电弧及电气触头的基本理论t

福建水电学院电气设备1第3章电弧及电气触头的基本理论教学要求：掌握电弧的特征了解电弧形成的原因及电弧熄灭的基本方法影响触头电阻的因素。重点：电弧熄灭的基本方法。影响触头电阻的因素。难点：电弧形成的原因福建水电学院电气设备2§3-1电弧的形成和熄灭弧柱阳极区阴极区一、电弧现象当开关电器开断电路时，只要电路中的电流超过80～100mA或电压超过10～20V，断口就会产生强烈的白光，称为电弧。福建水电学院电气设备3§3-1电弧的形成和熄灭二、电弧的特点与危害：•实质：气体游离导电;•特点：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，可能使电器发生爆炸事故。质量轻，在外力的作用下易变形，扩大事故范围和程度。福建水电学院电气设备4§3-1电弧的形成和熄灭１、电弧产生的条件断开电路时，触头间电压大于10～20V；电流大于80～100mA2、带电质点的来源①电极发射大量自由电子强电场发射——强电场力热电子发射——高温②电极间弧柱气体游离，产生大量的电子和离子碰撞游离——电场力的作用，由高速运动的电子作用产生热游离——高温（起弧），由中性质点热运动碰撞产生三、电弧的形成：大量带电质点在电场力的作用定向运动福建水电学院电气设备5§3-1电弧的形成和熄灭3、电弧的形成过程：强电场发射热电子发射电弧热游离温度磁撞游离加速弧柱阳极区阴极区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）→维持发展福建水电学院电气设备6§3-1电弧的形成和熄灭关键是加强去游离作用介质的游离作用→电弧产生介质的去游离作用→电弧熄灭1．去游离：复合与扩散2．熄弧条件游离与去游离谁主导？当游离去游离——电弧电流↑（剧烈燃烧）当游离=去游离——电弧电流不变（稳定燃烧）当游离去游离——电弧电流↓→（熄灭）四、电弧的熄灭：带电质点不断消失福建水电学院电气设备7①复合异性质点靠近而相互中和的现象。②扩散带电质点逸出弧柱外的现象。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↓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；F↓→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、电负性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。3、去游离方式氢气——导热性和灭弧性能较好，灭弧能力为空气的7.5倍SF6——很强的电负性，灭弧能力约为空气的100倍福建水电学院电气设备8特性：1、电弧电压分布图：=阴极区电压+弧柱区电压+阳极区电压弧柱阴极区区极阴UnhU§3.2直流电弧的特性及熄灭福建水电学院电气设备9Uh=阴极区电压U阴极区+弧柱区UH+阳极区U阳极区或：——U阴极区，大小与ih无关，在空气中U=8～11V——UH与ih呈线性关系——U阳极区U阴极区、且随ih增大而减小甚至为零短弧：几个mm长、主要由U阴极区+U阳极区组成,UH近似于零长弧：几个cm～几个m长，主要由UH组成321UUUUh1U2U3U§3.2直流电弧的特性及熄灭福建水电学院电气设备102、静态伏安特性曲线)(hhifUUfUhabih§3.2直流电弧的特性及熄灭福建水电学院电气设备113、直流电弧的工作点UkUnLR具有直流电弧的R——L电路§3.2直流电弧的特性及熄灭福建水电学院电气设备12电压方程式U——电源电压。ihR——电阻电压。——电感电压Uh——电弧电压直流电弧的熄灭条件hhLRudtdiLiRUUUUdtdiLULhhuRiU)(hhuRiU§3.2直流电弧的特性及熄灭福建水电学院电气设备134、近阴极效应（短弧原理）将长弧沿垂直方向切割成多段电弧串联，每一段即构成一个短弧，获得一个阴极区压降。如果加在触头间的电压小于各段短弧的阴极电压之和，则电弧就不能维持而熄灭。§3.2直流电弧的特性及熄灭福建水电学院电气设备145、直流电弧的熄灭方法(1).拉长电弧(2).开断电路时在电路中逐级串入电阻(3).在断口上装灭弧栅(4).冷却电弧直流电弧的熄灭注意事项在直流电路中不能采用灭弧能力太强的开关电器，避免产生过电压。福建水电学院电气设备15一、特性（1）交流电弧的电流大小随时间按正弦规律变化，且存在电弧的热惯性。电弧电流过零，交流电弧自动暂时熄灭。