1、第二章 電接觸與電弧理論n電路的通斷和轉(zhuǎn)換是通過(guò)電器中的執(zhí)行部件、主要是其觸頭電路的通斷和轉(zhuǎn)換是通過(guò)電器中的執(zhí)行部件、主要是其觸頭和滅弧裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的和滅弧裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。觸頭接通和分?jǐn)嚯娏鞯倪^(guò)程伴隨著氣體放電現(xiàn)象、電弧的產(chǎn)生及熄滅。n電弧對(duì)電器有害電弧對(duì)電器有害。例如，電弧出現(xiàn)會(huì)延緩電路的分?jǐn)噙^(guò)程、燒傷觸頭、縮短觸頭乃至整個(gè)電器的壽命，甚至還會(huì)引起火災(zāi)和人身傷亡事故。n電弧又是電路所儲(chǔ)電磁能量泄放的主要途徑電弧又是電路所儲(chǔ)電磁能量泄放的主要途徑，非此難以降低電路分?jǐn)鄷r(shí)出現(xiàn)的過(guò)電壓。觸頭既是一切有觸點(diǎn)電器的執(zhí)行元件，同時(shí)又是其中最薄弱的環(huán)節(jié)。其工作優(yōu)劣不僅直接影響到整個(gè)電器的性能，還將影響到一個(gè)系

2、統(tǒng)的工作可靠與否。n觸頭的工作與電弧密切相關(guān)，它在工作過(guò)程中將被高溫電弧所灼傷，并因之而發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移和電侵蝕。n因此，本章將討論電弧的產(chǎn)生原因、性質(zhì)、熄滅方法以及電電弧的產(chǎn)生原因、性質(zhì)、熄滅方法以及電器中常用的滅弧裝置器中常用的滅弧裝置，同時(shí)還要討論電接觸現(xiàn)象的本質(zhì)、觸頭在各種工作狀態(tài)下的行為、以及延長(zhǎng)觸頭壽命和改善觸頭工作性能的技術(shù)措施。第一節(jié) 電接觸與觸頭n任何電工裝置皆由彼此間以任意方式聯(lián)系著的單元構(gòu)成，其中賴以保證電流流通的導(dǎo)體間的聯(lián)系稱(chēng)為電接觸電接觸n通過(guò)互相接觸以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的具體物件稱(chēng)為電觸頭(簡(jiǎn)稱(chēng)觸頭) ，它是接觸時(shí)接通電路、操作時(shí)因其相對(duì)運(yùn)動(dòng)而斷開(kāi)或閉合電路的兩個(gè)或兩個(gè)以上的導(dǎo)體

3、。一、觸頭的分類(lèi)(一一)連接觸頭連接觸頭 連接觸頭是以機(jī)械方式一焊接焊接、鉚接鉚接和栓接栓接來(lái)連接電路的不同環(huán)節(jié)，使電流得以自一環(huán)節(jié)流向另一環(huán)節(jié)。這種觸頭在工作過(guò)程中無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，永遠(yuǎn)閉合永遠(yuǎn)閉合。連接觸頭除栓接式為可卸式外，其余為不可卸式。 是在其所在裝置的使用期限內(nèi)，應(yīng)能完整無(wú)損地長(zhǎng)期通過(guò)正常工作電流正常工作電流和短時(shí)通過(guò)規(guī)定的故障電流故障電流。為此，它的電阻應(yīng)當(dāng)不大而且穩(wěn)定。這就要求它能耐受周?chē)橘|(zhì)的作用，又能耐受溫度變化引起的形變形變和通過(guò)短路電流時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)力。(二)換接觸頭換接觸頭 換接觸頭是電器中用以接通、分?jǐn)?、轉(zhuǎn)換電路的執(zhí)行部件，并且總是以動(dòng)觸頭和靜觸頭的形式成對(duì)地

4、出現(xiàn)。它具有多種形式，諸如楔形觸頭、刷形觸頭、指形觸頭、橋式觸頭和瓣式觸頭等。 是電阻小而穩(wěn)定，并且耐電弧、抗熔焊和電侵蝕。有觸點(diǎn)電器的故障很大一部分是觸頭工作不良所致，且后果嚴(yán)重。二、換接觸頭的工作狀態(tài)和基本參數(shù)n換接觸頭有兩種穩(wěn)定的工作狀態(tài)兩種穩(wěn)定的工作狀態(tài): 對(duì)應(yīng)于電路通路的閉合狀態(tài); 對(duì)應(yīng)于電路斷路的斷開(kāi)狀態(tài)。 換接觸頭還有兩種過(guò)渡工作狀態(tài)兩種過(guò)渡工作狀態(tài)： 從斷開(kāi)狀態(tài)向閉合狀態(tài)過(guò)渡的接通過(guò)程; 從閉合狀態(tài)向斷開(kāi)狀態(tài)過(guò)渡的分?jǐn)噙^(guò)程。n四個(gè)基本參數(shù):開(kāi)距、超程、初壓力和終壓力開(kāi)距、超程、初壓力和終壓力：n開(kāi)距開(kāi)距是觸頭處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)其動(dòng)靜觸頭間的最短距離，其值是由它能否耐受電路中可能出現(xiàn)

5、的過(guò)電壓以及能否保證順利熄滅電弧來(lái)決定的。n超程超程是觸頭運(yùn)動(dòng)到閉合位置后、將靜觸頭移開(kāi)時(shí)動(dòng)觸頭還能移動(dòng)的距離，其值取決于觸頭在期限內(nèi)遭受的電侵蝕。n初壓力初壓力是觸頭剛閉合時(shí)作用于它的正壓力。n終壓力終壓力是觸頭閉合終止位置的壓力，其值由許多因素，諸如溫升、熔焊等所決定。第二節(jié) 電弧及其產(chǎn)生過(guò)程一、載流電路的開(kāi)斷過(guò)程一、載流電路的開(kāi)斷過(guò)程1. 動(dòng)靜觸頭的接觸原本是許多個(gè)點(diǎn)在接觸，而接觸壓力一般是由彈簧產(chǎn)生的。由于超程的存在，觸頭開(kāi)始分?jǐn)鄷r(shí)，電路并沒(méi)開(kāi)斷，僅僅是動(dòng)觸頭朝著與靜觸頭分離的方向運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，超程和接觸壓力都逐漸減小，接超程和接觸壓力都逐漸減小，接觸點(diǎn)也減少。及至極限狀態(tài)、即僅剩一個(gè)點(diǎn)

6、接觸時(shí)，接觸面積減至最小，觸點(diǎn)也減少。及至極限狀態(tài)、即僅剩一個(gè)點(diǎn)接觸時(shí)，接觸面積減至最小，電流密度非常巨大，故電阻和溫升劇增。以致觸頭雖仍閉合，但接觸處電流密度非常巨大，故電阻和溫升劇增。以致觸頭雖仍閉合，但接觸處的金屬已處于熔融狀態(tài)。的金屬已處于熔融狀態(tài)。2. 此后，動(dòng)觸頭繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，終于脫離，但動(dòng)靜觸頭間并未形成間隙，而由熔融的液態(tài)金屬橋所維系著。液態(tài)金屬的電阻率遠(yuǎn)大于固體金屬的，故金屬橋內(nèi)熱量高度集中，使其溫度達(dá)到材料的沸點(diǎn)，并隨即發(fā)生爆炸形式的金屬橋斷裂過(guò)程，觸頭間隙也形成了。3. 金屬橋剛斷裂時(shí)，間隙內(nèi)充滿著空氣或其他介質(zhì)及金屬蒸氣，它們均具有絕緣性質(zhì)。于是，電流被瞬時(shí)截?cái)?，并產(chǎn)生過(guò)電

7、壓，將介質(zhì)和金屬蒸氣擊穿，使電流以火花放電乃至電弧的形式重新在間隙中流通。4. 隨著動(dòng)觸頭不斷離開(kāi)靜觸頭以及各種熄弧因素作用，電弧終將轉(zhuǎn)化為非自持放電并最終熄滅，使整個(gè)觸頭間隙成為絕緣體，觸頭分?jǐn)噙^(guò)程亦告終結(jié)至此，觸頭已處于斷開(kāi)狀態(tài)。電弧n電弧是一種電弧是一種氣體放電現(xiàn)象氣體放電現(xiàn)象，電流通過(guò)某些絕緣介質(zhì)，電流通過(guò)某些絕緣介質(zhì)(例如空氣例如空氣)所產(chǎn)生所產(chǎn)生的瞬間火花的瞬間火花 ；n如果電子獲得足以脫離原子核束縛的能量，它便逸出成為自由電子，如果電子獲得足以脫離原子核束縛的能量，它便逸出成為自由電子，而失去電子的原子則成為正離子。這種現(xiàn)象稱(chēng)為而失去電子的原子則成為正離子。這種現(xiàn)象稱(chēng)為電離電離。

