机车电传动系统课件

变压器及平波电抗器

主变压器又称为牵引变压器，是交直流电力机车上的一个重要的电器设备，用来将接触网上取得的25KV高压电降为机车和电路所需的电压。平波电抗器是用来限制牵引电动机电流脉动的电抗器，由于其基本原理和结构与变压器有相似之处，常与变压器一起统称为变压器类产品。本章将重点介绍主变压器的基本结构以及国产TBQ系列主变压器的主要技术数据和结构特点。同时，对平波电抗器的结构特点也作简要介绍。第一节概述一、主变压器的特点（１）绕组多（２）电压波动范围大（３）负载变化大（４）耐振动（５）对阻抗电压要求高（６）重量轻，体积小，用钢多第一节概述二、主变位器的型号国产ＳＳ系列电力机车上使用ＴＢＱ系列主变压器，其型号其意义为：“Ｔ”一“铁”路机车用；“Ｂ”一“变”压器；“Ｑ”一“牵”引；数字为设计序号；“一”后为“容量（ｋＶ·Ａ）／电压等级（ｋＶ）”。例如ＳＳ４改型电力机车主变压器的型号为：ＴＢＱ8－４９２３／２５型，即表示其容量为４９２３ｋＶ·A；电压为２５ｋＶ。第二节主变压器的基本结构主变压器由器身、油箱、保护装置、冷却系统和出线装置等部件组成。一、器身器身由铁心、绕组（线圈）、器身绝缘和引线装置等组成。１．铁心铁心的作用是构成变压器的闭合磁路，同时也是支撑绕组及引线装置的机械骨架。因此，要求铁心必须具有良好的导磁性能和足够的机械稳定性。第二节主变压器的基本结构２．绕组绕组是组成变压器绕组的基本单元，单相心式变压器的每个绕组都是由分别布置在两个心柱上的两个绕组并联或串联而成。绕组由纸包扁（圆）铜线和绝缘件组成，绝缘件构成绕组的主绝缘的纵绝缘，使绕组固定在一定位置上，并形成冷却油道。第二节主变压器的基本结构（１）绕组的结构形式绕组的结构形式分为同心式和交迭式两种主变压器中常用的同心式绕组有以下几种形式。①圆筒式绕组②螺旋式绕组

③连续式绕组

④双饼式绕组第二节主变压器的基本结构（２）绕组的绕向绕组的线匝环绕方向称为绕向，绕组的绕向分为左绕向和右绕向两种（３）绕组的排列３、器身绝缘和引线装置绕组引线均用裸铜排制成，引线与绕组出头的焊接采用电阻焊接。由于钢是加速变压器油氧化的催化剂，故引线表面要覆盖一层绝缘漆作保护层。所有绕组引线均通过引线支架固定在器身上。第二节主变压器的基本结构二、油箱油箱是油浸式主变压器的外壳，变压器的器身就放在充满变压器油的油箱内（１）在保证内部必要的绝缘距离条件下，尽可能减小体积，以节约用油；（２）应具有必要的真空强度，以便在检修时能利用油箱进行真空干燥；（３）油箱外部各种附件的布置应便于安装和维护。第二节主变压器的基本结构三、保护装置１．储油柜（油枕）２．油位表３．吸湿器４．信号温度计５．油流继电器６．压力释放阀第二节主变压器的基本结构四、冷却系统主变压器运行中产生的所有损耗将转变为热能，使各部件的温度升高，当主变压器温升超过规定的限值，将使绝缘损坏，直接影响主变压器的使用寿命（２０～３０年）。因此，主变压器必须具有相应的散热能力五、出线装置主变压器各绕组的引线从油箱内引至油箱外时，必须采用出线装置，以便使带电的导线与接地的油箱绝缘。第三节典型主变压器结构特点一、ＴＢＱ8—４９２３/2５型主变压器ＴＢＱ8－４９２３／２５型（简称ＴＢＱ8型）主变压器是用于ＳＳ４改型电力机车上的主变压器

铁心为单相二柱式叠铁心

主变压器的绕组有：高压绕组、牵引绕组、辅助绕组和励磁绕组等４种ＴＢＱ8型主变压器采用独立的强迫导向油循环风冷却系统专门设置了储油柜、吸湿器、净油器等保护装置。

ＴＢＱ8型主变压器的出线装置采用两种套管

第三节典型主变压器结构特点二、ＴＢＱ9·５８１６／２５型主变压器ＴＢＱ9－５８１６／２５型（简称ＴＢＱ9型）主变压器是用于ＳＳ8型电力机车上的主变压器。该主变压器是一体化变压器，除主变压器外，还有平波电抗器，它们装在一个油箱里，共用一个冷却系统。ＴＢＱ9型主变压器由下油箱、上油箱、器身、油保护装置、冷却系统及其他附属装置等组成。其中，器身由铁心、绕组、绝缘件组成。油保护装置由储油柜、油位表、吸湿器。信号温度计、油流继电器、压力释放阀等组成。第三节典型主变压器结构特点主变压器的铁心为心式结构。采用性能优良的冷轧电工钢片ＴＢＱ9型主变压器有高压绕组、牵引绕组、辅助绕组、励磁绕组和采暖绕组等５种绕组。ＴＢＱ9型主变压器采用３种套管第五节平波电抗器平波电抗器是串接在牵引电动机回路中的电感装置，可用来减小整流电流的脉动，以改善牵引电动机的换回和限制过高的温升要求平波电抗器的电感一电流特性曲线在工作范围内为一条双曲线即平波电抗器电感量Ｌ与流过平波电抗器的整流电流平均值Id的大小成反比通常，为使平波电抗器在大电流下仍具有一定数量的电感，要求其磁路具有较大的气隙，以便在磁路高饱和时，磁化曲线仍具有较大的斜率。这样，在小电流下工作时，电感量比要求值小很多，故电流脉动系数可能超过３０％。

第五节平波电抗器二、平波电抗器的结构1．ＴＸＰ７型平波电抗器的结构ＴＸＰ７型平波电抗器由铁心组装、绕组、引线、油道隔板组等４部分组成（１）铁心组装铁心采用０．５ｍｍ厚的电工钢片叠成平波电抗器铁心柱截面近似圆形上。下铁轭采用穿心螺杆拉紧夹件夹紧；铁心饼采用穿心螺杆拉紧夹板绝缘夹紧第五节平波电抗器（２）绕组平波电抗器的每个铁心柱上套有一个绕组。每个绕组由４组构成，两铁心柱上相同位置的各组线圈通过联线彼此井联，构成４组电感线圈。每组电感线圈和一台牵引电动机串联。绕组采用连续式，两铁心柱上的绕组绕制方向相反。绕组要经过浸漆处理，一般浸１０３２醇酸树脂漆。绕组浸漆可以增加机械强度，但是降低了耐电强度和散热能力。由于平波电抗器额定电流较大，而电压等级并不太高，因此通过浸漆可进一步获取抗短路能力和过载能力第五节平波电抗器（３）引线在平波电抗器绕组外部，连接绕组各引出端和油箱上出线端子的导线称为引线。引线将电感线圈串接在电机回路。ＴＸＰ７型平波电抗器的铜排和油箱出线装置之间的连接采用软编织线结构。（４）油道隔板组ＴＸＰ７型平波电抗器设有绕组上部的上隔板，绕组前部的前隔板，绕组两侧的弯隔板和绕组下部的下隔板，油流导向措施较好，冷却效果也比较理想。第五节平波电抗器２．ＴＸＰ8型平波电抗器的结构特点ＴＸＰ8型平波电抗器充分吸收了ＴＸＰ７型的优点，铁心结构为单相二柱分段式叠铁心，其结构尺寸略有不同。铁心柱的中间部分是分段的，每柱有１２段铁心饼，有１３个气隙，最上和最下的气隙为１４ｍｍ，其余为１６ｍｍ气隙。两铁心往气隙总长为４０８ｍｍ。每个铁心柱上套有一个绕组。每个绕组由４组电感绕组构成。每组电感绕组和一台牵引电动机串联。同一铁心柱上的４组电感绕组彼此间有１０ｍｍ的油道。每组的线段之间的油道高为４．５ｍｍ。两柱绕组之间的间隙为１５ｍｍ，间隙间有一根长撑条，以保证两绕组间的绝缘距离。长撑条同时起着油流导向作用。绕组出线通过钎焊焊在铜排上，铜排将绕组出线引到油箱的出线装置处，铜排与出线装置之间通过软编织线连接。

