1、一、電弧的基本理論,電弧是一種氣體游離放電現(xiàn)象。 能量集中，溫度很高，亮度很強(qiáng) 三部分組成：陰極區(qū)、陽(yáng)極區(qū)和弧柱區(qū) 電弧的氣體放電是自持放電，維持電弧穩(wěn)定燃燒的電壓很低 電弧是一束游離的氣體， 質(zhì)量極輕，容易變形。在氣 體或液體的流動(dòng)作用下，或 在電動(dòng)力的作用下，電弧能 迅速移動(dòng)，伸長(zhǎng)或彎曲。,一、電弧的基本理論,（一)電弧的產(chǎn)生、維持及物理過(guò)程 觸頭的周?chē)臼强諝饣蛩^緣介質(zhì)。 為什么在動(dòng)靜觸頭分離瞬間會(huì)變成導(dǎo)電的電弧呢? 原因就在于在絕緣介質(zhì) 中出現(xiàn)了大量的自由電子。 大量自由電子由陰極向陽(yáng)極 的定向運(yùn)動(dòng)形成了電弧。,一、電弧的基本理論,（一)電弧的產(chǎn)生、維持及物理過(guò)程 1弧柱中自由電子

2、的來(lái)源 A電極發(fā)射大量自由電子，對(duì)電弧的產(chǎn)生起決定作用。 熱電子的發(fā)射：動(dòng)靜觸頭分離時(shí)，觸頭間接觸電阻增大，接觸處大量發(fā)熱，使陰極表面溫度升高而發(fā)射電子。其數(shù)量取決于觸頭材料和表面溫度。 冷電子發(fā)射(強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射)：動(dòng)靜觸頭分離時(shí)，觸頭間的間隙很小，觸頭間會(huì)形成很高的電場(chǎng)強(qiáng)度，將陰極觸頭金屬表面中的自由電子從中拉出來(lái)。其數(shù)量取決于電場(chǎng)強(qiáng)度的大小。,一、電弧的基本理論,B弧柱區(qū)的氣體游離，產(chǎn)生大量的自由電子和離子，對(duì)電弧的形成和維持起決定作用。 游離是指中性質(zhì)點(diǎn)變成自由電子和正離子的過(guò)程 電場(chǎng)游離（碰撞游離）-形成：在電場(chǎng)作用下，電子加速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，途中與介質(zhì)中的中性質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞。若自由電子具有足

3、夠動(dòng)能，能與中性質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生碰撞游離，使其游離為正離子和自由電子。這樣的過(guò)程連續(xù)進(jìn)行導(dǎo)致雪崩式碰撞，使觸頭間充滿(mǎn)了自由電子。在外加電壓作用下形成電子流，介質(zhì)被擊穿而形成電弧。,一、電弧的基本理論,熱游離-維持：電弧形成后，觸頭間電壓立刻降低，但弧柱的溫度很高。處于高溫下的介質(zhì)分子和原子產(chǎn)生劇烈運(yùn)動(dòng)，不斷發(fā)生碰撞，也會(huì)游離出自由電子和離子(這就是熱游離過(guò)程)，可以維持電弧的燃燒。,一、電弧的基本理論,（一)電弧的產(chǎn)生、維持及物理過(guò)程 2.電弧的形成過(guò)程總結(jié) 陰極在強(qiáng)電場(chǎng)作用下發(fā)射電子。發(fā)射的電子在觸頭電壓作用下產(chǎn)生碰撞游離，就形成了電弧。在高溫作用下，陰極產(chǎn)生熱發(fā)射，并在介質(zhì)中發(fā)生熱游離，使電弧維持