8、n電弧的形成是觸頭間中性質(zhì)子電弧的形成是觸頭間中性質(zhì)子(分子和原子分子和原子)被游離的過(guò)程。開(kāi)關(guān)觸頭被游離的過(guò)程。開(kāi)關(guān)觸頭分離時(shí)，觸頭間距離很小，電場(chǎng)強(qiáng)度分離時(shí)，觸頭間距離很小，電場(chǎng)強(qiáng)度E很高很高(E = U/d)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)過(guò)310e6 V/m時(shí)，陰極表面的電子就會(huì)被電場(chǎng)力拉出而形成觸頭空時(shí)，陰極表面的電子就會(huì)被電場(chǎng)力拉出而形成觸頭空間的自由電子。這種游離方式稱(chēng)為：間的自由電子。這種游離方式稱(chēng)為：強(qiáng)電場(chǎng)表面發(fā)射強(qiáng)電場(chǎng)表面發(fā)射。n從陰極表面發(fā)射出來(lái)的自由電子和觸頭間原有的少數(shù)電子，在電場(chǎng)力從陰極表面發(fā)射出來(lái)的自由電子和觸頭間原有的少數(shù)電子，在電場(chǎng)力的作用下向陽(yáng)極作加速運(yùn)動(dòng)，途

9、中不斷地和中性質(zhì)點(diǎn)相碰撞。只要電的作用下向陽(yáng)極作加速運(yùn)動(dòng)，途中不斷地和中性質(zhì)點(diǎn)相碰撞。只要電子的運(yùn)動(dòng)速度子的運(yùn)動(dòng)速度v足夠高，電子足夠高，電子 的動(dòng)能足夠大，就可能從中性質(zhì)子中打的動(dòng)能足夠大，就可能從中性質(zhì)子中打出電子，形成自由電子和正離子。這種現(xiàn)象稱(chēng)為出電子，形成自由電子和正離子。這種現(xiàn)象稱(chēng)為碰撞電離碰撞電離。n新形成的自由電子也向陽(yáng)極作加速運(yùn)動(dòng)，同樣地會(huì)與中性質(zhì)點(diǎn)碰撞新形成的自由電子也向陽(yáng)極作加速運(yùn)動(dòng)，同樣地會(huì)與中性質(zhì)點(diǎn)碰撞 而發(fā)生電離。碰撞電離連續(xù)進(jìn)行的結(jié)果是而發(fā)生電離。碰撞電離連續(xù)進(jìn)行的結(jié)果是觸頭間充滿了電子和正離子，觸頭間充滿了電子和正離子，具有很大的電導(dǎo)具有很大的電導(dǎo)；在外加電壓下

10、，介質(zhì)被擊穿而產(chǎn)生電弧，電路再次；在外加電壓下，介質(zhì)被擊穿而產(chǎn)生電弧，電路再次被導(dǎo)通。被導(dǎo)通。 二、電弧的形成過(guò)程二、電弧的形成過(guò)程 兩個(gè)觸頭行將接觸或開(kāi)始分離時(shí)，只要它們之間的兩個(gè)觸頭行將接觸或開(kāi)始分離時(shí)，只要它們之間的電壓達(dá)電壓達(dá)12 20V、電流達(dá)、電流達(dá)0.25 lA,觸頭間隙內(nèi)就會(huì)產(chǎn)觸頭間隙內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生高溫弧光，這就是生高溫弧光，這就是電弧電弧。 壞處：壞處：因?yàn)槠錅囟冗_(dá)成千上萬(wàn)K足以燒傷觸頭、使之迅速損壞;它也能使觸頭熔焊、破壞電器的正常工作，甚或釀成火災(zāi)刀人員傷亡等嚴(yán)重事故; 它還會(huì)產(chǎn)生干擾附近的通信設(shè)施的高次諧波 益處：益處：電弧焊、電弧熔煉和弧光燈等是專(zhuān)門(mén)利用電弧的設(shè)備，電器本

11、身可借助電弧以防止產(chǎn)生過(guò)高的過(guò)電壓和限制故障電流。 電離形式表面發(fā)射空間電離場(chǎng)致發(fā)射光發(fā)射二次電子發(fā)射熱發(fā)射光電離碰撞電離熱電離發(fā)生于金屬電極表面發(fā)生于觸頭間隙內(nèi)場(chǎng)致發(fā)射光發(fā)射二次電子發(fā)射熱發(fā)射光電離碰撞電離熱電離熱發(fā)射出現(xiàn)于電極表面被加熱到2000 2500K時(shí)。此時(shí)電極表面的自由電子就因獲得足以克服表面晶格電場(chǎng)產(chǎn)生的勢(shì)壘而逸出到空間。場(chǎng)致發(fā)射是因電極表面存在強(qiáng)電場(chǎng),使表面墊壘厚度減小而令電子借隧道效應(yīng)逸出的。光發(fā)射是光和各種射線照射于金屬表面。使電子獲得能量而逸出的現(xiàn)象。二次電子發(fā)射是指正離子高速撞擊陰極、或電子高速撞擊陽(yáng)極引起的表面發(fā)射。-一般陰極表面的二次電子發(fā)射較強(qiáng)，并在氣體放電過(guò)程

12、中起著重要作用。光電離發(fā)生在hvWi時(shí)，光頻率v越高，光電離便越強(qiáng)。可見(jiàn)光通常不引起光電離。帶電粒子在場(chǎng)強(qiáng)為E的電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，它在兩次碰撞之間的自由行程上可獲得動(dòng)能W=qE，若該能量大于或等于中性粒子的電離能，該粒子被碰撞后即電離。由于電子的自由行程大，故引起碰撞電離的主要是電極發(fā)射或空間中性粒子電離時(shí)釋放的電子。有時(shí)碰撞能量不足以使中性粒子電離，只能使之處于激勵(lì)狀態(tài)或使電子附于中性粒子上成為負(fù)離子。實(shí)際電離過(guò)程絕非單一形式的，而是各種電離形式的綜合表現(xiàn)實(shí)際電離過(guò)程絕非單一形式的，而是各種電離形式的綜合表現(xiàn)(二)消電離及其形式 電離氣體中的帶電粒子自身消失或失去電荷而轉(zhuǎn)化電離氣體中的帶電粒子自

13、身消失或失去電荷而轉(zhuǎn)化為中性粒子的現(xiàn)象稱(chēng)為消電離為中性粒子的現(xiàn)象稱(chēng)為消電離。電離與消電離是同時(shí)存在也同時(shí)消亡的矛盾統(tǒng)一體。 消電離主要有兩種形式-復(fù)合和擴(kuò)散。 復(fù)合復(fù)合:兩帶異性電的帶電粒子彼此相遇后失去電荷成為中性粒子的現(xiàn)象稱(chēng)為復(fù)合。 復(fù)合有表面復(fù)合與空間復(fù)合兩種形式。 擴(kuò)散：擴(kuò)散：帶電粒子自高溫高濃度處移向低溫低濃度處的現(xiàn)象稱(chēng)為擴(kuò)散。它能使電離空間內(nèi)的帶電粒子減少，所以有助于熄滅電弧。表面復(fù)合電子進(jìn)入陽(yáng)極或負(fù)離子接近陽(yáng)極把電子轉(zhuǎn)移給陽(yáng)極、以及正離予接近陰極從它取得電子時(shí)，這些帶電粒子均失去電荷化為中性粒子。還有，當(dāng)電子接近、不帶電的金屬表面(圖2-3a)或負(fù)離子接近之(圖2-3b)時(shí)，它們

14、將因金屬表面感應(yīng)而生的異性電荷作用被吸附于其上，一旦附近出現(xiàn)帶異性電的帶電粒子，這些粒子便互相吸引，復(fù)合形成中性粒子。即使帶電粒子到達(dá)絕緣體表面，由于感應(yīng)所生極化電荷的作用，也會(huì)發(fā)生類(lèi)似于出現(xiàn)在金屬表面的復(fù)合過(guò)程。上述這些發(fā)生在帶電或不帶電物體表面的表面的復(fù)合過(guò)程，統(tǒng)稱(chēng)為表面復(fù)合。空間復(fù)合若正離子和電子在極間空隙內(nèi)相遇(圖2-3c)，它們將復(fù)合成為一個(gè)中性粒子，這就空間復(fù)合。若電子在空間運(yùn)動(dòng)中為一中性粒子俘獲形成一負(fù)離子，然后再與正離子相遇復(fù)合成為兩個(gè)中性粒子(圖2-3d)，這就是間接空間復(fù)合。n 復(fù)合的概率與氣體性質(zhì)及純度有關(guān)。例如，惰性氣體和純凈的氫氣及氮?dú)舛疾粫?huì)與電子結(jié)合成為負(fù)離子，而氟

15、原子及其化合物(如SF6氣體)就具有極強(qiáng)的俘獲電子的能力。因此SF6被稱(chēng)為負(fù)電性氣體，它是一種良好的滅弧介質(zhì)。n 帶電粒子在復(fù)合時(shí)將釋放出部分能量，后者或被用以加熱物體的表面(表面復(fù)合時(shí))；或被用以增大所形成中性粒子的運(yùn)動(dòng)速度及以光量子形式向周?chē)臻g輻射(空間復(fù)合時(shí))。(三)氣體放電過(guò)程 若在兩電極之間施加電壓，當(dāng)逐漸增大電壓u至一定值時(shí)，便發(fā)生了間隙內(nèi)的氣體放電現(xiàn)象。圖2-4所示即為直徑I0cm、間隙為數(shù)厘米、氣壓約133Pa的低氣壓放電管氣體放電的靜態(tài)伏安特性。 在OA段，外施電壓甚低，由外界催離素(如陰極被加熱和各種射線的作用)產(chǎn)生的帶電粒子尚難以全部到達(dá)陽(yáng)極，故電流i雖隨電壓u上升而增