触头

第一节概述

一、触头的分类

触头作为电器的执行机构，是非常重要的部件，它对电器的工作性能、总体结构、尺寸有着决定性的影响。触头的工作性能和质量直接影响到电器的可靠性。触头在正常工作情况下经常要受到机械撞击、电弧等的有害作用，很容易损坏，故它又是有触点电器的一个薄弱环节。触头可按以下方法分类：

1．接触头工作情况可分为有载开闭和无载开闭两种。

2．接触头相互运动状态可分为滚动式和滑动式两种。前者较后者的机械磨损小，传动力也大为减小。

3．按触头的用途可分为主触头、弧触头、预接触头和联锁触头等。弧触头用来灭弧，以保证主触头良好的工作。因此，对弧触头的动作要求是：在闭合过程中应比主触头先闭合，在开断过程中应比主触头后断开，以避免电弧烧伤主触头。预接触头为弧触头的候补触头。4．按开断点数目可分为单断点式和双断点式触头。5．接触头正常工作位置可分为常开触头和常闭触头。

6．按结构形状可分为指形触头和桥式触头等。7．接触头的接触形式可分为面接触、线接触和点接触三种形式。8．接触头控制电流的大小可分为弱电流、中电流和强电流三种。二、触头接触面形式触头接触面形式分为点接触、线接触和面接触三种。

1．点接触

点接触触头是指两个导体只在一点或者很小的面积上

，20A以下的小电流电器，如继电器的触头，接触器和自动开关的联锁触头等。由于接触面积小，保证其工作可靠性所需的接触互压力也较小。

2．线接触

线接触触头是指两个导体沿着线或较窄的面积发生接触的触头（如圆柱对圆柱、圆柱对平面）。其接触面积和接触压力均适中，常用于几十安至几百安电流的中等容量的电器，如接触器、自动开关及高压开关电器的触头。3．面接触

面接触触头是指两个导体沿着较广的表面发生接触的触头（如平面对平面）。其接触面积和触头压力均较大，多用于大电流的电器，例如大容量的接触器和断路器的主触头。

为了保证电器可靠工作，对触头有如下要求：工作可靠；有足够的机械强度；长期通过额定电流时，温升不超过规定值；通过短路电流时，有足够的热稳定性和电动稳定性；有足够抵抗外界腐蚀（如氧化、化学气体腐蚀）的能力，寿命长。

三、触头的参数

触头的参数主要有触头的结构尺寸、开距、超程、研距、触头初压力和终压力等。1．触头的结构尺寸

2．触头的开距

3．触头的超程4．触头的初压力

5．触头终压力

6触头的研距

第二节

触头的接触电阻

一、接触电阻的产生

接触电阻包括收缩电阻和表面膜电阻。二、影响接触电阻的因素影响接触电阻的因素有接触压力、触头材料、触头温度、触头表面情况、接触形式及化学腐蚀等。三、减小接触电阻的方法

根据接触电阻的形成原因，减小接触电阻一般可采用下列方法：

1．增加接触点数目。为此，应选择适当的接触形式，用适当的方法加工接触表面，并在接触处加一定的压力。2．采用本身电阻系数小，且不易氧化或氧化膜电阻较小的材料作为接触导体，或作为接触面的覆盖层。

3．触头在开闭过程中应具有研磨过程，以擦去氧化膜。

一、产生振动的原因

触头在闭合过程中，触头间的碰撞、触头间的电动斥力和衔铁与铁心的碰撞都可能引起触头的机械振动。当触头闭合时，电器传动机构的力直接作用在动触头支架上，使得质量为m的动触头以速度V；向静触头。在动、静触头相撞时动触头具有一定的动能，触头发生碰撞后，触头表面将产生弹性变形，此时，一部分能量消耗在碰撞过程中（因为触头不是绝对弹性体），而大部分能量转变为触头表面材料的变形势能。当触头表面达到最大变形。变形势能达到最大，而动触头的动能降为零，于是动触头停止向前运动。

第三节

触头的振动

一、产生振动的原因

触头在闭合过程中，触头间的碰撞、触头间的电动斥力和衔铁与铁心的碰撞都可能引起触头的机械振动。当触头闭合时，电器传动机构的力直接作用在动触头支架上，使得质量为m的动触头以速度V；向静触头。在动、静触头相撞时动触头具有一定的动能，触头发生碰撞后，触头表面将产生弹性变形，此时，一部分能量消耗在碰撞过程中（因为触头不是绝对弹性体），而大部分能量转变为触头表面材料的变形势能。

当触头表面达到最大变形。变形势能达到最大，而动触头的动能降为零，于是动触头停止向前运动。紧接着触头的弹性变形开始恢复，将势能释放，由于静触头固定不动，动触头就会受到反力作用，以初速度弹回，甚至离开静触头，并把触头弹簧压缩，将动能储存在弹簧中，在触头弹簧的作用下，动触头反跳的速度逐渐减小。与此同时，传动机构继续推动触头支架将弹簧进一步压缩。当动触头反跳的速度降为零时，反跳距离达到最大值。随后，动触头在弹簧张力的作用下又开始向静触头运动，触头间发生第二次碰撞和反跳。

由于触头每一次碰撞和反跳都要消耗掉一部分能量，同时，在碰撞和反跳的过程中，传动机构使触头弹簧进一步压缩，因而动触头的振动时间和振幅一次比一次要小，直至振动停止，触头完全闭合.另外，在触头带电接通时，由于实际接触的只有几个点，在接触点处便产生电流线的密集或弯曲。畸变的电流线和通过反向电流的平行导体一样，相互作用产生斥力，使触头趋于分离，该电动力称为收缩电动力。收缩电动力也能引起触头间的振动，特别是在闭合大的工作电流或短路电流时，电动斥力的作用更为显著。对于电磁传动的电器来讲，在触头闭合过程中，衔铁以一定的速度向静铁心运动，当衔铁吸合时，同样会因碰撞而产生振动，以致触头又发生第二次。

在触头振动过程中，如果Xm＜XD，碰撞后触头不会分离，这样的振动不会产生电弧，对触头无害，因而称之为无害振动。反之，若X。＞Xu，则碰播后动静触头分离，形成断开电路的气隙，在触头间产生电弧，严重影响触头寿命，故称之为有害振动。产生振动是不可避免的，所谓消除触头闭合过程中的振动，是指消除触头的有害振动。

二、减小振动的方法

为了提高触头的使用寿命，必须减小触头的振动。减小触头振动有如下几种方法：1．使触头具有一定的初压力2．降低动触头的闭合速度，减小碰撞动能

3．减小动触头的质量，以减小碰撞动能，从而减小触头的振幅4．对于电磁式电器，减小衔铁和静铁芯碰撞时引起的磁系统的振动

三、熔焊的概念

触头的熔焊主要发生在触头闭合有载电路的过程中和触头处于闭合状态时。在触头闭合过程中，触头的机械振动使触头间断续产生电弧，在电弧高温的作用下，使触头表面金属熔化，当触头最终闭合时。这些熔化金属可能凝结而引起熔接，使动、静触头熔焊在一起不能打开。在触头处于闭合状态时，若通过过大的电流，会使触头接触处温度升高，如果达到了熔化温度，两触头接触处的材料便熔化并结合在一起，使接触电阻迅速下降，其损耗和温度都下降，熔化的金属可能凝结而引起熔接。这种由热效应而引起的触头熔接，称为触头的“熔焊”。第四节触头的磨损

一、触头磨损的原因

触头磨损包括机械磨损、化学磨损和电磨损。触头的磨损主要取决于电磨损。电磨损主要发生在触头的闭合和开断过程中，在触头闭合电流时产生的电磨损，主要是由于触头碰撞引起的振动所产生的，在触头开断电流时所产生的电磨损，是由高温电弧所造成的。

