发电厂电气主系统

第二章电弧与电气触头的基本知识第一节

电弧的形成与熄灭

第二节

交流电弧的特性及熄灭

第三节

开关电器中熄灭交流电弧的基本方法第四节电气触头的基本知识

本章计划学时：4学时本章教学要求了解电弧的危害，熟悉电弧的形成过程熟悉交流电弧的特性，交流电弧的熄灭条件

了解交流电弧的开断过程掌握熄灭交流电弧的基本方法熟悉电气触头的基本要求，及触头的分类和结构第一节电弧的形成与熄灭一、开关电器的灭弧原理

（一）电弧现象1)

电弧：是一种气体游离放电现象。2)产生电弧的条件：用开关电器开断电源电压大于10~20V，电流大于80~100mA的电路时，就会发生电弧。3)电弧的特点：能量集中，温度很高，亮度很强；电弧是良导体。4)电弧的利用：电弧在工业上有很多有益的应用，例如，利用其高温的电弧焊接机，电弧炼钢炉等。5)电弧的危害：在开关电器中，电弧是有害的，要求尽快地熄灭，否则会烧坏开关触头，误拉隔离开关会造成相间短路和人身伤亡。

6)特征：①气体导电（轻、易变形）；电弧的能量集中，温度很高，亮度很强例：10kvQF断开20kA的电流，电弧功率达到1万kw以上②电弧由阴极区，阳极区和弧柱区组成。弧柱处温度最高，可达6~7k0C到1万度以上在弧柱周围温度较低，亮度明显减弱的部分叫弧焰，电流几乎都从弧柱内部流过。

③电弧的气体放电是自持放电，维持电弧燃烧的电压很低。在大气中，1cm长的直流电弧的弧柱电压仅15~30v，在变压器油中1cm长的直流电弧的弧柱电压仅100~220v。④电弧是一束游离的气体，质量极轻，极易变形。电弧在气体或液体的流动作用下或电动力作用下，能迅速移动、伸长或弯曲。（二）电弧的产生与熄灭游离——中性质点分解成自由电子和正离子。去游离——电子和正离子相互吸引还原为中性质点。1.电弧的产生1）强电场发射：E=U/s大于3×106V/m时，金属触头阴极表面就会发射自由电子。2）热电子发射：在开关分闸时，动静触头之间的接触压力和接触面积减小，接触电阻增大，接触表面发热严重，产生局部高温，阴极金属材料中的电子获得动能而逸出成为自由电子。

3）加速运动：自由电子，在强电场的作用下，向阳极作加速运动。4）碰撞游离：加速运动获得动能的自由电子在运动中与中性质点发生碰撞，中性质点中的电子获得能量产生跃迁，跳到能级更高的轨道上，如果获得的能量足够大，自由电子就能脱离原子核的束缚，游离成自由电子和正离子。

5）雪崩：游离的结果导致触头间自由电子数量剧增。6）介质击穿产生电弧：剧增的电子形成电流，介质被击穿而产生电弧。电弧形成小结①自由电子的来源(即游离方式)电极发射大量自由电子：热电子+强电场发射弧柱区的气体游离：碰撞游离+热游离②电弧的形成其中：阴极发射（起因）→碰撞游离（重要因素）→击穿（量变到质变）→热游离（主要因素）→维持发展2．电弧的维持与发展

1）由于电弧的r小，电弧形成后，触头间的电压和电场强度很低，强电场发射停止。2）由于电弧在燃烧过程中温度很高，可达到几千度甚至上万度，阴极表面继续进行热电子发射。3）另一方面介质的分子和原子在高温下将产生强烈的分子热运动，获得动能的中性质点之间不断地发生碰撞，游离成自由电子和正离子，此即所谓热游离。4）热发射和热游离给弧隙提供了大量的自由电子，电流继续流过，电弧的燃烧得以维持。

3．电弧的熄灭

1）复合去游离：正离子和负离子相互吸引而中和成为中性质点的过程。自由电子的v远大于正离子，它们直接复合的可能性很小，往往是自由电子先附着在中性质点上，形成负离子，运动速度大大减慢，此时正离子和负离子更容易复合。2）扩散去游离：自由电子和正离子逸出电弧而进入周围介质中，被周围介质冷却而复合的过程。由于电弧内外的电荷浓度及温差的不同，自由电子和正离子将向浓度和温度都低的周围介质中扩散，在低温处，电子和离子的v减慢而复合成为中性质点。影响游离和去游离的因素①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。

