开关电器中的灭弧原理_机械/仪表_工程科技_专业资料。电器设备使用中的灭弧可以达到安全使用的目的
第三章 开关电器中的灭弧原理 一、电弧现象 1．电弧是一种能量集中、温度很高、亮度很强的放电 ．电弧是一种能量集中、温度很高、 现象。 少油断路器开断20kA的电流时，电弧 的电流时， 现象。如10kV少油断路器开断 少油断路器开断 的电流时 功率高达10000kW以上，造成电弧及其附近区域的 以上， 功率高达 以上 介质及其强烈的物理化学变化， 介质及其强烈的物理化学变化，可能烧坏触头及触 头附近的其他部件。如果电弧长期不灭， 头附近的其他部件。如果电弧长期不灭，将会引起 电器被烧毁甚至爆炸，危机电力系统的安全运行， 电器被烧毁甚至爆炸，危机电力系统的安全运行， 造成重大损失。所以，切断电路时， 造成重大损失。所以，切断电路时，必须尽快熄灭 电弧。 电弧。 2．电弧是导体。开关电器的触头虽然已经分开，但是 ．电弧是导体。开关电器的触头虽然已经分开， 触头间如有电弧存在，电路就还没有断开， 触头间如有电弧存在，电路就还没有断开，电流仍 然存在。 然存在。 3．电弧是一种自持放电现象，即电弧一旦形成，维 ．电弧是一种自持放电现象，即电弧一旦形成， 持电弧稳定燃烧所需的电压很低。 大气中1cm 持电弧稳定燃烧所需的电压很低。如，大气中 长的直流电弧的弧柱电压只有15－ 长的直流电弧的弧柱电压只有 －30V，在变压器 ， 油中也不过100－200V。 油中也不过 － 。 4．电弧是一束游离气体，质量很轻，容易变形，在 ．电弧是一束游离气体，质量很轻，容易变形， 外力作用下（如气体、液体的流动或电动力作用） 外力作用下（如气体、液体的流动或电动力作用） 会迅速移动、伸长或弯曲， 会迅速移动、伸长或弯曲，对敞露在大气中的电弧 尤为明显。 在大气中开断交流110kV、5A的电 尤为明显。如，在大气中开断交流 、 的电 流时，电弧长度超过7m。 流时，电弧长度超过 。电弧移动速度可达每秒 几十米至几百米。 几十米至几百米。 二、电弧的产生与维持 1．强电场发射 开关电器的触头分离时， 开关电器的触头分离时，动静触头 间的压力不断下降，接触面积减小， 间的压力不断下降，接触面积减小，因 而接触电阻增大，温度剧升。另一方面， 而接触电阻增大，温度剧升。另一方面， 触头开始分离时，触头间距很小，即使 触头开始分离时，触头间距很小， 电压很低，只有几百伏甚至几十伏， 电压很低，只有几百伏甚至几十伏，但 是电场强度却很大。由于上述原因， 是电场强度却很大。由于上述原因，阴 极表面可能向外发射电子， 极表面可能向外发射电子，这种现象称 为强电场发射。 为强电场发射。 2．热电子发射 触头是由金属材料制成的， 触头是由金属材料制成的，在常 温下， 温下，金属内部就存在大量的自由电 当开关开断电路时， 子，当开关开断电路时，在触头分离 的瞬间，由于大电流被切断， 的瞬间，由于大电流被切断，在阴极 上出现强烈的炽热点， 上出现强烈的炽热点，从而有电子从 阴极表面向四周发射， 阴极表面向四周发射，这种现象称为 热电子发射。 热电子发射。发射电子的多少与阴极 材料及表面温度有关。 材料及表面温度有关。 3．碰撞游离 从阴极表面发射出来的电子， 从阴极表面发射出来的电子，在电场力 的作用下向阳极作加速运动。 的作用下向阳极作加速运动。并不断与中性 质点碰撞，如果电场足够强， 质点碰撞，如果电场足够强，电子所受的力 足够大，且两次碰撞间的自由行程足够大， 足够大，且两次碰撞间的自由行程足够大， 电子积累的能量足够多， 电子积累的能量足够多，则发生碰撞时就可 能使中性质点发生游离， 能使中性质点发生游离，产生新的自由电子 和正离子，这种现象称为碰撞游离。