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)換是通過電器中的執(zhí)行部件、主要是其觸頭和滅弧裝置來實現(xiàn)的和滅弧裝置來實現(xiàn)的。觸頭接通和分?jǐn)嚯娏鞯倪^程伴隨著氣體放電現(xiàn)象、電弧的產(chǎn)生及熄滅。n電弧對電器有害電弧對電器有害。例如，電弧出現(xiàn)會延緩電路的分?jǐn)噙^程、燒傷觸頭、縮短觸頭乃至整個電器的壽命，甚至還會引起火災(zāi)和人身傷亡事故。n電弧又是電路所儲電磁能量泄放的主要途徑電弧又是電路所儲電磁能量泄放的主要途徑，非此難以降低電路分?jǐn)鄷r出現(xiàn)的過電壓。觸頭既是一切有觸點電器的執(zhí)行元件，同時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電器的性能，還將影響到一個系

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)系稱為電接觸電接觸n通過互相接觸以實現(xiàn)導(dǎo)電的具體物件稱為電觸頭(簡稱觸頭) ，它是接觸時接通電路、操作時因其相對運動而斷開或閉合電路的兩個或兩個以上的導(dǎo)體

3、。一、觸頭的分類(一一)連接觸頭連接觸頭 連接觸頭是以機械方式一焊接焊接、鉚接鉚接和栓接栓接來連接電路的不同環(huán)節(jié)，使電流得以自一環(huán)節(jié)流向另一環(huán)節(jié)。這種觸頭在工作過程中無相對運動，無相對運動，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)能完整無損地長期通過正常工作電流正常工作電流和短時通過規(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圍介質(zhì)的作用，又能耐受溫度變化引起的形變形變和通過短路電流時所產(chǎn)生的電動力。(二)換接觸頭換接觸頭 換接觸頭是電器中用以接通、分?jǐn)唷⑥D(zhuǎn)換電路的執(zhí)行部件，并且總是以動觸頭和靜觸頭的形式成對地

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): 對應(yīng)于電路通路的閉合狀態(tài); 對應(yīng)于電路斷路的斷開狀態(tài)。 換接觸頭還有兩種過渡工作狀態(tài)兩種過渡工作狀態(tài)： 從斷開狀態(tài)向閉合狀態(tài)過渡的接通過程; 從閉合狀態(tài)向斷開狀態(tài)過渡的分?jǐn)噙^程。n四個基本參數(shù):開距、超程、初壓力和終壓力開距、超程、初壓力和終壓力：n開距開距是觸頭處于斷開狀態(tài)時其動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、的過電壓以及能否保證順利熄滅電弧來決定的。n超程超程是觸頭運動到閉合位置后、將靜觸頭移開時動觸頭還能移動的距離，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)生過程一、載流電路的開斷過程一、載流電路的開斷過程1. 動靜觸頭的接觸原本是許多個點在接觸，而接觸壓力一般是由彈簧產(chǎn)生的。由于超程的存在，觸頭開始分?jǐn)鄷r，電路并沒開斷，僅僅是動觸頭朝著與靜觸頭分離的方向運動。這時，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，接觸點也減少。及至極限狀態(tài)、即僅剩一個點

6、接觸時，接觸面積減至最小，觸點也減少。及至極限狀態(tài)、即僅剩一個點接觸時，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，動觸頭繼續(xù)運動，終于脫離，但動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，并隨即發(fā)生爆炸形式的金屬橋斷裂過程，觸頭間隙也形成了。3. 金屬橋剛斷裂時，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，電流被瞬時截斷，并產(chǎn)生過電

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. 隨著動觸頭不斷離開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，使整個觸頭間隙成為絕緣體，觸頭分?jǐn)噙^程亦告終結(jié)至此，觸頭已處于斷開狀態(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，電流通過某些絕緣介質(zhì)，電流通過某些絕緣介質(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)象稱為而失去電子的原子則成為正離子。這種現(xiàn)象稱為電離電離。

