《電弧的產(chǎn)生及熄滅》PPT課件.ppt

1、5.1 電弧與電器觸頭的基本知識(shí),1. 電弧的形成與熄滅 2.直流電流的特性及熄滅 3. 交流電弧的特征及熄滅 4. 熄滅交流電弧的基本方法 5. 電弧觸頭的基本知識(shí) 思考題與習(xí)題,第一節(jié) 電弧的形成與熄滅,一、電弧放電的特征和危害 二、電弧的形成 弧柱中自由電子的主要來(lái)源 電弧形成的過(guò)程 三、電弧的熄滅 電弧的去游離形式 影響去游離的因素, 電弧放電的特征和危害,1. 電弧的概念 當(dāng)開(kāi)關(guān)電器開(kāi)斷電路時(shí)，電壓和電流達(dá)到一定值時(shí)，觸頭 剛剛分離后，觸頭之間就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的白光，稱(chēng)為電弧。 2.電弧的本質(zhì) 電弧的實(shí)質(zhì)是一種氣體放電現(xiàn)象。 3. 電弧放電的特征 （1）電弧由三部分組成。包括陰極區(qū)、陽(yáng)極

2、區(qū)和弧柱區(qū)。 （2）電弧溫度很高。 （3）電弧是一種自持放電現(xiàn)象。 （4）電弧是一束游離的的氣體。, 電弧放電的特征和危害,4. 電弧的危害 （1）電弧的存在延長(zhǎng)了開(kāi)關(guān)電器開(kāi)斷故障電路的時(shí)間，加重了電力系統(tǒng)短路故障的危害。 （2）電弧產(chǎn)生的高溫，將使觸頭表面熔化和蒸化，燒壞絕緣材料。對(duì)充油電氣設(shè)備還可能引起著火、爆炸等危險(xiǎn)。 （3）由于電弧在電動(dòng)力、熱力作用下能移動(dòng)，很容易造成飛弧短路和傷人，或引起事故的擴(kuò)大。, 電弧的形成弧柱中自由電子的主要來(lái)源（1）,（1）熱電子發(fā)射 當(dāng)斷路器的動(dòng)、靜觸頭分離時(shí)，觸頭間的接觸壓力及接觸面積逐漸縮小，接觸電阻增大，使接觸部位劇烈發(fā)熱，導(dǎo)致陰極表面溫度急劇升高

3、而發(fā)射電子 ，形成熱電子發(fā)射。 （2）強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射 開(kāi)關(guān)電器分閘的瞬間，由于動(dòng)、靜觸頭的距離很小，觸頭間的電場(chǎng)強(qiáng)度就非常大 ，使觸頭內(nèi)部的電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下被拉出來(lái) ，就形成強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。, 電弧的形成 弧柱中自由電子的主要來(lái)源（2）,（3）碰撞游離 從陰極表面發(fā)射出的電子在電場(chǎng)力的作用下高速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷地與中性質(zhì)點(diǎn)（原子或分子）發(fā)生碰撞。當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的電子積聚足夠大的動(dòng)能時(shí)，就會(huì)從中性質(zhì)點(diǎn)中打出一個(gè)或多個(gè)電子，使中性質(zhì)點(diǎn)游離，這一過(guò)程稱(chēng)為碰撞游離。 （4）熱游離 弧柱中氣體分子在高溫作用下產(chǎn)生劇烈熱運(yùn)動(dòng)，動(dòng)能很大的中性質(zhì)點(diǎn)互相碰撞時(shí)，將被游離而形成電子和正離子，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱游離。

