高壓開關設備-認識電弧(電氣設備課件)

認識電弧01什么是電弧電?。菏且环N能量集中、溫度很高、亮度很大的氣體導電現(xiàn)象。1.電弧的組成：電弧由陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)三部分弧焰：弧柱周圍溫度較低、亮度明顯減弱的部分?；⌒模簻囟茸罡?、電流密度最大的弧柱中心部位。一、什么是電弧一、什么是電弧2.電弧溫度很高，發(fā)出強烈的白光，故稱弧光放電為電弧?；≈鶇^(qū)中心可達到10000℃以上，表面溫度也有3000～4000℃。3.電弧是一種自持放電，很低的電壓就能維持電弧的穩(wěn)燃燒而不會熄滅。4.游離的氣體，質量輕，迅速移動、伸長、彎曲和變形。運動速度可達每秒幾百米。02電弧的主要危害電弧的高溫，可能燒壞電器觸頭和觸頭周圍的其他部件；對充油設備還可能引起著火甚至爆炸等危險。在開關電器中，觸頭間只要有電弧的存在，電路就沒有斷開，電流仍然存在，電弧的存在延長了開關電器斷開故障電路的時間，加重了電力系統(tǒng)短路故障的危害。容易造成飛弧短路、傷人或引起事故擴大。

123二、電弧的主要危害03電弧的產生電弧的產生實際上是氣體介質在某些因素作用下，發(fā)生強烈游離，產生很多帶電質點，由絕緣變?yōu)閷ǖ倪^程。電弧能成為導電通道，是由于電弧的弧柱內存在大量的帶電粒子，這些帶電粒子的定向運動形成電弧。三、電弧的產生1.自由電子的產生陰極的熱電子發(fā)射或強電場發(fā)射：觸頭開斷瞬間產生少量的自由電子的原因。三、電弧的產生強電場發(fā)射：觸頭剛分離時，由于觸頭間的間隙很小，在電壓作用下間隙形成很高的電場強度，當電場強度超過3×106V／m時，陰極觸頭表面的電子就可能在強電場力的作用下，被拉出金屬表面成為自由電子。熱電子發(fā)射：觸頭剛分離時，觸頭間的接觸壓力和接觸面積不斷減小，接觸電阻迅速增大，使接觸處劇烈發(fā)熱，局部高溫使此處電子獲得動能，就可能發(fā)射出來成為自由電子。2.碰撞游離形成電弧碰撞游離：自由電子，在電場力作用下加速運動，不斷與中性氣體質點（原子或分子）撞擊，如果電場足夠強，自由電子動能足夠大，碰撞時就能將中性原子外層軌道上的電子撞擊出來，脫離原子核內正電荷吸引力的束縛，成為新的自由電子。失去自由電子的原子則帶正電，稱為正離子。新的自由電子又去碰撞另外的中性原子…此過程愈演愈烈，發(fā)展成為“電子崩”。游離：中性質點轉化為帶電質點的過程。當帶電粒子積累到一定的數(shù)量時，介質的導電性質發(fā)生改變，由絕緣體變?yōu)閷w，在外加電壓的作用下，電流通過觸頭間隙，發(fā)出聲響和強烈的白光，就形成了電弧。電場游離主要取決于電子運動速度，即取決于電場強度、電子的平均自由行程以及氣體的性質。觸頭間電壓越高，電場強度也越高，則氣體容易被擊穿。氣體的壓力越大，越不容易產生電場游離。2.碰撞游離形成電弧熱游離：發(fā)生雪崩式碰撞游離形成電弧后，產生高溫，氣體中粒子運動速度增大，使原子外層軌道電子脫離原子核內正電荷束縛力成為自由電子。氣體溫度愈高，粒子運動速度愈大，原子熱游離的可能性也愈大，維持電弧穩(wěn)定燃燒。綜上所述，由于熱電子發(fā)射或強電場發(fā)射在觸頭間隙中產生少量的自由電子，這些自由電子與中性分子發(fā)生碰撞游離并產生大量的帶電粒子，從而形成氣體導電，即產生電弧，一旦電弧產生后，將由熱游離作用來維持電弧燃燒。電弧的形成過程就是介質向等離子體態(tài)的轉化過程。3.熱游離維持電弧010204060503壓力越大，行程越小，碰撞游離越小。開斷距離增大則減小間隙中的電場強度。不同金屬的蒸汽有不同的游離電壓。溫度越高，熱游離越強烈電壓越高越容易將間隙擊穿。不同介質游離電場不同，熱游離溫度不同。4.影響游離作用的物理因素04電弧的熄滅電弧的熄滅過程實質：氣體介質由導通又變?yōu)榻刂沟倪^程，是電弧區(qū)域內已電離的質點不斷發(fā)生去游離的結果。四、電弧的熄滅1.去游離過程使弧隙中正離子和自由電子減少。復合：正負電荷中和成為中性質點的現(xiàn)象。擴散：電弧中的自由電子和正離子散溢到電弧外面，并與周圍未被游離的冷介質相混合的現(xiàn)象。要使電弧熄滅，必須使去游離作用強于游離作用。四、電弧的熄滅（1）介質的特性（2）電弧的溫度（3）氣體介質壓力（5）觸頭材料（4）游離質點的密度四、電弧的熄滅冷卻或拉長電弧，增大電弧電阻和電弧電壓；增大線路電阻，如熄弧過程中串入電阻；長弧分割成串聯(lián)短弧，利用短弧的特性，使得電弧電壓大于觸頭施加的電壓時，則電弧即可熄滅。1233、電弧的熄滅的方法——電弧又分為直流電弧和交流電弧

