第02章电弧与电气触头的基本知识(080228修改)

电气设备及运行维护2-1■第二章电弧与电气触头的基本知识第一节电弧的形成与熄灭第二节交流电弧的特性及熄灭第三节开关电器中熄灭交流电弧的基本方法第四节电气触头的基本知识本章计划学时：4学时电气设备及运行维护2-2■本章教学要求了解电弧的危害，熟悉电弧的形成过程熟悉交流电弧的特性，交流电弧的熄灭条件了解交流电弧的开断过程掌握熄灭交流电弧的基本方法熟悉电气触头的基本要求，及触头的分类和结构电气设备及运行维护2-3■第一节电弧的形成与熄灭一、开关电器的灭弧原理（一）电弧现象1)电弧：是一种气体游离放电现象。2)产生电弧的条件：用开关电器开断电源电压大于10~20V，电流大于80~100mA的电路时，就会发生电弧。3)电弧的特点：能量集中，温度很高，亮度很强；电弧是良导体。4)电弧的利用：电弧在工业上有很多有益的应用，例如，利用其高温的电弧焊接机，电弧炼钢炉等。5)电弧的危害：在开关电器中，电弧是有害的，要求尽快地熄灭，否则会烧坏开关触头，误拉隔离开关会造成相间短路和人身伤亡。电气设备及运行维护2-4■6)特征：①气体导电（轻、易变形）；电弧的能量集中，温度很高，亮度很强例：10kvQF断开20kA的电流，电弧功率达到1万kw以上②电弧由阴极区，阳极区和弧柱区组成。弧柱处温度最高，可达6~7k0C到1万度以上在弧柱周围温度较低，亮度明显减弱的部分叫弧焰，电流几乎都从弧柱内部流过。弧柱阳极区阴极区电气设备及运行维护2-5■③电弧的气体放电是自持放电，维持电弧燃烧的电压很低。在大气中，1cm长的直流电弧的弧柱电压仅15~30v，在变压器油中1cm长的直流电弧的弧柱电压仅100~220v。④电弧是一束游离的气体，质量极轻，极易变形。电弧在气体或液体的流动作用下或电动力作用下，能迅速移动、伸长或弯曲。电气设备及运行维护2-6■（二）电弧的产生与熄灭游离——中性质点分解成自由电子和正离子。去游离——电子和正离子相互吸引还原为中性质点。1.电弧的产生1）强电场发射：E=U/s大于3×106V/m时，金属触头阴极表面就会发射自由电子。2）热电子发射：在开关分闸时，动静触头之间的接触压力和接触面积减小，接触电阻增大，接触表面发热严重，产生局部高温，阴极金属材料中的电子获得动能而逸出成为自由电子。静触头动触头自由电子中性质点图2-2电气设备及运行维护2-7■3）加速运动：自由电子，在强电场的作用下，向阳极作加速运动。4）碰撞游离：加速运动获得动能的自由电子在运动中与中性质点发生碰撞，中性质点中的电子获得能量产生跃迁，跳到能级更高的轨道上，如果获得的能量足够大，自由电子就能脱离原子核的束缚，游离成自由电子和正离子。5）雪崩：游离的结果导致触头间自由电子数量剧增。6）介质击穿产生电弧：剧增的电子形成电流，介质被击穿而产生电弧。电弧形成小结①自由电子的来源(即游离方式)电极发射大量自由电子：热电子+强电场发射弧柱区的气体游离：碰撞游离+热游离电气设备及运行维护2-8■②电弧的形成其中：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）→维持发展热电子、强电场发射阴极发射2．电弧的维持与发展1）由于电弧的r小，电弧形成后，触头间的电压和电场强度很低，强电场发射停止。2）由于电弧在燃烧过程中温度很高，可达到几千度甚至上万度，阴极表面继续进行热电子发射。电弧热游离温度磁撞游离加速电气设备及运行维护2-9■3）另一方面介质的分子和原子在高温下将产生强烈的分子热运动，获得动能的中性质点之间不断地发生碰撞，游离成自由电子和正离子，此即所谓热游离。4）热发射和热游离给弧隙提供了大量的自由电子，电流继续流过，电弧的燃烧得以维持。3．