②电场强度：E↓→运动速度↓→复合↑→Q↓→热游离↓③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→磁撞游离↓→扩散↑④介质特性：包括气体的介电强度、导热系数、热容量、电负荷⑤电极材料：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。游离作用等等于去游离离作用，新新增加的带带电质点数数量与中和和的数量相相等，电弧弧稳定燃烧烧。游离作用大大于去游离离作用，电电弧燃烧加加剧。游离作用小小于去游离离作用，则则电弧中的的带电质点点数量减少少，最终导导致电弧熄熄灭。3）电弧的熄灭灭：电弧的燃烧烧是由游离离过程维持持的，但在在电弧中同同时还进行行着相反的的使带电质质点数量减减少的去游游离过程。。第二节交交流电弧的的特性1）电弧电电流交变，，每半个周周期过零一一次，此时时电弧因失失去能量而而自然熄灭灭。2）由于热惯性，弧柱温度度的变化滞滞后于快速速变化的电电流，所以以交流电弧弧的伏安特特性是动态态的，如图图2-3所所示。在电电流增大时时，温度来来不及增高高，弧隙电电阻来不及及减小；在在电流减小小时，温度度来不及减减小，弧隙隙电阻来不不及增大。。故图2-3a中正正方向电流流增大时的的曲线在电电流减小时时的上方。。A点是电弧产产生时的电电压，称为为燃弧电压压。B点是电弧熄熄灭时的电电压，称为为熄弧电压压。（四）交流流电弧熄灭灭的条件1）熄灭交流电电弧的最佳佳时机：交流电弧弧每半周期期自然熄灭灭是熄灭交交流电弧的的最佳时机机。2）在电流流过零后，，弧隙中存存在着两个个恢复过程程。a)介质强度恢恢复过程:由于去去游离作用用的加强，，弧隙间的的介质逐渐渐恢复其绝绝缘性能，，以耐受的的电压Ur(t)表示。。b)弧隙电压恢恢复过程:电源电电压要重新新作用在触触头上，弧弧隙电压将将从熄弧电电压逐渐恢恢复到电源源电压，用用Ud(t)表示。。1．弧隙介介质强度恢恢复过程（1）起始始介质强度度（近阴极极效应）在电流过零零后的0.1~1μs的短暂暂时间内，阴极附近近出现150~250V的起始介质质强度，称称为近阴极效应应。原因：在电流过过零的瞬间间，弧隙电电压的极性性发生变化化，弧隙中中的自由电电子立即向向新阳极运运动，正离离子质量大大，基本未未动，在新新阴极附近近就形成了了只有正电电荷的不导导电薄层，，阻碍阴极极发射电子子，呈现出出一定的介介质强度，，如图2-4所示。。（2）起始始介质强度度出现后的的介质强度度的恢复这是一个复复杂的过程程，它与电电弧电流、、介质特性性、冷却条条件和触头头分断速度度有关。2．弧隙电电压恢复过过程1）电弧为纯电电阻性质，电弧电流流与弧隙电电压同相位位，电弧电电流过零时时，弧隙电电压接近零零；2）短路时时电路电阻阻很小，电电路呈感性，电弧电流流与电源电电压不同相相位，电弧弧电流过零零时，电源源电压不等等于零；3）由于电电路参数L、C的存在，电电弧熄灭后后，弧隙电电压不可能能立刻由熄熄弧电压上上升到电源源电压，一般弧隙恢复电电压是一个个过渡过程程。它将从从瞬态（振振荡）恢复复电压逐渐渐过渡到工工频恢复电电压。3．交流电电弧熄灭的的条件电流过零后后，电弧能能否熄灭取取决于两个个恢复过程程作用的结结果：1）如果弧弧隙电压恢恢复过程上上升速度较较快，幅值值较大，弧弧隙电压恢恢复过程大大于弧隙介介质强度恢恢复过程，，介质被击击穿，电弧弧重燃，如如图2-6a所示。。2）如果弧弧隙介质强强度恢复过过程始终大大于弧隙电电压恢复过过程，则电电弧熄灭，，如图2-6b和2-6c所示示。故交流电弧弧熄灭的条条件应为：：Ud(t)>Ur(t)（五）断路路器开断短短路电流时时的弧隙电电压恢复过过程如果能够采采取措施，，防止弧隙恢复电电压振荡，将周周期性振荡荡特性的恢恢复电压转转变为非周周期性恢复复过程，电电弧就更容容易熄灭，，如图2-6c所示示。目的：找出出恢复电压压不振荡的的条件及防防止振荡的的方法。断路器开断断短路电流流时的电路路如图2-7a所示，其其等效电路路如图2-7b所示，R、L为电源和变变压器的电电阻和电感感，C可以认为是是变压器绕绕组及连接接线对地的的分布电容容，r为断路器触触头并联电电阻。