開關(guān)電器的滅弧

開關(guān)電器的滅弧電弧是電氣設(shè)備運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生的物理現(xiàn)象，其特點(diǎn)是光亮很強(qiáng)和溫度很高。它不僅對(duì)觸頭有很大的破壞作用，電弧的產(chǎn)生對(duì)供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行有很大影響。首先，電弧延長了電路開斷短路電流的時(shí)間。在開關(guān)分?jǐn)喽搪冯娏鲿r(shí)，開關(guān)觸頭上的電弧就延長了短路電流通過電路的時(shí)間，使短路電流危害的時(shí)間延長，這可能對(duì)電路設(shè)備造成更大的損壞。同時(shí)，電弧的高溫可能燒壞開關(guān)的觸頭，燒毀電氣設(shè)備和導(dǎo)線電纜，甚至可能引起火災(zāi)和爆炸事故。此外，強(qiáng)烈的電弧可能損傷人的視力，嚴(yán)重的可導(dǎo)致人失明。因此，開關(guān)設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上就要保證其操作時(shí)電弧能迅速地熄滅。當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)是處在熱動(dòng)平衡狀態(tài)，此時(shí)不可能有電子和離子的積累。這說明電弧中氣體游離現(xiàn)象的同時(shí)還存在一個(gè)相反的過程，我們稱之為消游離。消游離就是正、負(fù)帶電粒子中和而變成中性粒子的過程。消游離的方式分兩類：復(fù)合和擴(kuò)散。1?復(fù)合帶異性電荷的粒子相遇后相互作用中和而變成中性粒子稱為復(fù)合。復(fù)合按其地點(diǎn)可分為：表面復(fù)合：帶正、負(fù)電荷的粒子附在金屬或絕緣材料表面上，相互吸引而中和電荷，變成中性粒子?？臻g復(fù)合：帶正、負(fù)電荷的粒子在放電間隙中相互吸引而中和電荷，變成中性粒子。自由電子與正離子相遇，相互吸引而中和電荷而變成中性粒子，稱為直接復(fù)合。由于自由電子的運(yùn)動(dòng)速度比正離子大得多，所以直接復(fù)合的機(jī)率很小。往往自由電子粘合在中性粒子上，再與正離子相遇而復(fù)合，中和電荷形成兩個(gè)中性粒子。這種過程稱間接復(fù)合。因?yàn)檎?、?fù)離子的運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)，間接復(fù)合的機(jī)率大，約為直接復(fù)合的上千倍。自由電子粘合在中性粒子上形成負(fù)離子的強(qiáng)弱與氣體的種類和純凈度有關(guān)。氟原子及其化合物SF分子與自由電子的粘合6作用很強(qiáng)，所以稱為負(fù)電性氣體。SF的復(fù)合能力很強(qiáng)，是比較理想的消游離和絕緣介質(zhì)。現(xiàn)已應(yīng)用在高壓斷路器中。顯而易見，帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度是直接影響復(fù)合作用大小的重要因素。降低溫度、減小電場(chǎng)強(qiáng)度可使粒子運(yùn)動(dòng)速度減小，易于復(fù)合。此外，帶電粒子濃度增大時(shí)，復(fù)合機(jī)會(huì)增多，復(fù)合作用也可以加強(qiáng)。在電弧電流不變的條件下，設(shè)法縮小電弧直徑，則粒子濃度可增大。復(fù)合過程總是伴隨著能量的釋放。釋放出來的能量成為加熱電極、絕緣物及氣體的熱源，同時(shí)也向四周散發(fā)。2?擴(kuò)散帶電粒子從電弧區(qū)轉(zhuǎn)移到周圍介質(zhì)中去的現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。擴(kuò)散的方向一般為從高溫、高濃度區(qū)向低溫、低濃度區(qū)。擴(kuò)散使電弧中的帶電粒子減小。擴(kuò)散出來的帶電粒子因冷卻很容易相互結(jié)合，中和電荷而形成中性粒子。擴(kuò)散速度與電弧內(nèi)外濃度差、溫度差成正比。電弧直徑愈小，弧區(qū)中帶電粒子濃度愈大；電弧與周圍介質(zhì)溫差愈大，擴(kuò)散速度愈大。因此，加速電弧的冷卻是提高擴(kuò)散作用的有效方法。綜上所述，電弧中存在著游離和消游離兩方面的作用。當(dāng)游離作用占優(yōu)勢(shì)時(shí)電弧就會(huì)產(chǎn)生和擴(kuò)大，當(dāng)消游離作用占優(yōu)勢(shì)時(shí)，電弧就趨于熄滅。游離與消游離作用與許多物理因素有關(guān)，如電場(chǎng)強(qiáng)度、溫度、濃度、氣體壓力等。那么，我們可以根據(jù)這些物理因素的變化影響情況，找出一些切實(shí)可行的方法，減小游離，增加消游離，使觸頭斷開電路時(shí)產(chǎn)生的電弧盡快地熄滅。