4、弧柱導(dǎo)電就是靠熱游離來(lái)維持的。, 電弧的形成 電弧形成的過(guò)程,斷路器斷開(kāi)過(guò)程中電弧是這樣形成的。觸頭剛分離時(shí)突然解除接觸壓力，陰極表面立即出現(xiàn)高溫?zé)霟狳c(diǎn)，產(chǎn)生熱電子發(fā)射；同時(shí)，由于觸頭的間隙很小，使得電壓強(qiáng)度很高，產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。從陰極表面逸出的電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，加速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，發(fā)生碰撞游離，導(dǎo)致觸頭間隙中帶電質(zhì)點(diǎn)急劇增加，溫度驟然升高，產(chǎn)生熱游離并且成為游離的的主要因素，此時(shí)，在外加電壓作用下，間隙被擊穿，形成電弧。, 電弧的熄滅 電弧的去游離形式（1）,電弧的去游離過(guò)程包括復(fù)合和擴(kuò)散兩種形式。 1. 復(fù)合 復(fù)合是正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)相互結(jié)合變成不帶電質(zhì)點(diǎn)的現(xiàn)象。由于弧柱中電子的運(yùn)動(dòng)速度很快，約

5、為正離子的1000倍，所以電子直接與正離子復(fù)合的幾率很小。一般情況下，先是電子碰撞中性質(zhì)點(diǎn)時(shí)，被中性質(zhì)點(diǎn)捕獲變成負(fù)離子，然后再與質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)?shù)恼x子互相吸引而接近，交換電荷后成為中性質(zhì)點(diǎn)。還有一種情況就是電子先被固體介質(zhì)表面吸附后，再被正離子捕獲成為中性質(zhì)點(diǎn)。, 電弧的熄滅 電弧的去游離形式（2）,2. 擴(kuò)散 擴(kuò)散是弧柱中的帶電質(zhì)點(diǎn)逸出弧柱以外，進(jìn)入周?chē)橘|(zhì)的現(xiàn)象。擴(kuò)散有三種形式： （1）溫度擴(kuò)散，由于電弧和周?chē)橘|(zhì)間存在很大溫差，使得電弧中的高溫帶電質(zhì)點(diǎn)向溫度低的周?chē)橘|(zhì)中擴(kuò)散，減少了電弧中的帶電質(zhì)點(diǎn)； （2）濃度擴(kuò)散，這是因?yàn)殡娀『椭車(chē)橘|(zhì)存在濃度差，帶電質(zhì)點(diǎn)就從濃度高的地方向濃度低

6、的地方擴(kuò)散，使電弧中的帶電質(zhì)點(diǎn)減少； （3）利用吹弧擴(kuò)散，在斷路器中采用高速氣體吹弧，帶走電弧中的大量帶電質(zhì)點(diǎn)，以加強(qiáng)擴(kuò)散作用。, 電弧的熄滅 影響去游離的因素（1）,1. 電弧溫度 電弧是由熱游離維持的，降低電弧溫度就可以減弱熱游離， 減少新的帶電質(zhì)點(diǎn)的的產(chǎn)生。同時(shí)，也減小了帶電質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng) 速度，加強(qiáng)了復(fù)合作用。通過(guò)快速拉長(zhǎng)電弧，用氣體或油吹動(dòng) 電弧，或使電弧與固體介質(zhì)表面接觸等，都可以降低電弧的溫 度。 2.介質(zhì)的特性 電弧燃燒時(shí)所在介質(zhì)的特性在很大程度上決定了電弧中去 游離的強(qiáng)度，這些特性包括：導(dǎo)熱系數(shù)、熱容量、熱游離溫 度、介電強(qiáng)度等。若這些參數(shù)值大，則去游離過(guò)程就越強(qiáng)，電 弧就越容易

7、熄滅。, 電弧的熄滅 影響去游離的因素（2）,3. 氣體介質(zhì)的壓力 氣體介質(zhì)的壓力對(duì)電弧去游離的影響很大。因?yàn)?，氣體的壓力越大，電弧中質(zhì)點(diǎn)的濃度就越大，質(zhì)點(diǎn)間的距離就越小，復(fù)合作用越強(qiáng)，電弧就越容易熄滅。在高度的真空中，由于發(fā)生碰撞的幾率減小，抑制了碰撞游離，而擴(kuò)散作用卻很強(qiáng)。因此，真空是很好的滅弧介質(zhì)。 4. 觸頭材料 觸頭材料也影響去游離的過(guò)程。當(dāng)觸頭采用熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱能力強(qiáng)和熱容量大的耐高溫金屬時(shí)，減少了熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸汽，有利于電弧熄滅。 除了上述因素以外，去游離還受電場(chǎng)電壓等因素的影響。,一、直流電弧的特性 二、直流電弧的熄滅條件,第二節(jié) 直流電弧的特性及熄滅, 電弧電壓沿弧

