電器學電接觸與電弧理論和裝置課件

電器學電接觸與電弧理論和裝置20.07.20232本章概述內容要點電弧產生原因性質熄滅方法滅弧裝置電弧的優(yōu)缺點電接觸本質觸頭在各種工作狀態(tài)下的行為延長觸頭壽命和改善觸頭工作性能的技術措施20.07.20233本章概述觸頭與電弧接觸的過程觸頭類型電弧的形成和性質觸頭的壽命電弧的優(yōu)缺點20.07.202342.1電接觸與觸頭電接觸概念物理現(xiàn)象觸頭結構：兩個或以上的導體基本要求：P35電阻不大且穩(wěn)定分類連接觸頭圖2－1機械性能；總電阻??；溫升；電動力換接觸頭圖2－2通常意義上的觸頭20.07.202352.1電接觸與觸頭觸頭的四種工作情況及要求分斷狀態(tài)過電壓——防電擊穿斷口間隔和爬電距離足夠閉合狀態(tài)1）一定過載能力，控制溫升；2）抗電磁斥力和熔焊；3）接觸電阻的長期穩(wěn)定理論計算如何盡量小20.07.202362.1電接觸與觸頭閉合過程情況：mv2/2；彈跳過程預擊穿引起的短弧1）彈跳持續(xù)時間要短；2）抗電弧熔焊性好；分斷過程考慮電弧的破壞影響：觸頭、絕緣等要求：介質恢復強度高，燃弧時間短，過電壓低，抗電弧焊。20.07.202372.1電接觸與觸頭觸頭的工作要求（開或斷）電動斥力熔焊——材料要求溫升——結構可靠熄滅電弧多方面，可圍繞電擊穿、熱擊穿階段來分析觸頭基本參數(shù)開距、超程、初壓力、終壓力接觸壓力——力的全動態(tài)過程仿真或試驗20.07.202382.2電弧及其產生過程電弧觸頭與電弧形成過程：P36觸頭分離——觸點熔融——液態(tài)金屬橋的形成——液體金屬沸騰、爆炸——觸頭間隙形成——過電壓擊穿——火花放電或電弧——電弧熄滅一種物質形態(tài)——自然界第四態(tài)本質：能量積聚/瀉放過程形成的物質形態(tài)Video危害：對系統(tǒng)、設備本身的性能、運行的影響燒蝕、污染、發(fā)熱、誤動、據(jù)動等等能量瀉放抑止過電壓——或者設備毀壞，區(qū)域電網(wǎng)崩潰20.07.202392.2電弧及其產生過程電弧形成過程危害P37其他工業(yè)和生活的用處1）氣體的電離電子的穩(wěn)態(tài)原軌道<－>激勵狀態(tài)(持續(xù)0.1~1us)－>自由電子式2－1原軌道<－>亞穩(wěn)態(tài)(持續(xù)0.1~10ms)－>自由電子電離和電離能電離概念式2－220.07.2023102.2電弧及其產生過程電離形式表面發(fā)射場所：金屬電極表面種類：熱發(fā)射、場致發(fā)射、光發(fā)射、二次發(fā)射等四種形式空間電離場所：觸頭間隙內種類：光電離、熱電離、碰撞電離等三種形式20.07.2023112.2電弧及其產生過程各種電離的本質P37－38熱發(fā)射：加熱，電子克服電場勢壘；逸出功場致發(fā)射：強電場使勢壘減小光發(fā)射：射線照射金屬表面，電子獲取能量二次發(fā)射：粒子高速撞擊光電離熱電離碰撞電離：主要是電子20.07.2023122）電離及其形式消電離概念P38消電離形式復合概念：P38形式：表面復合空間復合復合概率：氣體性質及純度惰性氣體、氫氣、氮氣等不會負荷SF6等——極強的俘獲電