电弧的熄灭1）复合去游离：正离子和负离子相互吸引而中和成为中性质点的过程。自由电子的v远大于正离子，它们直接复合的可能性很小，往往是自由电子先附着在中性质点上，形成负离子，运动速度大大减慢，此时正离子和负离子更容易复合。2）扩散去游离：自由电子和正离子逸出电弧而进入周围介质中，被周围介质冷却而复合的过程。由于电弧内外的电荷浓度及温差的不同，自由电子和正离子将向浓度和温度都低的周围介质中扩散，在低温处，电子和离子的v减慢而复合成为中性质点。电气设备及运行维护2-10■影响游离和去游离的因素①电弧温度：热游离↓→Q↓速度↓→复合加强→Q↓使温度降低的方法有：吹弧、拉长电弧、或与冷却介质表面接触。②电场强度：E↓→运动速度↓→复合↑→Q↓→热游离↓③气体介质的压力：F↓→自由行程缩短→离子浓度↑→复合↑真空数目少→磁撞游离↓→扩散↑④介质特性：包括气体的介电强度、导热系数、热容量、电负荷⑤电极材料：铜、银、铜钨、银钨合金具有熔点高、导热能力强、热容量大的特点，可减少热电子发射和弧柱中的金属蒸气。电气设备及运行维护2-11■游离作用等于去游离作用，新增加的带电质点数量与中和的数量相等，电弧稳定燃烧。游离作用大于去游离作用，电弧燃烧加剧。游离作用小于去游离作用，则电弧中的带电质点数量减少，最终导致电弧熄灭。3）电弧的熄灭：电弧的燃烧是由游离过程维持的，但在电弧中同时还进行着相反的使带电质点数量减少的去游离过程。第二节交流电弧的特性1）电弧电流交变，每半个周期过零一次，此时电弧因失去能量而自然熄灭。电气设备及运行维护2-12■2）由于热惯性，弧柱温度的变化滞后于快速变化的电流，所以交流电弧的伏安特性是动态的，如图2-3所示。在电流增大时，温度来不及增高，弧隙电阻来不及减小；在电流减小时，温度来不及减小，弧隙电阻来不及增大。故图2-3a中正方向电流增大时的曲线在电流减小时的上方。A点是电弧产生时的电压，称为燃弧电压。B点是电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压。OAauaua)b)B图2-3iti电气设备及运行维护2-13■（四）交流电弧熄灭的条件1）熄灭交流电弧的最佳时机：交流电弧每半周期自然熄灭是熄灭交流电弧的最佳时机。2）在电流过零后，弧隙中存在着两个恢复过程。a)介质强度恢复过程:由于去游离作用的加强，弧隙间的介质逐渐恢复其绝缘性能，以耐受的电压Ur(t)表示。b)弧隙电压恢复过程:电源电压要重新作用在触头上，弧隙电压将从熄弧电压逐渐恢复到电源电压，用Ud(t)表示。1．弧隙介质强度恢复过程（1）起始介质强度（近阴极效应）在电流过零后的0.1~1μs的短暂时间内，阴极附近出现150~250V的起始介质强度，称为近阴极效应。电气设备及运行维护2-14■原因：在电流过零的瞬间，弧隙电压的极性发生变化，弧隙中的自由电子立即向新阳极运动，正离子质量大，基本未动，在新阴极附近就形成了只有正电荷的不导电薄层，阻碍阴极发射电子，呈现出一定的介质强度，如图2-4所示。（2）起始介质强度出现后的介质强度的恢复这是一个复杂的过程，它与电弧电流、介质特性、冷却条件和触头分断速度有关。电气设备及运行维护2-15■2．弧隙电压恢复过程1）电弧为纯电阻性质，电弧电流与弧隙电压同相位，电弧电流过零时，弧隙电压接近零；2）短路时电路电阻很小，电路呈感性，电弧电流与电源电压不同相位，电弧电流过零时，电源电压不等于零；3）由于电路参数L、C的存在，电弧熄灭后，弧隙电压不可能立刻由熄弧电压上升到电源电压，一般弧隙恢复电压是一个过渡过程。它将从瞬态（振荡）恢复电压逐渐过渡到工频恢复电压。电气设备及运行维护2-16■3．