5. 开关电弧

五.开关电弧电弧Arc：气体放电的一种形式，它是能产生光辐射（紫外、可见、红外）、电磁辐射（微波）的高温（几千~几万K）、高电导率的一束被电离了的气体,被称为等离子体，它由电子、离子和中性粒子这三种粒子组成电力系统中有两种电弧：开放性电弧与开关电弧开放性电弧：自由空间中的电弧开关电弧：被限制在开关容器中的电弧开关研究的发展历程1、早期开关是简单的刀闸，刀闸拉开就有电弧。只要有电弧，就有电流通过，电路就无法开断。Adream:noarc--------大量的实验表明：断口处有十几伏、几百毫安的电流即可产生电弧。电弧的产生过程：a.通常开关的两个触头分断时，只要不在电流过零点，触头的接触面积逐渐变小，焦耳热集中在触头的局部区域，使该区域温度升高以致熔融汽化，蒸发出含有大量金属原子的蒸汽，这些金属原子被电子碰撞电离，形成电弧等离子体b.若两个触头在电流过零点分离，强电场会由于场致发射而发射出电子，电子轰击阳极形成金属蒸汽，后续电子碰撞金属原子形成电弧等离子体Thedreamcannotcometrue.2、无触点开关：（1）可控硅：目前功率和耐压水平（过电压与爬电距离）不够高（2）光照晶体开关：开、关过程短，正在研究，但耐压不够高3、结论：（1）目前，无触点开关仍无法满足现代电力系统的需要，所以还是需要研究高压断路器的开关电弧，以便开发出高性能断路器（2）选相分合闸是开发智能断路器的重要任务开关操作是要实现电路接通和断开两种状态之间的转换，这一转换是由开关的触头和触头间的介质完成的。只有电弧熄灭后，电路才真正开断。开关灭弧的思路：不是研究如何抑制或阻止电弧的产生，而是研究在电弧产生后，如何迅速降低等离子体的温度来灭弧，实现等离子体的电导率从良导体到绝缘体的迅速变化。根据这一思路所进行的研究，促进和发展了开关电弧的理论和技术，取得了巨大的成功，使开关电弧技术成为电气工程中具有最高理论水平和技术水平的领域之一。科研思路正确，才能取得预期的成果。当然大量的实验资料也是宝贵的，使人们能正确地认识物理现象对开关的要求：导通时：接触电阻小，开关可视为良导体断开时：绝缘强度高，可视为绝缘体，与介质有关开断过程：触头分离→电弧→电弧快速熄灭要求减少电弧的能量和热量，电导率迅速降到零，减少触头烧蚀（与介质种类和动触头速度有关）关合过程：预击穿→电弧→触头接通要求减少电弧的能量和热量，能克服电动力使动触头关合到底，并能减少电弧烧蚀（与介质的性质和动触头速度有关）对介质的要求：1.作为导体时，电导率高，允许的通流大，可达几百千安2.作为绝缘介质时，绝缘强度高3.开断过程时间短，电导率的变化应很快前两条取决于选择良好的介质，如变压器油、SF6气体、真空等，后一条既取决于介质，更取决于不同介质的灭弧原理和灭弧室的性能作用，即通过降低温度使电导率迅速降低一.电弧的宏观现象•是一种大功率的自持放电现象，其通流能力可达几百千安•其温度大约在4000~50，000之间，其中的电子和正离子密度高，所以电导率高，电弧内电场场强可低达十几V/米，在较低的电弧电压下仍能维持•质量轻、具有流动性、形状易改变在灭弧中可应用后两条现象二.电弧的组成部分在长度方向上可分为阴极位降区、、弧柱区和阳极位降区阴极位降区和阳极位降区大约为10-4cm，阴极位降区的压降约为10~20V，场强约为105~106V/cm，阳极位降区的压降略小电弧有短弧（弧长小于几毫米）和长弧之分：短弧：近极区域起主要作用电弧电压Ua=Uc+UanUc，Uan分别为阴极压降、阳极压降长弧：弧柱区起主要作用电弧电压Ua≈UacUac为弧柱压降开关中一般为长弧阴极斑点：阴极表面上的小亮点，它温度很高，是维持电弧的电子发射源，电流密度很大阳极斑点：温度也很高，这些斑点接收弧柱中的电子，电流密度很大弧柱中带电粒子的产生：热电子发射和热电离、光电离弧柱中带电粒子的消失：有复合与扩散两种复合发生在电极表面和弧柱空间内直接复合：e+A+→A空间复合间接复合：e+A→A-，A-+B+→A+BSF6气体在高温时，间接复合的几率很大扩散：带电粒子由高浓度区域向低浓度区域迁移逸出三.温度对电离度和电导率的影响平衡态下电离度的影响因素：Saha公式电离度kTeUiiiepTknn25.1式中ni被电离的正离子数，n总粒子数ki=5.66×10-3，T:等离子体温度，Kp：等离子体的气压，Pa，Ui：介质的电离电位，V可见：电离度与温度、气压和介质的电离电位有关∴降低电弧的温度可迅速减少带电粒子数，从而改变其电导率由左图可见，各种介质的电离度随温度的升高而迅速增大；金属原子的电离电位低，所以同温度下，金属蒸汽的电离度较高右图为氮气等离子体的电导率与温度的关系，电导率先随温度的上升而迅速增大，然后渐趋饱和。对其温度进行控制，可使电导率大幅度变化。电导率的平衡时间为亚微秒级，非常迅速。四.电弧的直径和温度的关系•稳定的电弧为中间稍粗的梭子形状，其中心部分为明亮的弧柱（弧芯），电弧的直径指的是弧柱的直径，弧芯四周为颜色稍暗的弧焰。弧芯温度最高，弧焰较低•几乎全部电流都是通过弧柱流过的•电弧直径D=f(i,λ,p,介质，冷却条件，电弧形状）五.等离子体的热容与冷却•开关电弧的熄灭主要靠对电弧进行冷却而实现。冷却有等熵冷却和热传导冷却两种•等熵冷却（绝热膨胀）单位体积的散热功率N=-v٠gradp式中v流速，p气压•广义的热传导冷却单位体积的散热功率N=-divΧ٠gradT式中Χ广义热传导的热导率，是温度的函数T温度电弧等离子体的冷却速度除与散热功率的大小有关外，还与等离子体的热容有关。在相同条件下，热容越小，冷却越快。等离子体的定压比热容不仅是温度的函数，而且还是时间的函数。等离子体的电离平衡时间很短，约为10-7~10-8s，而气体分解平衡的时间为10-3s。灭弧过程小于10-4s，所以等离子体在单原子状态下直接冷却，这叫单原子冻结，对快速熄灭电弧极为有利。六.电弧的能量平衡式中σ等离子体的电导率E电场强度ρ等离子体密度h等离子体的热焓s(T)由辐射引起的散热功率-v٠gradp由对流引起的散热功率-divΧ٠gradT由广义热传导引起的散热功率gradTdivTsgradpvdtdhE)(2断路器灭弧的基本原理使触头间的介质成为电导率良好的电弧，进而控制电弧的温度，使其迅速冷却成为良好的绝缘体