16、大，但其值極微小。在AB段，隨著電壓增大，電流已達(dá)飽和值，但該值仍由外界催離素的作用自陰極釋放的電子數(shù)所決定。在BC和CD段，由于電壓繼續(xù)增大已導(dǎo)致場(chǎng)致發(fā)射和二次電子發(fā)射以及不甚強(qiáng)的碰撞電離，故電流又在增大，開(kāi)始很慢(BC段)、然后較快(CD段)。然而，在整個(gè)OD段，若無(wú)外界催離素的作用，間隙內(nèi)就沒(méi)有白由電子，放電亦將終止，故此階段被稱(chēng)為非自持放電階段。OD段：非自持放電階段DH段：自持放電階段從D點(diǎn)起，場(chǎng)致發(fā)射及二次電子發(fā)射的電子已甚多，以致除去外界電離因素后仍可借空間的碰撞電離維持放電，故氣體放電已有質(zhì)的變化，進(jìn)入了自持放電階段。于是，電流增長(zhǎng)迅速，且放電伴隨有不強(qiáng)的聲光效應(yīng)。對(duì)應(yīng)于D點(diǎn)的

17、電壓是決定自持放電的主要因素，它稱(chēng)為氣隙的擊穿電壓氣隙的擊穿電壓Ub在氣體間隙的擊穿過(guò)程中，先是陰極發(fā)射的電子在電場(chǎng)作用下向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，并于此中過(guò)碰撞產(chǎn)生許多新的電子和正離子。電子運(yùn)動(dòng)速度大，多集中于前進(jìn)方向端部;正則反之，處于尾部。這種形式的分布稱(chēng)為電子雪崩電子雪崩。隨著雪崩數(shù)量增多及其端部和尾部分別向陽(yáng)極和陰極發(fā)展，間隙內(nèi)就形成了自陰極至陽(yáng)極的離子化通道，即氣隙的擊穿氣隙的擊穿。CE段：湯遜放電區(qū)湯遜最先研究了CE段的放電現(xiàn)象，所以該段被稱(chēng)為湯遜放電區(qū)。但即使是自持性湯逾放電也是無(wú)光的，故稱(chēng)作無(wú)光放電或黑暗放電。EF段：過(guò)渡階段從E點(diǎn)至F段稱(chēng)為過(guò)渡階段，放電由無(wú)光轉(zhuǎn)向有輝光，電流也在增大。但

18、由于碰撞電離增強(qiáng)，為維持放電所需的電壓反而反而降低了。此階段內(nèi)，陰極附近的正離子部分被中和，陰極區(qū)電壓降也逐漸降低。FG段在FG段，放電電電流繼續(xù)增大，輝光放電向著擴(kuò)張到整個(gè)陰極表面發(fā)展，故電流密度不大(約0.1A/m2)，而且穩(wěn)定，并使陰極區(qū)電壓降也較穩(wěn)定，其值約數(shù)百伏。GH段：異常放電階段在GH段，由于電流和電流密均在增大，陰極區(qū)電壓降和維持放電所需電壓亦增大。這個(gè)階段被稱(chēng)作異常輝光放電階段。H點(diǎn)后從H點(diǎn)開(kāi)始，氣體放電已進(jìn)入弧光放電弧光放電階段，它伴隨著強(qiáng)烈的聲光和熱效應(yīng)。這時(shí)，電流密度已高達(dá)107A/m2以上，故放電通道溫度極高(在6000K以上)。放電形式以熱電離為主，陰極區(qū)電壓降較小

19、，僅數(shù)十伏。自持放電形式很多，諸如無(wú)光放電、輝光放電、電暈放電、火花放電，弧光放電(電弧)等，但它們是否轉(zhuǎn)化為弧光放電以及如何轉(zhuǎn)化，則受到許多客觀因素的影響。三、電弧的外觀與本質(zhì)n從外表來(lái)看，電弧是存在于電極(觸頭)間隙內(nèi)的一團(tuán)光度極強(qiáng)、溫度極高的火焰。電弧形成時(shí)，陰極表面有一塊或若干塊光度特別強(qiáng)的區(qū)域-陰極斑點(diǎn)。它的溫度常為陰極材料的氣化溫度，電流密度亦達(dá)10A/mm2以上。在電弧電流本身磁場(chǎng)作用下，此斑點(diǎn)在陰極表面不斷移動(dòng)，并發(fā)射電子。臨近斑點(diǎn)的一段極短的電弧區(qū)（越等于電子的平均自由行程、即10-6m)稱(chēng)為近陰極區(qū)近陰極區(qū)。其中電弧光度較小，電壓降卻很大。陰極發(fā)射的電子在此區(qū)域內(nèi)被電場(chǎng)加速

20、后具有甚大能量，故一旦與中性粒子相撞?？墒怪婋x。與此對(duì)應(yīng)，陽(yáng)極表面也有陽(yáng)極斑點(diǎn)，它接受來(lái)自電弧間隙的電子。其附近也有稱(chēng)為近陽(yáng)極區(qū)近陽(yáng)極區(qū)的薄層，但厚度約為近陰極區(qū)的數(shù)倍。兩近極區(qū)的電壓降均在20V以內(nèi)，且?guī)缀跖c電流值無(wú)關(guān)。但近陰極區(qū)厚度特別小，故該處電位梯度竟達(dá)108 I09V/m。n兩極區(qū)之間的一段電弧稱(chēng)為弧柱，它幾乎占有電弧的全部長(zhǎng)度。弧柱內(nèi)氣體已全部電離(但同時(shí)也不間斷的在進(jìn)行消電離)，且正負(fù)帶電粒子電量相等，所以是等離子區(qū)等離子區(qū)。弧柱溫度特別高，中心溫度達(dá)(13)104，故特別明亮;弧柱外層有一層暈圈，其溫度在(0.54)103K范圍內(nèi)，故較紅暗。圖2-5所示為電弧的構(gòu)造和逼度分布

21、?；」夥烹娛亲猿址烹姷囊环N形式，也是它的最終形式。從本質(zhì)上來(lái)看，電弧是生成于氣電弧是生成于氣體中的熾熱電流、是高溫氣體中的離子化放電通道，是充滿著電離過(guò)程和體中的熾熱電流、是高溫氣體中的離子化放電通道，是充滿著電離過(guò)程和消電離過(guò)程的熱電統(tǒng)一體。消電離過(guò)程的熱電統(tǒng)一體。第三節(jié) 電弧的特性和方程一、電弧的電壓方程一、電弧的電壓方程 電弧電壓包括近陰極區(qū)電壓降Uc、近陽(yáng)極區(qū)電壓降Ua和弧柱電壓降Up，即 UA= Uc+ Ua+ Up 兩近極區(qū)壓降基本不變，故以Uo = Uc+ Ua表示，稱(chēng)為近極區(qū)壓降；弧柱區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度E又近乎恒值，約(1 5)103V/m，在特殊介質(zhì)內(nèi)還可達(dá)(10 20)103V

22、/m，故電弧電壓 UA= U0+ El 式中：l為弧柱區(qū)長(zhǎng)度，可近似地取它為整個(gè)電弧的長(zhǎng)度。 圖2-6給出了電弧各區(qū)域內(nèi)的電壓降和電場(chǎng)強(qiáng)度的分布。二、直流電弧的伏安特性二、直流電弧的伏安特性 伏安特性為電弧的重要特性之一，它表示電弧電壓與電弧電流間的關(guān)系電弧電壓與電弧電流間的關(guān)系。當(dāng)外施電壓達(dá)到燃弧(擊穿)電壓Ub、電流亦達(dá)到燃弧電流Ib后，電弧便產(chǎn)生了，而且隨著電流的增隨著電流的增大，電弧電壓反而降低。大，電弧電壓反而降低。這是因?yàn)殡娏髟龃髸?huì)使弧柱內(nèi)熱電離擲劇、離子濃度加大，故維持穩(wěn)定燃弧所需電壓反而減小。這種特性稱(chēng)為負(fù)阻特性負(fù)阻特性。 燃弧電壓和燃弧電流與電極材料以及間隙內(nèi)的介質(zhì)有關(guān)。當(dāng)直

23、流電器觸頭分?jǐn)鄷r(shí)，若電壓和電流均超過(guò)一定數(shù)值后，即將產(chǎn)生電弧。圖2-7曲線1是在弧長(zhǎng)不變的條件下逐漸增大電流測(cè)得的。實(shí)際上曲線起點(diǎn)Ub不在縱軸上(參見(jiàn)圖2-4)。若自IA = II處開(kāi)始減小電流(進(jìn)入曲線2)，由于電弧本身的熱慣性，電弧電阻的增大總是滯后于電流的變化, 故曲線2位于曲線1下方。電流減小越快，曲線2位置越低;在極限情況下、即電流減小速度為無(wú)窮大時(shí)，電弧溫度、熱電離程度、弧柱直徑和尺寸均來(lái)不及變化，伏安特性也就變成過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的曲線3了。電流減小時(shí)伏安特性與縱軸相交處的電壓Ue稱(chēng)為熄弧電壓。除非在極限場(chǎng)合，即電流無(wú)限緩慢減小時(shí)，均有Ue0，即PA Pd，說(shuō)明電弧能量在增大，使燃弧更加