新产生 和正离子，这种现象称为碰撞游离。 的自由电子在电场中作加速运动又可能与中 性质点发生碰撞而产生碰撞游离。 性质点发生碰撞而产生碰撞游离。结果使触 头间充满大量自由电子和正离子。 头间充满大量自由电子和正离子。使触头间 电阻很小，在外加电压作用下， 电阻很小，在外加电压作用下，带电粒子作 定向运动形成电流，使介质击穿而形成电弧。 定向运动形成电流，使介质击穿而形成电弧。 4．热游离 处于高温下的中性质点由于高温而 产生强烈的热运动。 产生强烈的热运动。相互碰撞的结果 而发生的游离称为热游离。作用： 而发生的游离称为热游离。作用：维 持电弧的燃烧。 持电弧的燃烧。一般气体发生热游离 的温度为9000 10000℃， 9000～ 的温度为9000～10000℃，而金属蒸汽 约为4000～5000℃。因为电弧中总有 约为4000～5000℃。 4000 一些金属蒸汽，而弧柱温度在5000℃ 一些金属蒸汽，而弧柱温度在5000℃ 以上，所以， 以上，所以，热游离足以维持电弧的 燃烧。 燃烧。 三、电弧的去游离 去游离：在电弧中，介质因游离而产生大量带电粒子的同时，还会发 去游离：在电弧中，介质因游离而产生大量带电粒子的同时， 生带电粒子消失的相反过程，称为去游离。 生带电粒子消失的相反过程，称为去游离。 1.复合：异号带电粒子相互吸引而中和成中性质点的现象。 复合：异号带电粒子相互吸引而中和成中性质点的现象。 复合 在电弧中，电子的运动速度远大于正离子， 在电弧中，电子的运动速度远大于正离子，所以电子与正离子直 接复合的可能性很小，复合是借助于中性质点进行的， 接复合的可能性很小，复合是借助于中性质点进行的，即电子在运动 过程中，先附着在中性质点上，形成负离子， 过程中，先附着在中性质点上，形成负离子，然后质量和运动速度大 致相等的正、负离子复合成中性质点。 致相等的正、负离子复合成中性质点。 既然复合过程只有在离子运动的相对速度不大时才有可能， 既然复合过程只有在离子运动的相对速度不大时才有可能，若 利用液体或气体吹弧，或将电弧挤入绝缘冷壁做成的狭缝中， 利用液体或气体吹弧，或将电弧挤入绝缘冷壁做成的狭缝中，都能迅 速冷却电弧，减小离子的运动速度，加强复合过程， 速冷却电弧，减小离子的运动速度，加强复合过程，此外增加气体压 使气体密度增加，也是加强复合过程的措施。 力，使气体密度增加，也是加强复合过程的措施。 2．扩散：弧柱内带电粒子逸出弧柱以外进入周围介 ．扩散： 质的一种现象。 质的一种现象。 扩散是由于带电粒子不规则的运行， 扩散是由于带电粒子不规则的运行，以及电弧 内带电粒子的密度大于电弧外， 内带电粒子的密度大于电弧外，电弧中的温度远高 于周围介质的温度造成的。 于周围介质的温度造成的。电弧和周围介质温差愈 大，以及带电粒子密度差越大，扩散作用愈强。在 以及带电粒子密度差越大，扩散作用愈强。 高压断路器中，常采用气体吹弧， 高压断路器中，常采用气体吹弧，带走大量带电粒 以加强扩散作用，扩散出来的正负离子， 子，以加强扩散作用，扩散出来的正负离子，因冷 却而加强复合，成为中性质点。 却而加强复合，成为中性质点。 若游离作用大于去游离作用，则电弧电流增大， 若游离作用大于去游离作用，则电弧电流增大， 电弧愈加强烈燃烧；若游离作用等于去游离作用， 电弧愈加强烈燃烧；若游离作用等于去游离作用， 则电弧电流不变，电弧稳定燃烧； 则电弧电流不变，电弧稳定燃烧；若游离作用小于 去游离作用，则电弧电流减小，电弧最终熄灭。 去游离作用，则电弧电流减小，电弧最终熄灭。所 以，要熄灭电弧，必须采取措施加强去游离作用而 要熄灭电弧， 削弱游离作用。 削弱游离作用。 四、电弧特性 1．