电弧的形成和熄灭

1、 2.1 2.1 电弧的形成及灭弧电弧的形成及灭弧 一、电弧的特点和危害：一、电弧的特点和危害： 1 1、电弧概念、电弧概念 电弧：电弧： 是一种气体游离放电现象是一种气体游离放电现象 游离：游离： 是指中性质点转化为是指中性质点转化为 带电质点的过程。带电质点的过程。 2、电弧特点 v电弧是开关电器接通或开断负荷电路时不可避免的现象； v电弧是一种气体自持放电现象，触头间只要有电弧存在， 电路就没有断开； v电弧温度极高，可能烧坏触头及触头附近的其它部件； v维持电弧稳定燃烧的电压很低，在大气中一厘米长直流 电弧的弧柱电压只有1530V； v电弧是一束游离的电子（和带电质点）流，质量极轻，

2、容易变形。 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 3 3、电弧的危害、电弧的危害 （1）、电弧的存在延长了开关电器（尤其指断）、电弧的存在延长了开关电器（尤其指断 路器）开断故障电路的时间，加重了电力系统短路路器）开断故障电路的时间，加重了电力系统短路 故障的危害。故障的危害。 （ 2）、）、 电弧产生的高温，将使触头表面熔化和电弧产生的高温，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。着火、爆炸等危险。 （3）、）、 由于电弧在电动力、热力作用下能移动，由于电弧在电动力、热力作用下

3、能移动， 很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。 二、电弧的形成二、电弧的形成 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，当距离很小，触头间的电场强度就非常大，当 E E 3 310106 6 V/cm V/cm时，触头内部的电子在强电场时，触头内部的电子在强电场 作用下被拉出来作用下被拉出来 ，就形成强电场发射。，就形成强电场发射。强电强电 场发射是最初产生电子的主要原因场发射是最初产生电子的主要原因 阳极阳极 U 阴极阴极 自由电子 强电场强

4、电场 强电场发射强电场发射 2. 热电子发射热电子发射当触头分开瞬间，由于触头间的的接触当触头分开瞬间，由于触头间的的接触 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剧烈发热，导致阴极表面温度急剧升高而发射电子 阴极阴极阳极阳极 自由电子 强电场强电场 阴极阴极阳极阳极 U 自由电子中性质点正离子 3. 碰撞游离碰撞游离从阴极表面发射出的电子在电场力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，在运动过程中电子和中的作用下高速向阳极运动，在运动过程中电子和中 性质点相碰撞而使中性质点分

5、裂为带电离子和自由性质点相碰撞而使中性质点分裂为带电离子和自由 电子的现象。电弧的形成主要是碰撞游离所致。电子的现象。电弧的形成主要是碰撞游离所致。 阴极阴极阳极阳极 电弧开始燃烧电弧开始燃烧 雪崩击穿雪崩击穿 阴极阴极阳极阳极 自由电子中性质点正离子 4. 4. 热游离热游离由于温度增加，质点运动加速，动能增由于温度增加，质点运动加速，动能增 加，质点相互碰撞将被游离而形成电子和正离子。加，质点相互碰撞将被游离而形成电子和正离子。 电弧形成之后，维持电弧燃烧所需的游离过程是电弧形成之后，维持电弧燃烧所需的游离过程是 热游离。热游离。 结结 论论 : : v 电弧的形成实际上是一个连续的电弧的

6、形成实际上是一个连续的 过程。最初，由阴极借强电场和热电过程。最初，由阴极借强电场和热电 子发射提供起始自由电子，然后，由子发射提供起始自由电子，然后，由 碰撞游离而导致介质击穿，产生电弧，碰撞游离而导致介质击穿，产生电弧， 最后靠热游离来维持。最后靠热游离来维持。 三、游离和去游离三、游离和去游离 在电弧中，介质产生游离的同时还产生在电弧中，介质产生游离的同时还产生去去 游离游离的相反过程。的相反过程。 去游离去游离：带电质点相互中和为不导电的带电质点相互中和为不导电的 中性质点，使带电质点减少的现象。中性质点，使带电质点减少的现象。 弧隙的去游离是靠离子的弧隙的去游离是靠离子的复合和扩散复

7、合和扩散两种两种 形式进行的形式进行的 1、复合、复合 能量较小的电子附着于中性质点，形成负离能量较小的电子附着于中性质点，形成负离 子，正、负离子相撞成为中性质点的过程。子，正、负离子相撞成为中性质点的过程。 阴极阴极阳极阳极 负离子中性质点正离子 2 2、带电质点的扩散、带电质点的扩散： 弧柱中的自由电子及离子由于热运动从弧柱弧柱中的自由电子及离子由于热运动从弧柱 内部逸出进入周围介质的一种现象内部逸出进入周围介质的一种现象。 阴极阴极阳极阳极 自由电子 扩散的形式有二种扩散的形式有二种： 温度扩散温度扩散，由于电弧和周围介质间存在很大，由于电弧和周围介质间存在很大 温差，使得电弧中的高温