8、長(zhǎng)的分布 陰極壓降區(qū) 10-4cm，正空間梯度1020V與電弧電流無(wú)關(guān)而與陰極及介質(zhì)有關(guān)。 弧柱區(qū) 與電流、弧長(zhǎng)和介質(zhì)及其狀態(tài)有關(guān)。 陽(yáng)極壓降區(qū) 為陰極區(qū)的幾倍，負(fù)空間梯度與電弧電流有關(guān)，電流越大壓降越小。 沿弧長(zhǎng)電壓降 h123 短弧和長(zhǎng)弧的概念及電弧穩(wěn)定的條件。 電弧的伏安特性 hf(h) 圖34,直流電弧的特性,直流電弧的熄滅條件,（或穩(wěn)定燃燒方程與靜態(tài)伏安特性脫離）,滅弧的途徑：（1）增高弧隙的靜態(tài)伏安特性 （2）增大回路電阻或減小電源電壓 熄滅方法: 1.拉長(zhǎng)電弧 2.開(kāi)斷電路時(shí)在電路中逐級(jí)串人電阻 3.在斷口上裝滅弧柵 4.冷卻電弧 新課小結(jié)：1.電弧的形成和熄滅 2.直流電弧的特

9、性和熄滅及滅弧方法 作業(yè)：,直流電弧的熄滅方法,第三節(jié) 交流電弧的特性及熄滅,一、交流電弧的特性 二、交流電弧的熄滅條件 弧隙介質(zhì)介電強(qiáng)度的恢復(fù) 弧隙電壓的恢復(fù)過(guò)程 交流電弧熄滅的條件, 交流電弧的特性（1）,在交流電路中，電流瞬時(shí)值隨時(shí)間變化，因而電弧的溫 度、直徑以及電弧電壓也隨時(shí)間變化，電弧的這種特性稱(chēng)為 動(dòng)特性。由于弧柱的受熱升溫或散熱降溫都有一定過(guò)程，跟 不上快速變化的電流，所以電弧溫度的變化總滯后于電流的 變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電弧的熱慣性。 經(jīng)過(guò)對(duì)圖2-2的分析，可見(jiàn)交流電弧在交流電流自然過(guò)零 時(shí)將自動(dòng)熄滅，但在下半周隨著電壓的增高，電弧又重燃。 如果電弧過(guò)零后，電弧不發(fā)生重燃，電弧

10、就此熄滅。, 交流電弧的特性（2）,交流電弧的熄滅條件弧隙介質(zhì)介電強(qiáng)度的恢復(fù),弧隙介質(zhì)能夠承受外加電壓作用而不致使弧隙擊穿的電壓稱(chēng)為弧隙的介質(zhì)強(qiáng)度。當(dāng)電弧電流過(guò)零時(shí)電弧熄滅，而弧隙的介質(zhì)強(qiáng)度要恢復(fù)到正常狀態(tài)值還需一定的時(shí)間，此恢復(fù)過(guò)程稱(chēng)之為弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過(guò)程，以耐受的電壓Uj（t）表示。, 交流電弧的熄滅條件弧隙電壓的恢復(fù)過(guò)程,電流過(guò)流前，弧隙電壓呈馬鞍形變化，電壓值很低，電源 電壓的絕大部分降落在線路和負(fù)載阻抗上。電流過(guò)零時(shí)，弧隙 電壓正處于馬鞍形的后蜂值處。電流過(guò)零后，弧隙電壓從后蜂 值逐漸增長(zhǎng)，一直恢復(fù)到電源電壓，這一過(guò)程中的弧隙電壓稱(chēng) 為恢復(fù)電壓，其電壓恢復(fù)過(guò)程以Uhf（t）表示。