子的能力能量過程：(中性)粒子增速；光量子輻射擴散20.07.2023133）氣體放電過程原因及圖2－4OD——非自持放電階段無自由電子，直至有外界作用D以后——自持放電階段各種電子較多，可形成持續(xù)放電擊穿電壓Ub——決定自持放電的主因CE：湯遜放電區(qū)（無光放電、黑暗放電）EF：過渡階段，輝光電流增大、電離增強，維持放電所需電壓下降FG：輝光布滿陰極表面電流增大、電流密度穩(wěn)定、陰極區(qū)電壓降穩(wěn)定GH：異常輝光放電階段電流和電流密度皆增大H以后：弧光放電階段電流密度和溫度極高，熱電離為主20.07.2023142.2電弧及其產生過程電弧的外觀與本質圖2－5A——anodeC——cathode陰極斑點溫度極高（氣化溫度）、電流密度極高在自身磁場作用下運動陽極斑點20.07.2023152.2電弧及其產生過程近陰極區(qū)、近陽極區(qū)兩極區(qū)的電壓降與電流無關，<20V弧柱其內部氣體全部電離等離子區(qū)：正負帶電粒子電量相等電場強度近乎恒值圖2－5電弧本質自持放電的一種形式P4120.07.2023162.3電弧的特性和方程電壓方程式2－4近極區(qū)壓降電場強度分布圖2－6直流電弧的伏安特性圖2－7該特性雖有各種經驗公式，但最好由實驗確定負阻特性電流增大，而電弧電壓降低增大的電流使熱電離加劇，離子濃度增大，維持穩(wěn)定燃弧所需電壓降低20.07.202317直流電弧的伏安特性圖2－7的伏安特性分析曲線1中，設I2對應的電阻為R12，I1對應的電阻為R11；同理，設曲線2中，I2對應R22方向：電流在曲線1上減小到I1，在曲線2上增加到I2在曲線2上，是假定電流從I1減小到I2，而由于電弧的熱慣性，有R22＝R11；又由于負阻特性，有R11<R12；那么，I2×R12>I2×R11所以，曲線2在曲線1的下方20.07.202318直流電弧的伏安特性直流電弧的靜態(tài)和動態(tài)伏安特性圖2－7中，參數(shù)為Uh、Ih，而Ih隨時間t的變化情況決定了直流電弧的特性當電流隨時間緩慢變化時，有靜態(tài)伏安特性靜態(tài)伏安特性只有一條：曲線1經驗公式：當電流隨時間有一定速度的變化時，形成動態(tài)伏安特性：P78圖3－20速度無限大時，曲線0－3：dIh/dt=無限大Ih變化期間，弧柱的溫度、直徑不變動態(tài)特性有無數(shù)條：曲線1和曲線3之間，如曲線220.07.202319直流電弧的伏安特性分析動態(tài)伏安特性靜態(tài)伏安特性曲線1動態(tài)伏安特性曲線2電流從I2－>I3時若快速變化，則從曲線2方向變化電弧變化滯后，電阻維持較大靜態(tài)特性中的電弧電阻變?。ɑ≈兇郑┰贗3時，快速趨向曲線1相應點若瞬態(tài)變化，則沿曲線3方向在I3時，快速趨向曲線1相應點根據(jù)電流變化速度的不同，曲線2在1和3之間動態(tài)變化，謂之動態(tài)伏安特性20.07.202320直流電弧的伏安特性起弧條件表2－2燃弧電壓、燃弧電流、電極材料、間隙介質等相關20.07.202321交流電弧的伏安特性交流電弧的伏安特性圖2－8前提：滅弧作用不太強烈，即電流過零期間，電弧電阻始終為一有限值只有動態(tài)伏安特性——交流變化的電流原點對稱伏安特性——兩次交流過零點可以用下一小節(jié)“電弧的能量平衡”解釋圖2－9電阻性負載：電壓電流同相位電感性負載：電流i落后于電壓u相位90度；注意弧壓升高到擊穿階段注意負阻特性20.07.2023222.3電弧的特性和方程電弧的能量平衡電弧功率計算電弧電壓公式2－5電弧功率公式2－6短?。