电弧的形成和熄灭

2.1电弧的形成及灭弧一、电弧的特点和危害：1、电弧概念电弧：是一种气体游离放电现象游离：是指中性质点转化为带电质点的过程。2、电弧特点电弧是开关电器接通或开断负荷电路时不可避免的现象；电弧是一种气体自持放电现象，触头间只要有电弧存在，电路就没有断开；电弧温度极高，可能烧坏触头及触头附近的其它部件；维持电弧稳定燃烧的电压很低，在大气中一厘米长直流电弧的弧柱电压只有15～30V；电弧是一束游离的电子（和带电质点）流，质量极轻，容易变形。不依赖外界电离条件，仅由外施电压作用即可维持的一种气体放电3、电弧的危害（1）、电弧的存在延长了开关电器（尤其指断路器）开断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。（2）、电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。（3）、由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。二、电弧的形成1、强电场发射开关电器分闸的瞬间，由于动、静触头的距离很小，触头间的电场强度就非常大，当E＞3×106V/cm时，触头内部的电子在强电场作用下被拉出来，就形成强电场发射。强电场发射是最初产生电子的主要原因阳极U阴极自由电子强电场强电场发射2.热电子发射—当触头分开瞬间，由于触头间的的接触压力及接触面积逐渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致阴极表面温度急剧升高而发射电子阴极阳极自由电子强电场阴极阳极U自由电子中性质点正离子3.碰撞游离—从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极运动，在运动过程中电子和中性质点相碰撞而使中性质点分裂为带电离子和自由电子的现象。电弧的形成主要是碰撞游离所致。阴极阳极电弧开始燃烧雪崩击穿阴极阳极自由电子中性质点正离子4.热游离—由于温度增加，质点运动加速，动能增加，质点相互碰撞将被游离而形成电子和正离子。电弧形成之后，维持电弧燃烧所需的游离过程是热游离。结论:电弧的形成实际上是一个连续的过程。最初，由阴极借强电场和热电子发射提供起始自由电子，然后，由碰撞游离而导致介质击穿，产生电弧，最后靠热游离来维持。三、游离和去游离在电弧中，介质产生游离的同时还产生去游离的相反过程。去游离：带电质点相互中和为不导电的中性质点，使带电质点减少的现象。弧隙的去游离是靠离子的复合和扩散两种形式进行的1、复合能量较小的电子附着于中性质点，形成负离子，正、负离子相撞成为中性质点的过程。阴极阳极负离子中性质点正离子2、带电质点的扩散：弧柱中的自由电子及离子由于热运动从弧柱内部逸出进入周围介质的一种现象。阴极阳极自由电子扩散的形式有二种：温度扩散，由于电弧和周围介质间存在很大温差，使得电弧中的高温带电质点向温度低的周围介质中扩散，减少了电弧中的带电质点；浓度扩散，这是因为电弧和周围介质存在浓度差，带电质点就从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使电弧中的带电质点减少；3.去游离对电弧的影响去游离游离电弧电流减小，逐渐熄灭去游离游离电弧愈旺去游离=游离电弧稳定燃烧温度降低热发射、热游离作用减弱带电质点速度减慢复合加强去游离作用加强电弧温度对去游离的影响四、影响去游离的因素压力增大带电质点间的距离减小复合减弱去游离作用减小电弧燃烧空间的压力对去游离强弱的影响传热能力越强介电强度越大介质热容量越大去游离作用越强熄弧介质与触头材料对去游离强弱的影响触头金属熔点高定义：在直流电路中产生的电弧叫直流电弧1.电弧电压分布图321UUUUh电弧电压＝阴极区压降＋弧柱压降＋阳极区压降-+阴极区弧柱区阳极区1U2U3UhU五、直流电弧的特性触头间的电弧可以分为三个区域：阴极区弧柱区阳极区Uh=阴极区电压U阴极区+弧柱区UH+阳极区U阳极区——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长弧：几个cm～几个m长，主要由UH组成短弧：几个mm长、主要由U阴极区+U阳极区组成,UH近似于零321UUUUh1U2U3U五、直流电弧的特性及熄灭2.