4、和發(fā)展，這就是電弧形成的過(guò)程。,一、電弧的基本理論,（一)電弧的產(chǎn)生、維持及物理過(guò)程 3.去游離過(guò)程（帶電質(zhì)點(diǎn)減少） 在電弧中，發(fā)生游離過(guò)程的同時(shí)還進(jìn)行著使帶電質(zhì)點(diǎn)減少的去游離過(guò)程。 游離過(guò)程去游離過(guò)程：電弧電流增大，熾熱燃燒 游離過(guò)程=去游離過(guò)程：電弧電流不變，穩(wěn)定燃燒 游離過(guò)程去游離過(guò)程：電弧電流減小，最終熄滅 因此，要想使電弧熄滅，就必須設(shè)法加強(qiáng)去游離過(guò)程，使其大于游離過(guò)程。,一、電弧的基本理論,（一)電弧的產(chǎn)生、維持及物理過(guò)程 3.去游離過(guò)程 A復(fù)合去游離：帶電質(zhì)點(diǎn)的電荷彼此中和的現(xiàn)象。電子碰撞中性質(zhì)點(diǎn)速度慢的負(fù)離子與正離子中和 B.擴(kuò)散去游離：弧柱中的自由電子和正離子由于熱運(yùn)動(dòng)而從弧

5、柱內(nèi)部逸出進(jìn)入周?chē)浣橘|(zhì)的現(xiàn)象。 濃度擴(kuò)散；溫度擴(kuò)散。,一、電弧的基本理論,(二) 熄滅交流電弧的過(guò)程 交流電弧的特性 動(dòng)態(tài)伏安特性,一、電弧的基本理論,(二)熄滅交流電弧的過(guò)程 交流電弧的特性-過(guò)零時(shí)自然熄滅 隨著正弦交流電流的 周期性變化，交流電 弧電流也將隨之每半 周過(guò)零一次。 電弧電壓、電流波形 *在電弧電流自然過(guò)零時(shí)，電弧向弧隙輸送能量減少，電弧溫度和熱游離下降，電弧將自動(dòng)暫時(shí)熄滅。,一、電弧的基本理論,(二)熄滅交流電弧的過(guò)程 決定交流電弧熄滅的基本因素是“弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過(guò)程和“弧隙電壓的恢復(fù)過(guò)程”。 弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過(guò)程絕緣能力恢復(fù)過(guò)程 電弧電流過(guò)零時(shí)，輸入弧隙的能量減少，

6、弧隙溫度劇降，因而弧隙游離程度也下降。當(dāng)弧隙溫度降低到熱游離基本停止時(shí)，弧隙重新轉(zhuǎn)變?yōu)榻橘|(zhì)狀態(tài)。此時(shí)，雖然不會(huì)出現(xiàn)熱擊穿而重燃，但是弧隙的絕緣能力或稱(chēng)介質(zhì)強(qiáng)度(以弧隙能耐受的電壓表示)要恢復(fù)到正常狀態(tài)仍需要一定時(shí)間，此稱(chēng)為“弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過(guò)程”。以耐受電壓Ud(t)表示,一、電弧的基本理論,(二)熄滅交流電弧的過(guò)程 決定交流電弧熄滅的基本因素是“弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過(guò)程和“弧隙電壓的恢復(fù)過(guò)程”。 弧隙電壓的恢復(fù)過(guò)程 電弧電流過(guò)零后，弧隙電壓將由熄弧電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)由電路參數(shù)所決定的振蕩過(guò)程，逐漸恢復(fù)到電源電壓，此稱(chēng)為“弧隙電壓的恢復(fù)過(guò)程”。以弧隙電壓Ur(t)表示,一、電弧基本理論,(二)熄滅交