交流电弧熄灭的条件电流过零后，电弧能否熄灭取决于两个恢复过程作用的结果：1）如果弧隙电压恢复过程上升速度较快，幅值较大，弧隙电压恢复过程大于弧隙介质强度恢复过程，介质被击穿，电弧重燃，如图2-6a所示。2）如果弧隙介质强度恢复过程始终大于弧隙电压恢复过程，则电弧熄灭，如图2-6b和2-6c所示。故交流电弧熄灭的条件应为：Ud(t)Ur(t)电气设备及运行维护2-17■（五）断路器开断短路电流时的弧隙电压恢复过程如果能够采取措施，防止弧隙恢复电压振荡，将周期性振荡特性的恢复电压转变为非周期性恢复过程，电弧就更容易熄灭，如图2-6c所示。目的：找出恢复电压不振荡的条件及防止振荡的方法。断路器开断短路电流时的电路如图2-7a所示，其等效电路如图2-7b所示，R、L为电源和变压器的电阻和电感，C可以认为是变压器绕组及连接线对地的分布电容，r为断路器触头并联电阻。电气设备及运行维护2-18■断路器开断短路电流时的弧隙电压恢复过程相当于二阶电路过渡过程中，电容C两端的电压变化过程，即。1）熄弧后，从瞬态恢复电压过渡到电源电压的时间很短，一般不超过几百微秒，可近似认为电源电压不变，故电源用直流电源U0来代替。假设与初始条件：２）0dd0010tuCiuutCrC，时，３）i=0时是时间的起点，即t=0rCuu如图2-7b所示，当开关S闭合时，有0CddUutiLRirutuCiiiCC21dd电气设备及运行维护2-19■0CC2C21ddddUurRturLRCtuLC整理得：此为二阶常系数线性微分方程，其特征根为LCrCLRrCLR114112122,1ttCAArRrUu21ee210tCtAArRrUu1e)(210当特征根不等时，非齐次通解为当特征根为重根时，非齐次通解为电气设备及运行维护2-20■LCrCLR11412rRrUuA00r2121rRrUuA00r2112①当时，特征根为不等负实根。可解得0dd0010tuCiuutCrC，时，根据初始条件：rRrUurRrUuutt00r12210rC21ee1代入非齐次通解可解得电气设备及运行维护2-21■rR00rUu一般变压器绕组电阻，略去不计，得ttUu21ee1112210r从上式可以看出，由于特征根为负实根，故弧隙电压恢复过程为非周期性的，如图2-8曲线3所示。21tt12ee21一般，略去不计，故上式最大值不会超过U0，进一步化简得)e1(10rtUu忽略R后，特征根为LCrrCrCLCrCrC22141212112121电气设备及运行维护2-22■1404122LCrLCr，211xx根据近似计算，当x很小时，LrLCrrCrC241212121)e1(0rtLrUu对上式微分，可得电流过零时的恢复电压上升速度(V/s)为00rddULrtut由上式可知，触头并联电阻r可以降低恢复电压的上升速度，r越小，恢复电压的上升速度越低。电气设备及运行维护2-23■②当LCrCLR11412时，特征根为共轭复根。0222,1j1411j1211141121rCLRLCrCLRLCrCLRrCLRrCLR121201411rCLRLC电气设备及运行维护2-24■12将、代入，得ttUu21ee1112210r利用欧拉公式化简，得tttUuecossin10000r从式(2-11)可以看出，α1、α2为共轭复根时，弧隙电压恢复过程为衰减的周期性振荡过程，如图2-8曲线2所示，从图中曲线2可以看出，周期性振荡过程的恢复电压上升速度较快，幅值较大，给电弧的熄灭带来困难。,0LCf1π200如果断路器触头没有装设并联电阻，即r=∞时，忽略R，电气设备及运行维护2-25■)cos1(00rtUuuCa)周期性振荡过程中的弧隙恢复电压最大值可达2U0，如图2-8曲线1所示。③当LCrCLR11412时，为相等的负实根(重