24、熾烈; 若dQA/dt0，即PA0時(shí)， Ldi/dt0，電流繼續(xù)增大;反之，若電流有一增量i0,則Ldi/dt0，電弧電流將繼續(xù)減小。因此， A點(diǎn)不可能是穩(wěn)定燃弧點(diǎn)。經(jīng)分析后不難看出， B點(diǎn)將是電路的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)、也即穩(wěn)定燃弧點(diǎn)。顯然，要熄滅電弧，就必須消除穩(wěn)定燃弧點(diǎn)。一、熄滅直流電弧的方法一、熄滅直流電弧的方法 為消除直流電弧的穩(wěn)定燃弧點(diǎn)，應(yīng)使其伏安特性處于特性U-iR的上方，使電弧電壓UA與電阻電壓降iR之和超過(guò)電源電壓U， Ldi/dtU - iRU - iR= Ldi/dt + UA(1)拉長(zhǎng)電弧或?qū)ζ鋵?shí)行人工冷卻拉長(zhǎng)電弧或?qū)ζ鋵?shí)行人工冷卻 此二者在原理上均為借增大弧柱電阻使電弧伏安特性

25、上移，與特性u(píng)-iR脫離，即由原來(lái)的曲線1變?yōu)榍€I(圖2-11)。為此，可增大縱向觸頭間隙(圖2-12a)，也可借電流本身的磁場(chǎng)或外加磁場(chǎng)從法向吹弧吹弧以拉長(zhǎng)電弧(圖2-12b)，或借磁場(chǎng)使弧斑沿電極上移(圖2-12.)。這些措施除能機(jī)械地增大電弧長(zhǎng)度增大電弧長(zhǎng)度外，還能借電弧在運(yùn)動(dòng)中不斷與新鮮冷卻介質(zhì)接觸而增大弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度E，從而增大弧柱電壓降。(2)增大近極區(qū)電壓降增大近極區(qū)電壓降 若在滅弧室內(nèi)設(shè)置若干垂直于電弧的柵片(如n片) ，則電弧被驅(qū)入滅弧室后將被它們截割為n+ I段短弧(圖2-12d)，故電弧電壓降 UA=(n+1)Uo十EI 這比無(wú)柵片時(shí)增大了nU0，所以也能起到使電弧伏安特

26、性上移的作用。(3)增大弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度增大弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度 具體措施有增大氣體介質(zhì)的壓強(qiáng)、增大電弧與介質(zhì)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、使電弧與溫度較低的絕緣材料緊密接觸以加速弧柱冷卻、采用如SF6氣體等具有強(qiáng)烈消電離作用的特殊滅弧介質(zhì)以及采用真空滅弧室等。二、分?jǐn)嘀绷麟娐窌r(shí)的過(guò)電壓二、分?jǐn)嘀绷麟娐窌r(shí)的過(guò)電壓分?jǐn)嘀绷麟娐窌r(shí)，電弧熄滅的瞬間有i =0及uA =Ue，故有：所以出現(xiàn)在觸頭間隙上的過(guò)電壓為它與電流減小的速度、即滅弧強(qiáng)度有關(guān)。滅弧能力越強(qiáng)，電流減小就越快，過(guò)電壓也越高。由上式能導(dǎo)出燃弧時(shí)間計(jì)算公式此式宜以圖解積分法求解，即先作1/U =f(i)曲線，再求曲線在由I至0一段內(nèi)包圍的面積，最后乘以電感值L。顯

27、然，線路的電感越大，其所儲(chǔ)存并需要經(jīng)由電弧間隙散出的能量也越大，因而滅弧越發(fā)困難，所需時(shí)間也越長(zhǎng)。決定過(guò)電壓的因素主要是滅弧強(qiáng)度:過(guò)強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致甚高的過(guò)電壓，過(guò)低將延長(zhǎng)滅弧時(shí)間過(guò)強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致甚高的過(guò)電壓，過(guò)低將延長(zhǎng)滅弧時(shí)間。為防止分?jǐn)嚯姼行载?fù)載時(shí)出現(xiàn)過(guò)高的、危及絕緣或?qū)е码娀≈厝嫉倪^(guò)電壓，必須采取限制措施。若給負(fù)載并聯(lián)一電阻 RS(圖2-13a)，則切斷電流時(shí)應(yīng)有故負(fù)載兩端的電壓而t =0時(shí)弧隙兩端過(guò)電壓的最大值為由此可見(jiàn)，選擇適當(dāng)?shù)腞s值可將過(guò)電壓降低到容許的水平。但為避免增大功率損耗，應(yīng)與并聯(lián)電阻Rs串聯(lián)一個(gè)二極管VD (圖2-13b)。有時(shí)也采用雙斷口電路(圖2-13c)以降低過(guò)電壓。分?jǐn)鄷r(shí)，斷

28、口CI先分?jǐn)?，C2后分?jǐn)?。由于斷口C2和電阻Rs的存在，斷口CI處的電弧就容易熄滅了。斷匚C2處的電弧則因Rs的限流作用，且它本身又被設(shè)計(jì)為具有較小的滅弧強(qiáng)度，故也易熄滅。這種電路多用于高壓系統(tǒng)。第 五節(jié) 交流電弧及其熄滅 就直流電弧而論，只要電弧電流等于零即可認(rèn)為它已熄滅，除非弧隙被過(guò)電壓重新?lián)舸?。交流電弧則不然，因?yàn)槠潆娏鲿?huì)自然過(guò)零。在此之后同時(shí)有兩種過(guò)程在進(jìn)行著:一為電弧間隙內(nèi)絕緣介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過(guò)程-介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程;另一為弧隙電壓恢復(fù)過(guò)程弧隙電壓恢復(fù)過(guò)程。若介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度始終高于電壓恢復(fù)速度，弧隙內(nèi)的電離必然逐漸減弱，最終使弧隙呈完全絕緣狀態(tài)，電弧也不會(huì)重燃。否則弧隙中的電離

29、將逐漸加強(qiáng)，及至帶電粒子濃度超過(guò)某一定值，電弧便重燃。因此，交流電弧熄滅與否需視電弧電流過(guò)零后交流電弧熄滅與否需視電弧電流過(guò)零后介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程是否超過(guò)電壓恢復(fù)過(guò)程而定介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程是否超過(guò)電壓恢復(fù)過(guò)程而定。如圖2-14所示，當(dāng)介質(zhì)恢復(fù)速度(曲線1)始終超過(guò)電壓恢復(fù)速度(曲線3)時(shí)，由于UjfUhf，電弧不會(huì)重燃。反之，當(dāng)介質(zhì)恢復(fù)速度在某些時(shí)候(曲線2)小于電壓恢復(fù)速度時(shí)，電弧還會(huì)重新燃燒，也即電弧未能熄滅。一、弧隙介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程一、弧隙介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程n交流電弧電流自然過(guò)零后、弧隙介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程便已開(kāi)始，但在近陰極區(qū)和其余部交流電弧電流自然過(guò)零后、弧隙介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程便已開(kāi)始，但在近陰極區(qū)和其余部分分(生要是

30、弧柱區(qū)生要是弧柱區(qū))恢復(fù)過(guò)程有所不同。恢復(fù)過(guò)程有所不同。(一一)近陰極區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程近陰極區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程 電弧電流過(guò)零后弧隙兩端的電極立即改變極性電弧電流過(guò)零后弧隙兩端的電極立即改變極性。在新的近陰極區(qū)內(nèi)外，電子運(yùn)動(dòng)速度為正離子的成千倍，故它們于剛改變極性時(shí)即迅速離開(kāi)而移向新的陽(yáng)極，使此處僅留下正離子。同時(shí)，新陰極正是原來(lái)的陽(yáng)極，附近正離子并不多，以致難以在新陰極表面產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)射以提供持續(xù)的電子流。另外，新陰極在電流過(guò)零前后的溫度已降低到熱電離溫度以下，亦難以借熱發(fā)射提供持續(xù)的電子流。因此，電流過(guò)零后只需經(jīng)過(guò)電流過(guò)零后只需經(jīng)過(guò)0.1 lus，即可在近陰極區(qū)獲得，即可在近陰極區(qū)獲得150 2

