第三章開(kāi)關(guān)電器中的滅弧原理

1、第三章第三章 開(kāi)關(guān)電器中的滅弧原理開(kāi)關(guān)電器中的滅弧原理一、電弧現(xiàn)象一、電弧現(xiàn)象1電弧是一種能量集中、溫度很高、亮度很強(qiáng)的放電電弧是一種能量集中、溫度很高、亮度很強(qiáng)的放電現(xiàn)象。如現(xiàn)象。如10kV少油斷路器開(kāi)斷少油斷路器開(kāi)斷20kA的電流時(shí)，電弧的電流時(shí)，電弧功率高達(dá)功率高達(dá)10000kW以上，造成電弧及其附近區(qū)域的以上，造成電弧及其附近區(qū)域的介質(zhì)及其強(qiáng)烈的物理化學(xué)變化，可能燒壞觸頭及觸頭介質(zhì)及其強(qiáng)烈的物理化學(xué)變化，可能燒壞觸頭及觸頭附近的其他部件。如果電弧長(zhǎng)期不滅，將會(huì)引起電器附近的其他部件。如果電弧長(zhǎng)期不滅，將會(huì)引起電器被燒毀甚至爆炸，危機(jī)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，造成重被燒毀甚至爆炸，危機(jī)電力系統(tǒng)

2、的安全運(yùn)行，造成重大損失。所以，切斷電路時(shí)，必須盡快熄滅電弧。大損失。所以，切斷電路時(shí)，必須盡快熄滅電弧。2電弧是導(dǎo)體。開(kāi)關(guān)電器的觸頭雖然已經(jīng)分開(kāi)，但是電弧是導(dǎo)體。開(kāi)關(guān)電器的觸頭雖然已經(jīng)分開(kāi)，但是觸頭間如有電弧存在，電路就還沒(méi)有斷開(kāi)，電流仍然觸頭間如有電弧存在，電路就還沒(méi)有斷開(kāi)，電流仍然存在。存在。3電弧是一種自持放電現(xiàn)象，即電弧一旦形成，維電弧是一種自持放電現(xiàn)象，即電弧一旦形成，維持電弧穩(wěn)定燃燒所需的電壓很低。如，大氣中持電弧穩(wěn)定燃燒所需的電壓很低。如，大氣中1cm長(zhǎng)的直流電弧的弧柱電壓只有長(zhǎng)的直流電弧的弧柱電壓只有1530V，在變壓器，在變壓器油中也不過(guò)油中也不過(guò)100200V。4電弧是一

3、束游離氣體，質(zhì)量很輕，容易變形，在電弧是一束游離氣體，質(zhì)量很輕，容易變形，在外力作用下（如氣體、液體的流動(dòng)或電動(dòng)力作用）外力作用下（如氣體、液體的流動(dòng)或電動(dòng)力作用）會(huì)迅速移動(dòng)、伸長(zhǎng)或彎曲，對(duì)敞露在大氣中的電弧會(huì)迅速移動(dòng)、伸長(zhǎng)或彎曲，對(duì)敞露在大氣中的電弧尤為明顯。如，在大氣中開(kāi)斷交流尤為明顯。如，在大氣中開(kāi)斷交流110kV、5A的電的電流時(shí)，電弧長(zhǎng)度超過(guò)流時(shí)，電弧長(zhǎng)度超過(guò)7m。電弧移動(dòng)速度可達(dá)每秒。電弧移動(dòng)速度可達(dá)每秒幾十米至幾百米。幾十米至幾百米。二、電弧的產(chǎn)生與維持二、電弧的產(chǎn)生與維持1 1強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射 開(kāi)關(guān)電器的觸頭分離時(shí)，動(dòng)靜觸頭間開(kāi)關(guān)電器的觸頭分離時(shí)，動(dòng)靜觸頭間的壓力不斷下降，