二、触头电磨损的形式

（1）．液桥的形成和金属转移

在弱电流电器（如继电器）中，液桥对触头的电磨损有着重要的影响。

（2）．电弧对触头的腐蚀

当电器控制交流电路时，如果电流小于20A触头不会出现金属转移。当电流大于20A时电器触头的磨损也是很严重的。三、减小电磨损的方法

减小触头的电磨损，提高触头的寿命，一般可从两方面着手，即减小触头在开断过程中的磨损和减小触头在闭合过程中的磨损。

第五节触头材料

触头所采用的材料关系到触头工作的可靠性，尤其是对触头磨损影响甚大。根据各种电器的任务和使用条件的不同，对触头材料性能的要求亦不同，一般要求如下：

（1）电气性能：要求材料本身的电阻系数小，接触电阻小且在长期工作中能保持稳定。要求生弧的最小电流和最小电压高，电子逸出功及游离电位大。（2）热性能：要求熔点高，导热性好，热容量大。（3）机械性能：要有适当的强度和硬度，耐磨性好。（4）化学性能：要具有很好的化学稳定性，在常温下不易氧化，或者氧化物的电阻尽量小，耐腐蚀。触头材料分为三大类，即纯金属、合金和金属陶冶材料。

传动装置

传动装置是有触点电器的主要组成部件，其作用是驱动电器触头的分合。在电力机车电器中，主要采用电磁传动装置、电空传动装置和电动机传动装置，此外，也采用一些手动和机械传动装置。

电磁传动装置是通过电磁铁把电磁能转变成机械能来驱动电器动作的装置。它的用途很广，可作为接触器的传动机构，继电器的测量机构，自动开关和高压断路器的测量元件和操作机构等。

电空传动装置是一种以电空阀控制的压缩空气为动力，推动活塞（或传动薄膜）运动，从而驱动电器运动部件动作的装置。它广泛用于触头开闭高电压、大电流的场合，例如电力机车主电路中的接触器都采用电空传动的接触器。电动机传动机构是以电动机输出的机械转矩作为动力来驱动电器动作的装置，所用的电动机又称为伺服电动机。广泛用于操纵频繁、触头开闭级数较多的场合，例如韶山型电力机车中的调压开关就采用了电动机传动机构。

第一节电磁传动装置

一、电磁铁的基本组成和工作原理

电磁铁是一种通电后对铁磁物质产生吸力，将电磁能转变成机械能的电器（如牵引电磁铁、制动电磁铁）或电器部件（如接触器的电磁传动机构）。

电磁铁主要由线圈和导磁体（或称磁系统）两部分组成。导磁体一般由铁心、磁轭和衔铁三部分组成。衔铁又称动铁心，铁心和磁轭又称静铁心。也可以没有衔铁，而以工作物作为可动被吸体，相当于衔铁的作用。

由于异性磁极相吸，于是在铁心和衔铁间产生电磁吸力。当电磁吸力大于反力弹簧的反作用力（指把反力弹簧的弹力归算到工作气隙中心线处的力）时，衔铁被吸向铁心，直到与极靴接触为止。这个过程称为衔铁的吸合过程，衔铁与极靴接触的位置称为衡铁闭合位置。此时，衔铁与极靴之间仍有一个很小的气隙。当线圈中的电流减小或中断时，铁心中的磁通就变小，吸力也随之减小，当吸力小于反力弹簧的反力时，衔铁就在反力弹簧的作用下返回至打开位置，这个过程称为衔铁释放过程。

二、电磁铁的分类

1．按线圈电流种类可分为直流电磁铁和交流电磁铁。2．按线圈与电路连接方式可分为并联电磁铁和串联电磁铁3．按衔铁运动方式可分为直动式和转动式两大类4．按导磁体的形状可分为U型、E型和螺管型

第二节

电磁铁的吸力与特性

一、电磁铁的吸力计算基本公式

1.直流电磁铁的吸力计算基本公式

麦克斯韦公式是在假定磁极端面下的磁通分布均匀的条件下得出来的，故只适用于计算气隙较小时的吸力，例如电磁铁处在闭合位置或接近闭合位置的时候。若用于磁场分布不均匀的情况下，会引起较大的误差，但是由于这个公式非常简练，在分析问题时仍然用得很多。

2.交流电磁铁的吸力计算及分析

麦克斯韦公式同样适用于交流电磁铁，但是，要用磁通（或磁感应强度）的瞬时值代入公式。

（1）交流电磁铁的吸力是脉动的，方向不变；

（2）交流电磁铁的吸力由两部分组成，即吸力的恒定分量和交流分量，恒定分量为吸力最大值的一半。吸力交变分量的频率是磁通频率的两倍。吸力的平均值等于吸力的恒定分量。

二、电磁铁的特性

1．电磁铁的吸力特性：吸力特性是指衔铁缓慢移动时，电磁吸力与工作气隙的关系曲线。其特性曲线的形状随电磁铁的结构型式、几何尺寸、线圈类型的不同而不同。交流电磁铁的吸力特性是指吸力平均值与工作气隙的关系曲线。

2．电磁铁的反力特性：反力由反力弹簧的弹簧力、触头弹簧的弹簧力和运动部分的重力等组成。这些力的作用点各不相同，为了便于和电磁铁的吸力特性进行比较，对转动式电磁铁，按力矩不变的原则，把这些力归算到铁心中心线（即电磁吸力的作用点）上。

3．电磁铁的吸力与反力特性的配合

两曲线之间的面积就是使衔铁运动所具有的动能。这个面积过大，不仅浪费铜和铁，浪费电能，同时，由于运动部件具有过大的动能，使动触头和静触头接触时，产生较大的冲击，缩短电器的工作寿命。严重时，还会使两触头接触后又弹开，产生电弧，使触头电磨损增加，甚至造成熔焊，使电器不能可靠分断，即要求吸力特性和反力特性有较好的配合。

第三节

电空传动装置

电空传动装置在较大行程下仍能保持足够大的传动力，且在电力机车上有现成的压缩空气气源，所以，电力机车主电路电器通常都采用电空传动装置。此外，采用电空传动装置还能节省铜和硅钢片，节约电能。电空传动装置由压缩空气驱动装置和电空阀组成。一、电空阀：电空阀是借电磁吸力来控制空气管路的导通或关断，从而达到远距离控制气动器械的目的。电空阀按工作原理分为开式和闭式两种，从结构上来说由电磁机构和气阀两部分组成。1．闭式电空阀2．开式电空阀二、压缩空气驱动装置：压缩空气驱动装置按其结构形式分为气缸式传动装置和薄膜式传动装置。

电磁铁的磁路

一、磁路的基本定律

1．磁路欧姆定律磁路两端的磁压降，等于通过磁路的磁通与其磁阻的乘积。2．磁路的基尔霍夫第一定律在磁路任一节点处，进入节点的磁通与离开该节点的磁通相等，即在任一节点处磁通的代数和等于零。3．磁路的基尔霍夫第二定律沿磁路的任一闭合回路，磁压降的代数和等于与该回路磁通相交链的线圈磁势的代数和。

电弧及灭弧装置

一、电弧现象及特点电弧属于气体放电的一种形式。对于有触点电器而言，由于它主要产生于触头断开电路时，高温将烧损触头及绝缘，严重情况下甚至引起相间短路、电器爆炸，酿成火灾，危及人员及设备的安全。所以从电器的角度来研究电弧，目的在于了解它的基本规律，找出相应的办法，让电弧在电器中尽快熄灭。可分为三个区域，即近阴极区、近阳极区及弧柱区。

阴极压降与阳极压降的数值几乎与电流大小无关，在材料及介质确定后可以认为是常数。

弧柱区的长度几乎与电极间的距离相同。是电弧中温度最高、亮

电弧三个区及电位度最强的区域。因在自由状态下近似圆柱形，故称弧柱区。在此区域

降、电位梯度的分布中正、负带电粒子数相同，亦称等离子区。由于不存在空间电荷，整个弧柱区的特性类似于一金属导体。每单位弧柱长度电压降相等。其电位梯度尼也为一常数，电位梯度与电极材料、电流大小、气体介质种类和气压等因素有关。

电弧按其外形可分为长弧与短弧。

电弧还可按其电流的性质分为直流电弧和交流电弧。

二、开断电路时电弧产生的物理过程

从物质原子的结构而言，是由原子核与若干电子构成的。电子沿一定的轨道绕原子核运动。电子可能运行的轨道由于能量级的不同有许多条，越靠近原子核，轨道的能量级越低。在正常情况下，电子是按一定数量规律分布在不同的能量级轨道上运动。但当原子受到外界能量（热、光、碰撞等）作用时，其状态就会有所变化，电子吸收这些能量后，会改变自己的运行轨道。如果加到电子上的能量不够大，只能使电子从低能量级轨道跳到高能量级轨道，从而使原子的内能增加，这种现象称为激励。激励所需能量称激励能。如果外界加到电子上的能量足够大，能使电子克服原子核的吸引力作用而成为自由电子，这种现象称为游离。游离所需的能量，叫做游离能。不同的物质其游离能不同。气体物质若是由于碰撞或热运动而获得能量发生游离则称为碰撞游离、热游离。1．碰撞游离2．热游离

