电力牵引供变电技术 第二章-交、直流电弧的形成及熄弧原理与方法

§2.2交、直流电弧的形成及熄弧原理与方法开关设备在高压电器中占有重要的地位，机械式的开关设备是用触头的位移来开断电路电流的。发生在开关设备中的电弧称为开关电弧。80mAA20VV静动静触头动触头一、电弧的形成电弧是气体放电的一种形式。放电现象：带电体周围介质从绝缘状态变为导通状态，从而使电能通过的现象。开关设备进行切断电路或关合电路时，若动、静触头之间的电场强度大于介质强度，则触头之间的绝缘气体被击穿，成为游离状态，在游离状态下的气体具有很强的导电性能，这实质上是绝缘介质转变成了导电体，也就是形成了电弧。为什么在切断有电流通过的电路时会形成导电的弧道？开关在断开的状态时，动、静触头间一般是不导电的绝缘气体。_+____+__+触头刚分离强场发射占主导地位踫撞游离形成电弧触头分离后期热电子发射占主导地位+_+_+热游离电弧持续燃烧E电弧通常可以分为三部分：阴极、弧柱和阳极。电弧的产生是中性质点不断被游离的结果触头开距加大电场强度E减小二、电弧的特点：(1)电弧是强功率的放电现象伴随着电弧，大量的电能转化为热能的形式，使电弧处的温度极高，以焦耳热形式发出的功率可达10000kW。(2)电弧是一种自持放电现象不用很高的电压和很大的电流就能维持相当长的电弧稳定燃烧而不熄灭。(3)电弧是等离子体，质量极轻，极易改变形状电弧区内气体的流动包括自然对流及外界甚至电弧电流本身产生的磁场都会使电弧受力，改变形状。三、电弧熄灭的物理过程在游离的同时，还存在着一种与游离现象相反的过程，即带电质点互相中和成为不导电的中性质点，使带质点大大减少，这种现象称为去游离。1.电弧的去游离方式：(1)复合(2)扩散(3)气体分离--+-+中性粒子电子负离子复合正离子中性粒子2.熄灭电弧的基本条件：游离速度去游离速度电弧燃烧更加强烈游离速度去游离速度=电弧稳定燃烧游离速度去游离速度电弧逐渐熄灭四、电弧电压分布—电弧上的电压降；—阴极电压降；—弧柱上的电压降；—阳极电压降KuHZuauHu触头间的电弧可以分为三个区域：阴极区弧柱区阳极区-+阴极区阳极区弧柱区触头触头lukuauHZuHu五、直流电弧的熄灭条件1.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当电弧稳定燃烧时，电弧电压与电弧电流的关系曲线为电弧的静态伏安特性。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二、直流电弧的稳定燃烧点及熄灭条件(一)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，可得电压平衡方程式：是电路伏安特性；是电弧静伏安特性。0dtdihUiRE)(IfiRE)(IfUh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。(二)直流电弧的熄灭条件在使用电器分断电路或闭合电路时，希望熄灭电弧，而不希望它稳定燃烧，也就是希望静伏安曲线与电路的伏安特性没有交点。若提高电弧静伏安特性，使它与曲线无交点，如图中虚线位置，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六、交流电弧的熄灭条件与熄灭过程在交流电路中，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，交流电弧的这种特性称为动特性。1.交流电弧的特性由图知，电弧温度变化略滞后于电流的变化。温度最大值落后于电流最大值20°电角度，温度最低值落后于电流零值27°。在交流电流过零时，交流电弧将暂时熄灭。电弧温度的变化总滞后于电流的变化，其原因是弧柱的受热升温和散热降温都有一个过程，跟不上快速变化的电流，这种现象称为电弧的热惯性。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：(1)介质强度的恢复过程电流大时，电弧温度高，电弧中热游离强烈，弧隙导电性能良好，弧隙介电强度几乎为零。电流过零时，电源停止提供能量，弧隙温度剧降，热游离减弱，电源电压若同时过零，则弧隙中带电质点无电场力作用，其运动速度较慢，此时的去游离过程最强烈，弧隙由电流最大值时的良好导电状态，逐渐变为中性的不导电状态，恢复为绝缘介质，电弧熄灭。(2)弧隙电压的恢复过程触头间电流为零后，加在弧隙上的电压称为恢复电压。恢复电压达到最大值的变化过程称为弧隙电压的恢复过程。2.交流电弧的熄灭比较电流过零后弧隙介电强度值和恢复电压值的大小，可以判断交流电弧在电流过零后能否熄灭。只要电流过零后，弧隙介电强度值始终大于弧隙恢复电压值，弧隙不被击穿，交流电弧熄灭，否则，电弧将重燃。由于电弧具有热惯性，使电弧过零时，电弧的温度不是最低，弧隙间仍有一定数量的带电质点，弧隙绝缘仍保持较低的数值，当反向电压加到弧隙上，尚未达到最大值时，弧隙将立即击穿，电弧重燃。hu静触头动触头静触头动触头无弹簧有弹簧六、熄灭电弧的基本方法1.加速触头的分离速度，迅速拉长电弧。2.采用未游离的流体(油或气体)吹动电弧。分别有横吹、纵吹、纵横结合。横吹可使电弧冷却并拉长变细，其气流方向垂直于电弧燃烧中心，比纵吹对电弧冷却作用好。结合纵、横吹弧，灭弧效果更好。静触头动触头静触头动触头3.用磁吹法灭弧按左手定则，当电弧电流垂直于外磁场时，电弧将受到磁场力的作用而发生弯曲、变形，使冷却作用加强，电弧易熄灭。电弧在本身电流产生的电动力影响下的伸展电弧在外加线圈磁场力影响下的移动1-吹弧角2-磁吹线圈4.把长电弧分成短电弧。每相有四个断口的油断路器熄弧栅作用原理图1-静触头2-动触头3-栅片金属栅片栅片结构5.采用介质绝缘强度大、热容量大的气体作为灭弧介质如采用SF6气体作为灭弧介质的SF6断路器，其灭弧性能比空气优良100倍。6.加大气体介质压力或采用真空熄弧将断路器的触头置于高真空中或适当加大弧隙间气体介质的压力均有利于灭弧。