篣0占主導地位——金屬件散熱長?。篣A占主導地位——弧柱散熱電弧的動態(tài)熱平衡方程式2－7電弧的熄滅取決于PA和Pd滅弧指導20.07.2023232.3電弧的特性和方程用“電弧的能量平衡”解釋圖2－80A段Ih過零期間，PA＝0，此時dQA/dt=-Pd弧柱變冷、變細，Rh增大，因而0A段斜率（電阻）較大AB段Ih增大，PA增大，一直到dQA/dt>0那么弧柱變熱、變粗，Rh迅速下降Rh的下降速度和ih的上升速度形成AB段BC段Ih減小，UA沿曲線BC上升但弧柱的熱慣性使得曲線BC比AB低（圖2－7）C0段Rh的上升。。。特殊點：A——燃弧尖峰C——熄弧尖峰20.07.2023242.4直流電弧及其熄滅電路模型——圖2－13電壓平衡方程：式2－8圖解2－10橫線是電源電勢U曲線1為靜態(tài)伏安特性曲線2為U-iR特性曲線2與橫線U之間的夾角為α20.07.2023252.4直流電弧及其熄滅兩個穩(wěn)定點虛假穩(wěn)定點A真正穩(wěn)定點BAB之間，有Ldi/dt>020.07.2023262.4直流電弧及其熄滅熄弧方法（根據(jù)圖2－10及其解釋）電弧伏安特性上移，至穩(wěn)定點2不存在為止根據(jù)式2－5增大近極壓降圖2－12d）的方法：長?。?gt;短弧增大電弧長度圖2－12的方法增大弧柱電場強度E增大氣體介質壓強、速度、材料等等增大電弧電阻拉長電弧、冷卻等增大回路電阻斜直線的α角變大，至穩(wěn)定點2不存在為止20.07.2023272.4直流電弧及其熄滅直流電弧熄弧/分斷電路時的過電壓那么：1）L越大，過電壓越高（儲能多）；2）熄弧速度越快，過電壓越高20.07.2023282.4直流電弧及其熄滅滅弧措施及圖2－13滅弧強度過強則導致高的過電壓過低則延長滅弧時間，甚至滅弧失敗2－13a）負載并聯(lián)電阻熄弧后回路方程：其他情況20.07.2023292.4直流電弧及其熄滅理論上：增大與負載并聯(lián)的電阻Rs可減小I0，以減小可能的過電壓但增大了正常情況下的功率損耗2－13b）二極管：避免正常時的功率損耗此時可采用較大的Rs2－13c）雙斷口以降低過電壓C1為主滅弧機構C2為輔助滅弧機構電阻Rs用于減小電弧電流（減少電感中的能量）C2較弱的滅弧能力使熄弧過程延長，防止高的過電壓產生20.07.2023302.5交流電弧及其熄滅電弧熄滅原理直流電弧方法：電弧伏安特性上移拉長電?。