8、带电质点向温度低的周温差，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；围介质中扩散，减少了电弧中的带电质点； 浓度扩散浓度扩散，这是因为电弧和周围介质存在浓，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；方扩散，使电弧中的带电质点减少； 3. 去游离对电弧的影响去游离对电弧的影响 去游离去游离 游离游离 电弧电流减小，逐渐熄灭电弧电流减小，逐渐熄灭 去游离去游离游离游离 电弧愈旺电弧愈旺 去游离去游离=游离游离 电弧稳定燃烧电弧稳定燃烧 温温 度度 降降 低低

9、热发射、热游离作用减弱 带电质点速度减慢复合加强 去 游 离 作 用 加 强 电弧温度对去游离的影响电弧温度对去游离的影响 四、影响去游离的因素四、影响去游离的因素 压力增大 带电质点间的距离减小 复合减弱 去游离作用减小 电弧燃烧空间的压力 对去游离强弱的影响 传热能力越强 介电强度越大 介质热容量越大 去游离 作用越强 熄弧介质与触头材料 对去游离强弱的影响 触头金属熔点高 定义定义：在直流电路中产生的电弧叫直流电弧在直流电路中产生的电弧叫直流电弧 1.电弧电压分布图电弧电压分布图 321 UUUU h 电弧电压阴极区压降弧柱压降阳极区压降电弧电压阴极区压降弧柱压降阳极区压降 五、直流电弧

10、的特性五、直流电弧的特性 触头间的电弧触头间的电弧 可以分为三个区域：可以分为三个区域： 阴极区阴极区 弧柱区弧柱区 阳极区阳极区 U Uh h= =阴极区电压阴极区电压U U阴极区 阴极区+ +弧柱区 弧柱区U UH H+ +阳极区阳极区U U阳极区 阳极区 U阴极区，大小与大小与i ih h无关无关，在空气中U=811V UH与ih呈线性关系 U阳极区 U阴极区、且随ih增大而减小甚至为零 长弧：几个长弧：几个cmcm几个几个m m长，主要由长，主要由U UH H组成组成 短弧：几个短弧：几个mmmm长、主要由长、主要由U U阴极区 阴极区+ U + U阳极区 阳极区组成 组成, , U

11、UH H近似于零近似于零 321 UUUU h 1 U 2 U 3 U v五、直流电弧的特性及熄灭 v2.直流电弧的伏安特性 v 从电路角度看，直流电弧是一非线性电阻，阻 值随电流及其它因素而改变。 v 具有电弧的RL直流电路 起弧后电压平衡方程式为： 当游离与去游离处于动态平衡，电弧稳定燃 烧， 则 h u dt di LiRE 0 dt di h uiRE )(ifiRE )(ifU h 是电路伏安特性；是电路伏安特性； 是电弧静伏安特性。是电弧静伏安特性。 两条曲线交于两条曲线交于A、B两点，两点， 此两点既满足了电路的要求此两点既满足了电路的要求 (电弧外部条件电弧外部条件)，又满足了

12、电，又满足了电 弧静伏安特性的要求弧静伏安特性的要求(电弧内电弧内 部条件部条件)。 B点称为稳定燃烧点；点称为稳定燃烧点； A点称为视在稳定燃烧点。点称为视在稳定燃烧点。 3、直流电弧的稳定燃烧点及熄灭条件、直流电弧的稳定燃烧点及熄灭条件 a、直流电弧的稳定燃烧点、直流电弧的稳定燃烧点 直流电弧的稳定燃烧点也称工作点。让触头保持一定直流电弧的稳定燃烧点也称工作点。让触头保持一定 距离，电弧燃烧达到稳定状态后，电流不随时间变化。距离，电弧燃烧达到稳定状态后，电流不随时间变化。 vb、直流电弧的熄灭条件 v 提高电弧静伏安特性，使它与 曲线 无交点，则电弧熄灭。 v可知直流电弧熄灭条件为: v此

