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开关电器中的灭弧原理

一、电弧现象

1.电弧是一种能量集中、温度很高、亮度很强的放电现象。如10kV少油断路器开断20kA的电流时,电弧功率高达10000kW以上,造成电弧及其附近区域的介质及其强烈的物理化学变化,可能烧坏触头及触头附近的其他部件。如果电弧长期不灭,将会引起电器被烧毁甚至爆炸,危机电力系统的安全运行,造成重大损失。所以,切断电路时,必须尽快熄灭电弧。

2.电弧是导体。开关电器的触头虽然已经分开,但是触头间如有电弧存在,电路就还没有断开,电流仍然存在。

3.电弧是一种自持放电现象,即电弧一旦形成,维持电弧稳定燃烧所需的电压很低。如,大气中1cm长的直流电弧的弧柱电压只有15-30V,在变压器油中也不过100-200V。

4.电弧是一束游离气体,质量很轻,容易变形,在外力作用下(如气体、液体的流动或电动力作用)会迅速移动、伸长或弯曲,对敞露在大气中的电弧尤为明显。如,在大气中开断交流110kV、5A的电流时,电弧长度超过7m。电弧移动速度可达每秒几十米至几百米。

 

二、电弧的产生与维持

1.强电场发射开关电器的触头分离时,动静触头间的压力不断下降,接触面积减小,因而接触电阻增大,温度剧升。另一方面,触头开始分离时,触头间距很小,即使电压很低,只有几百伏甚至几十伏,但是电场强度却很大。由于上述原因,阴极表面可能向外发射电子,这种现象称为强电场发射。

2.热电子发射触头是由金属材料制成的,在常温下,金属内部就存在大量的自由电子,当开关开断电路时,在触头分离的瞬间,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。发射电子的多少与阴极材料及表面温度有关。

3.碰撞游离从阴极表面发射出来的电子,在电场力的作用下向阳极作加速运动。并不断与中性质点碰撞,如果电场足够强,电子所受的力足够大,且两次碰撞间的自由行程足够大,电子积累的能量足够多,则发生碰撞时就可能使中性质点发生游离,产生新的自由电子和正离子,这种现象称为碰撞游离。新产生的自由电子在电场中作加速运动又可能与中性质点发生碰撞而产生碰撞游离。结果使触头间充满大量自由电子和正离子。使触头间电阻很小,在外加电压作用下,带电粒子作定向运动形成电流,使介质击穿而形成电弧。

4.热游离处于高温下的中性质点由于高温而产生强烈的热运动。相互碰撞的结果而发生的游离称为热游离。作用:维持电弧的燃烧。一般气体发生热游离的温度为9000~10000℃,而金属蒸汽约为4000~5000℃。因为电弧中总有一些金属蒸汽,而弧柱温度在5000℃以上,所以,热游离足以维持电弧的燃烧。

 

三、电弧的去游离

去游离:在电弧中,介质因游离而产生大量带电粒子的同时,还会发生带电粒子消失的相反过程,称为去游离。

1.复合:异号带电粒子相互吸引而中和成中性质点的现象。在电弧中,电子的运动速度远大于正离子,所以电子与正离子直接复合的可能性很小,复合是借助于中性质点进行的,即电子在运动过程中,先附着在中性质点上,形成负离子,然后质量和运动速度大致相等的正、负离子复合成中性质点。既然复合过程只有在离子运动的相对速度不大时才有可能,若利用液体或气体吹弧,或将电弧挤入绝缘冷壁做成的狭缝中,都能迅速冷却电弧,减小离子的运动速度,加强复合过程,此外增加气体压力,使气体密度增加,也是加强复合过程的措施。

2.扩散:弧柱内带电粒子逸出弧柱以外进入周围介质的一种现象。扩散是由于带电粒子不规则的运行,以及电弧内带电粒子的密度大于电弧外,电弧中的温度远高于周围介质的温度造成的。电弧和周围介质温差愈大,以及带电粒子密度差越大,扩散作用愈强。在高压断路器中,常采用气体吹弧,带走大量带电粒子,以加强扩散作用,扩散出来的正负离子,因冷却而加强复合,成为中性质点。若游离作用大于去游离作用,则电弧电流增大,电弧愈加强烈燃烧;若游离作用等于去游离作用,则电弧电流不变,电弧稳定燃烧;若游离作用小于去游离作用,则电弧电流减小,电弧最终熄灭。所以,要熄灭电弧,必须采取措施加强去游离作用而削弱游离作用。

 

四、电弧特性

1.电弧电压沿弧长的分布电弧形成后,电弧电压沿弧长的分布可分为三个部分。如图4-1所示,电弧电压降由阴极电压降U1、弧柱电压降U2、阳极电压降U3三部分组成,即电弧电压Uh=U1+U2+U3。