7、流電弧的物理過(guò)程 因此，在電弧電流過(guò)零后，存在著兩個(gè)相互聯(lián)系的對(duì)立過(guò)程。在恢復(fù)過(guò)程中，如果恢復(fù)電壓Ur(t)高于介質(zhì)強(qiáng)度Ud(t) ，弧隙被電擊穿，電弧重燃；如果恢復(fù)電壓低于介質(zhì)強(qiáng)度，電弧就會(huì)真正熄滅。 交流電弧熄滅的條件：Ud（t）Ur（t）,一、電弧基本理論,(二)熄滅交流電弧的物理過(guò)程 介質(zhì)強(qiáng)度和弧隙電壓的恢復(fù)過(guò)程圖示 (a)在t1時(shí)刻發(fā)生 (b)電弧熄滅 (c)電弧熄滅擊穿電弧重燃,弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過(guò)程 介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過(guò)程與下列因素有關(guān)： 電弧電流的大?。娀囟龋?弧隙的冷卻條件(滅弧裝置的結(jié)構(gòu)) 滅弧介質(zhì)的特性（SF6氣體和真空介質(zhì)） 觸頭分離的速度（電阻） 近陰極效應(yīng)：交流低壓

8、電器常利用近陰極效應(yīng)來(lái)滅弧 150250伏的起始介質(zhì)強(qiáng)度（0.1微秒-1微秒）。 在電流過(guò)零后在陰極附近的薄 層空間介質(zhì)強(qiáng)度突然升高的現(xiàn)象。,弧隙電壓的恢復(fù)過(guò)程 弧隙電壓的恢復(fù)過(guò)程與線路參數(shù)和負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)。 弧隙電壓的恢復(fù)過(guò)程可能是周期性或非周期性的。 周期性振蕩過(guò)程 非周期性過(guò)程,恢復(fù)電壓：瞬變恢復(fù)電壓和工頻恢復(fù)電壓組成 瞬變恢復(fù)電壓：首先出現(xiàn) 存在幾十微秒至幾毫秒 暫態(tài)分量 工頻恢復(fù)電壓：恢復(fù)電壓穩(wěn)態(tài)值,高壓斷路器熄滅電弧的基本方法,1采用特殊金屬材料作滅弧觸頭 電弧中的去游離強(qiáng)度很大程度上取決于觚頭材料。若采用熔點(diǎn)高，導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量大的耐高溫金屬作觸頭材料，可以減少熱電子發(fā)射和電弧中的

9、金屬蒸氣，抑制游離作用。同時(shí)，觸頭材料還要求有較高的抗電弧，抗熔焊能力。 常用的觸頭材料有：銅鎢合金，銀鎢合金。,高壓斷路器熄滅電弧的基本方法,2利用滅弧介質(zhì) 電弧中的去游離強(qiáng)度很大程度上取決于電弧周?chē)橘|(zhì)的特性，如介質(zhì)的傳熱能力，介電強(qiáng)度，熱游離溫度和熱容量等。這些參數(shù)的數(shù)值越大，則去游離作用越強(qiáng)，電弧就越容易熄滅。 常用的滅弧介質(zhì)有：空氣，油(變壓器油或斷路器油)，SF6，真空。,二、高壓斷路器熄滅電弧的基本方法,3利用氣體或油吹動(dòng)電弧 電弧在氣流或油流中被強(qiáng)烈地冷卻而使復(fù)合加強(qiáng)，吹弧也有利于帶電離子的擴(kuò)散。 在高壓斷路器中利用各種結(jié)構(gòu)形式的滅弧室，使氣體或油產(chǎn)生巨大的壓力并有力地吹向電弧

10、使電弧熄滅。 吹動(dòng)的方式有：縱吹和橫吹 縱吹：吹動(dòng)方向與弧柱軸線平行。主要使電弧冷卻變細(xì)，最后熄滅。 橫吹：吹動(dòng)方向與弧柱軸線垂直。主要把電弧拉長(zhǎng)表面積增大并加強(qiáng)冷卻。,二、高壓斷路器熄滅電弧的基本方法,4利用多斷口滅弧 高壓斷路器常制成每相有兩 個(gè)或更多個(gè)串聯(lián)的斷口。 如圖為雙斷口的滅弧方式。 采用多斷口是把電弧分割成很多小電弧段，在相等的觸頭行程下，多斷口比單斷口的電弧拉長(zhǎng)了，從而增大了弧隙電阻，而且電弧被拉長(zhǎng)的速度（即觸頭分離速度）也增加，加速了弧隙電阻的增大；同時(shí)，也增大了介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度。由于加在每個(gè)斷口的電壓更低，使弧隙的恢復(fù)電壓降低，因此滅弧性能更好,高壓斷路器熄滅電弧的基本方

