电弧的产生与灭弧方式.ppt

第第4 4章章 供配电系统电气设备的选择供配电系统电气设备的选择 2 1.1.电弧的特点电弧的特点 （1）能量集中能量集中，温度高温度高。电弧中心温度高达电弧中心温度高达10000以上以上，电弧表面温度也可达电弧表面温度也可达30004000以上以上。电弧高温造成触头表面金属的融化或烧蚀电弧高温造成触头表面金属的融化或烧蚀。烧毁电气设备和导线电缆烧毁电气设备和导线电缆，引起火灾和爆炸事故引起火灾和爆炸事故。强烈的弧光可能损伤人的视力强烈的弧光可能损伤人的视力，严重的可致人失明严重的可致人失明。（2）电弧是束游离的气体电弧是束游离的气体，质轻易变形质轻易变形。在油流在油流、气流及气流及电磁等外力作用下迅速发生变形电磁等外力作用下迅速发生变形、移动与伸长移动与伸长，在强磁在强磁场作用下速度可达场作用下速度可达300m/s。（3）电弧一旦产生电弧一旦产生，只需很低电压即可维持其继续燃烧而只需很低电压即可维持其继续燃烧而不会熄灭不会熄灭。3 4.4 4.4 电弧的产生与灭弧方式电弧的产生与灭弧方式 2.2.开关电弧开关电弧的的产生产生 开关触头在分断电流时会产生电弧，根本的原因在于开关触头在分断电流时会产生电弧，根本的原因在于触头触头本身及触头周围的介质中含有大量可被游离的电子本身及触头周围的介质中含有大量可被游离的电子。当分。当分断的触头之间存在足够大的外施电压的条件下，这些电子断的触头之间存在足够大的外施电压的条件下，这些电子就有可能强烈电离而产生电弧。就有可能强烈电离而产生电弧。触头间电弧燃烧的区域称为弧隙触头间电弧燃烧的区域称为弧隙。弧隙中带弧隙中带 电质点不断增多的游离过程可以分以下途径：电质点不断增多的游离过程可以分以下途径：（1）热电发射；热电发射；（2）高电场发射；高电场发射；（3）碰撞游离；碰撞游离；（4）高温游离高温游离 4 开关电弧开关电弧的的产生产生-热电发射热电发射 （1）热电发射）热电发射 触头是由金属材料做成的，在常温下，触头是由金属材料做成的，在常温下，金属内部就存在有大量运动着的自由电子。金属内部就存在有大量运动着的自由电子。随着温度的升高，自由电子能量增加，随着温度的升高，自由电子能量增加，运动加剧，有的电子就会跑出金属表面，运动加剧，有的电子就会跑出金属表面，形成热电子发射。特别是电弧形成后，孤形成热电子发射。特别是电弧形成后，孤隙间的高温使阴极表面受热会出现强烈的隙间的高温使阴极表面受热会出现强烈的炽热点，不断地发射出电子，在电场力作炽热点，不断地发射出电子，在电场力作用下，向阳极作加速运动。用下，向阳极作加速运动。5 开关电弧开关电弧的的产生产生高电场发射高电场发射 （2）高电场发射）高电场发射 开关触头分断之初，电场强度很大，开关触头分断之初，电场强度很大，高电场作用下，触头表面的电子可高电场作用下，触头表面的电子可能被强拉出来，使之进入触头间隙，能被强拉出来，使之进入触头间隙，也形成自由电子。也形成自由电子。6 开关电弧开关电弧的的产生产生碰撞游离碰撞游离 （3）碰撞游离碰撞游离 阴极表面发射出的电子和弧隙中原有的少数电子在强电场阴极表面发射出的电子和弧隙中原有的少数电子在强电场能的作用下，向阳极方向运动，并不断地与其他粒子能的作用下，向阳极方向运动，并不断地与其他粒子(如如气体原子、分子气体原子、分子)发生碰撞，将中性粒子中的电子击出，发生碰撞，将中性粒子中的电子击出，游离成正离子和新的自由电子，新产生的电子也向阳极加游离成正离子和新的自由电子，新产生的电子也向阳极加速运动，同样也会使它所碰撞的中性质点游离。速运动，同样也会使它所碰撞的中性质点游离。碰撞游离连续进行就可能导致在触头间碰撞游离连续进行就可能导致在触头间 充满了电子和离子，从而介质被击穿，充满了电子和离子，从而介质被击穿，电流急剧增大，从而形成电弧。电流急剧增大，从而形成电弧。电弧的形成主要是碰撞游离所致。电弧的形成主要是碰撞游离所致。