金属材料的表面发射根据其原因可分为以下几种。1．热发射电子2．强电场发射电子

电器工作时，如果触头开断电路的电压和电流大于其生弧电压和生弧电流（产生电弧的最小电压、电流值），就会产生电弧。触头间产生电弧的物理过程如下：

触头刚开始分离时，接触面积逐渐减小，接触处的电阻越来越大，电流密度也逐渐增大，触头表面的温度剧增。触头表面形成热发射电子。在触头刚刚分开发生热发射的同时，由于触头之间的距离很小，线路电压在这很小的间隙内形成很高的电场。阴极表面形成强电场发射电子。由于这两种发射的作用，大量电子从阴极表面进入弧隙，它们在电场的作用下，随着触头的分开就会不断地撞击中性气体分子，形成碰撞游离，产生自由电子与正离子。

被游离的自由电子在电场作用下又会发生新的撞击和游离。孤隙中的中性气体就变为导电的自由电子与正离子。在电场作用下，它们向阴极、阳极运动，电弧形成，电路并未断开。随着电弧形成产生的高温，弧隙间的热游离作用越来越强，气体中带电粒子越来越多，电弧则完全形成了。应该注意的是，在整个过程中几种物理作用并不是截然分开的，而是交叉进行或同时存在的。

从能量的角度来看，电弧燃烧时要从电源不断向电弧内部输入能量，而这个能量又不断转变为电弧的热量通过传导、对流及辐射三种方式散失。三、电弧熄灭的物理过程

当电弧稳定燃烧时是处在热动平衡状态，此时不可能有电子和离子的积累。这说明电弧中气体游离现象的同时还存在一个相反的过程，我们称之为消游离。消游离就是正、负带电粒子中和而变成中性粒子的过程。消游离的方式分两类：复合和扩散。

1．复合带异性电荷的粒子相遇后相互作用中和而变成中性粒子称为复合。复合按其地点可分为：(1）表面复合带正、负电荷的粒子附在金属或绝缘材料表面上，相互吸引而中和电荷，变成中性粒子。（2）空间复合带电粒子运动速度是直接影响复合作用大小的重要因素。降底温度、减小电场强度可使粒子运动速度减小，易于复合。此外，带电粒子浓度增大时，复合机会增多，复合作用也可以加强。在电弧电流不变的条件下，设法缩小电弧直径，则粒子浓度可增大。复合过程总是伴随着能量的释放。释放出来的能量成为加热电极、绝缘物及气体的热源，同时也向四周散发。

2．扩散

加速电弧的冷却是提高扩散作用的有效方法。

电弧中存在着游离与消游离两方面的作用。当游离作用占优势时电弧就会产生和扩大，当消游离作用占优势时，电弧就趋于熄灭。游离与消游离作用与许多物理因素有关，如电场强度、温度、浓度、气体压力等。那末，我们可以根据这些物理因素的变化影响情况，找出一些切实可行的方法，减小游离，增加消游离，使触头断开电路时产生的电弧尽快地熄灭。

第二节直流电弧及其熄灭

一、直流电弧的伏安特性

电弧的伏安特性说明电弧电压与电流的关系，是电弧重要特性之一。它实质上是反映电弧内的物理过程。直流电弧是指产生电弧的电路电源为直流。直流电弧的伏安特性可用实验方法求得。如电路图所示，在两极中有一稳定燃烧的电弧。我们若是通过调节可变电阻R的值非常缓慢地调节回路电流，在这个过程中分别测量电弧电流IDH和电弧两端电压UDH，可绘出其伏安特性，此伏安特性称为直流电弧的静伏安特性（简称静特性）。

静特性是指在电弧稳定燃烧条件下，电弧不受热惯性影响时，电弧电流与电弧压降的关系。从静特性曲线1中可以看出，当电弧电流上升时，电弧电压下降，这是和一般金属导体不同的。其原因是因为随着电流的增大，电弧内的游离作用加强，离子浓度增加，导电性越好，其对外所显示的电阻值就愈小。

若调节可变电阻R来调节回路电流，让回路电流以一定速度增加或减少，则可得曲线3和2。这时所得的伏安特性称直流电弧的动伏安特性（简称动特性）。动特性是指在电弧不稳定燃烧条件下，电弧电流变化快，其热惯性对电弧有影响时，电弧电流与电弧压降的关系。

根据电流变化速度不一样，动特性曲线有许多条。伏安特性曲线1、2、3并不重合，而且是电流增加过程的伏安特性3位于静伏安特性1之上方，电流减小过程的伏安特性2位于静伏安特性1的下方。其原因是因为当回路电流以一定速度变化时，电弧内部有保持原来热状态（游离和消游离状态）的热惯性作用，致使电弧内部状态的变化总是滞后于回路电流的变化。当回路电流变化速度愈高时，这种热惯性作用就愈明显。电弧的电阻值也就不同于相应点应有的电阻值，电弧的压降同样就和相应点的压降不同。静特性曲线1与纵轴交点的电压值称为燃弧电压，所谓燃弧电压，就是产生电弧所必须的最低电压，电压低于此值，就不足以点燃电弧。伏安特性曲线2与纵轴交点的电压值称为熄弧电压，所谓熄弧电压，就是指熄灭电弧的最高电压，电压高于此值，电弧将不能熄灭。熄弧电压总是小于燃弧电压的，其原因是燃弧前弧隙中介质强度高，即游离程度小，要形成电弧就必须具有较高的电压。

燃弧电压应比维持电弧所需的最低电压要高。电弧在燃烧过程中游离程度高，介质强度低，维持其燃烧的最低电压就低，而熄弧电压应比这个电压还要低，所以熄弧电压总是小于燃弧电压。电弧的静伏安特性与弧长有关。在其它条件相同时，弧长L愈长，静伏安特性愈向上移。其原因如下；在同一电流情况下，电弧单位长度的电阻值不变，电弧拉长后的总电阻值增加，因而电弧的电压就增大了。由于静伏安特性向上平移，燃弧电压和熄弧电压也都要增加。从这个角度来说，拉长电弧，可以加速电弧的熄灭。

二、直流电弧的熄灭

设有典型的直流电弧电路，E为电源电势L和R分别为电路中和电弧串联的电感和电阻。根据克希荷夫第二定律，可写出电压平衡方程式。由于电弧的电阻呈非线性的特点，以采用图解法为便。

从分析可以看出，若因外界的原因使A、B两点的电流发生变化，进入左、右两区中，那末B点的电流将不会再回到iB，而A点的电流仍可回到iA。故我们称B点为视在稳定燃烧点，A点为真正的稳定燃烧点。

要想使直流电弧熄灭，就应该作到消除稳定燃烧点。从图形来看就应该是曲线1与直线2没有交点且曲线1位于直线2的上方。要想达到这个目的，图形上的变化可有很多种，但结合实际来考虑，将曲线1向上平移至3的作法最为可行。从其代表的物理意义上来讲，就是将电弧拉长。所以拉长电弧对熄灭直流电弧是最常用的方法，而且拉长的方式也有很多种。

还有一种方法也能使直流电弧熄灭，那就是在电弧两端并联电阻。从图形上看，由于I=iH十iRB，使得电弧两端的伏安特性发生了变化，满足了直流电弧熄灭的条件，电弧将熄灭。这种方法有一定的缺陷，那就是电弧虽熄灭了，但电路并未断开。所以要利用这种方法，还必须装置附加开关以分断并联电阻电路。

三、断开感性电路的过电压为了减小电弧对触头及电器的烧损，通常希望熄弧时间越短越好。但是在断开感性电路时，若熄弧时间过短，电感中将产生很大的自感电势的值很大。其数位常比电源电压大好多倍，通常称之为过电压。为了区别于大气过电压,称之为内部过电压（或操作过电压）。过电压产生后，一方面可能将电气设备的绝缘击穿，引起破坏性故障；另一方面，可能击穿弧隙,使电弧重燃。为此必须要加以防止和限制。