鋮s增大弧阻和弧壓特點：電流過零熄滅交流電弧電流過零時的兩種競爭過程圖2－14介質恢復過程弧隙電壓恢復過程特點：每工頻周期存在兩個過零點共同點：提高介質恢復強度20.07.2023312.5交流電弧及其熄滅介質恢復過程了解近陰極區(qū)和弧柱區(qū)的不同1）近陰極區(qū)的介質恢復圖2－15近陰極效應由于電子移動速度快，故介質恢復過程快：0.1~1us過零前后，電極位置互換，電子速度快于正離子，濃度的變化使得在新陰極表面的場致發(fā)射很弱甚至沒有溫度低于熱電離溫度金屬柵截割電弧短弧滅弧原理綜合利用兩者滅弧的方法20.07.2023322.5交流電弧及其熄滅近陰極區(qū)的電場和電位分布假定在x=l處E=0正離子和電子濃度一樣泊松方程圖2－15b）n:電荷的數(shù)密度；ε:介電常數(shù)假定x=0處U=0對泊松方程進行x的積分：x=l時有最大值：20.07.2023332.5交流電弧及其熄滅2）介質恢復過程的弧柱區(qū)零休時間電弧電流自然過零前后數(shù)十微秒內電弧電阻并非無窮大殘存帶電粒子形成剩余電流電源仍向弧隙輸送能量熱擊穿及熱擊穿階段弧隙能量獲取大于散發(fā)電擊穿及其階段弧隙間電壓足夠高20.07.2023342.5交流電弧及其熄滅弧隙電壓恢復過程恢復電壓穩(wěn)態(tài)恢復電壓——直流和工頻暫態(tài)恢復電壓不同性質電路的分斷圖2－16電阻性：只有穩(wěn)態(tài)分量電壓電流同相位電感性負載：電流i落后于電壓u相位90度；電流為零時，電壓處于幅值最大時刻20.07.2023352.5交流電弧及其熄滅電容性負載：電流i超前于電壓u相位90度；注意：虛線為電容電壓Uc實線在過零前是電弧電流i，過零后為電弧電壓Uhf因為電弧電流過零后，且電弧熄滅，故電容電壓達到最大電容和電源隔離，無放電回路，電容電壓不變電流過零電弧后，電源電壓繼續(xù)變化，使Uhf最終達到最大為兩倍的電源幅值選擇：電感性為設計、試驗代表20.07.2023362.5交流電弧及其熄滅電感性弧隙恢復電壓分析假設條件：電阻為零，且過程極短暫解特征：工頻暫態(tài)量＋穩(wěn)態(tài)量Ugm實際上，電弧總存在等效并聯(lián)電阻和電容，則有：20.07.2023372.5交流電弧及其熄滅根據(jù)解的實根或虛根情況，有兩種恢復電壓曲線共同點：恒定量Ugm＋暫態(tài)分量實根：存在暫態(tài)衰減量虛根：存在單調變化量滅弧時刻選擇依據(jù)零休期熱擊穿階段1）（首次自然過零點）2）弧隙輸入功率最??；3）線路儲能較小，不易出現(xiàn)高的過電壓（電擊穿）實際情況非圖2－4所示圖2－4只是固有ujf和uhf的特性由于弧隙電阻Rs的存在，使ujf和uhf兩者都趨于降低，即兩者是相互關聯(lián)的20.07.2023382.5交流電弧及其熄滅熄弧過程圖2－18三個半波的過程三個相位φ是：電流過零點落后于電壓過零點的相角第一個過零點：ujf不高，弧壓uh不大，電流畸變不大，重燃第二個過零點：弧長增大，弧壓uh增大，則電弧電流ih變小過零點的電流有畸變ujf變大第三個過零點：弧長和弧壓uh更增大，ih變小更多ujf增加更多Φ3小于90度，uhf在較低的工頻恢復電壓uhf瞬時值作用下上升20.07.2023392.6滅弧裝置（介紹）滅火花電路圖2－19用于繼電器本質：放電回路簡單滅弧拉長電?。夯涸龃?，特性上移空氣冷卻：介質恢復磁吹滅弧裝置圖2－20電流：6——>8——>1；鐵心和夾板：減小磁路增大磁通；考慮結構、磁通與滅弧等的優(yōu)化20.07.2023402.6滅弧裝置（介紹）弧罩與縱縫滅弧裝置圖2－21縱縫：滅弧室縫隙方向與電弧軸線平行目的：冷卻電弧以滅弧多縫：比單縫的阻力??