31、50V的介質(zhì)強(qiáng)度的介質(zhì)強(qiáng)度(具體量值視陰極溫度而定，溫度越低，介質(zhì)強(qiáng)度越高)。圖2-15給出了剛改變極性時(shí)近陰極區(qū)的狀況。 倘若在滅弧室內(nèi)設(shè)若干金屬柵片，將進(jìn)人滅弧室內(nèi)的電弧截割劇成許多段串聯(lián)的短弧，則電流過(guò)零后每一短弧的近陰極區(qū)均將立即出現(xiàn)150 250V的介質(zhì)強(qiáng)度(由于弧隙熱慣性的影響，實(shí)際介質(zhì)強(qiáng)度要低一些)。當(dāng)它們的總和大于電網(wǎng)電壓(包括過(guò)電壓)時(shí)，電弧便熄滅。出現(xiàn)于近陰極區(qū)的這種現(xiàn)象稱(chēng)為近陰極效應(yīng)，綜合利用截割電弧和近陰極效應(yīng)滅弧的方法稱(chēng)為短弧滅弧原理，它廣泛用于低壓交流開(kāi)關(guān)電器。(二二)弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程 電弧電流自然過(guò)零前后的數(shù)十微秒內(nèi)，電流已近乎等于零，故這

32、段時(shí)間被稱(chēng)為零休時(shí)間。由于熱慣性的影響，零休期間電弧電阻Rh并非無(wú)窮大，而是因滅弧強(qiáng)度不同呈現(xiàn)不同量值。 弧隙電阻非無(wú)窮大意味著弧隙內(nèi)尚有殘留的帶電粒子和它們形成的剩余電流，故電源仍向弧隙輸送能量。當(dāng)后者小于電弧散出的能量時(shí)，弧隙內(nèi)溫度降低，消電離作用增強(qiáng)，弧隙電阻不斷增大，直至無(wú)窮大，也即弧隙變成了具有一定強(qiáng)度的介質(zhì)，電弧也將熄滅。反之若弧隙取自電源的能量大于其散出的能量， Rh將迅速減小，剩余電流不斷增大，使電弧重新燃燒。這就是所謂熱擊穿。 然而，熱擊穿存在與否還不是交流電弧是否能熄滅的唯一條件。不出現(xiàn)熱擊穿固然象征著熱電離已基本停止，但當(dāng)弧隙兩端的電壓足夠高時(shí)，仍可能將弧隙內(nèi)的高溫氣體擊

33、穿，重新燃弧。這種現(xiàn)象稱(chēng)為電擊穿。因此，交流電弧電流自然過(guò)零后的弧柱區(qū)介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程大抵可分為熱擊穿和電擊穿兩個(gè)階段。交流電弧的熄滅條件則可歸結(jié)為交流電弧的熄滅條件則可歸結(jié)為:在零休期間，弧隙的輸入能量恒小在零休期間，弧隙的輸入能量恒小于輸出能量，因而無(wú)熱積累于輸出能量，因而無(wú)熱積累;在電流過(guò)零后，恢復(fù)電壓又不足以將已在電流過(guò)零后，恢復(fù)電壓又不足以將已形成的弧隙介質(zhì)擊穿。形成的弧隙介質(zhì)擊穿。二、弧隙電壓恢復(fù)過(guò)程二、弧隙電壓恢復(fù)過(guò)程n電弧電流過(guò)零后，弧隙兩端的電壓將由零或反向的電弧電壓上升到此時(shí)的電源電壓。這一電壓上升過(guò)程稱(chēng)為電壓恢復(fù)過(guò)程，此過(guò)程中的弧隙電壓則稱(chēng)為恢復(fù)電壓。n電壓恢復(fù)過(guò)程進(jìn)展情況與

34、電路參數(shù)有關(guān)。分?jǐn)嚯娮栊噪娐窌r(shí)分?jǐn)嚯娮栊噪娐窌r(shí)(圖2-16a), 電弧電流i與電源電壓U同相，故電流過(guò)零時(shí)電壓亦為零。這樣，電流過(guò)零后作用于弧隙的電壓-恢復(fù)電壓uhf自零開(kāi)始按正弦規(guī)律上升，而無(wú)暫態(tài)分量，只有穩(wěn)態(tài)分量-工頻正弦電壓。n若分?jǐn)嚯姼行噪娐啡舴謹(jǐn)嚯姼行噪娐?圖2-16b)，因電流滯后于電源電壓約90度，故電流過(guò)零時(shí)電源電壓恰為幅值。因此，電流過(guò)零后加在弧隙上的恢復(fù)電壓將自零躍升到電源電壓幅值，并于此后按正弦規(guī)律變化。這時(shí)的恢復(fù)電壓含上升很快的暫態(tài)分量。n分?jǐn)嚯娙菪噪娐窌r(shí)分?jǐn)嚯娙菪噪娐窌r(shí)(圖2-16c)，因電流越前電源電壓約90度，電流過(guò)零時(shí)電壓也處于幅值，因而電容被充電到具有約為電源

35、電壓幅值的電壓，且因電荷于電路分?jǐn)嗪鬅o(wú)處泄放而保持著此電壓。因此，電弧電流為零時(shí)恢復(fù)電壓有一個(gè)幾乎很少衰減的暫態(tài)分量和一工頻正弦穩(wěn)態(tài)分量，并且是從零開(kāi)始隨著u的變化逐漸增大，最終達(dá)到約二倍電源電壓幅值。實(shí)際的電壓恢復(fù)過(guò)程要復(fù)雜得多，它要受到被分?jǐn)嚯娐返南鄶?shù)、一相的斷口數(shù)、線路工作狀況、滅弧介質(zhì)和滅弧室構(gòu)造及分?jǐn)鄷r(shí)的初相角等許多因素的影響。鑒于電路以電感性的為多，所以分析電壓恢復(fù)過(guò)程也以它為例。為便于分析起見(jiàn)，只討論理想弧隙的電壓恢復(fù)過(guò)程，并設(shè)電路本身的電阻為零、且在此過(guò)程(約數(shù)百微秒)中電源電壓不變。顧及到電源繞組間的寄生電容、線路的對(duì)地電容和線間電容(其總值為C)，則電路的電壓方程為其解為：

36、 式中 A、B為積分常數(shù) 0為無(wú)損耗電路的固有振蕩角頻率 Ugm工頻電源電壓的幅值當(dāng)電弧電流過(guò)零(t=0)時(shí)， uc=0, du/dt=0，故積分常數(shù)A=Ugm ， B=0。于是， 此電壓Uc就是弧隙上的恢復(fù)電壓Uhf，它含穩(wěn)態(tài)分量Ugm和暫態(tài)分量Ugmcos0t。因此，電壓恢復(fù)過(guò)程是角頻率為0的振蕩過(guò)程(圖2-17a)。三、交流電弧的熄滅三、交流電弧的熄滅n交流電弧的熄滅條件是在零休期間不發(fā)生熱擊穿，同時(shí)在此之后弧隙介復(fù)過(guò)程總是勝過(guò)電壓恢復(fù)過(guò)程，也即不發(fā)生電擊穿。n從滅弧效果來(lái)看，零休期間是最好的滅弧時(shí)機(jī):一則這時(shí)弧隙的輸入功率近乎等于零，只要采取適當(dāng)措施加速電弧能量的散發(fā)以抑制熱電離，即可

37、防止因熱擊穿引起電弧重燃; 二則這時(shí)線路所儲(chǔ)能量很小，需借電弧散發(fā)的能量不大，不易因出現(xiàn)較高的過(guò)電壓而引起電擊穿。n若滅弧非常強(qiáng)烈，在電流自然過(guò)零前就“截流”，強(qiáng)迫電弧熄滅，則將產(chǎn)生很高的過(guò)電壓，即使不致影響滅弧，對(duì)線路及其中的設(shè)備也很不利。n除非有特殊要求，交流開(kāi)關(guān)電器多采用滅弧強(qiáng)度不過(guò)強(qiáng)的滅弧裝置，使電弧是在零休期間、而且是在電流首次自然過(guò)零時(shí)熄滅。實(shí)際上交流電弧未必均能于電流首次自然過(guò)零時(shí)熄滅，有時(shí)需經(jīng)23個(gè)半周才熄滅。如圖2-18所示，觸頭剛分離(t =t0)時(shí)，弧隙甚小， Uh也不大。故電流在首次過(guò)零(t= t1)前，其波形基本上仍屬正弦波，且在電流過(guò)零處比電源電壓滯后約為90度。這

38、時(shí)，介質(zhì)強(qiáng)度Ujf不大，當(dāng)恢復(fù)電壓Uhf于不久后上升到大于燃弧電壓UbI時(shí)，弧隙被擊穿，電弧重燃。在第二個(gè)半周，弧隙增大了，uh ujf均增大，電流再過(guò)零(t=t2)時(shí)的滯后角2 Ujf2時(shí)，弧隙再次被擊穿，電弧仍重燃。此后因弧隙更大，當(dāng)t = t3、即電流第三次過(guò)零時(shí)，3u-iR時(shí)，電弧熄滅。 低壓電器中的刀開(kāi)關(guān)和直動(dòng)式交流接觸器均有利用簡(jiǎn)單滅弧原理者。但為保護(hù)觸頭有時(shí)還設(shè)弧角，使電弧在弧角上燃燒，同時(shí)為限制電弧空間擴(kuò)展有時(shí)亦設(shè)置滅弧室。三、磁吹滅弧裝置三、磁吹滅弧裝置 需要較大的電動(dòng)力將電弧吹入滅弧室時(shí)，要采用專(zhuān)門(mén)的磁吹線圈(圖2-20)建立足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)。它通常有一至數(shù)匝，與觸頭串聯(lián)(雖也

