第三章 电弧及电气触头的基本理论(A)

1、泸州职业技术学院1第第3 3章章 电弧及电气触头的基本理论电弧及电气触头的基本理论高压电奇观泸州职业技术学院2教学要求：掌握电弧的特征 了解电弧形成的原因及电弧熄灭的基本方法 影响触头电阻的因素。重 点：电弧熄灭的基本方法。影响触头电阻的因素。难 点：电弧形成的原因泸州职业技术学院3 一、电弧放电的一、电弧放电的特征特征和和危害危害 弧柱中自由电子的弧柱中自由电子的主要来源主要来源 电弧形成的过程电弧形成的过程 电弧的去游离形式电弧的去游离形式 影响去游离的因素影响去游离的因素第一节第一节 电弧的形成与熄灭电弧的形成与熄灭泸州职业技术学院43-1 3-1 电弧的形成和熄灭电弧的形成和熄灭. .

2、电弧产生的条件：电弧产生的条件： 断开电路时，触头间电压大于1020V；电流大于80100mA 2.2.带电质点的来源：带电质点的来源：电极发射大量自由电子 强电场发射强电场力 热电子发射高温电极间弧柱气体游，产生大量的电子和离子 碰撞游离电场力的作用，由高速运动的电子作用产生 热游离高温（起弧），由中性质点热运动碰撞产生3.1.电弧的形成：大量带电质点在电场力的作用定向运动泸州职业技术学院5 电弧放电的电弧放电的特征特征和危害和危害 1. 电弧的概念电弧的概念 当开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头刚刚分离后，触头之间就会产生强烈的白光，称为电弧。 2.电弧的本质电弧的本质 电弧

3、的实质是一种气体放电现象。 3. 电弧放电的特征电弧放电的特征 （1）电弧由三部分组成。包括阴极区、阳极区和弧柱区。 （2）电弧温度很高。 （3）电弧是一种自持放电现象。 （4）电弧是一束游离的的气体。泸州职业技术学院6 电弧放电的特征和电弧放电的特征和危害危害 4. 电弧的危害电弧的危害 （1）电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。 （2）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着火、爆炸等危险。 （3）由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。泸州职业技术学院7 电弧的形成电弧的

4、形成弧柱中自由电子弧柱中自由电子的主要来源的主要来源（1） （1）热电子发射 当断路器的动、静触头分离时，触头间的接触压力及接触面积逐渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致阴极表面温度急剧升高而发射电子 ，形成热电子发射。 （2）强电场发射 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 ，使触头内部的电子在强电场作用下被拉出来 ，就形成强电场发射。泸州职业技术学院8 电弧的形成电弧的形成 弧柱中自由电子的主要来源弧柱中自由电子的主要来源（2） （3）碰撞游离 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，在运动过程中不断地与中性质点（原子或分子）发生碰

5、撞。当高速运动的电子积聚足够大的动能时，就会从中性质点中打出一个或多个电子，使中性质点游离，这一过程称为碰撞游离。 （4）热游离 弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很大的中性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。 泸州职业技术学院9 电弧的形成电弧的形成 电弧形成的过程电弧形成的过程 断路器断开过程中电弧是这样形成的。触头刚分离时突然解除接触压力，阴极表面立即出现高温炽热点，产生热电子发射；同时，由于触头的间隙很小，使得电压强度很高，产生强电场发射。从阴极表面逸出的电子在强电场作用下，加速向阳极运动，发生碰撞游离，导致触头间隙

6、中带电质点急剧增加，温度骤然升高，产生热游离并且成为游离的的主要因素，此时，在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧。泸州职业技术学院10电弧的形成电弧的形成总结总结强电场发射热电子发射电弧热游离温度磁撞游离加速 弧柱阳极区阴极区阴极发射（起因）阴极发射（起因）碰撞游离（重要因素）碰撞游离（重要因素）击穿击穿（量变到质变）（量变到质变）热游离（主要因素）热游离（主要因素）维持发展维持发展泸州职业技术学院11 电弧的放电现象是一种气体自持放电。 电弧是一种离子通道（载流通道）：只有触头间的电弧熄灭后，电流才真正切断。 电弧的温度很高、能量大：容易烧坏触头，或使触头周围的绝缘材料遭受破坏。 电弧燃烧