4、接觸面積減小，因而接的壓力不斷下降，接觸面積減小，因而接觸電阻增大，溫度劇升。另一方面，觸頭觸電阻增大，溫度劇升。另一方面，觸頭開(kāi)始分離時(shí)，觸頭間距很小，即使電壓很開(kāi)始分離時(shí)，觸頭間距很小，即使電壓很低，只有幾百伏甚至幾十伏，但是電場(chǎng)強(qiáng)低，只有幾百伏甚至幾十伏，但是電場(chǎng)強(qiáng)度卻很大。由于上述原因，陰極表面可能度卻很大。由于上述原因，陰極表面可能向外發(fā)射電子，這種現(xiàn)象稱為強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。向外發(fā)射電子，這種現(xiàn)象稱為強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。2 2熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射 觸頭是由金屬材料制成的，在常溫下，觸頭是由金屬材料制成的，在常溫下，金屬內(nèi)部就存在大量的自由電子，當(dāng)開(kāi)關(guān)開(kāi)金屬內(nèi)部就存在大量的自由電子，當(dāng)開(kāi)關(guān)開(kāi)斷電路時(shí)

5、，在觸頭分離的瞬間，由于大電流斷電路時(shí)，在觸頭分離的瞬間，由于大電流被切斷，在陰極上出現(xiàn)強(qiáng)烈的熾熱點(diǎn)，從而被切斷，在陰極上出現(xiàn)強(qiáng)烈的熾熱點(diǎn)，從而有電子從陰極表面向四周發(fā)射，這種現(xiàn)象稱有電子從陰極表面向四周發(fā)射，這種現(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射。發(fā)射電子的多少與陰極材料為熱電子發(fā)射。發(fā)射電子的多少與陰極材料及表面溫度有關(guān)。及表面溫度有關(guān)。3 3碰撞游離碰撞游離 從陰極表面發(fā)射出來(lái)的電子，在電場(chǎng)力的作用從陰極表面發(fā)射出來(lái)的電子，在電場(chǎng)力的作用下向陽(yáng)極作加速運(yùn)動(dòng)。并不斷與中性質(zhì)點(diǎn)碰撞，如下向陽(yáng)極作加速運(yùn)動(dòng)。并不斷與中性質(zhì)點(diǎn)碰撞，如果電場(chǎng)足夠強(qiáng)，電子所受的力足夠大，且兩次碰撞果電場(chǎng)足夠強(qiáng)，電子所受的力足夠大，且

6、兩次碰撞間的自由行程足夠大，電子積累的能量足夠多，則間的自由行程足夠大，電子積累的能量足夠多，則發(fā)生碰撞時(shí)就可能使中性質(zhì)點(diǎn)發(fā)生游離，產(chǎn)生新的發(fā)生碰撞時(shí)就可能使中性質(zhì)點(diǎn)發(fā)生游離，產(chǎn)生新的自由電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為碰撞游離。新產(chǎn)自由電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為碰撞游離。新產(chǎn)生的自由電子在電場(chǎng)中作加速運(yùn)動(dòng)又可能與中性質(zhì)生的自由電子在電場(chǎng)中作加速運(yùn)動(dòng)又可能與中性質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞而產(chǎn)生碰撞游離。結(jié)果使觸頭間充滿大點(diǎn)發(fā)生碰撞而產(chǎn)生碰撞游離。結(jié)果使觸頭間充滿大量自由電子和正離子。使觸頭間電阻很小，在外加量自由電子和正離子。使觸頭間電阻很小，在外加電壓作用下，帶電粒子作定向運(yùn)動(dòng)形成電流，使介電壓作用下，帶電粒子