39、可與電源并聯(lián)，但很少見(jiàn))。為使磁場(chǎng)較集中地分布在弧區(qū)以增大吹弧力，線圈中央穿有鐵心，其兩端平行地設(shè)置夾著滅弧室的導(dǎo)磁鋼板。串聯(lián)磁吹線圈的吹弧效果在觸頭分?jǐn)啻箅娏鲿r(shí)很明顯，分?jǐn)嘈‰娏鲿r(shí)則比較遜色。四、弧罩與縱縫滅弧裝置四、弧罩與縱縫滅弧裝置 為限制弧區(qū)擴(kuò)展并加速冷卻以削弱熱電離，常采用陶土或耐弧塑料(如三聚氰胺與MP-1塑料)制造的滅弧室。有些滅弧室還設(shè)有狹窄的縱縫，使電弧進(jìn)入后在與縫壁的緊密接觸中被冷卻。 縱縫滅弧裝置有單縱縫、多縱縫和縱向曲縫等數(shù)種(圖2-21)。為克服電弧進(jìn)入寬度略小于其直徑的狹縫的阻力，有時(shí)還需磁吹配合。 縱縫多采取下寬上窄的形式，以減小電弧迸入時(shí)的阻力。多縱縫的縫隙甚窄

40、，且入口處寬度是驟變的，故僅當(dāng)電流甚大時(shí)卓有成效。縱向曲縫兼有逐漸拉長(zhǎng)電弧的作用，故其效果尤佳。這種滅弧方式多用于低壓開(kāi)關(guān)電器，間或用于3 10kV的高壓開(kāi)關(guān)電器。五、柵片滅弧裝置五、柵片滅弧裝置 柵片滅弧裝置有絕緣柵片與金屬柵片兩種:前者借拉長(zhǎng)電弧并使之在與它緊密接觸的過(guò)程中迅速冷卻;后者借將電弧截割為多段短弧、利用增大近極區(qū)電壓降(特別是交流陰極效應(yīng))以加強(qiáng)滅弧效果(圖2-22)。金屬柵片為鋼質(zhì)，它有將電弧吸引的作用和冷卻作用，但其V形缺口是偏心的，且要交錯(cuò)排列以減小對(duì)電弧的阻力。柵片滅弧裝置適用于高低壓直流和交流開(kāi)關(guān)電器，但以低壓交流開(kāi)關(guān)電器用得較多。六、固體產(chǎn)氣滅弧裝置六、固體產(chǎn)氣滅弧

41、裝置 它主要用于高低壓熔斷器。以低壓封閉管式熔斷器為例，它是利用能產(chǎn)生氣體的固體絕緣材料兼作絕緣管和滅弧室。電路發(fā)生短路時(shí)，熔體窄部迅速熔化和汽化，形成若干串聯(lián)短弧，而絕緣管則在電弧高溫作用下迅速分解汽化，產(chǎn)生壓強(qiáng)達(dá)數(shù)MPa的含氫高壓氣體。電弧便在近陰極效應(yīng)和高壓氣態(tài)介質(zhì)共同作用下很快熄滅，有時(shí)甚至能在短路電流尚未達(dá)到頂期值之前就截流，提前分?jǐn)嚯娐?。七、石英砂滅弧裝置七、石英砂滅弧裝置 它也是主要用于高低壓熔斷器熔斷器。石英砂充填在絕緣管內(nèi)作為滅弧介質(zhì)。熔斷器的熔體熔化后產(chǎn)生的金屬蒸氣為石英砂所限無(wú)法自由擴(kuò)散，遂形成高壓氣體，使電離了的金屬蒸氣擴(kuò)散于石英砂縫隙內(nèi)，在該處冷卻并復(fù)合。這種裝置滅弧

42、能力強(qiáng)，截流作用顯著。但分?jǐn)嘈”稊?shù)過(guò)載電流時(shí)，可能因熔體穩(wěn)態(tài)工作溫度較高而將石英砂熔解，形成液態(tài)玻璃，并與金屬熔體作用生成絕緣性能差的硅酸鹽，以致發(fā)生穩(wěn)定燃弧現(xiàn)象，特別是在直流的場(chǎng)合。八、油吹滅弧裝置八、油吹滅弧裝置 油吹滅弧裝置是以變壓器油為介質(zhì)。產(chǎn)生電弧后，它會(huì)使油氣化為含氫量達(dá)7080%的氣體，后者與占總體積約40%的油蒸氣共同形成油氣泡，使電弧在其中燃燒。油吹滅弧主要是利用氫氣的高導(dǎo)熱性和低粘度以加強(qiáng)對(duì)弧柱的冷卻作用，利用油氣為四周冷油所限不能迅速膨脹而形成的0.5 IMPa高壓以加強(qiáng)介質(zhì)強(qiáng)度，以及利用因氣泡壁各處油的氣化速度不同產(chǎn)生的壓力差使油氣作紊亂運(yùn)動(dòng)，將剛生成的低溫油氣引至弧柱

43、以加速其冷卻。油吹滅弧的燃弧時(shí)間有一最大值，與之對(duì)應(yīng)的電流稱(chēng)為臨界電流其值因滅弧裝置結(jié)構(gòu)而異，由于弧室機(jī)械強(qiáng)度的限制，油吹滅弧還有一極限開(kāi)斷電流。 油吹滅弧裝置曾在高壓斷路器中占重要地位，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且效果不甚理想，它已越來(lái)越多地為其他形式的滅弧裝置所取代。九、壓縮空氣滅弧裝置九、壓縮空氣滅弧裝置 它也是用于高壓電器。開(kāi)斷電路時(shí)，以管道將預(yù)儲(chǔ)的壓縮空氣引向弧區(qū)猛烈吹弧。一面帶走大量熱量、降低弧區(qū)溫度，另一方面則吹散電離氣體將新鮮高壓氣體補(bǔ)充空間。因此，這種滅弧裝置既能提高分?jǐn)嗄芰?、縮短燃弧時(shí)間，又能保證自動(dòng)重合閘時(shí)不降低分?jǐn)嗄芰?。它雖無(wú)臨界電流，但仍有極限分?jǐn)嗄芰?。然而，由于種種原因，壓縮空

44、氣滅弧裝置近年來(lái)也用得比較少了。十、六氟化硫十、六氟化硫(SF6)氣體滅弧裝置氣體滅弧裝置 SF6氣體為共價(jià)鍵型的完全對(duì)稱(chēng)正八面體分子結(jié)構(gòu)的氣體，故具有強(qiáng)負(fù)電性，極為穩(wěn)定。它無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)味、無(wú)毒、既不燃也不助燃。一般無(wú)腐蝕性。在常溫常壓下SF6的密度是空氣的5倍，分子量也大，故其熱導(dǎo)率雖遜于空氣，但熱容量大，總的熱傳導(dǎo)仍優(yōu)于空氣。 概括起來(lái)， SF6氣體作為滅弧介質(zhì)具有下列優(yōu)點(diǎn):它在電弧高溫下生成的等離子體度很高，故弧隙能量小，冷卻特性好;介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)快，絕緣及滅弧性能好，有利于縮小電器的體積和重量;基本上無(wú)腐蝕作用;無(wú)火災(zāi)及爆炸危險(xiǎn);采用全封閉結(jié)構(gòu)時(shí)易實(shí)現(xiàn)免維修運(yùn)行;可在較寬的溫度和壓力范

45、圍內(nèi)使用;無(wú)噪聲及無(wú)線電干擾。 SF6氣體的主要缺點(diǎn)是液化(-40度時(shí)，工作壓力不得大于0.35MPa;-35度時(shí)不得大于0.5MPa)，而且在不均勻電場(chǎng)中其擊穿電壓會(huì)明顯下降。 目前，SF6氣體滅弧裝置已廣泛用于高壓斷路器，同時(shí)此氣體還廣泛用于全封閉全封閉式高壓組合及成套設(shè)備中作為滅弧和絕緣介質(zhì)。十一、真空滅弧裝置十一、真空滅弧裝置 此滅弧裝置以真空作為絕緣及滅弧手段。當(dāng)滅弧室真空度在1.3310-3Pa以下時(shí)，電子的自由行程達(dá)43m，發(fā)生碰撞電離的概率極小。因此，電弧是靠電極蒸發(fā)的金屬蒸氣電離生成的。若電極材料選用得當(dāng)，且表面加工良好，金屬蒸氣就既不多又易擴(kuò)散，故真空滅弧效果比其他方式都強(qiáng)