直流电弧的伏安特性从电路角度看，直流电弧是一非线性电阻，阻值随电流及其它因素而改变。具有电弧的R—L直流电路RLEhU起弧后电压平衡方程式为：当游离与去游离处于动态平衡，电弧稳定燃烧，则hudtdiLiRERLEhU0dtdihuiRE)(ifiRE)(ifUh是电路伏安特性；是电弧静伏安特性。两条曲线交于A、B两点，此两点既满足了电路的要求(电弧外部条件)，又满足了电弧静伏安特性的要求(电弧内部条件)。B点称为稳定燃烧点；A点称为视在稳定燃烧点。3、直流电弧的稳定燃烧点及熄灭条件a、直流电弧的稳定燃烧点直流电弧的稳定燃烧点也称工作点。让触头保持一定距离，电弧燃烧达到稳定状态后，电流不随时间变化。b、直流电弧的熄灭条件提高电弧静伏安特性，使它与曲线无交点，则电弧熄灭。可知直流电弧熄灭条件为:此式说明，当电源电压不足以平衡稳态电弧电压及线路电阻压降时，电弧电流减小直至熄灭。当两曲线相切时，为电弧燃烧与熄灭的临界状态。hUiRE)(ifiRE1.拉长电弧2.开断电路时在电路中逐级串入电阻4、流电弧的熄灭方法3.在断口上装灭弧栅4.冷却电弧1、交流电弧的特性动态特性热惯性六、交流电弧的特性和熄灭经过分析，可见交流电弧在交流电流自然过零时将自动熄灭，但在下半周随着电压的增高，电弧又重燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就此熄灭。在交流电路中，电流的大小随时间按正弦规律变化，每周期内有两次通过零点，同时交流电弧的温度和直径也随时间变化。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟不上快速变化的电流，所以电弧温度的变化总滞后于电流的变化。对于交流电弧不存在电弧能否熄灭的问题，而是电流过零后如何有效的阻止电弧重燃的问题交流电弧是否重燃与两个物理过程有关，即介质强度的恢复过程和弧隙电压的恢复过程。2、交流电弧的熄灭弧隙介质能够承受外加电压作用而不致使弧隙击穿的电压称为弧隙的介质强度。当电弧电流过零时电弧熄灭，而弧隙的介质强度要恢复到正常状态值还需一定的时间，此恢复过程称之为弧隙介质强度的恢复过程。tdu12340a'a''a1－真空2－6SF3－空气4－油介质强度的恢复过程srtrruuu电弧电流自然过零后，电路施加于弧隙的电压，将从不大的电弧电压逐渐增长，一直恢复到电源电压，这一过程中的弧隙电压称为恢复电压。电压恢复过程与线路参数、负荷性质等有关。恢复电压＝瞬态恢复电压＋工频恢复电压ruto0Utrusruau0ru弧隙电压的恢复过程。1.如果电源电压恢复过程大于介质强度恢复过程，气隙被击穿，电弧重燃。2.如果电源电压恢复过程低于介质强度恢复过程，电弧熄灭。交流电弧的熄灭条件七、熄灭电弧的方法设法使电流过零后，弧隙介质强度恢复速度大于弧隙恢复电压恢复速度，则在过零后的下半周，电弧就不会重燃而最终熄灭。开关电器中的灭弧装置就是基于这一理论而产生的。迅速拉长电弧，有利于迅速减小弧柱中的电位梯度，增加电弧与周围介质的接触面积，加强冷却和扩散的作用。1、提高触头的分闸速度静触头动触头静触头动触头无弹簧有弹簧每一相有两个或多个断口相串联。在熄弧时，多断口把电弧分割成多个相串联的小电弧段。多断口使电弧的总长度长，导致弧隙的电阻增加；在触头行程、分闸速度相同的情况下，电弧被拉长的速度成倍增加，使弧隙电阻加速增大，提高了介质强度的恢复速度，缩短了灭弧时间。采用多断口时，加在每一断口上的电压成倍减少，降低了弧隙的恢复电压，亦有利于熄灭电弧。在要求将电弧拉到同样的长度时，采用多断口结构成倍减小了触头行程，也就减小了开关电器的尺寸。2、采用多断口3、吹弧用新鲜而且低温的介质吹拂电弧时，可以将带电质点吹到弧隙以外，加强了扩散，由于电弧被拉长变细，使弧隙的电导下降。吹弧还使电弧的温度下降，热游离减弱，复合加快。按吹弧气流的产生方法和吹弧方向的不同，吹弧可分为以下几种。1.吹弧气流产生的方法有：（1）用油气吹弧用油气作吹弧介质的断路器称为油断路器。