断开感性电路产生过电压的根本原因，在于贮存在电感中的磁场能量要在非常短暂的时间内释放出来并消耗掉。如果能将磁场能量逐渐地消耗在电阻上，就可以控制此时的过电压。

书上几种方法均能将电感中的磁场能量逐渐地消耗在电阻上或者延长电路电流变化的时间，起到抑制过电压的作用。图（a）中所表示方法其缺点是在正常工作时，附加电阻有功率损耗。图（b）中的情况在正常工作时电容充电达到电源电势，在附加电阻上没有功率消耗。图（C）所示情况在正常工作时二极管的反向电流很小，其上的功率损耗亦很小。

到

A点时电弧点燃，再随着电流的增大，电弧电阻减小，电弧压降也下降直到B点，此时弧电流达到峰值。在B点后随着电流的减小，弧电阻增加，电弧压降上升。变化到

C点时，电弧电流趋近于零，电压达到熄弧电压，电弧熄灭。当电流过零点后，在第三象限重复上述变化规律。显然，由于热惯性作用，电弧电阻的变化总是滞后于电流的变化，因此，交流电弧的伏安特性为动特性。二、交流电弧过零后的物理过程

交流电弧电流过零时，由于电源停止供给能量，故电弧自然熄灭，这也是交流电弧比直流电弧容易熄灭的原因。但是交流电弧过零自然熄灭后，还会重新燃烧。所以怎样防止电弧重燃就是研究交流电弧的重点。哪些因素能使电弧重新点燃，哪些因素抑制电弧重燃，就要分析一下交流电弧过零熄灭后，在弧隙间存在着哪些物理过程。

交流电弧过零后，弧隙间存在两个对立的基本过程，一是由于弧电流值下降至零，弧隙温度迅速下降，使得原来导电的粒子要转变为不导电的中性粒子，此过程称弧隙间介质强度恢复过程，这是阻止电弧重燃的因素。另一方面是交流电弧过零后，加在弧隙上的电压逐渐增高的过程，称为弧隙电压恢复过程，此过程可能将弧隙击穿重新点燃电弧，所以这是使电弧重燃的因素。

1．介质强度恢复过程

交流电弧过零熄灭后，由于外部条件的变化，弧隙内消游离作用加强，使得原来的导电状态要向绝缘介质状态转变，这就是介质强度恢复过程。这个过程的快慢与许多因素有关，例如温度、散热情况、空间位置等。在靠近两极的区域，由于金属材料的传热性好，所以此区域的温度要比弧柱区的温度低，故此处的介质强度恢复要比弧柱区的快。

电流过零后，两电极改变极性，原来的阴极改变为新的阳极，而原来的阳极改变为新的阴极。电场方向的改变，弧隙中剩余电子和离子的运动方向也应随之改变。

但是由于电子的质量远比正离子质量小得多，因而电子的运动方向改变要远比正离子灵敏得多，形成电子很快向新阳极运动，而正离子在此瞬间几乎停止在原地，来不及向新阴极运动。新的阴极此时还不能形成强电场发射电子与热发射。因此，在新的阴极附近就存在一层没有电子而只有正离子的空间，相当于形成了一薄层绝缘介质。从电路的角度来看，必需加一定的电压才能将此绝缘薄层击穿，电弧才会重燃，弧隙重新导电。。这个击穿电压值称为弧隙的起始介质强度。这种在交流电流过零后弧隙形成一定的介质恢复强度的效应，称为交流电弧的近阴极效应。

实验证明：近阴极效应所产生的起始介质强度与电极材料、温度，特别是所通过的电流有关。其数值在40～250V之间。电流越大，其值越低。近阴极效应是交流短弧熄弧的主要因素，是低压交流电器中主要熄弧方法。通常把弧隙间介质强度恢复随时间变化的关系称做弧隙介质恢复强度特性。此特性可通过实验测出并用图形表示。2．弧隙电压恢复过程在交流电路中，电流过零电弧熄灭后，触头两端电压从熄弧电压恢复到电源电压的过程称电压恢复过程。这个过程根据线路参数情况的不同形成较为复杂的情况。总的来说，可分为两类；一类叫非周期（非振荡）电压恢复过程，另一类叫周期（振荡）电压恢复过程。因为电压恢复过程是使电弧重燃的因素，很显然，周期电压恢复过程中有较高的电压峰值，对电弧不再重燃是十分不利的，所以也是应该尽量避免的。

第三节

交流电弧及其熄灭

一、交流电弧的伏安特性交流电弧与直流电弧有所不同，交流电流的瞬时值随时间变化，每周期内有两次过零点。电流经过零点时，弧隙的输入能量等于零，电弧温度下降，电弧自然熄灭。而后随着电压和电流的变化，电弧重新燃烧。因此，交流电弧的燃烧，实际上就是电弧的点燃、熄灭周而复始的过程。这个特点也反映在它的伏安特性中。

交流电弧在一周内的伏安特性。从

O点开始，因电弧还未产生，所以随着电压的增加只有小量的由阴极发射产生的电流。

到A点时电弧点燃，再随着电流的增大，电弧电阻减小，电弧压降也下降直到B点，此时弧电流达到峰值。在B点后随着电流的减小，弧电阻增加，电弧压降上升。变化到C点时，电弧电流趋近于零，电压达到熄弧电压，电弧熄灭。当电流过零点后，在第三象限重复上述变化规律。显然，由于热惯性作用，电弧电阻的变化总是滞后于电流的变化，因此，交流电弧的伏安特性为动特性。二、交流电弧过零后的物理过程

交流电弧电流过零时，由于电源停止供给能量，故电弧自然熄灭，这也是交流电弧比直流电弧容易熄灭的原因。

但是交流电弧过零自然熄灭后，还会重新燃烧。所以怎样防止电弧重燃就是研究交流电弧的重点。哪些因素能使电弧重新点燃，哪些因素抑制电弧重燃，就要分析一下交流电弧过零熄灭后，在弧隙间存在着哪些物理过程。交流电弧过零后，弧隙间存在两个对立的基本过程，一是由于弧电流值下降至零，弧隙温度迅速下降，使得原来导电的粒子要转变为不导电的中性粒子，此过程称弧隙间介质强度恢复过程，这是阻止电弧重燃的因素。另一方面是交流电弧过零后，加在弧隙上的电压逐渐增高的过程，称为弧隙电压恢复过程，此过程可能将弧隙击穿重新点燃电弧，所以这是使电弧重燃的因素。

1．介质强度恢复过程

交流电弧过零熄灭后，由于外部条件的变化，弧隙内消游离作用加强，使得原来的导电状态要向绝缘介质状态转变，这就是介质强度恢复过程。这个过程的快慢与许多因素有关，例如温度、散热情况、空间位置等。在靠近两极的区域，由于金属材料的传热性好，所以此区域的温度要比弧柱区的温度低，故此处的介质强度恢复要比弧柱区的快。

电流过零后，两电极改变极性，原来的阴极改变为新的阳极，而原来的阳极改变为新的阴极。电场方向的改变，弧隙中剩余电子和离子的运动方向也应随之改变。

但是由于电子的质量远比正离子质量小得多，因而电子的运动方向改变要远比正离子灵敏得多，形成电子很快向新阳极运动，而正离子在此瞬间几乎停止在原地，来不及向新阴极运动。新的阴极此时还不能形成强电场发射电子与热发射。因此，在新的阴极附近就存在一层没有电子而只有正离子的空间，相当于形成了一薄层绝缘介质。从电路的角度来看，必需加一定的电压才能将此绝缘薄层击穿，电弧才会重燃，弧隙重新导电。。这个击穿电压值称为弧隙的起始介质强度。这种在交流电流过零后弧隙形成一定的介质恢复强度的效应，称为交流电弧的近阴极效应。实验证明：近阴极效应所产生的起始介质强度与电极材料、温度，特别是所通过的电流有关。其数值在40～250V之间。电流越大，其值越低。近阴极效应是交流短弧熄弧的主要因素，是低压交流电器中主要熄弧方法。通常把弧隙间介质强度恢复随时间变化的关系称做弧隙介质恢复强度特性。此特性可通过实验测出并用图形表示。

2．弧隙电压恢复过程在交流电路中，电流过零电弧熄灭后，触头两端电压从熄弧电压恢复到电源电压的过程称电压恢复过程。这个过程根据线路参数情况的不同形成较为复杂的情况。总的来说，可分为两类；一类叫非周期（非振荡）电压恢复过程，另一类叫周期（振荡）电压恢复过程。因为电压恢复过程是使电弧重燃的因素，很显然，周期电压恢复过程中有较高的电压峰值，对电弧不再重燃是十分不利的，所以也是应该尽量避免的。我们把恢复过程中的电压称为恢复电压。恢复电压可由两部分组成；稳态分量和暂态分量。稳态分量一般称工频恢复电压，暂态分量则根据线路负载情况不同呈较复杂情况。在交流电弧开断过程中，对于不同性质的负载，触头上电压变化过程不同。