46、得多。真空滅弧具有下列優(yōu)點(diǎn)：觸頭開(kāi)距小(10kV級(jí)的僅需10mm左右)，故滅弧室小，所需操作力也小，動(dòng)作迅速;燃弧時(shí)間短到半個(gè)周期左右，且與電流大小無(wú)關(guān);介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)快；防火防爆性能好；觸頭使用期限長(zhǎng)，尤適宜于操作頻率高的場(chǎng)合。其缺點(diǎn)主要是截流能力過(guò)強(qiáng)，滅弧時(shí)易產(chǎn)生甚高的過(guò)電壓。 目前，高低壓電器均發(fā)展了采用真空滅弧裝置的產(chǎn)品。十二、無(wú)弧分?jǐn)嗍?、無(wú)弧分?jǐn)?實(shí)現(xiàn)無(wú)弧分?jǐn)嘁话阌袃煞N方法:一是在交變電流自然過(guò)零時(shí)分?jǐn)嚯娐?，同時(shí)以極快的速度使動(dòng)靜觸頭分離到足以耐受恢復(fù)電壓的距離，使電弧甚弱或無(wú)從產(chǎn)生;二是給觸頭并聯(lián)晶閘管，并使之承擔(dān)電路的通斷，而觸頭僅在穩(wěn)態(tài)下工作。(一一)同步開(kāi)關(guān)同步開(kāi)關(guān) 圖2-2

47、3所示為帶壓縮空氣滅弧裝置的同步開(kāi)關(guān)原理結(jié)構(gòu)。其設(shè)計(jì)原則是使開(kāi)關(guān)在電流將自然過(guò)零時(shí)(如1ms)分?jǐn)?，并加速觸頭運(yùn)動(dòng)，使之在電流過(guò)零時(shí)已有一定間隙，滅弧就能在電流甚小、燃弧時(shí)間甚短弧隙介質(zhì)恢強(qiáng)度高的條件下進(jìn)行。n正常工作時(shí)，電容器C由充電電路充電。若運(yùn)行中發(fā)生短路，過(guò)流繼電器以觸頭閉合，接通飽和電流互感器TA的二次電路。當(dāng)一次電路(即待分?jǐn)嚯娐?電流甚大時(shí)， TA鐵心處于飽和狀態(tài)，其二次繞組幾乎無(wú)輸出;而當(dāng)電流自然減至一定值時(shí)，鐵心轉(zhuǎn)入非飽和狀態(tài)，二次繞組有輸出。于是，同步觸發(fā)裝置TS給出觸發(fā)脈沖，令晶閘管導(dǎo)通，而電容器C經(jīng)VS對(duì)靜止線圈放電。該線圈電流產(chǎn)生強(qiáng)大的磁通，使金屬盤(pán)出現(xiàn)感應(yīng)電流。它與

48、線圈電流互相作用，產(chǎn)生軸向電動(dòng)斥力F，使金屬盤(pán)連同動(dòng)觸頭一起右移。同時(shí)，壓縮空氣亦吹向弧隙，使其介質(zhì)強(qiáng)度于電流過(guò)零后迅速恢復(fù)。這就實(shí)現(xiàn)了無(wú)弧分?jǐn)唷同步分?jǐn)嘟Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，故僅間或用于高壓電器。(二二)混合式開(kāi)關(guān)混合式開(kāi)關(guān) 以混合式交流接觸器為例，它有電壓觸發(fā)式和電流觸發(fā)式兩類(lèi)(圖2-24)。就前者而論，在斷開(kāi)狀態(tài)，由于繼電器觸頭KA是斷開(kāi)的，雖然晶閘管VTI、VT2均有外施電壓，但是門(mén)極無(wú)觸發(fā)信號(hào)，故都是截止的;在運(yùn)行時(shí)，又因a、b兩點(diǎn)間的電壓是接觸器的主觸頭KM的電壓降，它小于晶閘管導(dǎo)通電壓，雖有門(mén)極觸發(fā)信號(hào)，晶閘管仍截止。但在接通過(guò)程中，先于KM閉合，故晶閘管先導(dǎo)晶閘管先導(dǎo)通，主觸頭后閉合通，

49、主觸頭后閉合;而在分?jǐn)噙^(guò)程中，KA比KM后斷開(kāi)，使晶閘管因被加上電源電壓而導(dǎo)通，并承擔(dān)全部負(fù)載。待KA分?jǐn)嗪螅чl管亦因無(wú)門(mén)極作用隨即即截止，切除負(fù)載。這樣，就基本上實(shí)現(xiàn)了 無(wú)弧通斷無(wú)弧通斷。第七節(jié) 觸頭的接觸電阻 如果將一段導(dǎo)體于截?cái)嗪笤傩⌒囊硪淼貙?duì)接好，則在測(cè)量其電阻時(shí)將發(fā)現(xiàn)一電阻增量，后者是因兩截導(dǎo)體接觸時(shí)產(chǎn)生的，故稱(chēng)為接觸電阻，以Rj表示。 接觸電阻主要由束流電阻束流電阻和膜層電阻兩部分。 試驗(yàn)表明，導(dǎo)體接觸處的整個(gè)面積只是個(gè)視在面積，真正接觸著的是離散性的若于個(gè)被稱(chēng)為a斑點(diǎn)的小點(diǎn)(圖2-25)。這種斑點(diǎn)的面積僅為視在接觸面的很小一部分。就是a斑點(diǎn)本身也只有一小部分是純金屬接觸區(qū)，其余

50、部分是受污染的準(zhǔn)金屬接觸區(qū)和覆蓋著絕緣膜的不導(dǎo)電接觸區(qū)因此，實(shí)際的金屬導(dǎo)體接觸面非常小。 實(shí)際接觸面縮小到局限于少量的斑點(diǎn)，引起束流現(xiàn)象束流現(xiàn)象n膜層電阻：接觸面暴露在大氣中會(huì)導(dǎo)致表面膜層的產(chǎn)生。它包含塵埃膜、化學(xué)吸附膜、無(wú)機(jī)膜和有機(jī)膜。膜層導(dǎo)致的電阻增量稱(chēng)為膜層電阻。n束流電阻和膜層電阻都很難用解析的辦法得到。一般計(jì)算接觸電阻Rj都采用以下經(jīng)驗(yàn)公式：式中Kc-觸頭材料、接觸面加工情況以及表面狀況有關(guān)的系數(shù)（表2-3）。 Fj-接觸壓力; m-與接觸形式有關(guān)的指數(shù)(點(diǎn)接觸m=0.5、線接觸m=0.50.7、面接觸m= 1.0)。影響接觸電阻的因素很多，其中主要是影響接觸電阻的因素很多，其中主要

51、是:(1)接觸形式 表面上看似乎面接觸的接觸電阻最小，但也不盡然。若接觸壓力不大，面接觸時(shí)a斑點(diǎn)多，每個(gè)斑點(diǎn)上的壓力反而很小，以致接觸電阻增大很多。因此，繼電器和小容量電器的觸頭普遍采用點(diǎn)-點(diǎn)及點(diǎn)-面接觸形式，大中容量電器觸頭才采用線和面接觸形式。表2-4中關(guān)于銅觸頭的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)便是實(shí)證。(2)接觸壓力接觸壓力 它是確定接觸電阻的決定性因素。接觸面受壓后總有彈性及塑性形變，使接觸面積增大。壓力還能抑制表面膜層的影響。但從黃銅質(zhì)球-平面接觸觸頭通過(guò)20A電流時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看(圖2-27)，接觸壓力越小，Rj越大，且分散性很大，可是過(guò)分增大接觸壓力也并不佳。 弱電繼電器接觸壓力甚小，為使接觸電阻值穩(wěn)

52、定，壓力不得小于表2-5中的數(shù)值。(3)表面狀況表面狀況 接觸面越粗糙，越易污染和氧化，Rj也越大。其后果不僅是發(fā)熱損耗增大，還會(huì)妨礙電路正常接通，特別是當(dāng)電壓和電流均甚小時(shí)。(4)材料性能材料性能 影響Rj值的材料性能主要是電阻率和屈服點(diǎn)。屈服點(diǎn)越小，即材料越軟，越易發(fā)生塑性形變，Rj值也越小。第八節(jié) 閉合狀態(tài)下的觸頭 觸頭閉合后，由于通過(guò)電流，其溫度將升高，并在動(dòng)靜觸頭間產(chǎn)生電動(dòng)斥力。這些現(xiàn)象均將影響觸頭的工作。一、觸頭的發(fā)熱 觸頭的發(fā)熱與一般導(dǎo)體不同，它分本體發(fā)熱和觸點(diǎn)發(fā)熱兩部分。觸點(diǎn)處有接觸電阻，產(chǎn)生的熱量很大，同時(shí)其表面積很小，熱量只能通過(guò)熱傳導(dǎo)傳給觸頭本體。因此，觸點(diǎn)的溫度照例要比

53、觸頭本體的高。 觸點(diǎn)相對(duì)本體的溫升可按下式估算: 式中 Uj接觸電壓降; I通過(guò)觸點(diǎn)的電流; 、觸頭材料的熱導(dǎo)率和電阻率。金屬材料的值越大， 值就越小。任何金屬的值大抵僅與絕對(duì)溫度T才有關(guān)，即 因此有： 考慮到觸頭本體的發(fā)熱和觸頭發(fā)熱的特殊性，觸點(diǎn)相對(duì)周?chē)橘|(zhì)的溫升為：二、接觸電阻與接觸電壓降 觸頭接觸面溫度上升時(shí)，由于接觸電阻Rj增大，接觸電壓降Uj也會(huì)增大。反之亦然。 但實(shí)驗(yàn)所得,“Ri - Ui”特性并非全然如此(圖2-28)。 Rj由圖可見(jiàn)，當(dāng)Uj增大時(shí)，Rj開(kāi)始是增大的，但當(dāng)Uj增大到Us時(shí),觸點(diǎn)溫度已高達(dá)能令觸點(diǎn)金屬材料機(jī)械性質(zhì)發(fā)生變化-軟化的地步，故Us稱(chēng)為軟化電壓。這時(shí)，在接觸