断路器开断断短路电流流时的弧隙电压恢复复过程相当当于二阶电电路过渡过过程中，电电容C两端的电压压变化过程程，即。。1）熄弧弧后，从从瞬态恢恢复电压压过渡到到电源电电压的时时间很短短，一般般不超过过几百微微秒，可可近似认认为电源电压压不变，故故电源用用直流电源源U0来代替。。假设与初初始条件件：２）３）i=0时时是时间间的起点点，即t=0如图2-7b所所示，当当开关S闭合时时，有整理得：：此为二阶阶常系数数线性微微分方程程，其特特征根为为当特征根根不等时时，非齐齐次通解解为当特征根根为重根根时，非非齐次通通解为①当时，特征征根为不不等负实根。可解得代入非齐齐次通解解可解得得一般变压压器绕组组电阻，略去不计计，得从上式可可以看出出，由于于特征根为为负实根，，故弧隙隙电压恢恢复过程程为非周周期性的的，如图图2-8曲线3所示。。一般，略去不计计，故上上式最大大值不会会超过U0，进一步步化简得得忽略R后，特征征根为根据近似似计算，，当x很小时，对上式微微分，可可得电流流过零时时的恢复复电压上上升速度度(V/s)为由上式可可知，触触头并联联电阻r可以降低低恢复电电压的上上升速度度，r越小，恢恢复电压压的上升升速度越越低。②当时，特征征根为共共轭复根根。将、代入，得得利用欧拉拉公式化化简，得得从式(2-11)可以以看出，，α1、α2为共轭复复根时，，弧隙电电压恢复复过程为衰衰减的周周期性振振荡过程程，如图图2-8曲线2所示，，从图中中曲线2可以看看出，周周期性振振荡过程程的恢复复电压上上升速度度较快，，幅值较较大，给给电弧的的熄灭带带来困难难。如果断路路器触头头没有装装设并联联电阻，，即r=∞时，，忽略R，a)周周期性振振荡过程程中的弧弧隙恢复复电压最最大值可可达2U0，如图2-8曲曲线1所所示。③当时，为相相等的负负实根(重根)。根据初始始条件和和公式及其微分分表达式式，可求求得不计R，从而得b)上升升速度取取固有振荡频率率的半个个周期内内的平均均速度，由得a)当当r≤rcr时，弧隙隙电压恢恢复过程程为非周周期性。。在断路器器触头间间并联低低值电阻阻（几欧欧至几十十欧），，可以改改变弧隙隙电压恢恢复过程程的上升升速度和和幅值，，可以将弧弧隙恢复复电压由由周期性性振荡特特性恢复复电压转转变为非非周期性性恢复电电压，大大大降低低了恢复复电压的的上升速速度和幅幅值，改改善了断断路器的的灭弧条条件。b)当当r>rcr时，弧隙隙电压恢恢复过程程为周期期振荡性性过程，，对电弧弧熄灭不不利。由罗彼塔塔法则可可知：时，当在此种情情况下，，弧隙电电压恢复复过程仍仍是非周周期性的的，但处处在临界界情况。。忽略R，临界并并联电阻阻值为第三节节熄熄灭灭交流流电弧弧的基基本方方法加强弧弧隙的的去游游离、、提高高介质质强度度的恢恢复速速度和和降低低弧隙隙电压压的上上升速速度与与幅值值，是高高压断断路器器中熄熄灭电电弧的的基本本方法法。1．利利用灭灭弧介介质在高压压断路路器中中，广广泛采用去去游离离作用用强的的灭弧弧介质质灭弧。。2、利利用固固体介介质的的狭缝缝狭沟沟灭弧弧——冷冷却，，表表面吸吸附电电子，，加强强复合合。如：介介质纵纵缝灭灭弧罩罩介质填填料灭灭弧管管2、利利用短短弧原原理灭灭弧交流电电路：：电流流自然然过零零时，，每一一短弧弧有150~250v电电压。。直流电电路：：每一一短弧弧的阴阴极区区有8~11v电压压降。。4．吹吹弧（横吹吹、纵纵吹、、纵横横吹））吹弧是是指利利用各各种结结构形形式的的灭弧弧室，，使高高温分分解的的气体体或具具有很很大压压力的的新鲜鲜且低低温的的气体体在灭灭弧室室中按按特定定的通通路，，吹动动电弧弧，加加强扩扩散和和复合合去游游离而而使电电弧熄熄灭的的方法法。5．采采用特特殊金金属材材料作作灭弧弧触头头采用铜、钨钨合金金和银银、钨钨合金金等特殊殊金属属材料料作触触头。。这些些材料料在高高温下下不易易熔化化和蒸蒸发、、抗熔熔焊，，可以以减少少热电电子发发射和和高温温分解解产生生的金金属蒸蒸气，，削弱弱了游游离作作用。。6．提提高断断路器器触头头的分分离速速度加快断断路器器触头头的分分离速速度，，可以以迅速速拉长长电弧弧，使使弧隙隙的电电场强强度骤骤降，，弧隙隙电阻阻和电电弧的的表面面积突突然增增大，，电弧弧的冷冷却加加快，，有利利于带带电质质点的的扩散散和复复合去去游离离。