开断电阻性负载时，由于电压与电流同相，两者同时过零。电弧自行熄灭后按工频恢复电压变化，没有暂态分量，故电弧容易熄灭开断纯电容性负载时，电流超前电源电压90”。电流过零电弧自行熄灭时，电源电压达到幅值，电容充电电压的大小与电源电压幅值相等，但极性相反。加在弧隙两端的电压为电容充电电压与电源电压的代数和。当电源电压为反向幅值时，恢复电压可达两倍工频恢复电压。此过程不含哲态分量。开断纯电感性负载时，电流滞后于电源电压900电流过零时，电源电压正处于幅值。电弧两端恢复电压常含有暂态分量，先按一振荡过程上升，然后再按工频恢复电压变化。所以，此情况电弧较难熄灭。对于一个电阻为R、电感为L、集中电容为C、电弧电阻为r的交流电路而言，只要适当调整线路参数，就可以避免周期电压恢复过程的出现。另外，还可以增大r的值，也就是用增大消游离的方法来达到。

从触头的结构型式来说，由于双断点结构时恢复电压是作用在两个断口上，使每个断口的电压值比一个断口时的要低。所以电弧容易熄灭。

三、交流电弧熄灭的条件

交流电弧过零后弧隙间介质强度的恢复和电压的恢复是两个对立的过程。因为介质强度恢复过程主要是弧隙内部带电粒子不断减少的过程，而电压恢复过程恰相反，它使弧隙中的气体产生新的游离而使带电粒子不断增加用B末可以简单地确定交流电弧熄灭条件为：交流电弧电流过零后，如果弧隙介质强度恢复的速度超过了弧隙电压恢复的速度，则电弧熄灭。反之，电弧重燃。在实际中，由于介质恢复过程与电压恢复过程是相互联系又相互影响的，所以情况较为复杂。如果恢复电压上升得快，弧隙游离加强，使得介质强度恢复速度减慢。如果介质强度增长的速度慢，它又对恢复电压上升起阻尼作用。因此，在交流电弧熄灭过程中有两个方面的因素要加以考虑：

（1）交流电弧电流过零是最有利的灭弧时机，这时输入弧隙的功率趋近于零，如电弧散失的功率大于此时由电源输入的功率，电弧就会熄灭。如果熄弧措施太强，使电弧电流提前强制过零，这时交流电弧的熄灭与直流电弧相同，会造成熄弧困难。

（2）对交流电弧的电路参数而言，电源电压越高，恢复电压峰值也愈高，熄弧困难。电弧熄灭前电路的电流越大，电弧功率越大，熄弧困难。电路中电感比例越大，熄弧越困难。第四节

电弧熄灭的方法及装置

一、拉长电弧

电弧拉长以后，电弧电压增大，改变了电弧的伏安特性。在直流电弧中，其静伏安特性上移，电弧可以熄灭。在交流电弧中，由于燃弧电压的提高,电弧重燃困难。电弧的拉长可以沿电弧的轴向（纵向）和沿垂直于电弧轴向（横向）拉长。1．机械拉长2．回路电动力拉长3．磁吹灭弧

二、灭弧罩

灭弧罩是让电弧与固体介质相接触，降低电弧温度，从而加速电弧熄灭的比较常用的装置。其结构型式是多种多样的，但其基本构成单元为“缝”。我们将灭弧罩壁与壁之间构成的间隙称作“缝”。根据缝的数量可分为单缝和多缝。根据缝的宽度与电弧直径之比可分为窄缝与宽缝。缝的宽度小于电弧直径的称窄缝，反之，大于电弧直径的称宽缝。根据缝的轴线与电弧轴线间的相对位置关系可分为纵缝与横缝。缝的轴线和电弧轴线相平行的称为纵缝，两者相垂直的则称为横缝。

1．纵缝灭弧罩

纵向窄缝的灭弧情况，当电弧受力被拉入窄缝后，电弧与缝壁能紧密接触。在继续受力情况下，电弧在移动过程中能不断改变与缝壁接触的部位，因而冷却效果好，对熄弧有利。但是在频繁开断电流时，缝内残余的游离气体不易排出，这对熄弧不利。所以此种形式适用于操作频率不高的场合。

纵向宽缝的灭弧情况，宽缝灭弧罩的特点与窄缝的正好相反，冷却效果差，但排出残余游离气体的性能好。

宽缝中又设置了若干绝缘隔板，这样就形成了纵向多缝。电弧进入灭弧罩后，被隔板分成两个直径较原来小的电弧，并和缝壁接触而冷却，冷却效果加强，熄弧性能提高。此外，由于缝较宽，熄弧后残存的游离气体容易排出，所以这种结构型式适用于较频繁开断的场合。纵向曲缝式灭弧罩的灭弧情况。纵向曲缝式又称迷宫式，它的缝壁制成凹凸相间的齿状，上下齿相互错开。同时，在电弧进入处齿长较短，愈往深处，齿长愈长。当电弧受外力作用从下向上进入灭弧罩的过程中，它不仅与缝壁接触面积越来越大，而且长度也愈来愈长。这就加强了冷却作用，具有很强的灭弧能力。但是，也正因缝隙愈往深处愈小，电弧在缝内运动时受到的阻力愈来愈大。所以，这种结构的灭弧罩，一定要配合以较大的让电弧运动的力。否则，其灭弧效果反而不好。2．横缝灭弧罩为了加强冷却效果，横缝灭弧罩往往以多缝的结构型式使用，也就是称为横向绝缘栅片，当电弧进入灭弧罩后，受到绝缘栅片的阻挡，电弧在外力作用下便发生弯曲，从而拉长了电弧，并加强了冷却。由于灭弧罩要受电弧高温的作用，所以对灭弧罩的材料也有一定的要求，如：受电弧高温作用不会因热变形、绝缘性能不能下降，机械强度好且易加工制造等。灭弧罩材料过去广泛采用石棉水泥和陶土材料。现在逐渐改为采用耐弧陶瓷和耐弧塑料，它们在耐弧性能与机械强度方面都有所提高。三、油冷灭弧装置油冷灭弧是将电弧置于液体介质（一般为变压器油）中，电弧将油汽化、分解而形成油气。油气中主要成分是氢，在油中以气泡的形式包围电弧。氢气具有很高的导热系数，这就使电弧的热量容易散发。由于存在着温度差，所以气泡产生运动，又进一步加强了电弧的冷却。式灭弧罩若再要提高其灭弧效果，可在油箱中加设一定机构，使电弧定向发生运动，这就是油吹灭弧。由于电弧在油中灭弧能力比在大气中拉长电弧大得多，所以这种方法一般用于高压电器中，如油开关。四、气吹灭弧装置气吹灭弧是利用压缩空气来熄灭电弧的。压缩空气作用于电弧，可以很好地冷却电弧、提高电弧区的压力、很快带走残余的游离气体，所以有较高的灭弧性能。按照气流吹弧的方向，它可以分为横吹和纵吹两类。横吹灭弧装置的绝缘件结构复杂，电流小时横吹过强会引起很高的过电压，故已被淘汰。图2—20表示了纵吹（径向吹）的一种形式。压缩空气沿电弧径向吹入，然后通过动触头的喷口、内孔向大气爿出，电弧的弧根能很快被吹离触头表面，因而触头接触表面不易烧损。因为压缩空气的压力与电弧本身无关，所以使用气吹灭弧时要注意熄灭小电流电弧时容易引起过电压。由于气吹灭弧的灭弧能力较强，故一般运用在高压电器中，例如韶山型机车的主断路器。五、横向全属栅片灭弧横向金属栅片又称去离子栅，它利用的是短弧灭弧原理。用磁性材料的金属片置于电弧中，将电弧分成若干短弧，利用交流电弧的近阴极效应和直流电弧的近极压降来达到熄灭电弧的目的。横向金属栅片灭弧装置主要用于交流电器，因为它可将起始介质强度成倍的增长。对于直流电弧而言，因无近阴极效应，只能靠成倍提高极旁压降来进行灭弧。由于极旁压降值较小，要想达到较好的灭弧效果，金属栅片的数量太大，会造成灭弧装置体积庞大。所以直流电弧中很少采用真空灭弧装置六、真空灭弧装置在真空中气体很稀薄，电子的自由行程远大于触头间的距离。自由电子在弧隙中作走向运动时几乎不会和气体分子或原子相碰撞，不会产生碰撞游离。所以将触头置于真空中断开时产生的电弧则是由于阴极发射电子和产生的金属蒸气被电离而形成的。当电弧电流接近零时，阴极发射的电子和金属蒸气减少，弧隙中残留的金属蒸气和等离子体向周围真空迅速扩散。这样，弧隙可以在数微秒之内由导电状态恢复到真空间隙的绝缘水平。因此，在真空中触头有很高的介质恢复速度、绝缘能力和分断电流的能力。真空电弧按其电流的大小可分为扩散弧和收缩弧两种。扩散弧的电流较小（几百至几千安培），此时电弧分裂为许多并联的支弧。当真空灭弧装置中出现收缩弧后，就不能再开断电路。电弧由扩散弧转变为收缩弧的电流，也就是该真空灭弧装置的极限开断电流，它随触头材料和直径大小而不同。在开断交流电路时，当被开断的电流减小到某一数值时，扩散弧会发生电流突然被截断的现象，称之为截流。这样，在开断感性负载电流时，弧隙上将产生很高的过电压，这是使用真空灭弧装置应注意的问题。

