《电能生产过程》学习笔记七

电能生产过程—学习笔记七主题：《电能生产过程》学习笔记内容：《电能生产过程》学习笔记七——电弧特性一、电弧的产生与熄灭当用开关电器切断有电流的电路时，在动静触头间隙（简称弧隙）中会出现电弧现象。在电弧燃烧期间，触头虽已分开，但电路中的电流仍以电弧的方式维持着，电路并未真正断开，只有电弧熄灭后，电路才算真正被切断。1、电弧的产生电弧之所以能形成导电通道，是因为电弧弧柱中出现了大量自由带电粒子。这些自由带电粒子是触头绝缘介质的中性粒子（分子和原子）被游离的结果，电弧的形成就是气态或固态、液态介质在弧隙被游离后向等离子体态的转化，一般包含如下过程。（1）阴极的强电场发射加有电压U的触头刚分离时，触头间隙s很小，触头间会形成很强的电场强度E（sUE），当E超过3×l06V／m以上时，阴极触头金属表面的电子就会在强电场作用下被拉出，成为存在于触头间隙中的自由电子。（2）阴极的热电子发射触头是由金属材料制成的，金属内部存在大量的自由电子。当开断电路时，在触头分开的瞬间，由于大电流被切断，在阴极上出现强烈的炽热点，从而有电子从阴极表面向四周发射，这种现象称为热电子发射。（3）弧柱区的碰撞游离从阴极发射出来的自由电子，在电场力的作用下，向阳极作加速运动，在奔向阳极的途中与介质（空气或别的绝缘物质）的中性粒子（原子或分子）发生碰撞，如果电子的运动速度足够高，其动能大于中性粒子的游离能（能使其最外层电子释放出来所需的能量）时，便使中性粒子游离为新的自由电子和正离子，这种游离过程称碰撞游离。（4）弧柱区的热游离在电弧高温下（弧柱温度一般在5000℃以上），一方面阴极继续产生热电子发射，另一方面金属触头在高温下熔化蒸发，以致介质中混有金属蒸汽，使弧隙电导增加，而且由于电弧的高温，介质粒子将产生强烈的不规则热运动，当那些具有足够动能的中性粒子互相碰撞时，可游离出自由电子和正离子，这种现象称热游离。2、电弧的熄灭触头间在发生游离过程的同时，还进行着使带电粒子减少的去游离过程。去游离的主要形式为复合和扩散。（1）复合去游离弧柱中的异性粒子互相吸引而中和成中性粒子的现象，称复合去游离。在弧隙场强作用下，电子的运动速度远大于正离子，而交换能量（中和电荷）需要有一定的作用条件（相对距离近、相对速度小等），所以复合更多是借助于中性质点进行的，即电子在运动过程中，先附着在中性粒子上形成负离子，然后质量和电能生产过程—学习笔记七运动速度大致相等的正、负离子复合成中性质点。拉长电弧，可使弧隙场强下降，电子运动速度减慢，复合的可能性增大；加强电弧冷却，可使电子热运动的速度减慢，有利于复合；加大气体介质的压力，可使带电粒子的浓度增大，自由行程减少，有利于复合。（2）扩散去游离自由电子与正离子从弧柱区逸出而进入周围介质中的现象，称为扩散去游离。扩散去游离有三种形式：浓度差形成扩散，由于弧柱中带电粒子的浓度比周围介质高得多，致使带电粒子向周围介质扩散；温度差形成扩散，由于弧柱的温度比周围介质高得多，使带电粒子向周围介质扩散；用高速流体吹弧增强扩散，吹弧可使电弧拉长、温度降低，并强迫弧柱中的游离介质扩散，补入新鲜介质以促进电弧熄灭。扩散出去的带电粒子，因周围介质温度急剧下降而易于复合为中性质点。二、交流电弧特性1、交流电弧的动态伏安特性由于交流电流的瞬时值不断随时间作周期性变化，因而电弧的温度、电阻及电弧电压也随时间而变，但是弧柱受热升温或散热降温都有一个过程，所以电弧温度的变化（即热游离程度变化）总是滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。热惯性使得交流电弧的伏安特性为动态特性，其中每个半周波中的燃弧电压都要高于熄弧电压。2、电流过零时电弧自然熄灭电弧燃烧的能量来源于外部电路的供给，交流电路的电压、电流及输出功率都随时间波动，在交流电流过零点附近外部电路供给电弧的能量接近于零，此时电弧自然熄灭，这也是交流电弧的一个特性。3、近阴极效应交流电弧在电流过零的瞬间，弧隙介质耐压强度突然出现一个阶跃型升高的现象，称为近阴极效应。这是因为在电弧电流过零之前，弧隙充满着电子和正离子，而交流电流过零后，弧隙的电极极性将发生瞬时翻转，此时弧隙中的电子（质量很小）将立即随着新的场强方向向新阳极运动，而比电子质量大一千多倍的正离子由于具有在上一个场强作用下的较大动能而无法立即改变运动状态，从而在新阴极附近呈现正离子层空间，其电导很低，显示出一定的介质强度。近阴极效应特性对交流低压电气设备的熄弧有利，之后介质强度的增长速度和恢复过程，将与电弧电流的大小、介质特性、触头分离速度和冷却条件等因素有关。电弧电流愈小，电弧温度愈低，对电弧的冷却条件愈好，电流过零时电弧温度下降愈快，介质强度恢复过程愈快。三、高压断路器熄弧常用方法交流电弧能否熄灭，取决于电流过零时弧隙的介质强度和恢复电压两种过程的竞争结果。加强弧隙的去游离或降低弧隙恢复电压的幅值和恢复速度，都可促使电弧熄灭。断路器中采用的灭弧方法，归纳起来有下述几种。1）采用灭弧能力强的灭弧介质2）利用气体或油吹弧3）采用特殊金属材料作灭弧触头4）在断路器的主触头两端加装低值并联电阻5）采用多断口熄弧6）提高断路器触头的分离速度