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普通高等教育“十二五”规划教材高等职业教育电气类专业系列教材1主编：李家坤朱华杰主审：陈光会3电弧及电气触头发电厂及变电站电气设备FADIANCHANGJIBIANDIANZHANDIANQISHEBEI【知识目标】1．了解电弧的概念及特征，理解电弧的形成过程和燃烧熄灭的条件及影响电弧熄灭的因素；2．理解直流电弧的特性及燃烧工作点，掌握稳定燃烧方程式及熄灭的条件；3．理解交流电弧的动态伏安特性，理解弧隙电压恢复和介质电强度的恢复过程,掌握交流电弧熄灭的条件；4．理解各种电弧熄灭的方法、原理及开关装置的灭弧措施；5．了解电气触头的概念分类及接触电阻的概念，理解触头的接触机理和影响接触电阻的因素。3电弧及电气触头【能力目标】1．能够简述电弧的形成过程，解释燃烧电弧熄灭的条件；2．能够写出直流电弧沿弧长的电压分布方程，能够解释直流电弧稳定燃烧方程式；3．能够简述交流电弧的动态伏安特性，能够解释弧隙电压恢复过程和介质电强度恢复过程；4．能够认识、区分常见电气触头。3电弧及电气触头电力系统中的电气设备，当切断通有电流的电路和接通具有电压的电路时，在分离和接通的触头之间便会产生电弧。电弧的温度较高，很容易烧毁触头，使触头周围的绝缘材料遭受破坏。如果电弧燃烧时间过长，设备内部压力过高，则很可能使电器设备发生爆炸等事故。因此，当开关触头间出现电弧时，必须尽快予以熄灭。了解和分析电弧的形成机理，并采取有效的措施熄灭电弧，对电力系统的正常操作与安全运行有很重要的意义。3电弧及电气触头高压断路器是开关电器中最为完善的一种设备，其最大特点是能断开电路中的负荷电流和短路电流，因此，运行中其开断能力是标志性能的一项基本指标。所谓开断能力，就是指断路器在切断电流时熄灭电弧的能力，以保证其顺利地分、合闸电路的任务。3电弧及电气触头电弧实际上是一种能量集中、温度很高、亮度很大的气体放电现象，就是一种具有强光和高温的电游离现象。其内因在于触头本身和周围介质中存在着大量可被游离的电子，其外因为分断的触头间又存在足够大的电压，当同时具有上述两个条件时，触头间便可能产生强烈的电游离而形成电弧。游离就是中性质点转化为带电质点。3.1.1电弧的形成3.1电弧的基本问题用开关切断有电流通过的电路时，在开关触头刚分离的瞬间便会产生电弧，如图3.1所示为直流电弧的组成示意图。图3.1直流电弧的组成3.1电弧的基本问题电弧的特性（1）电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成，如图3.1所示。阴极和阳极附近的区域分别称为阴极区和阳极区，在阴极和阳极间的明亮光柱称为弧柱。弧柱区中心部位温度最高、电流密度最大，称为弧心；弧柱区周围温度较低、亮度明显减弱的部分称为弧焰。（2）电弧的温度很高。电弧形成后，由电源不断地输送能量，维持其燃烧，并产生很高的温度。电弧燃烧时，能量高度集中，弧柱区中心温度可达到10000℃以上，表面温度也有3000～4000℃，同时发出强烈的白光，故称弧光放电为电弧。3.1电弧的基本问题（3）电弧是一种自持放电，不同于其他形式的放电现象（如电晕放电、火花放电等），电极间的带电质点不断产生和消失，处于一种动态平衡。弧柱区电场强度很低，一般仅为10～200V／cm，很低的电压就能维持电弧的稳定燃烧而不会熄灭。（4）电弧是一束游离的气体，质量很轻，在电动力、热力或其他外力作用下能迅速移动、伸长、弯曲和变形。其运动速度可达每秒几百米。3.1电弧的基本问题触头间发生电弧的条件和物理过程触头周围的介质原本是绝缘的，电弧的产生说明绝缘介质变成了导电的介质，发生了物态的转化。任何一种物质都有三态，即固态、液态和气态，这三态随温度的升高而改变。当物质变为气态后，若温度再升高，一般要到5000℃以上，物质就会转化为第四态，即等离子体态。任何等离子体态的物质都是以离子状态存在的，具有导电的特性。因此，电弧的形成过程就是介质向等离子体态的转化过程。电弧的产生和维持是触头间中性质点（分子和原子）被游离的结果。3.1电弧的基本问题开关触头刚分离时，由于触头间的间隙很小，触头间会出现很高的电场强度，当电场强度超过V/m时，阴极触头表面的电子在强电场的作用下被拉出来发生强电场发射。从阴极表面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，它们在奔向阳极的途中碰撞介质的中性质点（原子或分子），只要电子的运动速度足够高，其动能大于中性质点的游离能（能使电子释放出来的能量）时，便产生碰撞游离，原中性质点游离为正离子和自由电子。新产生的电子将和原有的电子一起以极高的速度向阳极运动，当它们和其他中性质点相碰撞时又再一次发生碰撞游离，依次连续发生。碰撞游离过程示意图如图3.2所示。61033.1电弧的基本问题碰撞游离连续进行的结果是使触头间隙充满了电子和正离子，介质中带电质点大量剧增，使触头间隙具有很大的电导，在外加电压的作用下，大量的电子向阳极运动，形成电流，这是由于介质被击穿而产生的电弧，这时，电流密度很大，触头间电压降很小。电弧产生后，弧柱的温度很高，可达5000K以上，这时处于高温下的介质分子和原子产生剧烈运动，使它们之间不断发生碰撞，其结果又游离出电子和正离子，这便是热游离过程。