11、 電壓恢復(fù)過(guò)程與線路參數(shù)、負(fù)荷性質(zhì)等有關(guān)。受線路參數(shù) 等因素的影響，電壓恢復(fù)過(guò)程可能是周期性的變化過(guò)程，也可 能是非周期性的變化過(guò)程。, 交流電弧的熄滅條件交流電弧的熄滅條件,如果弧隙介質(zhì)強(qiáng)度在任 何情況下都高于弧隙恢復(fù)電 壓，則電弧熄滅；反之，如 果弧隙恢復(fù)電壓高于弧隙介 質(zhì)強(qiáng)度，弧隙就被擊穿，電 弧重燃。因此，交流電弧的 熄滅條件為： Uj（t） Uhf（t） Uj（t）弧隙介質(zhì)強(qiáng)度； Uhf（t）弧隙恢復(fù)電壓。,第四節(jié) 熄滅交流電弧的方法,一、提高觸頭的分閘速度 二、采用多斷口 三、吹弧 吹弧氣流產(chǎn)生的方法 吹弧的方向 四、短弧原理滅弧 五、利用固體介質(zhì)的狹縫狹溝滅弧 六、采用耐高溫金屬

12、材料制作觸頭 七、采用優(yōu)質(zhì)滅弧介質(zhì), 提高觸頭的分閘速度,迅速拉長(zhǎng)電弧，有利于迅速減小弧柱中的電位梯度，增加 電弧與周?chē)橘|(zhì)的接觸面積，加強(qiáng)冷卻和擴(kuò)散的作用。因此， 現(xiàn)代高壓開(kāi)關(guān)中都采取了迅速拉長(zhǎng)電弧的措施滅弧，如采用強(qiáng) 力分閘彈簧，其分閘速度已達(dá)16m/s以上。, 采用多斷口,每一相有兩個(gè)或多個(gè)斷口相串聯(lián)。在熄弧時(shí)，多斷口把電 弧分割成多個(gè)相串聯(lián)的小電弧段。多斷口使電弧的總長(zhǎng)度加 長(zhǎng)，導(dǎo)致弧隙的電阻增加；在觸頭行程、分閘速度相同的情況 下，電弧被拉長(zhǎng)的速度成倍增加，使弧隙電阻加速增大，提高 了介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度，縮短了滅弧時(shí)間。 采用多斷口時(shí)，加在每一斷口上的電壓成倍減少，降低了 弧隙的恢復(fù)

13、電壓，亦有利于熄滅電弧。在要求將電弧拉到同樣 的長(zhǎng)度時(shí)，采用多斷口結(jié)構(gòu)成倍減小了觸頭行程，也就減小了 開(kāi)關(guān)電器的尺寸。如圖5-10所示：, 采用多斷口圖2-10, 吹弧 吹弧氣流產(chǎn)生法.（1）,用新鮮而且低溫的介質(zhì)吹拂電弧時(shí)，可以將帶電質(zhì)點(diǎn)吹到弧隙以外，加強(qiáng)了擴(kuò)散，由于電弧被拉長(zhǎng)變細(xì)，使弧隙的電導(dǎo)下降。吹弧還使電弧的溫度下降，熱游離減弱，復(fù)合加快。按吹弧氣流的產(chǎn)生方法和吹弧方向的不同，吹弧可分為以下幾種。 1. 吹弧氣流產(chǎn)生的方法有： （1）用油氣吹弧 用油氣作吹弧介質(zhì)的斷路器稱(chēng)為油斷路器。在這種斷路器 中，有用專(zhuān)用材料制成的滅弧室，其中充滿了絕緣油。當(dāng)斷路器觸頭分離產(chǎn)生電弧后，電弧的高溫使一