7、时间过长，压力过高，有可能使电器发生爆炸事故。 质量轻，在外力的作用下易变形4.4.电弧的特点电弧的特点泸州职业技术学院12 电弧的放电现象是一种气体自持放电。 电弧是一种离子通道（载流通道）：只有触头间的电弧熄灭后，电流才真正切断。 电弧的温度很高、能量大：容易烧坏触头，或使触头周围的绝缘材料遭受破坏。 电弧燃烧时间过长，压力过高，有可能使电器发生爆炸事故。 质量轻，在外力的作用下易变形4.4.电弧的特点电弧的特点泸州职业技术学院13关键是加强去游离作用 介质的游离作用电弧产生 介质的去游离作用电弧熄灭1去游离：正、负质点相互吸引中和为中性质点。2熄弧条件 游离与去游离谁主导？当游离去游离电

8、弧电流（剧烈燃烧）当游离=去游离电弧电流不变（稳定燃烧）当游离去游离电弧电流（熄灭）带电质点不断消失带电质点不断消失 3.1.2 3.1.2 电弧的熄灭电弧的熄灭 泸州职业技术学院14 电弧的去游离过程包括复合和扩散两种形式。 复合复合 异性质点靠近而相互中和的现象。异性质点靠近而相互中和的现象。 冷却冷却 扩散扩散 带电质点逸出弧柱外的现象。带电质点逸出弧柱外的现象。 吹弧吹弧泸州职业技术学院151. 1. 复合复合 复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。由于弧柱中电子的运动速度很快，约为正离子的1000倍，所以电子直接与正离子复合的几率很小。一般情况下，先是电子碰撞中性质点时，

9、被中性质点捕获变成负离子，然后再与质量和运动速度相当的正离子互相吸引而接近，交换电荷后成为中性质点。还有一种情况就是电子先被固体介质表面吸附后，再被正离子捕获成为中性质点。泸州职业技术学院16 电弧的熄灭电弧的熄灭 电弧的去游离形式电弧的去游离形式（2）2. 扩散扩散 扩散是弧柱中的带电质点逸出弧柱以外，进入周围介质的现象。扩散有三种形式： （1）温度扩散，由于电弧和周围介质间存在很大温差，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； （2）浓度扩散，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方扩散，使电弧中的带电质点减少； （3）利用

10、吹弧扩散，在断路器中采用高速气体吹弧，带走电弧中的大量带电质点，以加强扩散作用。泸州职业技术学院17 电弧的熄灭电弧的熄灭 影响去游离的因素影响去游离的因素（1） 1. 电弧温度电弧温度 电弧是由热游离维持的，降低电弧温度就可以减弱热游离，减少新的带电质点的的产生。同时，也减小了带电质点的运动速度，加强了复合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动电弧，或使电弧与固体介质表面接触等，都可以降低电弧的温度。泸州职业技术学院18 电弧温度电弧温度：热游离Q速度复合加强Q 使温度降低的方法有：吹弧、拉长电弧、或与冷却介质表面接触。泸州职业技术学院19 2.介质的特性介质的特性 电弧燃烧时所在介质的特性

11、在很大程度上决定了电弧中去游离的强度，这些特性包括：导热系数、热容量、热游离温度、介电强度等。若这些参数值大，则去游离过程就越强，电弧就越容易熄灭。泸州职业技术学院20 电弧的熄灭电弧的熄灭 影响去游离的因素影响去游离的因素（2） 3. 气体介质的压力气体介质的压力 气体介质的压力对电弧去游离的影响很大。因为，气体的压力越大，电弧中质点的浓度就越大，质点间的距离就越小，复合作用越强，电弧就越容易熄灭。在高度的真空中，由于发生碰撞的几率减小，抑制了碰撞游离，而扩散作用却很强。因此，真空是很好的灭弧介质。 泸州职业技术学院21 气体介质的压力气体介质的压力：F自由行程缩短离子浓度复合 真空数目少磁