3.1电弧的基本问题电弧燃烧过程中，电极表面少数点上有较集中的电流，同时因开关触头分离后，触头间接触压力及接触面积逐渐减少，接触电阻随之增大，会使电极表面有相当高温，从而造成其中的电子获得很大的动能，逸出到周围空间。这种现象称为热电子发射，是气体介质中带电质点产生的主要原因之一，其强弱程度与阴极的材料及表面有关。从以上分析可知，电弧形成的过程是：开关阴极触头在强电场作用下发射电子，所发射出的电子在触头间电压作用下产生碰撞游离，形成了电弧。在高温的作用下，介质中发生热游离，热电子发射，使电弧得以维持和发展。3.1电弧的基本问题产生电弧的游离方式（1）热电发射当开关触头分断电流时，阴极表面由于大电流逐渐集中而出现炽热的光斑，温度很高，从而使触头表面分子中外层电子吸收足够的热能而发射到触头间的介质中去，形成自由电子。（2）高电场发射开关触头分断之初，电场强度很大。在这种高电场作用下，触头表面的电子可能被强拉出去，也进入触头间的介质中形成自由电子。3.1电弧的基本问题（3）碰撞游离当触头间隙存在足够大的电场强度时，其中的自由电子以相当大的动能向阳极运动，在运动中碰撞中性质点（介质分子），有可能使中性质点分裂为带电的正离子和自由电子。这些被碰撞游离出来的带电质点，在电场力作用下继续参与碰撞游离，使触头间隙中的离子数越来越多，形成“雪崩”现象。3.1电弧的基本问题影响游离作用的物理因素（1）气体介质的温度。温度越高，热游离越强烈。（2）介质的压力。压力越大，自由电子的平均自由行程越小，发生碰撞游离的可能性越小。（3）触头之间的外加电压。电压越高越容易将间隙击穿。（4）触头之间的开断距离。开断距离增大则减小间隙中的电场强度。3.1电弧的基本问题（5）触头之间的介质种类。不同介质游离电场不同，热游离温度也不同。（6）开关电器的触头材料。不同金属的蒸气有不同的游离电压，有些金属耐高温，不易产生金属蒸气。在电弧中，发生游离过程的同时还进行着带电质点减少的去游离过程。去游离过程是指自由电子和正离子相互吸引发生中和现象。3.1电弧的基本问题电弧的熄灭过程，实际上是气体介质由导通又变为截止的去游离过程，去游离使弧隙中正离子和自由电子减少，电弧的熄灭是电弧区域内已电离的质点不断发生去游离的结果。3.1.2电弧的熄灭3.1电弧的基本问题影响去游离的物理因素（1）介质的特性介质特性在很大程度上决定了电弧中去游离的强度，介质特性包括导热系数、热容量、热游离温度、介电强度等，这些参数值越大，去游离作用越强，电弧越容易熄灭，如氢气的灭弧能力是空气的7.5倍，SF6气体的灭弧能力约是空气的100倍。3.1电弧的基本问题（2）电弧的温度降低电弧温度可以减弱热游离，减少新的带电质点的产生，同时也降低带电质点的运动速度，加强了复合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动电弧，或使电弧与固体介质表面接触，都可以降低电弧的温度。（3）气体介质压力气体介质压力增大，可使质点间的距离减小、浓度增大、复合作用加强。而高度真空的绝缘强度远远高于一个大气压的空气和SF6气体的绝缘强度，并且高于变压器油的绝缘强度，真空中绝缘强度恢复快、熄弧能力强。3.1电弧的基本问题去游离的主要方式去游离的主要方式包括复合和扩散两种形式。（1）复合复合是带异性电荷的质点相遇，彼此中和正负电荷成为中性质点的现象。电子的运动速度远大于离子，电子对于正离子的相对速度较大，它们复合的可能性很小，但电子在碰撞时，如果先附着在中性质点上形成负离子，则速度大大减慢，而正、负离子间的复合比电子和正离子间的复合要容易得多。3.1电弧的基本问题若利用液体或气体吹弧，或将电弧挤入绝缘冷壁做成的窄缝中，迅速冷却电弧，减小离子的运动速度，可加强复合过程。此外，增加气体压力，使离子间自由行程缩短，气体分子密度加大，使复合的几率增加，也是加强复合过程的措施。3.1电弧的基本问题（2）扩散扩散是指电弧中自由电子和正离子逸出弧柱以外，与周围未被游离的冷介质相混合的现象。扩散是由于带电质点的不规则热运动以及空间电荷的不均匀分布，使电弧中的高温离子由密集的空间向密度小、温度低的介质周围方向扩散。电弧和周围介质的温度差以及离子浓度差愈大，扩散作用就愈强。3.1电弧的基本问题扩散去游离主要有两方面原因及形式：①离子浓度差，由于弧道中带电质点浓度高，而弧道周围介质中带电质点浓度低，存在着浓度上的差别，带电质点会由浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使弧道中的带电质点减少；②温度差，由于弧道中温度高，而弧道周围温度低，存在温度差，这样，弧道中的高温带电质点将向温度低的周围介质中扩散，减少了弧道中的带电质点。电弧截面越小，离子扩散也越强。3.1电弧的基本问题熄灭电弧的基本方法熄灭电弧的基本方法是：削弱游离过程，加强去游离过程，使触头间电弧中的去游离率（速率）大于游离率（速率）。主要措施有：（1）提高触头间的开断速度第一批自由电子是依靠断口间的高电场强度产生的，提高触头的运动速度或增加断口数目，减少间隙处于高电场强度下的时间，使自由电子数不足而迫使电流减小，过程中注入间隙的能量也小，间隙温度较低，使电弧不易形成。3.1电弧的基本问题