11、法,4利用多斷口滅弧 采用多斷口的結(jié)構(gòu)后，每一個(gè)斷口在開(kāi)斷位置的電壓分配和開(kāi)斷過(guò)程中的恢復(fù)電壓分配出現(xiàn)了不均勻現(xiàn)象。 如圖為單相斷路器在開(kāi)斷 接地故障后的電路圖。 U:電源電壓 U1、U2：兩個(gè)斷口的電壓 Cd：斷口的等效電容 C0：底座對(duì)地等效電容,二、高壓斷路器熄滅電弧的基本方法,4利用多斷口滅弧 則斷口電壓分布的計(jì)算可按下圖進(jìn)行： 可見(jiàn)，U1U2兩個(gè)斷口上的電壓相差很大，第一個(gè)斷口的工作條件比第二個(gè)斷口要嚴(yán)重.,二、高壓斷路器熄滅電弧的基本方法,4利用多斷口滅弧 為了充分發(fā)揮每個(gè)滅弧室的作用應(yīng)該使兩個(gè)斷口的工作條件接近相等。通常在每個(gè)斷口并聯(lián)一個(gè)比Cd和C0都大得多的電容C（2500pf

12、），稱(chēng)為“均壓電容” 可見(jiàn)U1=U2，電壓平均分布在兩個(gè)斷口上，每個(gè)斷口工作條件基本上一致。,二、高壓斷路器熄滅電弧的基本方法,5拉長(zhǎng)電弧并增大斷路器觸頭的分離速度 迅速拉長(zhǎng)電弧，可使弧隙的電場(chǎng)強(qiáng)度驟降，同時(shí)，使弧隙的表面積突然增大，有利于電弧的冷卻和帶電質(zhì)點(diǎn)向周?chē)橘|(zhì)擴(kuò)散，使熱游離作用減弱，加強(qiáng)了離子的復(fù)合速度，從而加速電弧的熄滅。 為此，在高壓斷路器中都裝有強(qiáng)有力的斷路彈簧，以加快觸頭的分離速度。真空斷路器的開(kāi)斷速度很快。,二、高壓斷路器熄滅電弧的基本方法,5拉長(zhǎng)電弧并增大斷路器觸頭的分離速度 斷路器分閘速度的快慢通常由斷路器全開(kāi)斷時(shí)間來(lái)衡量，它包括斷路器固有動(dòng)作時(shí)間和燃弧時(shí)間兩部分。真空斷路器（半周波斷路器） 當(dāng)全開(kāi)斷時(shí)間 0.12s，稱(chēng)為低速斷路器 0.08s，稱(chēng)為快速斷路器 0.08s0.12s，稱(chēng)為中速斷路器,6.短弧原理滅弧 利用一個(gè)金屬滅弧柵將電弧分為多個(gè)短弧，利用近陰極效應(yīng)的方法滅弧。常用于低壓開(kāi)關(guān)電器中，如自動(dòng)開(kāi)關(guān)和電磁接觸器等。,7、利用固體介質(zhì)的狹縫滅弧 將電弧拉入滅弧片的狹縫中，滅弧片由石棉水泥或陶土材料制成，加強(qiáng)冷卻。滅弧片結(jié)構(gòu)有直縫式和曲縫式。 常用于低壓電器中的接觸器等。,8、斷路器加裝并聯(lián)電阻 并聯(lián)電阻在觸頭分?jǐn)噙^(guò)程中起分流