13、式说明，当电源电压不足以 v平衡稳态电弧电压及线路电阻 v压降时，电弧电流减小直至熄灭。 v当两曲线相切时，为电弧燃烧 v与熄灭的临界状态。 h UiRE )(ifiRE 1.1.拉长电弧拉长电弧 2.2.开断电路时在电路中逐级串入电阻开断电路时在电路中逐级串入电阻 3.3.在断口上装灭弧栅在断口上装灭弧栅 4.4.冷却电弧冷却电弧 1 1、交流电弧的特性、交流电弧的特性 动态特性动态特性 热惯性热惯性 六、交流电弧的特性和熄灭六、交流电弧的特性和熄灭 经过分析，可见经过分析，可见交流电弧在交流电流自然过零时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的增高，电弧又重将自动熄灭

14、，但在下半周随着电压的增高，电弧又重 燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就此熄燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就此熄 灭。灭。 在交流电路中，电流的大小随时间按正弦规律变化，在交流电路中，电流的大小随时间按正弦规律变化， 每周期内有两次通过零点，同时交流电弧的温度和直径也随每周期内有两次通过零点，同时交流电弧的温度和直径也随 时间变化时间变化。 由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟不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。变化。 对于交流电弧不存在电弧能否熄

15、灭对于交流电弧不存在电弧能否熄灭 的问题，而是电流过零后如何有效的阻的问题，而是电流过零后如何有效的阻 止电弧重燃的问题止电弧重燃的问题 交流电弧是否重燃与两个物理过程有交流电弧是否重燃与两个物理过程有 关，即介质强度的恢复过程和弧隙电压关，即介质强度的恢复过程和弧隙电压 的恢复过程。的恢复过程。 2、交流电弧的熄灭、交流电弧的熄灭 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。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。 介质强度的恢复过程介质强度的恢复过程 srtrr uuu 电

16、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。 电压恢复过程与线路参数、 负荷性质等有关。 恢复电压瞬态恢复电压工频恢复电压 弧隙电压的恢复过程。弧隙电压的恢复过程。 1.如果电源电压恢复过程大于介质强度恢复过如果电源电压恢复过程大于介质强度恢复过 程，气隙被击穿，电弧重燃。程，气隙被击穿，电弧重燃。 2.如果如果电源电压恢复过程低于介质强度恢复过电源电压恢复过程低于介质强度恢复过 程程，电弧熄灭。，电弧熄灭。 交流电弧的熄灭条件交流电弧的熄灭条件 七、熄灭电弧的方法七、熄灭电弧的方法 设法使电流过零后，弧隙介

17、质强度设法使电流过零后，弧隙介质强度 恢复速度大于弧隙恢复电压恢复速度，恢复速度大于弧隙恢复电压恢复速度， 则在过零后的下半周，电弧就不会重燃则在过零后的下半周，电弧就不会重燃 而最终熄灭。开关电器中的灭弧装置就而最终熄灭。开关电器中的灭弧装置就 是基于这一理论而产生的。是基于这一理论而产生的。 迅速拉长电弧，有利于迅速减小弧柱中的电位梯迅速拉长电弧，有利于迅速减小弧柱中的电位梯 度，增加电弧与周围介质的接触面积，加强冷却和扩度，增加电弧与周围介质的接触面积，加强冷却和扩 散的作用。散的作用。 1 1、提高触头的分闸速度、提高触头的分闸速度 无弹簧无弹簧 有弹簧有弹簧 每一相有两个或多个断口相

18、串联。在熄弧时，多断口把电 弧分割成多个相串联的小电弧段。多断口使电弧的总长度长， 导致弧隙的电阻增加；在触头行程、分闸速度相同的情况下， 电弧被拉长的速度成倍增加，使弧隙电阻加速增大，提高了介 质强度的恢复速度，缩短了灭弧时间。 采用多断口时，加在每一断口上的电压成倍减少，降低了 弧隙的恢复电压，亦有利于熄灭电弧。在要求将电弧拉到同样 的长度时，采用多断口结构成倍减小了触头行程，也就减小了 开关电器的尺寸。 2、采用多断口、采用多断口 3、吹弧吹弧 用新鲜而且低温的介质吹拂电弧时，可以将带电质点吹到 弧隙以外，加强了扩散，由于电弧被拉长变细，使弧隙的电导 下降。吹弧还使电弧的温度下降，热游离

19、减弱，复合加快。按 吹弧气流的产生方法和吹弧方向的不同，吹弧可分为以下几种。 1. 1. 吹弧气流产生的方法有：吹弧气流产生的方法有： （1 1）用油气吹弧）用油气吹弧 用油气作吹弧介质的断路器称为油断路器。在这种断路器 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、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 打开吹口，即形成高压气流吹弧。 （2 2）用压缩空气或六氟化硫气体吹弧）用压缩空气或六氟化硫气体吹弧 将20个左右大气压的压缩空气或5个大气压左右的六氟