7 开关电弧开关电弧的的产生产生高温游离高温游离 （4 4）高温游离）高温游离 电弧产生之后，弧隙的温度很高，在高温作用下，气体的电弧产生之后，弧隙的温度很高，在高温作用下，气体的不规则热运动速度增加。具有足够动能的中性质点互相碰不规则热运动速度增加。具有足够动能的中性质点互相碰撞时，又可能游离出电子和正离子，这种现象称为热游离。撞时，又可能游离出电子和正离子，这种现象称为热游离。一般气体开始发生热游离的温度为一般气体开始发生热游离的温度为900010000；金属蒸气的热游离温度约为金属蒸气的热游离温度约为40005000。因为开关电器的电弧中总有一些金属蒸气，因为开关电器的电弧中总有一些金属蒸气，而弧心温度总大于而弧心温度总大于40005000，所以，热游离的强度足可维持电弧的燃烧。所以，热游离的强度足可维持电弧的燃烧。当电弧产生后，弧隙压降将剧减，当电弧产生后，弧隙压降将剧减，维持电弧燃烧所需的过程是热游离。维持电弧燃烧所需的过程是热游离。8 3.3.电弧的熄灭电弧的熄灭 电弧间隙的去游离电弧间隙的去游离 在电弧放电发生后在电弧放电发生后，介质中同时介质中同时不但存在着中性质点的不但存在着中性质点的游离过程游离过程，同时还存在着同时还存在着去游离过程去游离过程。游离与去游离是游离与去游离是两个相反的过程两个相反的过程。游离游离去游离：电子与离子浓度增加，电弧加强；去游离：电子与离子浓度增加，电弧加强；游离游离=去游离：电弧稳定燃烧；去游离：电弧稳定燃烧；游离游离去游离：电弧减小以至熄灭。去游离：电弧减小以至熄灭。所以要促使电弧熄灭，就必须削弱电弧的游离作用，加所以要促使电弧熄灭，就必须削弱电弧的游离作用，加强其去游离作用。强其去游离作用。去游离的去游离的方式主要有两种：方式主要有两种：1复合复合 2扩散扩散 9（1 1）复合）复合去游离去游离 复合复合复合就是异号带电质点彼此的中和复合就是异号带电质点彼此的中和。要带电质点复合，就必须使异号质点在一定要带电质点复合，就必须使异号质点在一定时间内处在很近的距离弧隙中电子的相对速度比时间内处在很近的距离弧隙中电子的相对速度比正离子快得多，故复合的几率很小。正离子快得多，故复合的几率很小。一般规律是电子先附着在中性质点或灭弧室一般规律是电子先附着在中性质点或灭弧室固体介质表面，再与正离子相互吸引复合成中性固体介质表面，再与正离子相互吸引复合成中性质点。质点。10 复合速率与下列因素有关复合速率与下列因素有关:带电质点浓度越大，复合几率越高。带电质点浓度越大，复合几率越高。当弧电流一定时，弧截面越小或介质压力越大，带电质点当弧电流一定时，弧截面越小或介质压力越大，带电质点浓度也越大，复合就越强。故断路器采用小直径的灭弧室，浓度也越大，复合就越强。故断路器采用小直径的灭弧室，就可以提高弧隙带电质点的浓度，增强其灭弧性能。就可以提高弧隙带电质点的浓度，增强其灭弧性能。电弧温度越低，带电质点运动速度越慢，复合就越容易。电弧温度越低，带电质点运动速度越慢，复合就越容易。故加强电弧冷却，能促进复合。故加强电弧冷却，能促进复合。在交流电弧中，当电流接近零时，弧隙温度骤降，此时复在交流电弧中，当电流接近零时，弧隙温度骤降，此时复合特别强烈。合特别强烈。从弧隙电场强度小，带电质点运动速度慢，复合的可能性从弧隙电场强度小，带电质点运动速度慢，复合的可能性增大。增大。所以提高断路器的开断速度，对复合有利。所以提高断路器的开断速度，对复合有利。11（2 2）扩散）扩散去游离去游离 扩散扩散 扩散是指带电质点逸出弧道的现象。扩散是指带电质点逸出弧道的现象。电弧中扩散主要原因是：电弧中扩散主要原因是：弧区与周围介质的温差越大弧区与周围介质的温差越大，扩散越强烈扩散越强烈。用冷却介质吹弧用冷却介质吹弧，或电弧在周围介质中运动或电弧在周围介质中运动，都都可增大弧区与周围介质的温差可增大弧区与周围介质的温差，加强扩散作用加强扩散作用。弧区与周围介质粒子的浓度相差越大弧区与周围介质粒子的浓度相差越大，扩散越扩散越强烈强烈。