电力机车的电气制动牵引与制动是一对矛盾。制动是调速的一种特殊形式。电传动机车一般有两套制动系统，一是空气制动系统即机械制动系统，包括闸瓦制动和盘形制动。二是电气制动系统，包括电阻制动和再生制动。本章将详细分析电气制动的基本原理，电气制动的稳定性，电气制动的形式，电气制动的特性及其控制方式。学习本章应达到以下目的：1．会分析电阻制动和加馈电阻制动的原理；2．掌握电阻制动/加馈电阻制动电气线路构成；3．会分析电阻制动特性曲线。第一节概述

制动是机车运行的基本工作状态之一。当列车需要减速、停车或在长大下坡道上运行需要限制列车的速度时，都必须采取制动措施，控制机车的运行速度。现代铁路运输的安全性，在很大程度上取决于机车制动性能的好坏。随着铁路运输的发展，行车速度的不断提高，对机车的制动性能也相应提出了更高的要求，以更好的保证列车高速运行时的安全性和可靠性。1．电气制动的基本原理电气制动是利用电机的可逆性原理。电力机车在牵引工况运行时，牵引电机做电动机运行，将电网的电能转变为机械能，轴上输出牵引转矩以驱动列车运行。电力机车在电气制动时，列车的惯性力带动牵引电动机，此时牵引电机将做发电机运行，将列车动能转变为电能，输出制动电流的同时，在牵引电机轴上产生反向转矩并作用于轮对，形成制动力，使列车减速或在下坡道上以一定速度运行。2．电气制动的形式根据电气制动时电能消耗的方式，电气制动分为电阻制动和再生制动二种形式，如果将电气制动时产生的电能利用电阻使之转化为热能消耗掉，称之为电阻制动。如果将电气制动时产生的电能重新反馈到电网加以利用，称之为再生制动。3．电气制动的优越性（1）提高了列车行车的安全性。列车除机械制动系统外，由于配备了电气制动系统。因而提高了列车运行的安全性（2）减少了闸瓦和车轮磨耗;（3）提高了列车下坡运行速度;4．机车采用电气制动时应满足的基本要求（1）具有电气稳定性并保证必要的机械稳定性；（2）有广泛的调节范围，冲击力小；（3）机车由牵引状态转换为电气制动状态时应线路简单，操纵方便，有良好的制动性能，负载分配力求均匀。5．稳定性概念（1）机械稳定性：指机车牵引列车在正常运行中，不会由于偶然原因引起速度发生微量变化而使列车的稳定运行遭到破坏。电气制动的机械稳定性是指当偶然原因使机车运行速度增高（或降低）时，制动力应随之增大（降低），以保持原来的稳定运行状态。（2）电气稳定性：指电传动机车在正常运行中，不会由于偶然因素，电流发生微量变化，而使牵引电机的电平衡状态遭到破坏。第二节电阻制动一、串励牵引电机电阻制动1．串励电机的自激发电过程采用串励牵引电机的电力机车在进行电阻制动时，必须首先切断牵引电机电枢与电网的联接，使电机电枢与制动电阻接成回路。

2．调节方式串励式电阻制动不需要额外的励磁电压，用改变制动电阻RZ的大小来调节制动电流和制动力。在高压大电流情况下，制动电阻要求有许多抽头和相应的开关电器，造成线路复杂设备增多，且制动力的调节是有级的，不利于机车平稳运行。同时制动电阻的取值应适当不宜过大，否则会使电机不能自激。当多台电机并联共用一个制动电阻时，还会出现不稳定状态。所以在整流器电力机车上使用电阻制动时，一般不用串励式电阻制动，而采用它励式电阻制动，即用改变励磁电流的方式来调节机车的制动电流和制动力，实现对机车运行速度的控制。二、他励牵引电机电阻制动采用它励电机电阻制动时，首先切断牵引电机电枢与电网的连接，使电枢绕组与制动电阻接成回路，而电机原串励绕组则由另外电源供电，电机作它励发电机运行。1．电气稳定性分析2．制动特性及控制方式（1）速度特性V=f（IZ）（2）制动力特性B=f（IZ）（3）制动特性B=f（V）（4）控制方式

3．电阻制动的工作范围列车在制动时，由于受牵引电机、机车本身、制动电阻等多种因素的限制，只允许在一定范围内使用电阻制动。其限制如下：（1）最大励磁电流限制──曲线①ILmax。若超过此限制则励磁绕组发热会烧损绕组，另一方面磁路饱和，磁通增加有限，调节效果不明显。（2）粘着力限制──曲线②Bψmax。若机车制动力大于此限制会造成滑行。应当说明根据牵规规定，计算制动时的粘着系数ψjT应比牵引时粘着系数低20％，因此，此制动粘着力限制小于牵引粘着力限制。（3）最大制动电流限制──曲线③IZmax。此值取决于电机电枢绕组的运行温升，一般不超过牵引工况时的持续电流，但因受机车通风条件，制动电阻功率限制，此值根据制动电阻的允许发热而定。电力机车的制动功率为了充分发挥其制动效果，一般等于或小于机车的小时功率，该限制亦表示最大制动功率限制。（4）牵引电机安全换向限制──曲线④。牵引电机安全换向取决于电抗电势er，因er〈VIZ，要维持er在允许值内，必须随着机车速度的提高，相应地减小制动电流。否则牵引电机主极磁通畸变严重，可能导致换向器发生火花加剧甚至环火。（5）机车构造速度限制──曲线⑤。它受机车机械运行部分强度的限制，实际在线路复杂的区段它可能受到线路允许速度的限制。三、电阻制动之不足及克服方法电阻制动除前述的优越性以外，因为电阻制动时控制电路比较简单，制动力调节十分方便，因而易于实现制动力的自动控制，使电阻制动的性能得以充分发挥，但是电阻制动的最大缺点，从特性曲线上看是低速时制动力直线下降，制动效果不明显。目前一般采用二种方法加以克服。1．分级电阻制动2．加馈电阻制动

理论上讲，加馈电阻制动可使机车制停。而实际上由于牵引电机整流器不允许静止不动长时间流过额定电流，以防整流器过热而烧损。故在机车速度低于一定值时，就切除加馈制动，改用空气制动使机车停车。国产SS3B、SS4G、SS8型电力机车均采用此种加馈电阻制动。小结在第二十章的基础上，本章讨论了机车速度调节的特殊问题──电气制动。分析了电气制动的工作原理，机车特性，制动力的调节方式。电气制动的基本工作原理是利用电机的可逆性原理，把牵引工况下的串励电动机转换成电制动工况的它励发电机，产生制动转矩从而限制机车速度。根据如何消耗发电机所产生的电能划分出二种电气制动方式，即电阻制动和再生制动。电阻制动是目前电力机上普遍采用的一种控制方式。其电路结构简单，只需将串励电动机车的励磁绕组与电枢绕组分离，电枢绕组并接制动电阻，励磁绕组单独接励磁电源即可。电阻制动易于实现自动控制，可以实现恒磁通、恒速、恒流控制。尤其恒速控制对机车通过长大坡道，提高机车平均速度等有良好的经济意义。恒流控制可以充分利用机车的制动功率。为了克服低速电阻制动之不足采用分级电阻制动和加馈电阻制动。复习思考题1、电力机车电气制动的基本原理是什么？2、电力机车电气制动有几种形式？3、电气制动与空气制动相比有哪些显著的优越性？4、何谓电阻制动？5、为什么串励电机不适合在制动工况运行？6、分析串励电阻制动的电气稳定性。7、它励电阻制动的调节方式有几种？8、它励电阻制动为什么不用于机车制停？9、何谓电力机车的电气制动特性，它包括哪些工作特性？10、何谓恒速控制？分析它对于利用机车制动功率有何意义？11、绘图说明电阻制动工作特性的限界条件。

