1、5.1 電弧與電器觸頭的基本知識,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 思考題與習題,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源 電弧形成的過程 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 當開關(guān)電器開斷電路時，電壓和電流達到一定值時，觸頭 剛剛分離后，觸頭之間就會產(chǎn)生強烈的白光，稱為電弧。 2.電弧的本質(zhì) 電弧的實質(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）電弧的存在延長了開關(guān)電器開斷故障電路的時間，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。對充油電氣設備還可能引起著火、爆炸等危險。 （3）由于電弧在電動力、熱力作用下能移動，很容易造成飛弧短路和傷人，或引起事故的擴大。, 電弧的形成弧柱中自由電子的主要來源（1）,（1）熱電子發(fā)射 當斷路器的動、靜觸頭分離時，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）強電場發(fā)射 開關(guān)電器分閘的瞬間，由于動、靜觸頭的距離很小，觸頭間的電場強度就非常大 ，使觸頭內(nèi)部的電子在強電場作用下被拉出來 ，就形成強電場發(fā)射。, 電弧的形成 弧柱中自由電子的主要來源（2）,（3）碰撞游離 從陰極表面發(fā)射出的電子在電場力的作用下高速向陽極運動，在運動過程中不斷地與中性質(zhì)點（原子或分子）發(fā)生碰撞。當高速運動的電子積聚足夠大的動能時，就會從中性質(zhì)點中打出一個或多個電子，使中性質(zhì)點游離，這一過程稱為碰撞游離。 （4）熱游離 弧柱中氣體分子在高溫作用下產(chǎn)生劇烈熱運動，動能很大的中性質(zhì)點互相碰撞時，將被游離而形成電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為熱游離。

4、弧柱導電就是靠熱游離來維持的。, 電弧的形成 電弧形成的過程,斷路器斷開過程中電弧是這樣形成的。觸頭剛分離時突然解除接觸壓力，陰極表面立即出現(xiàn)高溫熾熱點，產(chǎn)生熱電子發(fā)射；同時，由于觸頭的間隙很小，使得電壓強度很高，產(chǎn)生強電場發(fā)射。從陰極表面逸出的電子在強電場作用下，加速向陽極運動，發(fā)生碰撞游離，導致觸頭間隙中帶電質(zhì)點急劇增加，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，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）,電弧的去游離過程包括復合和擴散兩種形式。 1. 復合 復合是正、負帶電質(zhì)點相互結(jié)合變成不帶電質(zhì)點的現(xiàn)象。由于弧柱中電子的運動速度很快，約

5、為正離子的1000倍，所以電子直接與正離子復合的幾率很小。一般情況下，先是電子碰撞中性質(zhì)點時，被中性質(zhì)點捕獲變成負離子，然后再與質(zhì)量和運動速度相當?shù)恼x子互相吸引而接近，交換電荷后成為中性質(zhì)點。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。, 電弧的熄滅 電弧的去游離形式（2）,2. 擴散 擴散是弧柱中的帶電質(zhì)點逸出弧柱以外，進入周圍介質(zhì)的現(xiàn)象。擴散有三種形式： （1）溫度擴散，由于電弧和周圍介質(zhì)間存在很大溫差，使得電弧中的高溫帶電質(zhì)點向溫度低的周圍介質(zhì)中擴散，減少了電弧中的帶電質(zhì)點； （2）濃度擴散，這是因為電弧和周圍介質(zhì)存在濃度差，帶電質(zhì)點就從濃度高的地方向濃度低