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)被游離的過程。開關(guān)觸頭被游離的過程。開關(guān)觸頭分離時，觸頭間距離很小，電場強度分離時，觸頭間距離很小，電場強度E很高很高(E = U/d)。當(dāng)電場強度超。當(dāng)電場強度超過過310e6 V/m時，陰極表面的電子就會被電場力拉出而形成觸頭空時，陰極表面的電子就會被電場力拉出而形成觸頭空間的自由電子。這種游離方式稱為：間的自由電子。這種游離方式稱為：強電場表面發(fā)射強電場表面發(fā)射。n從陰極表面發(fā)射出來的自由電子和觸頭間原有的少數(shù)電子，在電場力從陰極表面發(fā)射出來的自由電子和觸頭間原有的少數(shù)電子，在電場力的作用下向陽極作加速運動，途

9、中不斷地和中性質(zhì)點相碰撞。只要電的作用下向陽極作加速運動，途中不斷地和中性質(zhì)點相碰撞。只要電子的運動速度子的運動速度v足夠高，電子足夠高，電子 的動能足夠大，就可能從中性質(zhì)子中打的動能足夠大，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)象稱為出電子，形成自由電子和正離子。這種現(xiàn)象稱為碰撞電離碰撞電離。n新形成的自由電子也向陽極作加速運動，同樣地會與中性質(zhì)點碰撞新形成的自由電子也向陽極作加速運動，同樣地會與中性質(zhì)點碰撞 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、電弧的形成過程二、電弧的形成過程 兩個觸頭行將接觸或開始分離時，只要它們之間的兩個觸頭行將接觸或開始分離時，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)就會產(chǎn)觸頭間隙內(nèi)就會產(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：因為其溫度達(dá)成千上萬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門利用電弧的設(shè)備，電器本

11、身可借助電弧以防止產(chǎn)生過高的過電壓和限制故障電流。 電離形式表面發(fā)射空間電離場致發(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。此時電極表面的自由電子就因獲得足以克服表面晶格電場產(chǎn)生的勢壘而逸出到空間。場致發(fā)射是因電極表面存在強電場,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，并在氣體放電過程

12、中起著重要作用。光電離發(fā)生在hvWi時，光頻率v越高，光電離便越強?？梢姽馔ǔ２灰鸸怆婋x。帶電粒子在場強為E的電場中運動時，它在兩次碰撞之間的自由行程上可獲得動能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釋放的電子。有時碰撞能量不足以使中性粒子電離，只能使之處于激勵狀態(tài)或使電子附于中性粒子上成為負(fù)離子。實際電離過程絕非單一形式的，而是各種電離形式的綜合表現(xiàn)實際電離過程絕非單一形式的，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)象稱為消電離為中性粒子的現(xiàn)象稱為消電離。電離與消電離是同時存在也同時消亡的矛盾統(tǒng)一體。 消電離主要有兩種形式-復(fù)合和擴散。 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)象稱為復(fù)合。 復(fù)合有表面復(fù)合與空間復(fù)合兩種形式。 擴散：擴散：帶電粒子自高溫高濃度處移向低溫低濃度處的現(xiàn)象稱為擴散。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)入陽極或負(fù)離子接近陽極把電子轉(zhuǎn)移給陽極、以及正離予接近陰極從它取得電子時，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，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，也會發(fā)生類似于出現(xiàn)在金屬表面的復(fù)合過程。上述這些發(fā)生在帶電或不帶電物體表面的表面的復(fù)合過程，統(tǒng)稱為表面復(fù)合?？臻g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)合成為一個中性粒子，這就空間復(fù)合。若電子在空間運動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氣都不會與電子結(jié)合成為負(fù)離子，而氟

15、原子及其化合物(如SF6氣體)就具有極強的俘獲電子的能力。因此SF6被稱為負(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)；或被用以增大所形成中性粒子的運動速度及以光量子形式向周圍空間輻射(空間復(fù)合時)。(三)氣體放電過程 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，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)致場致發(fā)射和二次電子發(fā)射以及不甚強的碰撞電離，故電流又在增大，開始很慢(BC段)、然后較快(CD段)。然而，在整個OD段，若無外界催離素的作用，間隙內(nèi)就沒有白由電子，放電亦將終止，故此階段被稱為非自持放電階段。OD段：非自持放電階段DH段：自持放電階段從D點起，場致發(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，電流增長迅速，且放電伴隨有不強的聲光效應(yīng)。對應(yīng)于D點的