电弧电压沿弧长的分布 ． 电弧形成后，电弧电压沿弧长的分布可分为三个部分。如图4－ 所 电弧形成后，电弧电压沿弧长的分布可分为三个部分。如图 －1所 电弧电压降由阴极电压降U 弧柱电压降U 阳极电压降U 示，电弧电压降由阴极电压降 1、弧柱电压降 2、阳极电压降 3三部 分组成，即电弧电压U 分组成，即电弧电压 h＝U1＋U2＋U3。 阴极区 弧柱区 阳极区 + － U U3 U2 Uh 0 U1 L 图4－1 电弧电压沿弧长分布 2．电弧按照电压分布的分类 ． （1）长弧：电极间距离长，阴极和阳极电压降可以忽略不计。 长弧：电极间距离长，阴极和阳极电压降可以忽略不计。 （2）短弧：电极间距离短，弧柱电压忽略不计。 短弧：电极间距离短，弧柱电压忽略不计。 3．电弧的伏安特性 ． （1）直流电弧的伏安特性 u a 2 3 1 b 0 直流电弧的伏安特性 i 曲线是在电流变化很慢， 曲线是在电流变化很慢，曲线上每一点的游离与去游离都达到平 电弧处于稳定燃烧的状态，故称为静态特性。 衡，电弧处于稳定燃烧的状态，故称为静态特性。 曲线为电流很快从a点增加的曲线。 曲线为电流很快从a点增加的曲线为电流很快从b点减小的曲线为电流很快从b点减小的曲线）交流电弧的伏安特性 u A C 0 B i 交流电弧的伏安特性 在交流电路中，电流的瞬时值不断地随时间变化， 在交流电路中，电流的瞬时值不断地随时间变化，因此电弧的特性 应是动态特性，并且交流电流每半个周期经过一次零值。 应是动态特性，并且交流电流每半个周期经过一次零值。电流过零值 电弧自动熄灭。如果电弧是稳定燃烧的， 时，电弧自动熄灭。如果电弧是稳定燃烧的，则电弧电流过零熄灭 在另半周又会重新燃烧。 后，在另半周又会重新燃烧。 五、直流电弧的熄灭方法 1. 增大回路电阻 2. 将长电弧分割为多个短电弧 3. 增大电弧长度 4. 使电弧与耐弧度绝缘材料紧密接触 六、交流电弧的熄灭条件 1．弧隙介质强度的恢复过程 2．弧隙电压的恢复过程 3．交流电弧的熄灭条件 ud(t)ur(t) （一）弧隙介质强度的恢复 1．弧隙介质强度的恢复过程 在电弧电流过零之前，弧隙中的空间充满了电子和正离子。 在电弧电流过零之前，弧隙中的空间充满了电子和正离子。当电 弧电流流过零熄灭后，电极极性发生改变， 弧电流流过零熄灭后，电极极性发生改变，弧隙中的电子迅速奔向新 阳极，比电子质量大一千多倍的正离子，相对电子而言则基本未动， 阳极，比电子质量大一千多倍的正离子，相对电子而言则基本未动， 所以在新阴极附近形成正空间电荷。 所以在新阴极附近形成正空间电荷。 电流过零后电荷和电压沿短弧隙的分布情况。如图所示， 2．电流过零后电荷和电压沿短弧隙的分布情况。如图所示，电压主要 降落在阴极附近的薄层空间。此薄层空间的耐压约为150 250V的介质 150～ 降落在阴极附近的薄层空间。此薄层空间的耐压约为150～250V的介质 强度。 强度。 近阴极效应：阴极附近电介质强度出现突然升高的现象。 近阴极效应：阴极附近电介质强度出现突然升高的现象。 － ＋ （a） ） u 0 （b） ） x （二）、弧隙电压的恢复 ）、弧隙电压的恢复 弧隙电压的恢复过程，即恢复电压的变化过程，与电路参数、负荷 性质有关。 熄灭交流电弧的基本方法 1．采用灭弧能力强的灭弧介质 ． 2．利用气体或油吹弧 ． 3．采用特殊的金属材料作灭弧介质 ． 4．采用多断口熄弧 ． 5．提高断路器触头的分离速度 ． 6．低压开关的灭弧方法 ． （1）利用金属灭弧栅灭弧 ） （2）利用固体介质狭缝灭弧 ） （1）变压器油:变压器油在电弧高温的作用下，分解出大量氢气 变压器油:变压器油在电弧高温的作用下， 和油蒸汽，氢气的绝缘和灭弧能力是空气的7.5倍 和油蒸汽，氢气的绝缘和灭弧能力是空气的7.5倍。 