我們知道電弧的產(chǎn)生會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生非常不利的影響，因此有必要了解下電弧產(chǎn)生的原因：在實(shí)際中，開關(guān)觸頭在分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)之所以會(huì)有電弧，原因在于觸頭本身及觸頭周圍的介質(zhì)中含有大量的可被游離的電子。當(dāng)分?jǐn)嗟挠|頭之間存在足夠大的外施電壓的條件下，這些電子就有可能被強(qiáng)烈電離而產(chǎn)生電弧。那么要使電弧熄滅，就必須使觸頭間電弧中的去游離率大于游離率，即其中離子消失的速率大大于離子產(chǎn)生的速率。所以在電氣設(shè)備的運(yùn)行中，常常會(huì)采用下列幾種方法滅?。核倮瓬缁》?、冷卻滅弧法、吹弧滅弧法、長弧切短滅弧法、狹溝或狹縫滅弧法、真空滅弧法和六氟化硫滅弧法。速拉滅弧法：這是開關(guān)電器中普遍采用的最基本的一中滅弧法。迅速拉長電弧，可使弧隙的電場(chǎng)強(qiáng)度驟降，離子的復(fù)合迅速增強(qiáng)，從而加速斷乎的熄滅。這種方法是利用開關(guān)中裝設(shè)的強(qiáng)有力的斷路彈簧，快速分?jǐn)嘤|頭，迅速拉長電弧，最終達(dá)到滅弧的目的。冷卻滅弧法：通過降低電弧的溫度，使電弧中的高溫游離減弱，正負(fù)離子的復(fù)合增強(qiáng)，使電弧加速熄滅。這種方法在開關(guān)電器中也應(yīng)用普遍，也是一種基本的滅弧方法。以上兩種滅弧法都是利用空氣的流動(dòng)降溫滅弧的，低壓小功率電器開關(guān)基本上都是空氣自然冷卻滅弧。如一般接觸器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等。吹弧滅弧法：利用外力（如氣流、油流或電磁力）來吹動(dòng)電弧，使電弧加速冷卻，同時(shí)拉長電弧，降低電弧中的電場(chǎng)強(qiáng)度，使離子的復(fù)合和擴(kuò)散增強(qiáng)，從而加速電弧的熄滅。這種滅弧方法的滅弧能力不是很強(qiáng)，滅弧速度也不快，一般是用于中低電壓的電路開關(guān)中。長弧切短滅弧法：由于電弧的電壓降主要降落在陰極和陽極上，其中陰極電壓降又比陽極電壓降大得多，而電弧的中間部分（弧柱）的電壓降是很小的。因此如果利用金屬片將長弧切割成若干倍。當(dāng)外施電壓小于電弧上的電壓降時(shí)，則電弧不能維持而迅速熄滅。利用鐵磁將觸頭間電弧快速吸入鋼滅弧柵。同時(shí)鋼片對(duì)電弧還有一定的冷卻降溫作用。粗弧分細(xì)滅弧法：將粗大的電弧分成若干平行的細(xì)小電弧，使電弧與周圍介質(zhì)的接觸面增大，改善電弧的散熱條件，降低電弧的溫度，從而加速電弧中離子的復(fù)合和擴(kuò)散都得到加強(qiáng)，使電弧加速熄滅。狹溝滅弧法：利用電動(dòng)力吹弧使電弧進(jìn)入絕緣柵片內(nèi)，使電弧在固體介質(zhì)所形成的狹溝中燃燒，改善了電弧的冷卻條件，同時(shí)由于電弧與介質(zhì)表面接觸使帶電質(zhì)點(diǎn)復(fù)合大大增強(qiáng)，從而加速電弧的熄滅。比如有的熔斷器熔管內(nèi)充填石英砂，在熔斷器中充填石英砂，其目的是為了增強(qiáng)熔斷器的滅弧能力。石英砂具有較高的導(dǎo)熱性和絕緣性能，并且與電弧有很大的接觸面積，便于吸收電弧能量，因此能使電弧迅速冷卻。使熔絲在石英砂中熔斷。真空滅弧法：因?yàn)檎婵站哂休^高的絕緣強(qiáng)度。如果將開關(guān)觸頭裝在真空容器內(nèi)，則在觸頭分?jǐn)鄷r(shí)其間產(chǎn)生的電弧一般較小，且在電流第一次過零時(shí)就能熄滅電弧。比如在真空斷路器分?jǐn)嗨查g，由于兩觸頭間的電容存在，使觸頭間絕緣擊穿，產(chǎn)生真空電弧。由于觸頭形狀和結(jié)構(gòu)的原因，使得真空電弧柱迅速向弧柱體外的真空區(qū)域擴(kuò)散。當(dāng)被分?jǐn)嗟碾娏鹘咏銜r(shí)，觸頭間電弧的溫度和壓力急劇下降，使電弧不能繼續(xù)維持而熄滅。電弧熄滅后的幾US內(nèi)，兩觸頭間的真空間隙耐壓水平迅速恢復(fù)。同時(shí)，觸頭間也達(dá)到了一定距離，能承受很高的恢復(fù)電壓。所以，一般電流在過零后，不會(huì)發(fā)生電弧重燃而被分?jǐn)?。這就是其滅弧的原理。六氟化硫滅弧法：由于六氟化硫（SF6）具有優(yōu)良的絕緣性能和滅弧性能，其絕緣強(qiáng)度約為空氣的三倍，其絕緣強(qiáng)度恢復(fù)的速度約比空氣快一百倍，因此采用六氟化硫來滅弧可以大大提高開關(guān)的斷流容量和縮短滅弧時(shí)間。原理是：當(dāng)短路開始，電信號(hào)反饋到脫扣器，使開關(guān)分閘。在分閘的瞬間，動(dòng)觸頭和靜觸頭之間就產(chǎn)生了電弧。動(dòng)觸頭繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，電弧很快轉(zhuǎn)移到引弧電極上。此時(shí)，繞在圓筒電極外而串聯(lián)在靜觸頭與圓筒電極之間的磁吹線圈通過短路電流