17、電壓是決定自持放電的主要因素，它稱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程中，先是陰極發(fā)射的電子在電場作用下向陽極運動，并于此中過碰撞產(chǎn)生許多新的電子和正離子。電子運動速度大，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極和陰極發(fā)展，間隙內(nèi)就形成了自陰極至陽極的離子化通道，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，所以該段被稱為湯遜放電區(qū)。但即使是自持性湯逾放電也是無光的，故稱作無光放電或黑暗放電。EF段：過渡階段從E點至F段稱為過渡階段，放電由無光轉(zhuǎn)向有輝光，電流也在增大。但

18、由于碰撞電離增強，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，輝光放電向著擴張到整個陰極表面發(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。這個階段被稱作異常輝光放電階段。H點后從H點開始，氣體放電已進(jìn)入弧光放電弧光放電階段，它伴隨著強烈的聲光和熱效應(yīng)。這時，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從外表來看，電弧是存在于電極(觸頭)間隙內(nèi)的一團光度極強、溫度極高的火焰。電弧形成時，陰極表面有一塊或若干塊光度特別強的區(qū)域-陰極斑點。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作用下，此斑點在陰極表面不斷移動，并發(fā)射電子。臨近斑點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。與此對應(yīng)，陽極表面也有陽極斑點，它接受來自電弧間隙的電子。其附近也有稱為近陽極區(qū)近陽極區(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)之間的一段電弧稱為弧柱，它幾乎占有電弧的全部長度?；≈鶅?nèi)氣體已全部電離(但同時也不間斷的在進(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，是充滿著電離過程和消電離過程的熱電統(tǒng)一體。消電離過程的熱電統(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，稱為近極區(qū)壓降；弧柱區(qū)內(nèi)的電場強度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)長度，可近似地取它為整個電弧的長度。 圖2-6給出了電弧各區(qū)域內(nèi)的電壓降和電場強度的分布。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。這是因為電流增大會使弧柱內(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，若電壓和電流均超過一定數(shù)值后，即將產(chǎn)生電弧。圖2-7曲線1是在弧長不變的條件下逐漸增大電流測得的。實際上曲線起點Ub不在縱軸上(參見圖2-4)。若自IA = II處開始減小電流(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窮大時，電弧溫度、熱電離程度、弧柱直徑和尺寸均來不及變化，伏安特性也就變成過坐標(biāo)原點的曲線3了。電流減小時伏安特性與縱軸相交處的電壓Ue稱為熄弧電壓。除非在極限場合，即電流無限緩慢減小時，均有Ue0，即PA Pd，說明電弧能量在增大，使燃弧更加

24、熾烈; 若dQA/dt0，即PA0時， 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點不可能是穩(wěn)定燃弧點。經(jīng)分析后不難看出， B點將是電路的穩(wěn)態(tài)工作點、也即穩(wěn)定燃弧點。顯然，要熄滅電弧，就必須消除穩(wěn)定燃弧點。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，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之和超過電源電壓U， Ldi/dtU - iRU - iR= Ldi/dt + UA(1)拉長電弧或?qū)ζ鋵嵭腥斯だ鋮s拉長電弧或?qū)ζ鋵嵭腥斯だ鋮s 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-iR脫離，即由原來的曲線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或外加磁場從法向吹弧吹弧以拉長電弧(圖2-12b)，或借磁場使弧斑沿電極上移(圖2-12.)。這些措施除能機械地增大電弧長度增大電弧長度外，還能借電弧在運動中不斷與新鮮冷卻介質(zhì)接觸而增大弧柱電場強度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 這比無柵片時增大了nU0，所以也能起到使電弧伏安特