7、作定向運(yùn)動(dòng)形成電流，使介質(zhì)擊穿而形成電弧。質(zhì)擊穿而形成電弧。4 4熱游離熱游離 處于高溫下的中性質(zhì)點(diǎn)由于高溫而產(chǎn)生強(qiáng)處于高溫下的中性質(zhì)點(diǎn)由于高溫而產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱運(yùn)動(dòng)。相互碰撞的結(jié)果而發(fā)生的游離烈的熱運(yùn)動(dòng)。相互碰撞的結(jié)果而發(fā)生的游離稱為熱游離。作用：維持電弧的燃燒。一般稱為熱游離。作用：維持電弧的燃燒。一般氣體發(fā)生熱游離的溫度為氣體發(fā)生熱游離的溫度為900090001000010000，而，而金屬蒸汽約為金屬蒸汽約為4000400050005000。因?yàn)殡娀≈锌?。因?yàn)殡娀≈锌傆幸恍┙饘僬羝?，而弧柱溫度在有一些金屬蒸汽，而弧柱溫度?0005000以上，以上，所以，熱游離足以維持電弧的燃燒。所以，熱

8、游離足以維持電弧的燃燒。三、電弧的去游離 去游離：在電弧中，介質(zhì)因游離而產(chǎn)生大量帶電粒子的同時(shí)，還會(huì)發(fā)去游離：在電弧中，介質(zhì)因游離而產(chǎn)生大量帶電粒子的同時(shí)，還會(huì)發(fā)生帶電粒子消失的相反過(guò)程，稱為去游離。生帶電粒子消失的相反過(guò)程，稱為去游離。1.復(fù)合復(fù)合：異號(hào)帶電粒子相互吸引而中和成中性質(zhì)點(diǎn)的現(xiàn)象。：異號(hào)帶電粒子相互吸引而中和成中性質(zhì)點(diǎn)的現(xiàn)象。 在電弧中，電子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于正離子，所以電子與正離子直在電弧中，電子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于正離子，所以電子與正離子直接復(fù)合的可能性很小，復(fù)合是借助于中性質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行的，即電子在運(yùn)動(dòng)接復(fù)合的可能性很小，復(fù)合是借助于中性質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行的，即電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，先附著在中性質(zhì)點(diǎn)

9、上，形成負(fù)離子，然后質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度大過(guò)程中，先附著在中性質(zhì)點(diǎn)上，形成負(fù)離子，然后質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度大致相等的正、負(fù)離子復(fù)合成中性質(zhì)點(diǎn)。致相等的正、負(fù)離子復(fù)合成中性質(zhì)點(diǎn)。 既然復(fù)合過(guò)程只有在離子運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度不大時(shí)才有可能，若既然復(fù)合過(guò)程只有在離子運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度不大時(shí)才有可能，若利用液體或氣體吹弧，或?qū)㈦娀D入絕緣冷壁做成的狹縫中，都能迅利用液體或氣體吹弧，或?qū)㈦娀D入絕緣冷壁做成的狹縫中，都能迅速冷卻電弧，減小離子的運(yùn)動(dòng)速度，加強(qiáng)復(fù)合過(guò)程，此外增加氣體壓速冷卻電弧，減小離子的運(yùn)動(dòng)速度，加強(qiáng)復(fù)合過(guò)程，此外增加氣體壓力，使氣體密度增加，也是加強(qiáng)復(fù)合過(guò)程的措施。力，使氣體密度增加，也是加強(qiáng)復(fù)合過(guò)程的措施

10、。2擴(kuò)散：擴(kuò)散：弧柱內(nèi)帶電粒子逸出弧柱以外進(jìn)入周?chē)橘|(zhì)的弧柱內(nèi)帶電粒子逸出弧柱以外進(jìn)入周?chē)橘|(zhì)的一種現(xiàn)象。一種現(xiàn)象。 擴(kuò)散是由于帶電粒子不規(guī)則的運(yùn)行，以及電弧內(nèi)帶電擴(kuò)散是由于帶電粒子不規(guī)則的運(yùn)行，以及電弧內(nèi)帶電粒子的密度大于電弧外，電弧中的溫度遠(yuǎn)高于周?chē)橘|(zhì)的粒子的密度大于電弧外，電弧中的溫度遠(yuǎn)高于周?chē)橘|(zhì)的溫度造成的。電弧和周?chē)橘|(zhì)溫差愈大，以及帶電粒子密溫度造成的。電弧和周?chē)橘|(zhì)溫差愈大，以及帶電粒子密度差越大，擴(kuò)散作用愈強(qiáng)。在高壓斷路器中，常采用氣體度差越大，擴(kuò)散作用愈強(qiáng)。在高壓斷路器中，常采用氣體吹弧，帶走大量帶電粒子，以加強(qiáng)擴(kuò)散作用，擴(kuò)散出來(lái)的吹弧，帶走大量帶電粒子，以加強(qiáng)擴(kuò)散作用，