54、壓力作用下，接觸面積增大，使Rj驟減。此后， Rj仍將隨Uj而逐漸增大，并于Uj增至Um時(shí)再度猛降,因?yàn)榇藭r(shí)接觸面積因溫度已達(dá)熔點(diǎn)而增大很多。電壓降Um稱(chēng)為熔化電壓。軟化電壓和熔化電壓均為觸點(diǎn)材料的特性參數(shù)。對(duì)于繼電器觸頭，通常取：若已知觸點(diǎn)允許通過(guò)的電流I，則大體上可以求得觸點(diǎn)的允許接觸電阻： 即使在穩(wěn)定工作狀態(tài)，觸頭的接觸電阻亦非恒值，而是隨時(shí)間不斷變化(圖2-29)。觸點(diǎn)表面受腐蝕性氣體作用產(chǎn)生的薄膜，其厚度是與時(shí)俱增的，故Ri也不斷增大。然而，隨著Ri增大， Uj也在增大，使能破壞薄膜的膜層電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度同時(shí)在增大。及至它們?cè)鲋烈欢ㄖ?，薄膜就被破壞?Rj隨即驟降。在此之后，前述過(guò)程又

55、重復(fù)著。倘者形成了夠堅(jiān)固的薄膜， Rj將增大到不能容許的地步。這時(shí)的觸頭溫升已足以危害電器的絕緣，故必須注意防止產(chǎn)生這樣的薄膜。 形成薄膜的主要原因是金屬在大氣中的腐蝕-氧化。至于連接觸頭，為防止生成氧化膜，常于裝配前在接觸面上涂敷工業(yè)凡士林等防銹油脂以資保護(hù)，但裝配前應(yīng)將它拭凈，以免妨礙導(dǎo)電。近年來(lái)，在接觸面上已廣泛涂敷兼有隱降低接觸電阻和保護(hù)接觸面兩種作用的導(dǎo)電膏。三、觸頭間的電動(dòng)力三、觸頭間的電動(dòng)力 觸頭間的電動(dòng)力相當(dāng)于變截面載流導(dǎo)體受到的電動(dòng)力。當(dāng)導(dǎo)體截面變化時(shí)，電力線會(huì)彎曲，而電動(dòng)力dF是與電力線垂直的，故它恒指向截面變大的一側(cè)(圖2-30)。短路時(shí)，巨大的電動(dòng)力可能將觸點(diǎn)斥開(kāi)。 此

56、電動(dòng)力有二分量:徑向分量dFx和軸向分量dFy。前者是徑向壓力，后者是趨于在截面變化處將導(dǎo)體拉斷的電動(dòng)收縮斥力。電接觸區(qū)的互相作用極其復(fù)雜，采用一般解析的方法計(jì)算結(jié)果只能是近似的。這里不做介紹。第九節(jié) 觸頭接通過(guò)程及其熔焊 觸頭的接通過(guò)程常伴隨著機(jī)械振動(dòng)，并因之在間隙內(nèi)產(chǎn)生電弧。由于接通時(shí)負(fù)載電流往往較大，故接通電弧危害有時(shí)頗嚴(yán)重，其中最危險(xiǎn)的便是觸頭的熔焊。一、接通過(guò)程中的機(jī)械振動(dòng)一、接通過(guò)程中的機(jī)械振動(dòng) 接通時(shí)動(dòng)觸頭以一定速度朝靜觸頭運(yùn)動(dòng)，它們接觸時(shí)就發(fā)生了機(jī)械碰撞。結(jié)果，動(dòng)觸頭被彈開(kāi)，然后再朝靜觸頭運(yùn)動(dòng)，多次重復(fù)發(fā)、碰撞。由于每碰撞一次都要損失部分能量，故振動(dòng)幅度將逐漸減小(圖2-31）

57、。除觸頭本身的碰撞外，電磁機(jī)構(gòu)中銜鐵與鐵心接觸時(shí)的撞擊以及短路電流通過(guò)觸頭時(shí)生的巨大的巨大電動(dòng)斥力，均可能引起觸頭振動(dòng)。n通過(guò)力學(xué)分析，得觸頭機(jī)械振動(dòng)的最大幅度-第一次碰撞的反彈距離為： 適當(dāng)減小動(dòng)觸頭的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度、增大觸頭初壓力，對(duì)減輕振動(dòng)是有益的。但完全消除觸頭接通時(shí)的振動(dòng)是不可能的，只要使xm小于或等于觸頭接觸面的形變，振動(dòng)不致令動(dòng)靜觸頭在碰撞時(shí)分離，振動(dòng)也就無(wú)害了。二、觸頭的熔焊二、觸頭的熔焊 動(dòng)靜觸頭因被加熱而熔化、以致焊在一起無(wú)法正常分開(kāi)的現(xiàn)象稱(chēng)為觸頭的熔焊。 它有靜熔焊與之分。 靜熔焊：靜熔焊： 是連接觸頭或閉合狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換觸頭于通過(guò)大電流時(shí)、因熱效應(yīng)和正壓力的作用使a斑點(diǎn)及

58、其鄰域內(nèi)的金屬熔化并焊為一體的現(xiàn)象，其發(fā)生過(guò)程一般無(wú)電弧產(chǎn)生; 動(dòng)熔焊：動(dòng)熔焊： 是轉(zhuǎn)換觸頭在接通過(guò)程中因電弧的高溫作用使接觸區(qū)局部熔化發(fā)生的熔焊現(xiàn)象。若觸頭接通過(guò)程伴隨有機(jī)械振動(dòng)，由于電弧和金屬橋的出現(xiàn)，發(fā)生動(dòng)熔焊的可能性更大。閉合狀態(tài)的轉(zhuǎn)換觸頭為短路電流產(chǎn)生的巨大電動(dòng)力斥開(kāi)時(shí)，同樣有可能發(fā)生動(dòng)熔焊。影響熔焊的因素主要有影響熔焊的因素主要有:(1)電參數(shù)電參數(shù) 它包括流過(guò)觸頭的電流、電路電壓和觸頭的電流產(chǎn)生的熱量。觸頭開(kāi)始熔焊時(shí)的電流稱(chēng)為最小熔焊電流Imin。，它與觸頭材料、接觸形式和壓力、通電時(shí)間等許多因素有關(guān)。對(duì)靜熔焊的影對(duì)靜熔焊的影響是電流，對(duì)動(dòng)熔焊影響的是電壓和電流響是電流，對(duì)動(dòng)熔焊

59、影響的是電壓和電流，電壓越高越易燃弧，且電弧能量越大。電路參數(shù)的影響是指電感和電容的影響。接通電感性電路時(shí)，若負(fù)載無(wú)源，電感有抑制電流增長(zhǎng)的作用;若負(fù)載有源，則因起動(dòng)電流甚大而易發(fā)生熔焊。接通 容性負(fù)載時(shí)，涌流的出現(xiàn)也易導(dǎo)致觸頭熔焊。(2)機(jī)械參數(shù)機(jī)械參數(shù) 主要是接觸壓力，其增大可降低接觸電阻，提高抗熔焊能力。觸頭閉合速度也對(duì)熔焊有影響，速度大，易發(fā)生振動(dòng)，因而也易發(fā)生熔焊。(3)表面狀況表面狀況 接觸面越粗糙，接觸電阻就越大，也越易發(fā)生熔焊。但接觸面的氧化膜雖對(duì)導(dǎo)電不利，但其分解溫度高，對(duì)提高抗熔焊能力卻是有利的。(4)材料影響材料影響 熔焊的是材料品種、比熱容、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。粉末冶金材料

60、的抗熔焊能力一般較強(qiáng)。當(dāng)動(dòng)靜觸頭采用不同材料時(shí)，就靜熔焊而論，抗熔焊能力僅相對(duì)弱的一方有所提高;就動(dòng)熔焊而論，不僅未必能提高抗熔焊能力，有時(shí)甚或會(huì)降低。三、觸頭的冷焊三、觸頭的冷焊 繼電器所用貴金屬觸頭當(dāng)接觸面上的氧化膜(它本來(lái)就不易生匙成)被破壞、因而純金屬接觸面擴(kuò)大時(shí)，因金屬受壓力作用致使連接處的原子或分子結(jié)合在一起的現(xiàn)象稱(chēng)為冷焊冷焊。它一旦發(fā)生就很難處理，因?yàn)榻饘匍g的內(nèi)聚力往往非微小的接觸壓力所能克服，況且弱電觸頭又暫密封于外殼內(nèi)，很難以其他手段使之分離。目前，為防止發(fā)生冷焊，一般是通過(guò)實(shí)驗(yàn)、在觸頭及其鍍層材料的選擇方面采取適當(dāng)?shù)拇胧５谑?jié) 觸頭分?jǐn)噙^(guò)程與其電侵蝕n觸頭接通過(guò)程, 雖伴