26、性上移的作用。(3)增大弧柱電場強度增大弧柱電場強度 具體措施有增大氣體介質(zhì)的壓強、增大電弧與介質(zhì)間的相對運動速度、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的過電壓二、分?jǐn)嘀绷麟娐窌r的過電壓分?jǐn)嘀绷麟娐窌r，電弧熄滅的瞬間有i =0及uA =Ue，故有：所以出現(xiàn)在觸頭間隙上的過電壓為它與電流減小的速度、即滅弧強度有關(guān)。滅弧能力越強，電流減小就越快，過電壓也越高。由上式能導(dǎo)出燃弧時間計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，所需時間也越長。決定過電壓的因素主要是滅弧強度:過強會導(dǎo)致甚高的過電壓，過低將延長滅弧時間過強會導(dǎo)致甚高的過電壓，過低將延長滅弧時間。為防止分?jǐn)嚯姼行载?fù)載時出現(xiàn)過高的、危及絕緣或?qū)е码娀≈厝嫉倪^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)，則切斷電流時應(yīng)有故負(fù)載兩端的電壓而t =0時弧隙兩端過電壓的最大值為由此可見，選擇適當(dāng)?shù)腞s值可將過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)一個二極管VD (圖2-13b)。有時也采用雙斷口電路(圖2-13c)以降低過電壓。分?jǐn)鄷r，斷

28、口CI先分?jǐn)?，C2后分?jǐn)唷Ｓ捎跀嗫贑2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)計為具有較小的滅弧強度，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，除非弧隙被過電壓重新?lián)舸?。交流電弧則不然，因為其電流會自然過零。在此之后同時有兩種過程在進(jìn)行著:一為電弧間隙內(nèi)絕緣介質(zhì)強度的恢復(fù)過程-介質(zhì)恢復(fù)過程介質(zhì)恢復(fù)過程;另一為弧隙電壓恢復(fù)過程弧隙電壓恢復(fù)過程。若介質(zhì)強度恢復(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)，電弧也不會重燃。否則弧隙中的電離

29、將逐漸加強，及至帶電粒子濃度超過某一定值，電弧便重燃。因此，交流電弧熄滅與否需視電弧電流過零后交流電弧熄滅與否需視電弧電流過零后介質(zhì)恢復(fù)過程是否超過電壓恢復(fù)過程而定介質(zhì)恢復(fù)過程是否超過電壓恢復(fù)過程而定。如圖2-14所示，當(dāng)介質(zhì)恢復(fù)速度(曲線1)始終超過電壓恢復(fù)速度(曲線3)時，由于UjfUhf，電弧不會重燃。反之，當(dāng)介質(zhì)恢復(fù)速度在某些時候(曲線2)小于電壓恢復(fù)速度時，電弧還會重新燃燒，也即電弧未能熄滅。一、弧隙介質(zhì)恢復(fù)過程一、弧隙介質(zhì)恢復(fù)過程n交流電弧電流自然過零后、弧隙介質(zhì)恢復(fù)過程便已開始，但在近陰極區(qū)和其余部交流電弧電流自然過零后、弧隙介質(zhì)恢復(fù)過程便已開始，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)過程有所不同。恢復(fù)過程有所不同。(一一)近陰極區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過程近陰極區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過程 電弧電流過零后弧隙兩端的電極立即改變極性電弧電流過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，電子運動速度為正離子的成千倍，故它們于剛改變極性時即迅速離開而移向新的陽極，使此處僅留下正離子。同時，新陰極正是原來的陽極，附近正離子并不多，以致難以在新陰極表面產(chǎn)生場致發(fā)射以提供持續(xù)的電子流。另外，新陰極在電流過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，電流過零后只需經(jīng)過電流過零后只需經(jīng)過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)強度的介質(zhì)強度(具體量值視陰極溫度而定，溫度越低，介質(zhì)強度越高)。圖2-15給出了剛改變極性時近陰極區(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)強度(由于弧隙熱慣性的影響，實際介質(zhì)強度要低一些)。當(dāng)它們的總和大于電網(wǎng)電壓(包括過電壓)時，電弧便熄滅。出現(xiàn)于近陰極區(qū)的這種現(xiàn)象稱為近陰極效應(yīng)，綜合利用截割電弧和近陰極效應(yīng)滅弧的方法稱為短弧滅弧原理，它廣泛用于低壓交流開關(guān)電器。(二二)弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過程弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過程 電弧電流自然過零前后的數(shù)十微秒內(nèi)，電流已近乎等于零，故這