11、擴(kuò)散出來(lái)的正負(fù)離子，因冷卻而加強(qiáng)復(fù)合，成為中性質(zhì)點(diǎn)。正負(fù)離子，因冷卻而加強(qiáng)復(fù)合，成為中性質(zhì)點(diǎn)。 若游離作用大于去游離作用，則電弧電流增大，電弧若游離作用大于去游離作用，則電弧電流增大，電弧愈加強(qiáng)烈燃燒；若游離作用等于去游離作用，則電弧電流愈加強(qiáng)烈燃燒；若游離作用等于去游離作用，則電弧電流不變，電弧穩(wěn)定燃燒；若游離作用小于去游離作用，則電不變，電弧穩(wěn)定燃燒；若游離作用小于去游離作用，則電弧電流減小，電弧最終熄滅。所以，要熄滅電弧，必須采弧電流減小，電弧最終熄滅。所以，要熄滅電弧，必須采取措施加強(qiáng)去游離作用而削弱游離作用。取措施加強(qiáng)去游離作用而削弱游離作用。四、電弧特性四、電弧特性1電弧電壓沿弧長(zhǎng)

12、的分布電弧電壓沿弧長(zhǎng)的分布 電弧形成后，電弧電壓沿弧長(zhǎng)的分布可分為三個(gè)部分。如圖電弧形成后，電弧電壓沿弧長(zhǎng)的分布可分為三個(gè)部分。如圖41所所示，電弧電壓降由陰極電壓降示，電弧電壓降由陰極電壓降U1、弧柱電壓降、弧柱電壓降U2、陽(yáng)極電壓降、陽(yáng)極電壓降U3三部三部分組成，即電弧電壓分組成，即電弧電壓UhU1U2U3。陰極區(qū)+弧柱區(qū)陽(yáng)極區(qū)LUUh0U1U2U3 圖41 電弧電壓沿弧長(zhǎng)分布2電弧按照電壓分布的分類(lèi)電弧按照電壓分布的分類(lèi) （1 1）長(zhǎng)弧：電極間距離長(zhǎng)，陰極和陽(yáng)極電壓降可以忽略不計(jì)。）長(zhǎng)?。弘姌O間距離長(zhǎng)，陰極和陽(yáng)極電壓降可以忽略不計(jì)。 （2 2）短弧：電極間距離短，弧柱電壓忽略不計(jì)。）短弧

13、：電極間距離短，弧柱電壓忽略不計(jì)。3電弧的伏安特性電弧的伏安特性（1 1）直流電弧的伏安特性）直流電弧的伏安特性 曲線曲線1 1是在電流變化很慢，曲線上每一點(diǎn)的游離與去游離都達(dá)到平是在電流變化很慢，曲線上每一點(diǎn)的游離與去游離都達(dá)到平衡，電弧處于穩(wěn)定燃燒的狀態(tài)，故稱為靜態(tài)特性。衡，電弧處于穩(wěn)定燃燒的狀態(tài)，故稱為靜態(tài)特性。 曲線曲線2 2為電流很快從為電流很快從a a點(diǎn)增加的曲線。點(diǎn)增加的曲線。 曲線曲線3 3為電流很快從為電流很快從b b點(diǎn)減小的曲線。點(diǎn)減小的曲線。iua a2130b直流電弧的伏安特性（2 2）交流電弧的伏安特性）交流電弧的伏安特性 在交流電路中，電流的瞬時(shí)值不斷地隨時(shí)間變化，