电弧的表面积越大电弧的表面积越大，扩散就越快扩散就越快。12(3)(3)灭弧的基本方法灭弧的基本方法 由于交流电流每半个周期要经过零值一次，由于交流电流每半个周期要经过零值一次，而电流过零时，电弧将暂时熄灭，电弧熄灭而电流过零时，电弧将暂时熄灭，电弧熄灭的瞬间，弧隙温度骤降，高温游离终止，去的瞬间，弧隙温度骤降，高温游离终止，去游离（主要是复合）大大增强。随后弧隙的游离（主要是复合）大大增强。随后弧隙的电场强度又可能使之击穿，使电弧复燃。一电场强度又可能使之击穿，使电弧复燃。一般交流电弧经过若干周期的熄灭、复燃的反般交流电弧经过若干周期的熄灭、复燃的反复，最终完全熄灭。因此复，最终完全熄灭。因此交流电弧的熄灭，交流电弧的熄灭，可利用交流电流过零时电弧要暂时熄灭这一可利用交流电流过零时电弧要暂时熄灭这一特性，来加速电弧的熄灭特性，来加速电弧的熄灭。13 灭弧的基本方法灭弧的基本方法 14 灭弧的基本方法灭弧的基本方法 交流开关的电弧能否迅速熄灭，取决于弧隙介交流开关的电弧能否迅速熄灭，取决于弧隙介 质绝缘强度的恢复和弧隙恢复电压。质绝缘强度的恢复和弧隙恢复电压。加强弧隙的去游离速度，降低弧隙电压的恢加强弧隙的去游离速度，降低弧隙电压的恢 复速度与最大值，均能促使电弧熄灭。复速度与最大值，均能促使电弧熄灭。断路器综合利用上述原理，制成各式灭弧装置，断路器综合利用上述原理，制成各式灭弧装置，能迅速有效地熄灭短路电流产生的强大电弧。能迅速有效地熄灭短路电流产生的强大电弧。目前开关电器采用的灭弧方法主要有以下几种目前开关电器采用的灭弧方法主要有以下几种：15 灭弧的基本方法灭弧的基本方法 （1）速拉灭弧法）速拉灭弧法 （2）冷却灭弧法）冷却灭弧法 （3）吹弧灭弧法）吹弧灭弧法 （4）长弧切短灭弧法）长弧切短灭弧法 （5）粗弧分细灭弧法）粗弧分细灭弧法 （6）狭沟灭弧法）狭沟灭弧法 （7）真空灭弧法）真空灭弧法 （8）六氟化硫（）六氟化硫（SF6）灭弧法）灭弧法 16 灭弧的基本方法灭弧的基本方法 1.1.吹弧灭弧法吹弧灭弧法 空气断路器与六氟化硫断路器是空气断路器与六氟化硫断路器是利用压缩气体来吹动电弧的。利用压缩气体来吹动电弧的。(a)(a)纵吹纵吹 (b)(b)横吹横吹 负荷开关、自产气开关和熔断器负荷开关、自产气开关和熔断器等是利用电弧高等是利用电弧高温使固体有机物分解出气体来吹动电弧的。温使固体有机物分解出气体来吹动电弧的。由于气流的吹动，一方面电弧受到强烈的冷却和去游离，由于气流的吹动，一方面电弧受到强烈的冷却和去游离，另一方面弧隙中的游离介质被未游离介质所取代，使介质绝另一方面弧隙中的游离介质被未游离介质所取代，使介质绝缘强度得到迅速提高，促使电弧熄灭。气体压力越高，流速缘强度得到迅速提高，促使电弧熄灭。气体压力越高，流速越快，灭弧效果越好。越快，灭弧效果越好。17 灭弧的基本方法灭弧的基本方法 2 2长弧切短灭弧法长弧切短灭弧法 当电弧经过与其垂直的一排金属栅片时，长电弧被当电弧经过与其垂直的一排金属栅片时，长电弧被分割成若干段短电弧；而短电弧的电压将主要降落在阴、分割成若干段短电弧；而短电弧的电压将主要降落在阴、阳极区内，如果栅片的数目足够多，使各段维持电弧燃烧阳极区内，如果栅片的数目足够多，使各段维持电弧燃烧所需的最低电压降的总和大于外加电压，则电弧自行熄灭。所需的最低电压降的总和大于外加电压，则电弧自行熄灭。3 3狭沟灭弧法狭沟灭弧法 此种灭弧方式又叫狭缝灭弧。由于电弧在介质的狭缝中此种灭弧方式又叫狭缝灭弧。由于电弧在介质的狭缝中运动，一方面受到冷却，加强了去游离作用；另一方面电运动，一方面受到冷却，加强了去游离作用；另一方面电弧被拉长，弧径被压小，弧电阻增大，促使电弧熄灭。弧被拉长，弧径被压小，弧电阻增大，促使电弧熄灭。18 灭弧的基本方法灭弧的基本方法 4 4采用多断口灭弧采用多断口灭弧 高压断路器常制成每相两个或多个串联断口。由于