32、段時間被稱為零休時間。由于熱慣性的影響，零休期間電弧電阻Rh并非無窮大，而是因滅弧強度不同呈現(xiàn)不同量值。 弧隙電阻非無窮大意味著弧隙內(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，弧隙內(nèi)溫度降低，消電離作用增強，弧隙電阻不斷增大，直至無窮大，也即弧隙變成了具有一定強度的介質(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，仍可能將弧隙內(nèi)的高溫氣體擊

33、穿，重新燃弧。這種現(xiàn)象稱為電擊穿。因此，交流電弧電流自然過零后的弧柱區(qū)介質(zhì)恢復(fù)過程大抵可分為熱擊穿和電擊穿兩個階段。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，因而無熱積累于輸出能量，因而無熱積累;在電流過零后，恢復(fù)電壓又不足以將已在電流過零后，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)過程二、弧隙電壓恢復(fù)過程n電弧電流過零后，弧隙兩端的電壓將由零或反向的電弧電壓上升到此時的電源電壓。這一電壓上升過程稱為電壓恢復(fù)過程，此過程中的弧隙電壓則稱為恢復(fù)電壓。n電壓恢復(fù)過程進(jìn)展情況與

34、電路參數(shù)有關(guān)。分?jǐn)嚯娮栊噪娐窌r分?jǐn)嚯娮栊噪娐窌r(圖2-16a), 電弧電流i與電源電壓U同相，故電流過零時電壓亦為零。這樣，電流過零后作用于弧隙的電壓-恢復(fù)電壓uhf自零開始按正弦規(guī)律上升，而無暫態(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，故電流過零時電源電壓恰為幅值。因此，電流過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分?jǐn)嚯娙菪噪娐窌r(圖2-16c)，因電流越前電源電壓約90度，電流過零時電壓也處于幅值，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處泄放而保持著此電壓。因此，電弧電流為零時恢復(fù)電壓有一個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。實際的電壓恢復(fù)過程要復(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)過程也以它為例。為便于分析起見，只討論理想弧隙的電壓恢復(fù)過程，并設(shè)電路本身的電阻為零、且在此過程(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)電弧電流過零(t=0)時， 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)過程是角頻率為0的振蕩過程(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，同時在此之后弧隙介復(fù)過程總是勝過電壓恢復(fù)過程，也即不發(fā)生電擊穿。n從滅弧效果來看，零休期間是最好的滅弧時機:一則這時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; 二則這時線路所儲能量很小，需借電弧散發(fā)的能量不大，不易因出現(xiàn)較高的過電壓而引起電擊穿。n若滅弧非常強烈，在電流自然過零前就“截流”，強迫電弧熄滅，則將產(chǎn)生很高的過電壓，即使不致影響滅弧，對線路及其中的設(shè)備也很不利。n除非有特殊要求，交流開關(guān)電器多采用滅弧強度不過強的滅弧裝置，使電弧是在零休期間、而且是在電流首次自然過零時熄滅。實際上交流電弧未必均能于電流首次自然過零時熄滅，有時需經(jīng)23個半周才熄滅。如圖2-18所示，觸頭剛分離(t =t0)時，弧隙甚小， Uh也不大。故電流在首次過零(t= t1)前，其波形基本上仍屬正弦波，且在電流過零處比電源電壓滯后約為90度。這