7．采采用多多断口口灭弧弧某些电电压等等级较较高的的断路路器采采用多多个灭灭弧室室串联联的多多断口口灭弧弧方式式。1）多多断口口将电电弧分分割成成多段段，在在相同同触头头行程程下，，增加加了电电弧的的总长长度，，弧隙隙电阻阻迅速速增大大，介介质强强度恢恢复速速度加加快。。2）使使每个个断口口上的的恢复复电压压减小小，降降低了了恢复复电压压的上上升速速度和和幅值值，提提高了了灭弧弧能力力。加装均均压电电容，，来解解决各断口口的电电压分分配不不均衡衡的问问题：：1）不不装均均压电电容时时断口等等效电电容两断口口连接接处对对地的的等效效电容容：分配在在两断断口上上的电电压为为(CQ≈C0)：可以看看出，，第一一个断断口的的工作作条件件比第第二个个要恶恶劣，，如其其电弧弧不能能熄灭灭，电电压将将全部部加在在第二二断口口上，，它也也将被被击穿穿。2）在在断口口上并并联均均压电电容C时，C=2000pF，远远大于于C0(几十十pF)，，则可见并并联均均压电电容后后，断断口上上的电电压分分布均均匀，，在i过零后后，两两断口口上的的电弧弧可以以同时时熄灭灭。8．在在断路路器主主触头头两端端加装装低值值并联联电阻阻1)主主触触头Q1先先断开开，产产生电电弧，，因有有并联联电阻阻，恢恢复电电压为为非周周期性性，降降低了了恢复复电压压的上上升速速度和和幅值值，主主触头头上的的电弧弧很快快熄灭灭。2)接着断断开的的辅助助触头头Q2，，由于于r的限流和和阻尼作作用，，辅助触触头上上的电弧也也容易熄灭灭。定义触头的的分类类和结结构第四节节电电气气触头头的基基本知知识电气触触头---即指指两个个导体体或几几个导导体之之间相相互接接触的的部分分。主主要用用来负负责接接通和和断开开电路路。1.按按接触触面的的形式式划分分（1））平面面触头头---如如图2-20a，通通常用用于工工作电电流和和短路路电流流小情情况；；（2））线触触头---如图图2-20b，，广泛泛用于于高低低压开开关电电器中中；（3））点触触头---如图图2-20c，，2.按按结结构构形形式式划划分分（1））可可断断触触头头---如如QF的的动动静静触触头头，，可可采采用用对对接接式式和和插插入入式式；；（2））固固定定触触头头---如如母母线线的的联联接接，，采采用用螺螺柱柱连连接接和和压压接接两两种种；；（3））滑滑动动触触头头---如如滑滑环环与与碳碳刷刷。。触头头的的接接触触电电阻阻接触触电电阻阻：：接接触触电电阻阻是是指指收收缩缩电电阻阻和和表表面面膜膜电电阻阻之之和和，，其其大大小小决决定定了了触触头头的的发发热热、、触触头头的的工工作作情情况况。。触头头电电阻阻：：接接触触电电阻阻和和触触头头体体电电阻阻之之和和。。影响响接接触触电电阻阻的的因因素素及及降降低低其其值值的的措措施施：：（1）触触头头材材料料：：铜铜、、黄黄铜铜、、青青铜铜、、铜铜铝铝过过渡渡接接头头片片等等（2）接接触触压压力力（3）接接触触形形式式：：点点、、线线、、面面接接触触的的用用途途（4）接接触触面面的的加加工工情情况况：：平平而而不不是是光光对电电气气触触头头的的要要求求（1）结结构构可可靠靠（2）由由良良好好的的导导电电性性能能和和接接触触性性能能。。（3）通通过过规规定定的的电电流流时时，，发发热热温温度度不不超超过过规规定定值值。。（4）开开断断规规定定容容量量的的电电流流时时有有足足够够的的抗抗熔熔焊焊和和抗抗电电弧弧烧烧伤伤能能力力。。（5）通通过过短短路路电电流流时时，，具具有有足足够够的的动动稳稳定定和和热热稳稳定定。。触头头的的工工作作情情况况1、、在在长长期期负负载载电电流流下下的的工工作作———负负载载电电流流I→→触触头头Rc→→I2Rc→→发发热热需采采用用降降低低温温度度及及提提高高通通流流能能力力、、严严防防金金属属氧氧化化层层造造成成的的恶恶性性循循环环的的方方法法。。2、、在在短短时时大大电电流流下下的的工工作作在t很很短短的的瞬瞬间间，，电电流流很很大大→→会会在在某某一一点点集集聚聚大大热热量量→→触