，碰撞和电离的可能性很小电弧被拉长、冷却和变薄，并被复合和强化。同时，吹弧也有利于扩散，最终使电弧熄灭。(1)纵向吹气：吹气方向平行于弧柱轴线，称为纵向吹气。功能：冷却、减弱并最终熄灭电弧。横向吹气：吹气方向垂直于弧柱轴线，称为横向吹气。其作用是延