38、時，介質(zhì)強度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，弧隙被擊穿，電弧重燃。在第二個半周，弧隙增大了，uh ujf均增大，電流再過零(t=t2)時的滯后角2 Ujf2時，弧隙再次被擊穿，電弧仍重燃。此后因弧隙更大，當(dāng)t = t3、即電流第三次過零時，3u-iR時，電弧熄滅。 低壓電器中的刀開關(guān)和直動式交流接觸器均有利用簡單滅弧原理者。但為保護觸頭有時還設(shè)弧角，使電弧在弧角上燃燒，同時為限制電弧空間擴展有時亦設(shè)置滅弧室。三、磁吹滅弧裝置三、磁吹滅弧裝置 需要較大的電動力將電弧吹入滅弧室時，要采用專門的磁吹線圈(圖2-20)建立足夠強的磁場。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)。為使磁場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很明顯，分?jǐn)嘈‰娏鲿r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)電流甚大時卓有成效?？v向曲縫兼有逐漸拉長電弧的作用，故其效果尤佳。這種滅弧方式多用于低壓開關(guān)電器，間或用于3 10kV的高壓開關(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:前者借拉長電弧并使之在與它緊密接觸的過程中迅速冷卻;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，且要交錯排列以減小對電弧的阻力。柵片滅弧裝置適用于高低壓直流和交流開關(guān)電器，但以低壓交流開關(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，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法自由擴散，遂形成高壓氣體，使電離了的金屬蒸氣擴散于石英砂縫隙內(nèi)，在該處冷卻并復(fù)合。這種裝置滅弧

42、能力強，截流作用顯著。但分?jǐn)嘈”稊?shù)過載電流時，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對弧柱的冷卻作用，利用油氣為四周冷油所限不能迅速膨脹而形成的0.5 IMPa高壓以加強介質(zhì)強度，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動，將剛生成的低溫油氣引至弧柱

43、以加速其冷卻。油吹滅弧的燃弧時間有一最大值，與之對應(yīng)的電流稱為臨界電流其值因滅弧裝置結(jié)構(gòu)而異，由于弧室機械強度的限制，油吹滅弧還有一極限開斷電流。 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。開斷電路時，以管道將預(yù)儲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充空間。因此，這種滅弧裝置既能提高分?jǐn)嗄芰Α⒖s短燃弧時間，又能保證自動重合閘時不降低分?jǐn)嗄芰?。它雖無臨界電流，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氣體為共價鍵型的完全對稱正八面體分子結(jié)構(gòu)的氣體，故具有強負(fù)電性，極為穩(wěn)定。它無色、無臭、無味、無毒、既不燃也不助燃。一般無腐蝕性。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， SF6氣體作為滅弧介質(zhì)具有下列優(yōu)點: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;基本上無腐蝕作用;無火災(zāi)及爆炸危險;采用全封閉結(jié)構(gòu)時易實現(xiàn)免維修運行;可在較寬的溫度和壓力范

45、圍內(nèi)使用;無噪聲及無線電干擾。 SF6氣體的主要缺點是液化(-40度時，工作壓力不得大于0.35MPa;-35度時不得大于0.5MPa)，而且在不均勻電場中其擊穿電壓會明顯下降。 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，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散，故真空滅弧效果比其他方式都強

46、得多。真空滅弧具有下列優(yōu)點：觸頭開距小(10kV級的僅需10mm左右)，故滅弧室小，所需操作力也小，動作迅速;燃弧時間短到半個周期左右，且與電流大小無關(guān);介質(zhì)強度恢復(fù)快；防火防爆性能好；觸頭使用期限長，尤適宜于操作頻率高的場合。其缺點主要是截流能力過強，滅弧時易產(chǎn)生甚高的過電壓。 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、無弧分?jǐn)嗍?、無弧分?jǐn)?實現(xiàn)無弧分?jǐn)嘁话阌袃煞N方法:一是在交變電流自然過零時分?jǐn)嚯娐?，同時以極快的速度使動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)同步開關(guān)同步開關(guān) 圖2-2

47、3所示為帶壓縮空氣滅弧裝置的同步開關(guān)原理結(jié)構(gòu)。其設(shè)計原則是使開關(guān)在電流將自然過零時(如1ms)分?jǐn)?，并加速觸頭運動，使之在電流過零時已有一定間隙，滅弧就能在電流甚小、燃弧時間甚短弧隙介質(zhì)恢強度高的條件下進(jìn)行。n正常工作時，電容器C由充電電路充電。若運行中發(fā)生短路，過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， TA鐵心處于飽和狀態(tài)，其二次繞組幾乎無輸出;而當(dāng)電流自然減至一定值時，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對靜止線圈放電。該線圈電流產(chǎn)生強大的磁通，使金屬盤出現(xiàn)感應(yīng)電流。它與