（2）弧隙电压呈现马鞍形BAtUhAB§3．3交流电弧的特性及熄灭福建水电学院电气设备16二、交流电弧的熄灭1、弧隙介质电强度的恢复过程UjUj——弧隙介质能够承受而致使弧隙击穿的最小电压过程：电流过零前——电弧的温度高，热游离强烈，弧隙的导电性能好电流过零时——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。电流过零后——温度继续下降，弧隙介质电强度逐渐回升。这种现象称为交流电路的近阴极效应。（电流极性改变后的0.1～1.0秒瞬间,有Uj=150～250V）§3．3交流电弧的特性及熄灭福建水电学院电气设备172、弧隙电压的恢复过程UhfUhf——电压由熄弧电压恢复到电源电压的过程。过程:（1）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。（2）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。§3．3交流电弧的特性及熄灭•触头间介质强度Uj（击穿电压）的影响因素——温度、浓度、距离•影响触头间恢复电压Uhf的因素——电源电压、负载感阻比例、熄弧前电流变化率福建水电学院电气设备183、交流电弧的熄灭条件：0aUnfuUjta)熄灭b)重燃0tuUj§3．3交流电弧的特性及熄灭两曲线无交点jhfUU福建水电学院电气设备19三、交流电弧的灭弧方法(1)提高触头的分闸进度——迅速拉长电弧，E↓，冷却与扩散↑(2)采用多断口灭弧——拉长迅速↑，行程↓，灭弧时间↓提高了灭弧能力(3)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§3．3交流电弧的特性及熄灭福建水电学院电气设备20(4)利用固体介质的狭缝狭沟灭弧——冷却,表面吸附电子，加强复合。如：介质纵缝灭弧罩介质填料灭弧管(5)利用短弧原理灭弧（交流电弧的近阴极效应）交流电路：电流自然过零时，每一短弧有150～250v电压。§3．3交流电弧的特性及熄灭原因：电流过零后极性改变，弧隙中剩余的带电质点的运动方向也相应改变，电子能迅速朝相反方向运动，而比电子质量大1000倍的正离子几乎原地未动，于是在阴极附近便立刻形成一个只有正电荷的不导电层，起阻碍阴极发射电子的作用。福建水电学院电气设备21(6)磁吹——利用电磁力驱动和拉长电弧至固体介质灭弧罩或金属栅灭弧罩中(7)高压力气体介质灭弧——磁撞游离↓，复合↑(8)真空灭弧——碰撞游离↓，热游离↓，扩散↑§3．3交流电弧的特性及熄灭福建水电学院电气设备22吹弧（纵吹、横吹、环吹、纵横吹）迅速拉长电弧多断口灭弧使电弧在周围介质中移动灭弧利用固体介质的狭缝或狭沟灭弧增大绝缘介质气体压力将触头置于真空灭弧室中将长弧分割成多段短弧。§3-4熄灭电弧的基本方法福建水电学院电气设备23一、概述定义：电气触头是指两个导体或几个导体之间相互接触实现导电的部分。电气触头按接触形式可分为：点接触、线接触和面接触三种。§3．5电气触头福建水电学院电气设备24对电气触头的要求1、结构可靠，便于调整、维修和更换。2、具有良好的导电性能和接触性能：3、长期通过规定的电流不过热，短时通过短路电流应满足动稳定和热稳定要求。4、可分触头应能可靠地开断规定断流量的电弧，有足够的抗熔焊和抗电弧烧伤的性能。§3．5电气触头福建水电学院电气设备25二、电气触头的接触电阻1、触头电阻＝触头体电阻＋接触电阻＝触头体电阻＋收缩电阻＋表面膜电阻2、影响接触电阻的因素及降低其值的措施：（1）触头材料：铜铝过渡接头片（2）接触压力：（3）接触形式：点、线、面接触的用途（4）接触面的加工情况：要求平整而不是光滑接触电阻决定触头质量福建水电学院电气设备26§3．5电气触头三、触头的结构型式按接触面的形式划分平面触头线触头点触头按结构形式划分可动触头固定触头可分触头刀形触头指形触头插座式触头福建水电学院电气设备27触头的结构与分类福建水电学院电气设备28习题及思考题3—1何为电弧？简述断路器触头开断时断口电弧的形成过程及由此而确定的基本灭弧方法。3—2直流电弧稳定燃烧的条件为何？灭弧栅何灭弧室在灭弧原理上由何差别？3—3交流电弧电流有何特点？熄灭交流电弧的条件是什么？3—4什么叫介质强度恢复过程？什么叫电压恢复过程？它们与哪些因素有关？3—5在直流电弧和交流电弧中，将长电弧分割成短电弧灭弧室利用了什么原理？3—6电气触头主要有哪几种接触形式？各有什么特点？3—7如果电气触头发生振动是什么原因造成的？有什么危害？