12、撞游离扩散泸州职业技术学院22 4. 触头材料触头材料 触头材料也影响去游离的过程。当触头采用熔点高、导热能力强和热容量大的耐高温金属时，减少了热电子发射和电弧中的金属蒸汽，有利于电弧熄灭。 铜、银、铜钨、银钨合金具有熔点高、导热能力强、热容量大的特点，可减少热电子发射和弧柱中的金属蒸气。5.电场强度电场强度： E运动速度复合Q热游离泸州职业技术学院233.2 直流电弧的特性及熄灭弧柱阴极区区极阴Un泸州职业技术学院243.2.1 3.2.1 特特 性性1.静态伏安特性曲线 为发弧电压、即产生电弧的最小电压值)(hhifU UfUhabih)0(hhiU泸州职业技术学院25=阴极区电压+弧柱区

13、电压+阳极区电压 弧柱阴极区区极阴UnhU2.2.电弧电压分布图电弧电压分布图泸州职业技术学院26Uh=阴极区电压U阴极区+弧柱区UH+阳极区U阳极区或： U阴极区，大小与ih无关，在空气中U=811V UH与ih呈线性关系 U阳极区 BA燃弧电压 B熄弧电压BAtU hAB3.3.1 3.3.1 特特 性性1.动态伏安特性曲线： 电弧电压和电流随时间不断变化，每一周期，电流过零2次泸州职业技术学院33电弧在自然过零时将自动熄灭，但下半周期随着电弧在自然过零时将自动熄灭，但下半周期随着电压的升高，电弧会重燃。电压的升高，电弧会重燃。若电流过零时，电弧不再重燃，电弧就此熄灭。若电流过零时，电弧不

14、再重燃，电弧就此熄灭。2.2.热惯性：电弧温度的变化滞后于电流的变化热惯性：电弧温度的变化滞后于电流的变化3.3.1 3.3.1 特特 性性泸州职业技术学院34 交流电弧的交流电弧的特性特性（1 1） 在交流电路中，电流瞬时值随时间变化，因而电弧的温度、直径以及电弧电压也随时间变化，电弧的这种特性称为动特性。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变化，这种现象称为电弧的热惯性。 经过对图2-2的分析，可见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，电弧又重燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就此熄灭。泸州职业技

15、术学院35 交流电弧的特性交流电弧的特性（2 2）泸州职业技术学院363.3.2 3.3.2 交流电弧的熄灭交流电弧的熄灭1.1.弧隙介质电强度的恢复过程弧隙介质电强度的恢复过程U Uj jUj弧隙介质能够承受而致使弧隙击穿的最小电压 过程：过程：电流过零前电弧的温度高，热游离强烈，弧隙的导电性能好电流过零时弧隙温度剧降，热游离减弱，弧隙失去导电性能而恢复为绝缘介质。电流过零后温度继续下降，弧隙介质电强度逐渐回升。这种现象称为交流电路的这种现象称为交流电路的近阴极效应近阴极效应。（电流极性改变后的0.11.0秒瞬间, 有Uj=150250V）泸州职业技术学院37 弧隙介质能够承受外加电压作用而

16、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，以耐受的电压Uj（t）表示。 泸州职业技术学院38 2. 2.弧隙电压的恢复过程弧隙电压的恢复过程U UhfhfU Uhfhf电压由熄弧电压恢复到电源电压的过程。 过程1、电流过零前，电弧电阻很小，电源电压大部分降落在线路或负载的阻抗上。2、电流过零时，电弧熄灭，最后变为绝缘介质，电源电压全部加在弧隙上。泸州职业技术学院393.3.交流电弧的熄灭条件交流电弧的熄灭条件0aUnfuUjta)熄 灭b)重 燃0tuUjjhfUU泸州职业技术学院