在这种断路器中，有用专用材料制成的灭弧室，其中充满了绝缘油。当断路器触头分离产生电弧后，电弧的高温使一部分绝缘油迅速分解为氢气、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳等气体，其中氢的灭弧能力是空气的7.5倍。这些油气体在灭弧室中积蓄能量，一旦打开吹口，即形成高压气流吹弧。（2）用压缩空气或六氟化硫气体吹弧将20个左右大气压的压缩空气或5个大气压左右的六氟化硫气体（SF6）先储存在专门的储气罐中，断路器分闸时产生电弧，随后打开喷口，用具有一定压力的气体吹弧。（3）产气管吹弧产气管由纤维、塑料等有机固体材料制成，电弧燃烧时与管的内壁紧密接触，在高温作用下，一部分管壁材料迅速分解为氢气、二氧化碳等，这些气体在管内受热膨胀，增高压力，向管的端部形成吹弧。2.按吹弧的方向分为：（1）纵吹吹弧的介质（气流或油流）沿电弧方向的吹拂称为纵吹，纵吹能增强弧柱中的带电质点向外扩散，使新鲜介质更好地与炽热电弧接触，加强电弧的冷却，有利于迅速灭弧。（2）横吹横吹时气流或油流的方向与触头运动方向是垂直的，或者说与电弧轴线方向垂直。横吹不但能加强冷却和增强扩散，还能将电弧迅速吹弯吹长。有介质灭弧栅的横吹灭弧室，栅片能更充分地冷却和吸附电弧，加强去游离。在相同的工作条件下，横吹比纵吹效果要好。（3）纵横吹横吹灭弧室在开断小电流时因室内压力太小，开断性能较差。为了改善开断小电流时的灭弧性能，可将纵吹和横吹结合起来。在大电流时主要靠横吹，小电流时主要靠纵吹，这就是纵横吹灭弧室。4、短弧原理灭弧灭弧装置是一个金属栅灭弧罩，利用将电弧分为多个串联的短弧的方法来灭弧。由于受到电磁力的作用，电弧从金属栅片的缺口处被引入金属栅片内，一束长弧就被多个金属片分割成多个串联的短弧。如果所有串联短弧阴极区的起始介质强度或阴极区的电压降的总和永远大于触头间的外施电压，电弧就不再重燃而熄灭。采用缺口铁质栅片，是为了减少电弧进入栅片的阻力，缩短燃弧时间。灭弧装置的灭弧片是由石棉水泥或陶土制成的。触头间产生电弧后，在磁吹装置产生的磁场作用下，将电弧吹入又灭弧片构成的狭缝中，把电弧迅速拉长的同时，使电弧与灭弧片内壁紧密接触，对电弧的表面进行冷却和吸附，产生强烈的去游离。石英砂熔断器中的熔丝熔断时，在石英砂的狭沟中产生电弧。由于受到石英砂的冷却和表面吸附作用，使电弧迅速熄灭。同时，熔丝气化时产生的金属蒸汽渗入石英砂中遇冷而迅速凝结，大大减少了弧隙中的金属蒸汽，使得电弧容易熄灭。5、利用固体介质的狭缝狭沟灭弧触头材料对电弧中的去游离也有一定影响，用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属制作触头，可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸汽，从而减弱了游离过程，有利于熄灭电弧。灭弧介质的特性，如导热系数、电强度、热游离温度、热容量等，对电弧的游离程度具有很大影响，这些参数值越大，去游离作用就越强。在高压开关中，广泛采用压缩空气、六氟化硫（SF6）气体、真空等作为灭弧介质。6、用耐高温金属材料作触头、优质灭弧介质八、真空电弧及其灭弧在1.33×10-2Pa以下真空容器内燃烧的电弧，称为真空电弧。真空电弧实际上是在触头材料产生高密度的金属蒸气中燃烧的电弧，所以也称金属蒸气电弧。1、真空电弧的分类扩散型电弧：当采用一般电极，开断电流为5~6kA及以下时出现的电弧。阴极表面上有许多分裂而明亮的斑点，这些斑点互相排斥，且作无规则运动。电弧电压低，电弧能量小，电流过零后，触头不会再产生阴极斑点，触头间的介质绝缘强度恢复十分迅速。聚集型电弧：采用一般电极，开断电流为6kA以上时出现的电弧，是扩散型电弧受磁力作用聚集在一起形成的。阴极上分散的阴极斑点，受磁力作用而重新聚集，最后形成运动速度缓慢的阴极斑点。触头温度高，阴极和阳极表面可能发生局部熔化和烧损现象。电弧电压明显增加，电流过零后，触头间介质强度恢复缓慢，易导致电弧复燃或重新击穿。2、真空电弧熄灭真空电弧的熄灭主要取决于触头的阴极现象和阳极发热程度以及等离子体向周