48、線圈電流互相作用，產(chǎn)生軸向電動斥力F，使金屬盤連同動觸頭一起右移。同時，壓縮空氣亦吹向弧隙，使其介質(zhì)強度于電流過零后迅速恢復(fù)。這就實現(xiàn)了無弧分?jǐn)?。n同步分?jǐn)嘟Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，故僅間或用于高壓電器。(二二)混合式開關(guān)混合式開關(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(圖2-24)。就前者而論，在斷開狀態(tài)，由于繼電器觸頭KA是斷開的，雖然晶閘管VTI、VT2均有外施電壓，但是門極無觸發(fā)信號，故都是截止的;在運行時，又因a、b兩點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，雖有門極觸發(fā)信號，晶閘管仍截止。但在接通過程中，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^程中，KA比KM后斷開，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?，晶閘管亦因無門極作用隨即即截止，切除負(fù)載。這樣，就基本上實現(xiàn)了 無弧通斷無弧通斷。第七節(jié) 觸頭的接觸電阻 如果將一段導(dǎo)體于截斷后再小心翼翼地對接好，則在測量其電阻時將發(fā)現(xiàn)一電阻增量，后者是因兩截導(dǎo)體接觸時產(chǎn)生的，故稱為接觸電阻，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。 試驗表明，導(dǎo)體接觸處的整個面積只是個視在面積，真正接觸著的是離散性的若于個被稱為a斑點的小點(圖2-25)。這種斑點的面積僅為視在接觸面的很小一部分。就是a斑點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，實際的金屬導(dǎo)體接觸面非常小。 實際接觸面縮小到局限于少量的斑點，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導(dǎo)致表面膜層的產(chǎn)生。它包含塵埃膜、化學(xué)吸附膜、無機膜和有機膜。膜層導(dǎo)致的電阻增量稱為膜層電阻。n束流電阻和膜層電阻都很難用解析的辦法得到。一般計算接觸電阻Rj都采用以下經(jīng)驗公式：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a斑點多，每個斑點上的壓力反而很小，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-點及點-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)于銅觸頭的實驗數(shù)據(jù)便是實證。(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20A電流時的試驗結(jié)果來看(圖2-27)，接觸壓力越小，Rj越大，且分散性很大，可是過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，還會妨礙電路正常接通，特別是當(dāng)電壓和電流均甚小時。(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。屈服點越小，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，由于通過電流，其溫度將升高，并在動靜觸頭間產(chǎn)生電動斥力。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)熱和觸點發(fā)熱兩部分。觸點處有接觸電阻，產(chǎn)生的熱量很大，同時其表面積很小，熱量只能通過熱傳導(dǎo)傳給觸頭本體。因此，觸點的溫度照例要比

53、觸頭本體的高。 觸點相對本體的溫升可按下式估算: 式中 Uj接觸電壓降; I通過觸點的電流; 、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，觸點相對周圍介質(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，由于接觸電阻Rj增大，接觸電壓降Uj也會增大。反之亦然。 但實驗所得,“Ri - Ui”特性并非全然如此(圖2-28)。 Rj由圖可見，當(dāng)Uj增大時，Rj開始是增大的，但當(dāng)Uj增大到Us時,觸點溫度已高達(dá)能令觸點金屬材料機械性質(zhì)發(fā)生變化-軟化的地步，故Us稱為軟化電壓。這時，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時再度猛降,因為此時接觸面積因溫度已達(dá)熔點而增大很多。電壓降Um稱為熔化電壓。軟化電壓和熔化電壓均為觸點材料的特性參數(shù)。對于繼電器觸頭，通常?。喝粢阎|點允許通過的電流I，則大體上可以求得觸點的允許接觸電阻： 即使在穩(wěn)定工作狀態(tài)，觸頭的接觸電阻亦非恒值，而是隨時間不斷變化(圖2-29)。觸點表面受腐蝕性氣體作用產(chǎn)生的薄膜，其厚度是與時俱增的，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強度和溫度同時在增大。及至它們增至一定值，薄膜就被破壞， Rj隨即驟降。在此之后，前述過程又