（1）熄滅直流電弧方法：在高壓大容量的直流電路中（如大容量發(fā)電機的勵磁電路），一方面采用冷卻電弧和短弧原理的方法來熄弧，另一方面采用逐步增大串聯(lián)電阻的方法來熄弧。1）交流電弧的特點電弧的溫度、直徑以及電弧電壓隨時間變化。（2）、熄滅交流電弧的方法0102動態(tài)特性電弧電壓呈馬鞍形變化，電流小時，電弧電壓高，電流大時，電弧電壓減小且接近于常數(shù)。熱慣性由于弧柱的受熱升溫或散熱降溫都有一定過程，跟不上快速變化的電流，所以電弧溫度的變化總滯后于電流的變化，這種現(xiàn)象稱為電弧的熱慣性?！白匀贿^零”電流過零時，電弧自然熄滅。如果電弧是穩(wěn)定燃燒的，則電弧電流過零熄滅后，在另半周又會重燃。如果電弧過零后，電弧不發(fā)生重燃，電弧就熄滅。（2）、熄滅交流電弧的方法

電弧重燃取決于弧隙介質絕緣能力或介電強度和弧隙電壓的恢復。a.弧隙介質介電強度的恢復

恢復過程：電弧電流過零，電弧熄滅時，弧隙中去游離作用繼續(xù)進行，弧隙電阻不斷增大，弧隙介質的介電強度要恢復到正常狀態(tài)值所需要的過程。介質介電強度的恢復速度與冷卻條件、電流大小、開關電器滅弧裝置的結構和滅弧介質的性質有關。2）、交流電弧熄滅的條件低壓電器常利用近陰極效應來滅弧。影響介質介電強度恢復速率的主要因素：

（1）弧隙溫度。

（2）弧隙介質特性。

（3）滅弧介質的壓力。

（4）斷路器觸頭的分斷速度。2）、交流電弧熄滅的條件b.弧隙電壓的恢復過程電流過零后，弧隙電壓從熄弧電壓恢復到電源電壓的過程，用Uhf（t）表示，恢復過程與電路參數(shù)、負荷性質等有關。受電路參數(shù)等因素的影響，電壓恢復過程可能是周期性的變化過程，也可能是非周期性變化過程。2）、交流電弧熄滅的條件b.弧隙電壓的恢復過程不會在電壓恢復過程中出現(xiàn)過電壓周期性振蕩的恢復電壓更容易超過弧隙介質強度，造成電弧重燃。2）、交流電弧熄滅的條件c.交流電弧的熄滅條件：Uj（t）＞Uhf（t）在交流電弧的滅弧中，應充分利用交流電流的自然過零點，采取有效的措施，加大弧隙間去游離的強度，使電弧不再重燃，最終熄滅。2）、交流電弧熄滅的條件a.吹弧利用滅弧介質（氣體、油等）在滅弧室中吹動電弧，廣泛應用在開關電器中，特別是高壓斷路器中。b.采用多斷口滅弧橫吹:吹弧方向與電弧軸線相垂直；縱吹:吹動方向與電弧軸線一致；縱橫吹:將縱吹和橫吹結合起來熄弧時，利用多斷口把電弧分解為多個相串聯(lián)的短電弧，使電弧的總長度加長，弧隙電導下降；在觸頭行程、分閘速度相同的情況下，電弧被拉長的速度成倍增加，促使弧隙電導迅速下降，提高了介電強度的恢復速度；另一方面，加在每一斷口上的電壓減小數(shù)倍，輸入電弧的功率和能量減小，降低了弧隙電壓的恢復速度，縮短了滅弧時間。3)、熄滅交流電弧的基本方法c.提高分閘速度迅速拉長電弧，有利于迅速減小弧柱內的電位梯度，增加電弧與周圍介質的接觸面積，加強冷卻和擴散作用，如采用強力分閘彈簧。3)、熄滅交流電弧的基本方法d.用耐高溫金屬材料制作觸頭用熔解點高、導熱系數(shù)和熱容量大的耐高溫金屬制作觸頭，可以減少熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸氣，減弱游離過程，利于電弧熄滅。如銅鎢合金和銀鎢合金e.采用優(yōu)質滅弧介質滅弧介質的特性，如導熱系數(shù)、介電強度、熱游離溫度、熱容量等，對電弧的游離程度有很大影響，這些參數(shù)值越大，去游離作用越強。油、壓縮空氣、SF6氣體、真空f.短弧原理滅弧利用一個金屬滅弧柵將電弧分為多個短弧，利用近陰極效應的方法滅弧。3)、熄滅交流電弧的基本方法d.用耐高溫金屬材料制作觸頭e.采用優(yōu)質滅弧介質f.短弧原理滅弧3