17、40熄灭交流电弧的方法熄灭交流电弧的方法一、提高触头的一、提高触头的分闸速度分闸速度二、采用二、采用多断口多断口三、吹弧三、吹弧 吹弧气流产生吹弧气流产生的方法的方法 吹弧的方向吹弧的方向四、四、短弧原理灭弧短弧原理灭弧五、利用固体介质的五、利用固体介质的狭缝狭沟灭弧狭缝狭沟灭弧六、采用耐高温六、采用耐高温金属材料制作触头金属材料制作触头七、七、采用优质灭弧介质采用优质灭弧介质泸州职业技术学院41 提高触头的提高触头的分闸速度分闸速度 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，加强冷却和扩散的作用。因此，现代高压开关中都采取了迅速拉长电弧的措施灭弧，如采用强力

18、分闸弹簧，其分闸速度已达16m/s以上。泸州职业技术学院42 采用多断口采用多断口 每一相有两个或多个断口相串联。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加长，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。如图所示： 泸州职业技术学院43 采用多断口采用多断口泸州职业技术学院44 吹弧吹弧 吹弧气

19、流产生法吹弧气流产生法.（1） 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. 吹弧气流产生的方法有：吹弧气流产生的方法有： （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

20、开吹口，即形成高压气流吹弧。泸州职业技术学院45 吹弧吹弧 吹弧气流产生法吹弧气流产生法.（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）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。泸州职业技术学院46 吹弧吹弧 吹弧方向法吹弧方向法 （1） 2. 按吹

21、弧的方向分为：按吹弧的方向分为： （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）横吹）横吹 横吹时气流或油流的方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。泸州职业技术学院47 吹弧吹弧 吹弧方向法吹弧方向法（2）泸州职业技术学院48 吹弧吹弧 吹弧方向法吹弧方向法（3） （3）纵横吹）纵横吹 横吹

22、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。在大电流时主要靠在大电流时主要靠横吹，小电流时主要靠纵吹，横吹，小电流时主要靠纵吹，这就是纵横吹灭弧室。泸州职业技术学院49 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

23、。 泸州职业技术学院50 利用固体介质的利用固体介质的狭缝狭沟灭弧狭缝狭沟灭弧 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。原理图如所示。 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。原理图如所示。泸州职业技术学院51 利用固体介质的利用固体介质的狭缝狭沟灭弧狭

24、缝狭沟灭弧泸州职业技术学院52 用耐高温用耐高温金属材料作触头金属材料作触头、优质灭弧介质优质灭弧介质 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。泸州职业技术学院53电气触头的基本知识电气触头的基本知识一、一、概述概述二、二、触头的接触电阻触头的接触电阻三、触头的三、触头的动稳定

25、和热稳定动稳定和热稳定四、触头的分类和结构四、触头的分类和结构 按接触面按接触面的形式分类的形式分类 按结构按结构形式类形式类泸州职业技术学院54 电气触头电气触头基本知识概述基本知识概述 1. 触头的概念触头的概念 电气触头是指两个导体或几个导体之间相互接触的部分，如母线或导线的接触连接处以及开关电器中的动、静触头。 2. 对电气触头的基本要求对电气触头的基本要求 （1）结构可靠； （2）接触电阻小且稳定，有良好的导电性能和接触性能； （3）通过规定电流时，发热稳定而且不超过允许值； （4）通过短路电流时，具有足够的动稳定性和热稳定性； （5）开断规定短路电流时，触头不被灼伤，不发生熔焊。泸

26、州职业技术学院55 触头的触头的接触电阻接触电阻 触头在正常工作和通过短路电流时的发热都与接触电阻值有关，所以触头的质量在很大程度上取决于触头的接触电阻值。正常情况下，触头间的接触压力、表面加工状况、表面氧化程度及接触情况等都会影响接触电阻值。 触头间的压力越大，触头间 的接触电阻就越小。 触头一般由铜、黄铜和青铜等材料制成。为防止触头表面被氧化，一般需要采取镀锡、镀银和涂防腐漆和凡士林油等措施加以防护。泸州职业技术学院56 触头的触头的热稳定和动稳定热稳定和动稳定 触头在长期负荷电流下工作时，由于接触电阻的存在，触头要发热，使其温度升高，同时也向周围介质散热，当发热量等于散热量时，触头就稳定在工作温度下运行。这个温度值小于触头材料长期允许的温度。因此，触头是安全的。由于负荷电流相对于短路电流要小得多，所产生的电动力不会影响触头的正常工作。 当触