6、的地方擴散，使電弧中的帶電質(zhì)點減少； （3）利用吹弧擴散，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，以加強擴散作用。, 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)點的的產(chǎn)生。同時，也減小了帶電質(zhì)點的運動 速度，加強了復合作用。通過快速拉長電弧，用氣體或油吹動 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 游離的強度，這些特性包括：導熱系數(shù)、熱容量、熱游離溫 度、介電強度等。若這些參數(shù)值大，則去游離過程就越強，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)的壓力對電弧去游離的影響很大。因為，氣體的壓力越大，電弧中質(zhì)點的濃度就越大，質(zhì)點間的距離就越小，復合作用越強，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，而擴散作用卻很強。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程。當觸頭采用熔點高、導熱能力強和熱容量大的耐高溫金屬時，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、長的分布 陰極壓降區(qū) 10-4cm，正空間梯度1020V與電弧電流無關(guān)而與陰極及介質(zhì)有關(guān)。 弧柱區(qū) 與電流、弧長和介質(zhì)及其狀態(tài)有關(guān)。 陽極壓降區(qū) 為陰極區(qū)的幾倍，負空間梯度與電弧電流有關(guān)，電流越大壓降越小。 沿弧長電壓降 h123 短弧和長弧的概念及電弧穩(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.拉長電弧 2.開斷電路時在電路中逐級串人電阻 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)介電強度的恢復 弧隙電壓的恢復過程 交流電弧熄滅的條件, 交流電弧的特性（1）,在交流電路中，電流瞬時值隨時間變化，因而電弧的溫 度、直徑以及電弧電壓也隨時間變化，電弧的這種特性稱為 動特性。由于弧柱的受熱升溫或散熱降溫都有一定過程，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)象稱為電弧的熱慣性。 經(jīng)過對圖2-2的分析，可見交流電弧在交流電流自然過零 時將自動熄滅，但在下半周隨著電壓的增高，電弧又重燃。 如果電弧過零后，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)介電強度的恢復,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為弧隙的介質(zhì)強度。當電弧電流過零時電弧熄滅，而弧隙的介質(zhì)強度要恢復到正常狀態(tài)值還需一定的時間，此恢復過程稱之為弧隙介質(zhì)強度的恢復過程，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過程,電流過流前，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載阻抗上。電流過零時，弧隙 電壓正處于馬鞍形的后蜂值處。電流過零后，弧隙電壓從后蜂 值逐漸增長，一直恢復到電源電壓，這一過程中的弧隙電壓稱 為恢復電壓，其電壓恢復過程以Uhf（t）表示。

11、 電壓恢復過程與線路參數(shù)、負荷性質(zhì)等有關(guān)。受線路參數(shù) 等因素的影響，電壓恢復過程可能是周期性的變化過程，也可 能是非周期性的變化過程。, 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)強度在任 何情況下都高于弧隙恢復電 壓，則電弧熄滅；反之，如 果弧隙恢復電壓高于弧隙介 質(zhì)強度，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)強度； Uhf（t）弧隙恢復電壓。,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,迅速拉長電弧，有利于迅速減小弧柱中的電位梯度，增加 電弧與周圍介質(zhì)的接觸面積，加強冷卻和擴散的作用。因此， 現(xiàn)代高壓開關(guān)中都采取了迅速拉長電弧的措施滅弧，如采用強 力分閘彈簧，其分閘速度已達16m/s以上。, 采用多斷口,每一相有兩個或多個斷口相串聯(lián)。在熄弧時，多斷口把電 弧分割成多個相串聯(lián)的小電弧段。多斷口使電弧的總長度加 長，導致弧隙的電阻增加；在觸頭行程、分閘速度相同的情況 下，電弧被拉長的速度成倍增加，使弧隙電阻加速增大，提高 了介質(zhì)強度的恢復速度，縮短了滅弧時間。 采用多斷口時，加在每一斷口上的電壓成倍減少，降低了 弧隙的恢復