14、部分絕緣油迅速分解為氫氣、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳等氣體，其中氫的滅弧能力是空氣的7.5倍。這些油氣體在滅弧室中積蓄能量，一旦打開(kāi)吹口，即形成高壓氣流吹弧。,吹弧 吹弧氣流產(chǎn)生法.（2）,（2）用壓縮空氣或六氟化硫氣體吹弧 將20個(gè)左右大氣壓的壓縮空氣或5個(gè)大氣壓左右的六氟化硫氣體（SF6）先儲(chǔ)存在專(zhuān)門(mén)的儲(chǔ)氣罐中，斷路器分閘時(shí)產(chǎn)生電弧，隨后打開(kāi)噴口，用具有一定壓力的氣體吹弧。 （3）產(chǎn)氣管吹弧 產(chǎn)氣管由纖維、塑料等有機(jī)固體材料制成，電弧燃燒時(shí)與管的內(nèi)壁緊密接觸，在高溫作用下，一部分管壁材料迅速分解為氫氣、二氧化碳等，這些氣體在管內(nèi)受熱膨脹，增高壓力，向管的端部形成吹弧。, 吹弧 吹弧方向法

15、（1）,2. 按吹弧的方向分為： （1）縱吹 吹弧的介質(zhì)（氣流或油流）沿電弧方向的吹拂稱(chēng)為縱吹，縱吹能增強(qiáng)弧柱中的帶電質(zhì)點(diǎn)向外擴(kuò)散，使新鮮介質(zhì)更好地與熾熱電弧接觸，加強(qiáng)電弧的冷卻，有利于迅速滅弧。 （2）橫吹 橫吹時(shí)氣流或油流的方向與觸頭運(yùn)動(dòng)方向是垂直的，或者說(shuō)與電弧軸線方向垂直。橫吹不但能加強(qiáng)冷卻和增強(qiáng)擴(kuò)散，還能將電弧迅速吹彎吹長(zhǎng)。有介質(zhì)滅弧柵的橫吹滅弧室，柵片能更充分地冷卻和吸附電弧，加強(qiáng)去游離。在相同的工作條件下，橫吹比縱吹效果要好。, 吹弧 吹弧方向法（2）, 吹弧 吹弧方向法（3）,（3）縱橫吹 橫吹滅弧室在開(kāi)斷小電流時(shí)因室內(nèi)壓力太小，開(kāi)斷性能較差。為了改善開(kāi)斷小電流時(shí)的滅弧性能，可

16、將縱吹和橫吹結(jié)合起來(lái)。在大電流時(shí)主要靠橫吹，小電流時(shí)主要靠縱吹，這就是縱橫吹滅弧室。, 短弧原理滅弧,滅弧裝置是一個(gè)金屬柵滅弧罩，利用將電弧分為多個(gè)串聯(lián)的短弧的方法來(lái)滅弧。由于受到電磁力的作用，電弧從金屬柵片的缺口處被引入金屬柵片內(nèi)，一束長(zhǎng)弧就被多個(gè)金屬片分割成多個(gè)串聯(lián)的短弧。如果所有串聯(lián)短弧陰極區(qū)的起始介質(zhì)強(qiáng)度,或陰極區(qū)的電壓降的總和永遠(yuǎn)大于觸頭間的外施電壓，電弧就不再重燃而熄滅。采用缺口鐵質(zhì)柵片，是為了減少電弧進(jìn)入柵片的阻力，縮短燃弧時(shí)間。, 利用固體介質(zhì)的狹縫狹溝滅弧,滅弧裝置的滅弧片是由石棉水泥或陶土制成的。觸頭間產(chǎn)生電弧后，在磁吹裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，將電弧吹入又滅弧片構(gòu)成的狹縫中，

17、把電弧迅速拉長(zhǎng)的同時(shí)，使電弧與滅弧片內(nèi)壁緊密接觸，對(duì)電弧的表面進(jìn)行冷卻和吸附，產(chǎn)生強(qiáng)烈的去游離。原理圖如2-16所示。 石英砂熔斷器中的熔絲熔斷時(shí)，在石英砂的狹溝中產(chǎn)生電弧。由于受到石英砂的冷卻和表面吸附作用，使電弧迅速熄滅。同時(shí)，熔絲氣化時(shí)產(chǎn)生的金屬蒸汽滲入石英砂中遇冷而迅速凝結(jié)，大大減少了弧隙中的金屬蒸汽，使得電弧容易熄滅。原理圖如2-17所示。, 利用固體介質(zhì)的狹縫狹溝滅弧, 用耐高溫金屬材料作觸頭、優(yōu)質(zhì)滅弧介質(zhì),觸頭材料對(duì)電弧中的去游離也有一定影響，用熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量大的耐高溫金屬制作觸頭，可以減少熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸汽，從而減弱了游離過(guò)程，有利于熄滅電弧。 滅弧介質(zhì)的特