14、因此電弧的特性在交流電路中，電流的瞬時(shí)值不斷地隨時(shí)間變化，因此電弧的特性應(yīng)是動(dòng)態(tài)特性，并且交流電流每半個(gè)周期經(jīng)過(guò)一次零值。電流過(guò)零值應(yīng)是動(dòng)態(tài)特性，并且交流電流每半個(gè)周期經(jīng)過(guò)一次零值。電流過(guò)零值時(shí)，電弧自動(dòng)熄滅。如果電弧是穩(wěn)定燃燒的，則電弧電流過(guò)零熄滅時(shí)，電弧自動(dòng)熄滅。如果電弧是穩(wěn)定燃燒的，則電弧電流過(guò)零熄滅后，在另半周又會(huì)重新燃燒。后，在另半周又會(huì)重新燃燒。ui0ABC交流電弧的伏安特性五、直流電弧的熄滅方法五、直流電弧的熄滅方法 n1. 增大回路電阻n2. 將長(zhǎng)電弧分割為多個(gè)短電弧n3. 增大電弧長(zhǎng)度n4. 使電弧與耐弧度絕緣材料緊密接觸六、交流電弧的熄滅條件六、交流電弧的熄滅條件1弧隙介質(zhì)

15、強(qiáng)度的恢復(fù)過(guò)程2弧隙電壓的恢復(fù)過(guò)程3交流電弧的熄滅條件 ud(t)ur(t)（一）弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)（一）弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)1 1弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過(guò)程弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過(guò)程 在電弧電流過(guò)零之前，弧隙中的空間充滿了電子和正離子。當(dāng)電在電弧電流過(guò)零之前，弧隙中的空間充滿了電子和正離子。當(dāng)電弧電流流過(guò)零熄滅后，電極極性發(fā)生改變，弧隙中的電子迅速奔向新弧電流流過(guò)零熄滅后，電極極性發(fā)生改變，弧隙中的電子迅速奔向新陽(yáng)極，比電子質(zhì)量大一千多倍的正離子，相對(duì)電子而言則基本未動(dòng)，陽(yáng)極，比電子質(zhì)量大一千多倍的正離子，相對(duì)電子而言則基本未動(dòng)，所以在新陰極附近形成正空間電荷。所以在新陰極附近形成正空間電荷。2 2電

16、流過(guò)零后電荷和電壓沿短弧隙的分布情況。如圖所示，電壓主要電流過(guò)零后電荷和電壓沿短弧隙的分布情況。如圖所示，電壓主要降落在陰極附近的薄層空間。此薄層空間的耐壓約為降落在陰極附近的薄層空間。此薄層空間的耐壓約為150150250V250V的介質(zhì)的介質(zhì)強(qiáng)度。強(qiáng)度。近陰極效應(yīng)：陰極附近電介質(zhì)強(qiáng)度出現(xiàn)突然升高的現(xiàn)象。近陰極效應(yīng)：陰極附近電介質(zhì)強(qiáng)度出現(xiàn)突然升高的現(xiàn)象。（二）、弧隙電壓的恢復(fù)（二）、弧隙電壓的恢復(fù) 弧隙電壓的恢復(fù)過(guò)程，即恢復(fù)電壓的變化過(guò)程，與電路參數(shù)、負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)。0（b）（a）ux熄滅交流電弧的基本方法熄滅交流電弧的基本方法n1采用滅弧能力強(qiáng)的滅弧介質(zhì)采用滅弧能力強(qiáng)的滅弧介質(zhì)n2利用氣體或