2.电弧按照电压分布的分类
(1)长弧:电极间距离长,阴极和阳极电压降可以忽略不计。
(2)短弧:电极间距离短,弧柱电压忽略不计。

3.电弧的伏安特性
(1)直流电弧的伏安特性

曲线1是在电流变化很慢,曲线上每一点的游离与去游离都达到平衡,电弧处于稳定燃烧的状态,故称为静态特性。

曲线2为电流很快从a点增加的曲线。

曲线3为电流很快从b点减小的曲线。

(2)交流电弧的伏安特性

在交流电路中,电流的瞬时值不断地随时间变化,因此电弧的特性应是动态特性,并且交流电流每半个周期经过一次零值。电流过零值时,电弧自动熄灭。如果电弧是稳定燃烧的,则电弧电流过零熄灭后,在另半周又会重新燃烧。

 

五、直流电弧的熄灭方法

1.增大回路电阻

2. 将长电弧分割为多个短电弧

3. 增大电弧长度

4. 使电弧与耐弧度绝缘材料紧密接触

 

六、交流电弧的熄灭条件

1.弧隙介质强度的恢复过程

2.弧隙电压的恢复过程

3.交流电弧的熄灭条件 ud(t)>ur(t)

(一)弧隙介质强度的恢复

1.弧隙介质强度的恢复过程在电弧电流过零之前,弧隙中的空间充满了电子和正离子。当电弧电流流过零熄灭后,电极极性发生改变,弧隙中的电子迅速奔向新阳极,比电子质量大一千多倍的正离子,相对电子而言则基本未动,所以在新阴极附近形成正空间电荷。

2.电流过零后电荷和电压沿短弧隙的分布情况。如图所示,电压主要降落在阴极附近的薄层空间。此薄层空间的耐压约为150~250V的介质强度。近阴极效应:阴极附近电介质强度出现突然升高的现象。

(二)、弧隙电压的恢复弧隙电压的恢复过程,即恢复电压的变化过程,与电路参数、负荷性质有关。熄灭交流电弧的基本方法

1.采用灭弧能力强的灭弧介质

2.利用气体或油吹弧

3.采用特殊的金属材料作灭弧介质

4.采用多断口熄弧

5.提高断路器触头的分离速度

6.低压开关的灭弧方法

(1)利用金属灭弧栅灭弧

(2)利用固体介质狭缝灭弧

① 变压器油:变压器油在电弧高温的作用下,分解出大量氢气和油蒸汽,氢气的绝缘和灭弧能力是空气的7.5倍。

② 压缩空气:压力:2MPa,分子密度大,质点的自由行程小,不易发生游离。

③ SF6气体:良好的负电性气体,氟原子吸附电子能力很强,能迅速捕捉自由电子形成负离子,对复合有利。 

④ 真空:真空气体压力低于133.3×10-4Pa,气体稀薄,弧隙中的自由电子和中性质点都很少,碰撞游离的可能性大大减少,而且弧柱内与弧柱外带电粒子的浓度差和温差都很大,有利于扩散。其绝缘能力比变压器油、1个大气压下的SF6 、空气都大。

高压断路器中利用各种预先设计好的灭弧室,使气体或油在电弧高温下产生巨大压力,并利用喷口形成强烈吹弧。即起到对流换热、强烈冷却弧隙的作用,又起到部分取代原弧隙中游离气体或高温气体的作用。电弧被拉长、冷却变细,复合加强,同时吹弧也有利于扩散,最终使电弧熄灭。

常有的触头材料有铜、钨合金和银、钨合金等,在电弧高温作用下不易熔化和蒸发,有较高的抗电弧、抗熔焊能力,可以减少热电子发射和金属蒸汽,抑制游离的作用。

采用多断口串联,可把电弧分割成多段,在相同的触头行程下电弧拉长速度和长度比单断口大,从而弧隙电阻增大,同时加在每个断口上的电压降低,使弧隙恢复电压降低,因而有利于灭弧。

加快断路器的触头分离速度可以迅速拉长电弧,使弧隙的电场强度骤降,同时使电弧的表面积突然增大,有利于电弧的冷却及带电质点的扩散和复合,从而加速电弧的熄灭。

电弧是一种能量集中、温度很高、亮度很强的放电现象。如10kV少油断路器开断20kA的电流时,电弧功率高达10000kW以上,造成电弧及其附近区域的介质及其强烈的物理化学变化,可能烧坏触头及触头附近的其他部件。如果电弧长期不灭,将会引起电器被烧毁甚至爆炸,危机电力系统的安全运行,造成重大损失。所以,切断电路时,必须尽快熄灭电弧。

灭弧栅由耐高温的绝缘材料制成,有多种形式,图中为最简单的直缝式,磁吹线圈与电路串联或并联。当触头断开而产生电弧后,在磁吹线圈磁场的作用下,对电弧产生电动力,将电弧拉入灭弧片的狭缝中。狭缝限制了电弧直径,增加了弧隙压力,同时电弧被拉长,并与灭弧片冷壁紧密接触,加强冷却作用,加强电弧内的复合过程,最终使电弧熄灭。