20、化 硫气体（SF6）先储存在专门的储气罐中，断路器分闸时产生 电弧，随后打开喷口，用具有一定压力的气体吹弧。 （3 3）产气管吹弧）产气管吹弧 产气管由纤维、塑料等有机固体材料制成，电弧燃烧时与 管的内壁紧密接触，在高温作用下，一部分管壁材料迅速分解 为氢气、二氧化碳等，这些气体在管内受热膨胀，增高压力， 向管的端部形成吹弧。 2. 2. 按吹弧的方向分为：按吹弧的方向分为： （1 1）纵吹）纵吹 吹弧的介质（气流或油流）沿电弧方向的吹拂称为纵吹， 纵吹能增强弧柱中的带电质点向外扩散，使新鲜介质更好地与 炽热电弧接触，加强电弧的冷却，有利于迅速灭弧。 （2 2）横吹）横吹 横吹时气流或油流的方

21、向与触头运动方向是垂直的，或者 说与电弧轴线方向垂直。横吹不但能加强冷却和增强扩散，还 能将电弧迅速吹弯吹长。有介质灭弧栅的横吹灭弧室，栅片能 更充分地冷却和吸附电弧，加强去游离。在相同的工作条件下， 横吹比纵吹效果要好。 （3 3）纵横吹）纵横吹 横吹灭弧室在开断小电流 时因室内压力太小，开断性能 较差。为了改善开断小电流时 的灭弧性能，可将纵吹和横吹 结合起来。在大电流时主要靠 横吹，小电流时主要靠纵吹， 这就是纵横吹灭弧室。 4、短弧原理灭弧、短弧原理灭弧 灭弧装置是一个金属栅灭弧罩，利用将电弧分为多个串联 的短弧的方法来灭弧。由于受到电磁力的作用，电弧从金属栅 片的缺口处被引入金属栅片

22、内，一束长弧就被多个金属片分割 成多个串联的短弧。如果所有串联短弧阴极区的起始介质强度 或阴极区的电压降的 总和永远大于触头间 的外施电压，电弧就 不再重燃而熄灭。采 用缺口铁质栅片，是 为了减少电弧进入栅 片的阻力，缩短燃弧 时间。 灭弧装置的灭弧片是由石棉水泥或陶土制成的。触头间 产生电弧后，在磁吹装置产生的磁场作用下，将电弧吹入又 灭弧片构成的狭缝中，把电弧迅速拉长的同时，使电弧与灭 弧片内壁紧密接触，对电弧的表面进行冷却和吸附，产生强 烈的去游离。 石英砂熔断器中的熔丝熔断时，在石英砂的狭沟中产生 电弧。由于受到石英砂的冷却和表面吸附作用，使电弧迅速 熄灭。同时，熔丝气化时产生的金属蒸

23、汽渗入石英砂中遇冷 而迅速凝结，大大减少了弧隙中的金属蒸汽，使得电弧容易 熄灭。 5、利用固体介质的狭缝狭沟灭弧、利用固体介质的狭缝狭沟灭弧 触头材料对电弧中的去游离也有一定影响，用熔点高、导热系数和 热容量大的耐高温金属制作触头，可以减少热电子发射和电弧中的金属 蒸汽，从而减弱了游离过程，有利于熄灭电弧。 灭弧介质的特性，如导热系数、电强度、热游离温度、热容量等， 对电弧的游离程度具有很大影响，这些参数值越大，去游离作用就越强。 在高压开关中，广泛采用压缩空气、六氟化硫（SF6）气体、真空等作为 灭弧介质。 6、用耐高温金属材料作触头、优质灭弧介质、用耐高温金属材料作触头、优质灭弧介质 八、

24、真空电弧及其灭弧八、真空电弧及其灭弧 在在1.3310-2Pa以下真空容器内燃烧的电弧，称为真空电弧。以下真空容器内燃烧的电弧，称为真空电弧。 真空电弧实际上是在触头材料产生高密度的金属蒸气中燃烧真空电弧实际上是在触头材料产生高密度的金属蒸气中燃烧 的电弧，所以也称金属蒸气电弧。的电弧，所以也称金属蒸气电弧。 1、真空电弧的分类、真空电弧的分类 u扩散型电弧：当采用一般电极，开断电流为扩散型电弧：当采用一般电极，开断电流为56kA及以下及以下 时出现的电弧。阴极表面上有许多分裂而明亮的斑点，这些时出现的电弧。阴极表面上有许多分裂而明亮的斑点，这些 斑点互相排斥，且作无规则运动。电弧电压低，电弧能量小，斑点互相排斥，且作无规则运动。电弧电压低，电弧能