55、重復(fù)著。倘者形成了夠堅固的薄膜， Rj將增大到不能容許的地步。這時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，但裝配前應(yīng)將它拭凈，以免妨礙導(dǎo)電。近年來，在接觸面上已廣泛涂敷兼有隱降低接觸電阻和保護接觸面兩種作用的導(dǎo)電膏。三、觸頭間的電動力三、觸頭間的電動力 觸頭間的電動力相當(dāng)于變截面載流導(dǎo)體受到的電動力。當(dāng)導(dǎo)體截面變化時，電力線會彎曲，而電動力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，巨大的電動力可能將觸點斥開。 此

56、電動力有二分量: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) 觸頭接通過程及其熔焊 觸頭的接通過程常伴隨著機械振動，并因之在間隙內(nèi)產(chǎn)生電弧。由于接通時負(fù)載電流往往較大，故接通電弧危害有時頗嚴(yán)重，其中最危險的便是觸頭的熔焊。一、接通過程中的機械振動一、接通過程中的機械振動 接通時動觸頭以一定速度朝靜觸頭運動，它們接觸時就發(fā)生了機械碰撞。結(jié)果，動觸頭被彈開，然后再朝靜觸頭運動，多次重復(fù)發(fā)、碰撞。由于每碰撞一次都要損失部分能量，故振動幅度將逐漸減小(圖2-31）

57、。除觸頭本身的碰撞外，電磁機構(gòu)中銜鐵與鐵心接觸時的撞擊以及短路電流通過觸頭時生的巨大的巨大電動斥力，均可能引起觸頭振動。n通過力學(xué)分析，得觸頭機械振動的最大幅度-第一次碰撞的反彈距離為： 適當(dāng)減小動觸頭的質(zhì)量和運動速度、增大觸頭初壓力，對減輕振動是有益的。但完全消除觸頭接通時的振動是不可能的，只要使xm小于或等于觸頭接觸面的形變，振動不致令動靜觸頭在碰撞時分離，振動也就無害了。二、觸頭的熔焊二、觸頭的熔焊 動靜觸頭因被加熱而熔化、以致焊在一起無法正常分開的現(xiàn)象稱為觸頭的熔焊。 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)換觸頭于通過大電流時、因熱效應(yīng)和正壓力的作用使a斑點及

58、其鄰域內(nèi)的金屬熔化并焊為一體的現(xiàn)象，其發(fā)生過程一般無電弧產(chǎn)生; 動熔焊：動熔焊： 是轉(zhuǎn)換觸頭在接通過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。若觸頭接通過程伴隨有機械振動，由于電弧和金屬橋的出現(xiàn)，發(fā)生動熔焊的可能性更大。閉合狀態(tài)的轉(zhuǎn)換觸頭為短路電流產(chǎn)生的巨大電動力斥開時，同樣有可能發(fā)生動熔焊。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) 它包括流過觸頭的電流、電路電壓和觸頭的電流產(chǎn)生的熱量。觸頭開始熔焊時的電流稱為最小熔焊電流Imin。，它與觸頭材料、接觸形式和壓力、通電時間等許多因素有關(guān)。對靜熔焊的影對靜熔焊的影響是電流，對動熔焊影響的是電壓和電流響是電流，對動熔焊

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，若負(fù)載無源，電感有抑制電流增長的作用;若負(fù)載有源，則因起動電流甚大而易發(fā)生熔焊。接通 容性負(fù)載時，涌流的出現(xiàn)也易導(dǎo)致觸頭熔焊。(2)機械參數(shù)機械參數(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。觸頭閉合速度也對熔焊有影響，速度大，易發(fā)生振動，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導(dǎo)電不利，但其分解溫度高，對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。當(dāng)動靜觸頭采用不同材料時，就靜熔焊而論，抗熔焊能力僅相對弱的一方有所提高;就動熔焊而論，不僅未必能提高抗熔焊能力，有時甚或會降低。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(它本來就不易生匙成)被破壞、因而純金屬接觸面擴大時，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)象稱為冷焊冷焊。它一旦發(fā)生就很難處理，因為金屬間的內(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，一般是通過實驗、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^程與其電侵蝕n觸頭接通過程, 雖伴