7.5 （2）压缩空气：压力：2MPa，分子密度大，质点的自由行程小， 压缩空气：压力：2MPa，分子密度大，质点的自由行程小， 不易发生游离。 不易发生游离。 气体：良好的负电性气体，氟原子吸附电子能力很强， （3）SF6气体：良好的负电性气体，氟原子吸附电子能力很强， 能迅速捕捉自由电子形成负离子，对复合有利。 能迅速捕捉自由电子形成负离子，对复合有利。 133.3× Pa，气体稀薄， （4）线Pa，气体稀薄，弧隙中 线 的自由电子和中性质点都很少，碰撞游离的可能性大大减少， 的自由电子和中性质点都很少，碰撞游离的可能性大大减少，而且弧 柱内与弧柱外带电粒子的浓度差和温差都很大，有利于扩散。 柱内与弧柱外带电粒子的浓度差和温差都很大，有利于扩散。其绝缘 能力比变压器油、 个大气压下的SF 空气都大。 能力比变压器油、1个大气压下的SF6 、空气都大。 返 回 高压断路器中利用各种预先设计好 的灭弧室， 的灭弧室，使气体或油在电弧高温下 产生巨大压力， 产生巨大压力，并利用喷口形成强烈 吹弧。即起到对流换热、 吹弧。即起到对流换热、强烈冷却弧隙 的作用， 的作用，又起到部分取代原弧隙中游离 气体或高温气体的作用。电弧被拉长、 气体或高温气体的作用。电弧被拉长、 冷却变细，复合加强， 冷却变细，复合加强，同时吹弧也 有利于扩散，最终使电弧熄灭。 有利于扩散，最终使电弧熄灭。 返 回 常有的触头材料有铜、钨合金和银、 常有的触头材料有铜、钨合金和银、钨合 金等，在电弧高温作用下不易熔化和蒸发， 金等，在电弧高温作用下不易熔化和蒸发， 有较高的抗电弧、抗熔焊能力， 有较高的抗电弧、抗熔焊能力，可以减少 热电子发射和金属蒸汽，抑制游离的作用。 热电子发射和金属蒸汽，抑制游离的作用。 返 回 采用多断口串联，可把电弧分割成多段， 采用多断口串联，可把电弧分割成多段，在相同的触头 行程下电弧拉长速度和长度比单断口大，从而弧隙电阻 行程下电弧拉长速度和长度比单断口大， 增大，同时加在每个断口上的电压降低， 增大，同时加在每个断口上的电压降低，使弧隙恢复电 压降低，因而有利于灭弧。 压降低，因而有利于灭弧。 返 回 加快断路器的触头分离速度可以迅速拉长 电弧，使弧隙的电场强度骤降， 电弧，使弧隙的电场强度骤降，同时使电 弧的表面积突然增大， 弧的表面积突然增大，有利于电弧的冷却 及带电质点的扩散和复合，从而加速电弧 及带电质点的扩散和复合， 的熄灭。 的熄灭。 返 回 灭弧栅由许多带缺口的 钢片制成，当断开电路时， 钢片制成，当断开电路时， 静触头间产生电弧， 动、静触头间产生电弧， 磁通对电弧产生一个向上 的电磁力， 的电磁力，将电弧拉入灭 弧栅片，从而将电弧分割 弧栅片， 成一串短电弧。 成一串短电弧。根据近阴 极效应，当电流过零时， 极效应，当电流过零时， 每个短电弧的阴极都会出 的介质强度， 现150～250V的介质强度， ～ 的介质强度 如果其总和超过触头间的 电压，则电弧熄灭。 电压，则电弧熄灭。 返 回 灭弧栅由耐高温的绝缘材料制成， 灭弧栅由耐高温的绝缘材料制成， 有多种形式，图中为最简单的直 有多种形式， 缝式， 缝式，磁吹线圈与电路串联或并 当触头断开而产生电弧后， 联。当触头断开而产生电弧后， 在磁吹线圈磁场的作用下， 在磁吹线圈磁场的作用下，对电 弧产生电动力， 弧产生电动力，将电弧拉入灭弧 片的狭缝中。狭缝限制了电弧直 片的狭缝中。 增加了弧隙压力， 径，增加了弧隙压力，同时电弧 被拉长， 被拉长，并与灭弧片冷壁紧密接 加强冷却作用， 触，加强冷却作用，加强电弧内 的复合过程，最终使电弧熄灭。 的复合过程，最终使电弧熄灭。 返 回