17、油吹弧利用氣體或油吹弧n3采用特殊的金屬材料作滅弧介質(zhì)采用特殊的金屬材料作滅弧介質(zhì)n4采用多斷口熄弧采用多斷口熄弧n5提高斷路器觸頭的分離速度提高斷路器觸頭的分離速度n6低壓開(kāi)關(guān)的滅弧方法低壓開(kāi)關(guān)的滅弧方法 （1）利用金屬滅弧柵滅?。├媒饘贉缁艤缁?（2）利用固體介質(zhì)狹縫滅?。├霉腆w介質(zhì)狹縫滅?。? 1）變壓器油）變壓器油: :變壓器油在電弧高溫的作用下，分解出大量氫氣變壓器油在電弧高溫的作用下，分解出大量氫氣和油蒸汽，氫氣的絕緣和滅弧能力是空氣的和油蒸汽，氫氣的絕緣和滅弧能力是空氣的7.57.5倍。倍。（2 2）壓縮空氣：）壓縮空氣：壓力：壓力：2MPa2MPa，分子密度大，質(zhì)點(diǎn)的自由

18、行程小，分子密度大，質(zhì)點(diǎn)的自由行程小，不易發(fā)生游離。不易發(fā)生游離。（3 3）SFSF6 6氣體：氣體：良好的負(fù)電性氣體，氟原子吸附電子能力很強(qiáng)，良好的負(fù)電性氣體，氟原子吸附電子能力很強(qiáng)，能迅速捕捉自由電子形成負(fù)離子，對(duì)復(fù)合有利。能迅速捕捉自由電子形成負(fù)離子，對(duì)復(fù)合有利。 （4 4）真空：）真空：真空氣體壓力低于真空氣體壓力低于133.3133.310104 4PaPa，氣體稀薄，弧隙中，氣體稀薄，弧隙中的自由電子和中性質(zhì)點(diǎn)都很少，碰撞游離的可能性大大減少，而且弧的自由電子和中性質(zhì)點(diǎn)都很少，碰撞游離的可能性大大減少，而且弧柱內(nèi)與弧柱外帶電粒子的濃度差和溫差都很大，有利于擴(kuò)散。其絕緣柱內(nèi)與弧柱外帶

19、電粒子的濃度差和溫差都很大，有利于擴(kuò)散。其絕緣能力比變壓器油、能力比變壓器油、1 1個(gè)大氣壓下的個(gè)大氣壓下的SFSF6 6 、空氣都大。、空氣都大。返返 回回返返 回回 常有的觸頭材料有銅、鎢合金和銀、鎢合常有的觸頭材料有銅、鎢合金和銀、鎢合金等，在電弧高溫作用下不易熔化和蒸發(fā)，金等，在電弧高溫作用下不易熔化和蒸發(fā)，有較高的抗電弧、抗熔焊能力，可以減少有較高的抗電弧、抗熔焊能力，可以減少熱電子發(fā)射和金屬蒸汽，抑制游離的作用。熱電子發(fā)射和金屬蒸汽，抑制游離的作用。返返 回回采用多斷口串聯(lián)，可把電弧分割成多段，在相同的觸頭采用多斷口串聯(lián)，可把電弧分割成多段，在相同的觸頭行程下電弧拉長(zhǎng)速度和長(zhǎng)度比單斷口大，從而弧隙電阻行程下電弧拉長(zhǎng)速度和長(zhǎng)度比單斷口大，從而弧隙電阻增大，同時(shí)加在每個(gè)斷口上的電壓降低，使弧隙恢復(fù)電增大，同時(shí)加在每個(gè)斷口上的電壓降低，使弧隙恢復(fù)電壓降低，因而有利于滅弧。壓降低，因而有利于滅弧。返返 回回 加快斷路器的觸頭分離速度可以迅速拉長(zhǎng)加快斷路器的觸頭分離速度可以迅速拉長(zhǎng)電弧，使弧隙的電場(chǎng)強(qiáng)度驟降，同時(shí)使電電弧，使弧隙的電場(chǎng)強(qiáng)度驟降，同時(shí)使電弧的表面積突然增大，有