第第3 3章章 开关电器中的灭弧原理开关电器中的灭弧原理1 在开关电器触头接通或分离时，触头间会产生电弧，在开关电器触头接通或分离时，触头间会产生电弧，电弧是电流流过触头间气体产生的，只要有电弧存在，电电弧是电流流过触头间气体产生的，只要有电弧存在，电路就没有断开，且电弧的高温会烧坏开关，甚至会引起开路就没有断开，且电弧的高温会烧坏开关，甚至会引起开关爆炸。关爆炸。 所以要了解电弧理论，及开关中所以要了解电弧理论，及开关中的灭弧原理。的灭弧原理。23-1 电弧的产生和物理特性33.1.1 弧光放电及其特点1.1.气隙间电场足够大时引起电流通过气体，产气隙间电场足够大时引起电流通过气体，产生气体放电。生气体放电。2.2.气体放电的形式有辉光、电晕、弧光放电三气体放电的形式有辉光、电晕、弧光放电三种自持放电。种自持放电。3.3.弧光放电即电弧是一种气体自持放电。弧光放电即电弧是一种气体自持放电。4.4.均匀电场中，气体击穿后随着电流增大将由均匀电场中，气体击穿后随着电流增大将由辉光放电变为弧光放电。辉光放电变为弧光放电。5.5.不均匀电场中气体击穿后随着电压的增高将不均匀电场中气体击穿后随着电压的增高将由电晕放电变为弧光放电。由电晕放电变为弧光放电。43.1.23.1.2电弧的组成部分电弧的组成部分1.1.阴极区阴极区2.2.弧柱区弧柱区3.3.阳极区阳极区5 3.1.3 电弧产生的条件：1.1.断开电路时，触头间电压大于断开电路时，触头间电压大于101020V20V；电流大于；电流大于8080100mA 100mA 2 2、具有大量带电质点、具有大量带电质点电极发射大量自由电子电极发射大量自由电子强电场发射强电场发射强电场力强电场力热电子发射热电子发射高温高温电极间弧柱气体游离，产生大量的电子和离子电极间弧柱气体游离，产生大量的电子和离子碰撞游离碰撞游离电场力的作用，由高速运动的电子作用产生电场力的作用，由高速运动的电子作用产生热游离热游离高温（起弧），由中性质点热运动碰撞产生高温（起弧），由中性质点热运动碰撞产生6阴极发射（起因）碰撞游离（重要因素）击穿（量变到质变）热游离（主要因素）维持发展3.1.4 电弧的形成： 大量带电质点在电场力的作用定向运动。7电弧产生的过程电弧产生的过程1.热电子、强电场发射电子。2.碰撞游离产生电弧。3.热游离维持电弧稳定燃烧。83.1.5 电弧中的去游离1.1.去游离：气隙中带电离子消失的过程。去游离：气隙中带电离子消失的过程。2.2.去游离的形式去游离的形式（1 1）复合：正、负质点相互吸引复和为中性质点）复合：正、负质点相互吸引复和为中性质点（2 2）扩散：将正、负质点扩散移出）扩散：将正、负质点扩散移出 开关电器中的灭弧过程就是去游离的过程。9电弧的特点：电弧的放电现象是一种气体自持放电。电弧是一种离子通道（载流通道）：只有触头间的电弧熄灭后，电流才真正切断。电弧的温度很高、能量大：容易烧坏触头，或使触头周围的绝缘材料遭受破坏。电弧燃烧时间过长，压力过高，有可能使电器发生爆炸事故。质量轻，在外力的作用下易变形10电弧的危害1.电弧的高温烧坏开关触头及部件;2.电弧长久不熄灭引起电气设备烧毁或爆炸;3.电弧的存在使故障长时间不能切除，使事故范围扩大，危及电力系统安全;4.电弧会危及人身安全。113.2 直流电弧的熄灭 123.2.1 3.2.1 直流电弧的伏安特性直流电弧的伏安特性131、静态伏安特性曲线 ： 为发弧电压、即产生电弧的 最小电压值142、电弧电压分布图：电弧电压分布图： =阴极区电压+弧柱区电压+阳极区电压 15U Uh h= =阴极区电压阴极区电压U U阴极区阴极区+ +弧柱区弧柱区U UH H+ +阳极区阳极区U U阳极区阳极区 U阴极区，大小与大小与i ih h无关无关，在空气中U=811V UH与ih呈线性关系 U阳极区 BA燃弧电压 B熄弧电压22电弧在自然过零时将自动熄灭，但下半周期电弧在自然过零时将自动熄灭，但下半周期随着电压的升高，电弧会重燃。随着电压的升高，电弧会重燃。若电流过零时，电弧不再重燃，电弧就此熄若电流过零时，电弧不再重燃，电弧就此熄灭。灭。交流电弧的熄灭主要是阻止电弧重燃，比直交流电弧的熄灭主要是阻止电弧重燃，比直流电弧较易于熄灭。流电弧较易于熄灭。23 3.3.2 3.3.2 弧隙介质强度弧隙介质强度UjUj的恢复的恢复 过程：过程：电流过零前电流过零前电弧的温度高，热游离强烈，弧隙电弧的温度高，热游离强烈，弧隙的导电性能好的导电性能好电流过零时电流过零时弧隙温度剧降，热游离减弱，弧隙弧隙温度剧降，热游离减弱，弧隙失去导电性能而恢复为绝缘介质。失去导电性能而恢复为绝缘介质。电流过零后电流过零后温度继续下降，弧隙介质电强度逐温度继续下降，弧隙介质电强度逐渐回升。渐回升。（电流极性改变后的（电流极性改变后的0.10.11.01.0秒瞬间秒瞬间, , 有有U Uj j=150=150250V250V）243.3.3 3.3.3 弧隙电压弧隙电压U Uhfhf的恢复过程的恢复过程 过程：过程：1 1、电流过零前，电弧电阻很小，电源电压大部、电流过零前，电弧电阻很小，电源电压大部分降落在线路或负载的阻抗上。分降落在线路或负载的阻抗上。2 2、电流过零时，电弧熄灭，最后变为绝缘介质，、电流过零时，电弧熄灭，最后变为绝缘介质，电源电压全部加在弧隙上。电源电压全部加在弧隙上。253.3.4交流电弧的熄灭条件：两曲线无交点263.3.5 熄灭交流电弧的基本方法1.1.采用灭弧能力强的灭弧介质采用灭弧能力强的灭弧介质2.2.采用特殊金属材料作灭弧触头采用特殊金属材料作灭弧触头3.3.吹弧吹弧加强冷却和扩散 横吹将电弧吹弯吹长 纵吹将电弧吹细4.4.采用多断口灭弧采用多断口灭弧 拉长迅速，行程， 灭弧时间提高了灭弧能力 为使两断口电压分部均匀，装设均压电容。（P30）275.5.提高断路器（开关）触头的分离速度提高断路器（开关）触头的分离速度 迅速拉长电弧，冷却与扩散6.6.采用栅片灭弧装置采用栅片灭弧装置 近阴极效应：交流电路电流自然过零时， 每一短弧阴极附近有150250v介质强度。 将电弧吸入栅片间，分割成一串短弧，作 用于触头间的电压小于各短弧阴极介质强度 之和时，电弧熄灭。 28