13、電壓，亦有利于熄滅電弧。在要求將電弧拉到同樣 的長度時，采用多斷口結(jié)構(gòu)成倍減小了觸頭行程，也就減小了 開關(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，可以將帶電質(zhì)點吹到弧隙以外，加強了擴散，由于電弧被拉長變細，使弧隙的電導下降。吹弧還使電弧的溫度下降，熱游離減弱，復合加快。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)的斷路器稱為油斷路器。在這種斷路器 中，有用專用材料制成的滅弧室，其中充滿了絕緣油。當斷路器觸頭分離產(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個左右大氣壓的壓縮空氣或5個大氣壓左右的六氟化硫氣體（SF6）先儲存在專門的儲氣罐中，斷路器分閘時產(chǎn)生電弧，隨后打開噴口，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、塑料等有機固體材料制成，電弧燃燒時與管的內(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為縱吹，縱吹能增強弧柱中的帶電質(zhì)點向外擴散，使新鮮介質(zhì)更好地與熾熱電弧接觸，加強電弧的冷卻，有利于迅速滅弧。 （2）橫吹 橫吹時氣流或油流的方向與觸頭運動方向是垂直的，或者說與電弧軸線方向垂直。橫吹不但能加強冷卻和增強擴散，還能將電弧迅速吹彎吹長。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 橫吹滅弧室在開斷小電流時因室內(nèi)壓力太小，開斷性能較差。為了改善開斷小電流時的滅弧性能，可

16、將縱吹和橫吹結(jié)合起來。在大電流時主要靠橫吹，小電流時主要靠縱吹，這就是縱橫吹滅弧室。, 短弧原理滅弧,滅弧裝置是一個金屬柵滅弧罩，利用將電弧分為多個串聯(lián)的短弧的方法來滅弧。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)，一束長弧就被多個金屬片分割成多個串聯(lián)的短弧。如果所有串聯(lián)短弧陰極區(qū)的起始介質(zhì)強度,或陰極區(qū)的電壓降的總和永遠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，是為了減少電弧進入柵片的阻力，縮短燃弧時間。, 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、把電弧迅速拉長的同時，使電弧與滅弧片內(nèi)壁緊密接觸，對電弧的表面進行冷卻和吸附，產(chǎn)生強烈的去游離。原理圖如2-16所示。 石英砂熔斷器中的熔絲熔斷時，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，熔絲氣化時產(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),觸頭材料對電弧中的去游離也有一定影響，用熔點高、導熱系數(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，從而減弱了游離過程，有利于熄滅電弧。 滅弧介質(zhì)的特

18、性，如導熱系數(shù)、電強度、熱游離溫度、熱容量等，對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。在高壓開關(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,一、概述 二、觸頭的接觸電阻 三、觸頭的動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定 四、觸頭的分類和結(jié)構(gòu) 按接觸面的形式分類 按結(jié)構(gòu)形式類, 電氣觸頭基本知識概述,1. 觸頭的概念 電氣觸頭是指兩個導體或幾個導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關(guān)電器中的動、靜觸頭。 2. 對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，有良好的導電性能和接觸性能； （3）通過規(guī)定電流時，發(fā)熱

19、穩(wěn)定而且不超過允許值； （4）通過短路電流時，具有足夠的動穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性； （5）開斷規(guī)定短路電流時，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短路電流時的發(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。, 觸頭的熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定,觸頭在長期負荷電流下工作時，由于接觸電阻的存在，觸 頭要發(fā)熱，使其溫度升高，同時也向周圍介質(zhì)散熱，當發(fā)熱量 等于散熱量時，觸頭就穩(wěn)定在工作溫度下運行。這個溫度值小 于觸頭材料長期允許的溫度。因此，觸頭是安全的。由于負荷 電流相對于短路電流要小得多，所產(chǎn)生的電動力不會影響觸頭 的正常工作。 當觸頭短時間內(nèi)通過大電流時，如短路電流、電動機的起 動電流等，所產(chǎn)生的熱效應和電動力具有沖擊特性，對觸頭能 否正常工作造成很大威脅，可能使觸頭熔焊和短時過熱、觸頭 接觸壓力下降等后果。因此，開關(guān)電器必須采取有效措施，保 證在通過短路電流時有足夠的動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定。, 觸頭的