电力机车的辅助线路第一节电力机车的辅助设备电力机车的辅助设备是为保证主线路中各电气设备的正常工作而设置的。辅助线路是指将辅助设备及其相关的电气设备连接而成的线路。辅助线路能否正常工作，直接影响主线路能否正常工作，亦即影响机车的正常工作。辅助线路中的设备主要有分相设备、空气压缩机组、通风机组、油泵及其它设备如取暖设备、通风设备、电热玻璃、热饭电炉、空调等。一、辅助线路组成电力机车的辅助线路主要由电源电路、负载电路、保护电路组成。

二、分相设备分相设备主要有旋转劈相机、静止劈相机两种。静止劈相机是由晶闸管构成的一种变流器，由整流器与逆变器两部分组成，这种变流器又称为辅助电源。

三、辅助设备的设置和起动

1、辅助设备的设置电力机车上的各种辅助设备是为了保证机车正常运行和实现各种辅助功能而设置的，其中主要是保证主线路各电气设备的正常工作。根据机车的要求，一般有以下辅助设备：(1)分相设备(2)空气压缩机及其驱动电机(3)通风机及其驱动电机

(4)循环油泵(5)其它辅助设备

2、辅助机组的起动机车上的辅助机组一般不需要调速，因此采用直接起动的方式，缩短起动时间，但是直接起动时起动电流较大，若所有辅机同时起动，将会因为从电网取用电流过大而使网压过分降低，严重时会导致辅机起动失败。所以，常用辅助机组分别起动的方式解决电机同时起动带来的电流冲击问题，分别起动不致使网压过分降低。也有的机车采用电阻降压的起动方式起动辅助电机，以减小起动电流，缺点是增加了附加设备。第二节韶山8型机车辅助电路

SS8机车辅助电路亦是采用传统的单—三相供电系统，辅机均采用三相异步电动机拖动。电源来自主变压器的辅助绕组a6-b6-x6，其中a6-x6的额定电压为389V，a6-b6的额定电压229V。机车在库内可通过辅助电路库用插座13SX引入380V单相或三相电源，将6QP投向库用位，则辅助电路设备即可由库内电源供电。一、单---三相供电系统1、劈相机分相起动2、通风机电动机电容分相起动3、库用电源电路可使用的库内电源有两种：（1）库内三相电源（2）库内单相电源二、负载电路1、三相负载电路2、单相负载电路（1）380V单相负载电路（2）220V单相负载电路三、保护电路

SS8机车辅助电路设有过电压、过电流、接地及安全保护。1、接地保护

2、辅机过载保护

3、过电压保护

4、过电流保护

5、安全联锁SS8型机车设有安全门锁装置，由门锁保护阀YV控制。当YV得电时，控制风缸风经YV通向升弓风缸，同时锁闭钥匙箱，安全锁钥匙无法取出；当YV失电时，切断风源，钥匙箱上司机电钥匙插孔露出解锁，安全锁钥匙才能取出从而开启各室门。保护阀线圈由双路供电：一路由控制电源线454→主电路入库转换开关7QS、8QS联锁→车顶门行程开关7QP联锁→YV线圈。另一路由a6x6→204、205导线引入→4T降压→11u整流→导线217→YV线圈。即使出现控制电路切断而机车高压供电依然存在的情况，YV线圈仍有一路交流供电，安全锁的钥匙仍无法取出，各室门依然打不开，从而达到确保人身安全的目的。第三节列车供电系统长期以来，我国普通客车一直采用轴驱式发电机供电，软卧空调车有利用柴油发电机和轴驱式发电机两种。轴驱式空调客车供电方案，由于其效率低,且停电时不能发电，从而限制了该供电方式的发展。随着客车空调装置的普遍使用，从80年代起，我国开始研制使用柴油机发电车提供三相380V交流电对空调列车集中供电，但是根据我国的能源政策，在电气化区段采用发电车供电，从发展的角度是不合理的。一、列车供电系统组成及工作原理

该系统包括电力机车向旅客列车供电的电源装置，DC600/AC380V兼容供电空调客车，该客车上包括客车充电器、空调采暖用逆变电源，列车安全供电控制监测装置(集控供电控制器、客车漏电检测器等)。在电气化区段运行时采用电力机车集中供电(DC600V)，客车分散变流供电方式。（1）电气化区段系统运行方式：电气化区段，SS8型机车列车供电装置将受电弓接受的25KV单相交流电，经降压整流，滤波成600V直流电压，分两路向空调客车供电。

(2)非电气化区段系统运行方式：非电气化区段，内燃机车牵引兼容空调客车时可采用现用大功率发电机系统供电，其输出为双路380V三相50HZ。

(3)控制电路：由于电气化区段存在分相区，因此电力机车在向客车供电时存在瞬时断电状态，为保证照明不间断，防止有节点控制器件的频繁开闭，供电系统的控制电路及照明均采用直流110V电源，每辆客车设置100Ah蓄电池组，全列车设DC110干线，以保证充电故障时客车的应急照明及控制等用电。为防止误操作客车配电柜供电开关引起DC600V、AC380V供电回路短路，确保列车安全供电，列车设供电集控系统。供电集控系统由机车发电车上的集控器及贯穿全列车的集控线组成。供电系统设置二级接地保护检测，以提高供电安全性。客车设本车漏电检测电路，当DC600V供电线路及三相交流用电负载对地绝缘不良时，自动切除DC600V供电。二、机车列车供电电源SS8型机车设有向列车供电系统。采用集中整流分散逆变方式，即集中由机车整流。机车上设有两套供电绕组及整流装置，同时工作分别向列车供给两路DC600V电源，车辆各用户根据需要变换、取用，机车列车供电电路作为机车电气线路的一个独立系统分为主电路和控制电路。主电路的检测及保护分为：（l）过压吸收电路由阻容吸收网络67R、31C、压敏电阻6RV组成。(2)接地保护电路由11QP接地故障隔离开关、限流电阻73R、经济电阻69R、接地继电器7KE及浪涌吸收电容33C组成。

(3)过流保护电路:交流侧过流保护由11KC、7TA组成，过流整定值为1000A土10%。当出现交流侧过流时，11KC动作使30KM断开，切除供电电路。本章概要辅助线路中的辅助设备是为保证主线路正常工作和实现各种辅助功能而设置。主要有为供给三相异步电动机三相电的分相设备；为产生压缩空气用以进行空气制动、驱动部分电空电器的压缩机组；用以冷却牵引电动机、硅整流机组、主变压器、平波电抗器、制动电阻等电器设备的通风机组等。辅助线路通常有电源部分、三（单）相负载、保护电路组成。辅助线路的保护有过电压、过电流、接地、欠电压及单机过载保护等。SS4改、SS8型电力机车的辅助电路与其他韶山系列机车辅助电路大同小异。机车向客车供电技术是一项新技术，它采用DC600V供电制式。复习题1、国产交直系电力机车辅助电路中设有那些主要设备？2、辅助机组为什么要采用分别起动方式？3、简述旋转劈相机的工作原理。4、辅助线路主要由那几部分组成？5、SS8机车正常运行中，设201线接地，试分析其保护动作原理。6、简述SS8机车列车供电系统的作用及组成。7、熟悉SS8机车列车供电系统控制电路的工作原理。

电力机车工作原理

电力机车按供电电流制——传动型式分为四类，即直流供电——直流牵引电动机的直直型电力机车；交流供电——直（脉）流牵引电动机的交直型电力机车；交流供电——变流器环节——三相交流异步电动机的交直交型电力机车和交流供电——变频环节——三相交流同步电动机的交交型电力机车。本章着重分析前三种电力机车的工作原理及工作特点，并推导电力机车的基本特性。第一节