18、性，如導(dǎo)熱系數(shù)、電強(qiáng)度、熱游離溫度、熱容量等，對(duì)電弧的游離程度具有很大影響，這些參數(shù)值越大，去游離作用就越強(qiáng)。在高壓開(kāi)關(guān)中，廣泛采用壓縮空氣、六氟化硫（SF6）氣體、真空等作為滅弧介質(zhì)。,第五節(jié) 電氣觸頭的基本知識(shí),一、概述 二、觸頭的接觸電阻 三、觸頭的動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定 四、觸頭的分類(lèi)和結(jié)構(gòu) 按接觸面的形式分類(lèi) 按結(jié)構(gòu)形式類(lèi), 電氣觸頭基本知識(shí)概述,1. 觸頭的概念 電氣觸頭是指兩個(gè)導(dǎo)體或幾個(gè)導(dǎo)體之間相互接觸的部分，如母線或?qū)Ь€的接觸連接處以及開(kāi)關(guān)電器中的動(dòng)、靜觸頭。 2. 對(duì)電氣觸頭的基本要求 （1）結(jié)構(gòu)可靠； （2）接觸電阻小且穩(wěn)定，有良好的導(dǎo)電性能和接觸性能； （3）通過(guò)規(guī)定電流時(shí)，發(fā)熱

19、穩(wěn)定而且不超過(guò)允許值； （4）通過(guò)短路電流時(shí)，具有足夠的動(dòng)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性； （5）開(kāi)斷規(guī)定短路電流時(shí)，觸頭不被灼傷，不發(fā)生熔焊。, 觸頭的接觸電阻,觸頭在正常工作和通過(guò)短路電流時(shí)的發(fā)熱都與接觸電阻值 有關(guān)，所以觸頭的質(zhì)量在很大程度上取決于觸頭的接觸電阻 值。正常情況下，觸頭間的接觸壓力、表面加工狀況、表面氧 化程度及接觸情況等都會(huì)影響接觸電阻值。 1. 觸頭間的壓力 觸頭間的壓力越大，觸頭間 的接觸電阻就越小。 2.觸頭材料及防氧化措施 觸頭一般由銅、黃銅和青銅等材料制成。為防止觸頭表面 被氧化，一般需要采取鍍錫、鍍銀和涂防腐漆和凡士林油等措 施加以防護(hù)。, 觸頭的熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定,觸頭在長(zhǎng)期負(fù)荷電流下工作時(shí)，由于接觸電阻的存在，觸 頭要發(fā)熱，使其溫度升高，同時(shí)也向周?chē)橘|(zhì)散熱，當(dāng)發(fā)熱量 等于散熱量時(shí)，觸頭就穩(wěn)定在工作溫度下運(yùn)行。這個(gè)溫度值小 于觸頭材料長(zhǎng)期允許的溫度。因此，觸頭是安全的。由于負(fù)荷 電流相對(duì)于短路電流要小得多，所產(chǎn)生的電動(dòng)力不會(huì)影響觸頭 的正常工作。 當(dāng)觸頭短時(shí)間內(nèi)通過(guò)大電流時(shí)，如短路電流、電動(dòng)機(jī)的起 動(dòng)電流等，所產(chǎn)生的熱效應(yīng)和電動(dòng)力具有沖擊特性，對(duì)觸頭能 否正常工作造成很大威脅，可能使觸頭熔焊和短時(shí)過(guò)熱、觸頭 接觸壓力下降等后果。因此，開(kāi)關(guān)電器必須采取有效措施，保 證在通過(guò)短路電流時(shí)有足夠的動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定。, 觸頭的