；縱向曲縫：顯著增大接觸面積，提高弧柱的冷卻和消電離作用電弧受到的阻力較大（需要較大的外加磁場）20.07.2023412.6滅弧裝置（介紹）柵片滅弧裝置絕緣柵片利用電弧段之間的電磁力使電弧與柵片緊密接觸來增強熄弧能力金屬柵片切割成短弧利用近極區(qū)效應增強熄弧能力20.07.2023422.6滅弧裝置（介紹）固體產氣滅弧裝置熔斷器原理：1、熔體熔化和汽化，形成短弧2、絕緣管產生高壓氣體石英砂滅弧裝置熔斷器石英砂來限制弧柱的擴展并冷卻電弧1、短?。ǘ鄶嗫诖?lián)）2、高壓氣體（石英砂限值氣體擴散）3、狹縫冷卻缺點：石英砂的熔解導致穩(wěn)定燃弧現(xiàn)象出現(xiàn)20.07.2023432.6滅弧裝置（介紹）油吹滅弧裝置變壓器油分解、氣化氣泡的氣體中油蒸汽40％，其他氣體60％其他氣體：氫氣(70%以上)、乙、乙烯。氣泡體積關系：易于滅?。簹怏w中：氫導熱系數(shù)最大，粘度最小氣泡壓力大——油限值其體積，且油在電弧作用下分解和氣化油易于滅弧缺點：有臨界電流、極限開斷電流結構復雜，維護麻煩20.07.2023442.6滅弧裝置（介紹）壓縮空氣滅弧裝置利用壓縮空氣增強滅弧結構棒－棒，管－管，棒－管缺點：結構復雜滅弧能力過強，常引起電流截斷導致高過電壓噴口堵塞可能導致弧柱冷卻不夠，導致電弧重燃——極限開斷電流20.07.2023452.6滅弧裝置（介紹）六氟化硫（SF6）滅弧正八面體分子結構，強負電性即對電子有極大的親和力，而粘合形成負離子——負離子質量為電子的幾千倍，在電場中移動緩慢，極大提高介質的恢復強度速度常溫下穩(wěn)定：150度不易起化學反應無色、無臭、無味、無毒、不燃、無腐蝕性密度大，熱容量高（易于滅?。└邷貢纸?，但低溫下極易恢復擊穿電壓高（約為空氣的2～3倍）簡單開斷時，開斷能力比空氣強約100倍；而簡單的輔助手段即可大幅提高開斷能力缺點：易液化不均勻電場中的擊穿電壓下降明顯電弧可以拉很長而很難截斷20.07.2023462.6滅弧裝置（介紹）真空滅弧真空度：1.33×10-3Pa電子自由行程很大，達43m，不易碰撞空氣分子自由形成達7.6m介質擊穿條件：電子碰撞粒子時期電離（電場電離）以產生更多的電子擊穿電壓比空氣高很多電弧構成：金屬蒸汽金屬蒸汽不多且不易擴散介質強度恢復快滅弧能力強（無足夠介質）滅弧室尺寸可以較小容易形成截流而形成高的過電壓20.07.2023472.6滅弧裝置（介紹）優(yōu)點：免維修；防爆耐壓強度高分斷能力高mm級別開距介質強度恢復快操作頻率高結構簡單，體積小，重量輕，操作噪聲小缺點：過電壓高，截流擊穿電壓受電極表面粗糙度和污染程度影響很大電弧使電極，特別是陰極光潔度影響極大20.07.2023482.6滅弧裝置（介紹）無弧分斷交流電流過零點分斷，并使介質強度以足夠快的速度恢復同步開關，圖2－23給觸頭并聯(lián)晶體管混合開關，圖2－24固體開關新型材料的阻抗特性20.07.2023492.7觸頭的接觸電阻兩個觸頭表面情況加工的凸凹不平工業(yè)金屬表面的凸凹不平（1～10um）氧化污染接觸處有金屬、氧化污染后的金屬及各種絕緣膜——圖2－25觸頭溫升惡性循環(huán)：溫升導致接觸電阻增加，接觸電阻的增加又導致溫升增加20.07.2023502.7觸頭的接觸電阻表面膜塵埃膜、化學吸附膜、無機膜、有機膜接觸電阻接觸壓力圖2－27觸頭溫升材料和接觸面積材料、表面加工情況、接觸點個數(shù)和接觸面積（半徑）、氧化和污染情況等歸結為參數(shù)Ke，圖2－27接觸形式圖2－2620.07.2023512.7觸頭的接觸電阻束流現(xiàn)象電流限于接觸點和接觸面積極度縮小所造成的電流收縮現(xiàn)象反向電動斥力Pinch效應造成的附加斥力20.07.2023522.8閉合狀態(tài)下的觸頭觸頭的四種工作情況及要求分斷狀態(tài)過電壓——防電擊穿閉合狀態(tài)1）一定過載能力，控制溫升；2）抗電磁斥力和熔焊；3）接觸電阻小。閉合過程情況：mv2/2；彈跳過程預擊穿引起的短弧1）彈跳持續(xù)時間要短；2）抗電弧熔焊性好；分斷過程介質恢復強度高，然弧時間短，過電壓低，抗電弧焊。20.07.2023532.8閉合狀態(tài)下的觸頭閉合狀態(tài)下溫度升高觸頭之間的電動斥力觸頭的發(fā)熱本體發(fā)熱和觸點發(fā)熱觸點產熱多，散熱面積小觸點發(fā)熱的溫升：式2－2320.07.2023542.8閉合狀態(tài)下的觸頭例2－1注意計算過程：2.175應該是175接觸電阻和接觸電壓降實際的Rj－Uj曲線：圖2－28軟化電壓Us金屬材料軟化此時Rj驟減熔化電壓Um觸頭溫度達熔點接觸電阻允許值20.07.2023552.8閉合狀態(tài)下的觸頭Uj與時間的特性圖2－29觸頭表面的氧化腐蝕導致膜層增加膜的破壞使Rj驟減應對材料選擇銅鍍銀、嵌銀或金等機構設置20.07.2023562.8閉合狀態(tài)下的觸頭觸頭間的電動力導體截面變化時，電力線彎曲徑向力分量軸向力分量F－I220.07.2023572.9觸頭接通過程及其熔焊觸頭接通/閉合：彈性和塑性變形部分能量轉換為熱量————塑性變形部分能量轉換為反彈運動——彈性變形二次彈跳原因圖2－31觸頭的閉合鐵心的閉合（銜鐵與磁軛閉合）觸頭材料蒸發(fā)的壓力20.07.2023582.9觸頭接通過程及其熔焊閉合彈跳過程圖2－32能量漸小部分能量轉換為熱量————塑性變形部分能量轉換為反彈運動——彈性變形共振熔焊與彈跳力的作用振幅計算能量平衡公式W：位能；WA：塑性變形的消耗能式2－3120.07.2023592.9觸頭接通過程及其熔焊觸頭的熔焊分類靜熔焊動熔焊影響因素電參數(shù)機械參數(shù)表面狀況材料觸頭的冷焊壓力情況下連接處金屬分子或原子間的結合20.07.2023602.10觸頭分斷過程與其侵蝕分斷過程觸頭損失嚴重過程歷時長電弧持續(xù)時間長侵蝕機械侵蝕：機械摩擦化學侵蝕：氧化膜破碎導致電侵蝕：電火花或電弧電侵蝕橋蝕圖2－5弧蝕20.07.2023612.10觸頭分斷過程與其侵蝕橋蝕陽極材料向陰極轉移陰極凸起、陽極凹陷火花放電物理過程電壓較高而功率較小強電場擊穿無熱電離間歇性和不穩(wěn)定陰極受電蝕——陰極向陽極發(fā)射電子20.07.2023622.10觸頭分斷過程與其侵蝕弧蝕陰極電蝕正離子在陰極附近形成正空間電荷層，形成強電場陰極材料向陽極轉移陰極凹陷、陽極凸起凈侵蝕高溫情況下，陰極和陽極材料的局