开关电器灭弧原理

第二章开关电器灭弧原理第七节开关电器中电弧的产生和熄灭一、电弧现象及电弧特征1．电弧现象：在触头开断有电流的电路时，触头间产生强烈而又刺眼的亮光的现象。电弧是介质被击穿的放电现象。2、其主要特征如下。(1)电弧是一种能量集中、温度很高、亮度很强的放电现象。(2)电弧分析时可看作由阴极区、弧柱区及阳极区3部分组成。(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。(4)电弧是一束游离气体，很轻，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3、电弧的特点：⑴电弧燃烧期间，电路中的电流仍以电弧的方式维持着。（可看作特殊导电区域或元件）⑵电弧的温度极高，如电弧长久不熄灭，就会烧坏触头和触头附近的绝缘，⑶如电弧长久不熄，延长断路时间，会危害电力系统的安全运行。结论：切断电路时，必须尽快熄灭电弧。二、电弧的产生与维持1．电弧的形成：电弧的产生主要是触头间产生大量自由电子的结果。游离：一定条件下，中性质点分为正离子和电子的现象去游离：一定条件下，离子和电子还原为中性质点的现象阴极发射(场致、热致）电子（起因）→电子高速运动→碰撞游离（重要因素）→击穿（量变到质变）→电流大增→热效应、光效应→热游离（主要因素）→维持发展⑴阴极在强电场作用下发射电子：触头分开瞬间，触头间会形成很强的电场强度E(E=U／d)⑵阴极在高温下发生热电子发射：分开过程中：接触电阻↑↑→触头间温度↑↑→导体内电子能量↑↑⑶碰撞游离：由高速运动的电子作用产生，（如图2—26所示）使中性质点游离为新的自由电子和正离子，这种游离过程称碰撞游离。接触电阻好大呀！导体真热！热致发射电子的过程示意图好大的场强！导体真热！电子电子E＝U／d糟糕！我要被拉出去了别撞我！好大力呀我被撞游离了！成电子和正离子了⑷热游离使电弧维持和发展①定义：介质的分子和原子强烈的不规则的热运动，当那些具有足够动能的中性质点互相碰撞时，又可游离出自由电子和正离子，这种现象称热游离。②电弧维持和发展：在电弧高温下，一方面阴极继续发生热电子发射，另一方面金属触头在高温下熔化蒸发，以致介质中混有金属蒸汽，使弧隙电导增加，并在介质中发生热游离，使电弧维持和发展。热游离足以维持电弧的燃烧。中性质点中性质点中性质点中性质点电子正离子电子正离子电子中性质点正离子三、电弧中的去游离：复合和扩散1．复合去游离⑴定义：异号离子或正离子与自由电子互相吸引而中和成中性质点的现象，称复合去游离。⑵复合去游离过程：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。⑶加快复合去游离的方法：①拉长电弧，使电场强度E下降，电子运动速度减慢，复合的可能性增大；②加强电弧冷却，使电子热运动的速度减慢，有利于复合；③加大气体介质的压力，可使带电质点的密度增大，自由行程减少，有利于复合。电子中性质点负离子正离子中性质点复合及复合去游离过程示意电子2．扩散去游离⑴定义：自由电子与正离子从弧柱逸出而进入周围介质中的现象，称为扩散去游离。⑵扩散去游离有三种形式：①浓度差形成扩散：由于弧柱中带电质点的浓度比周围介质高得多，使带电质点向周围介质扩散，扩散速率与电弧直径成反比；②温度差形成扩散：由于弧柱的温度比周围介质高得多，使带电质点向周围介质扩散；③用高速冷气吹弧增强扩散：吹弧可使电弧拉长，使电弧表面的带电质点浓度增加，并带走弧柱中的带电质点。扩散出去的带电质点，因冷却而复合为中性质点。扩散去游离现象3、电弧的熄灭：⒈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；⒉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；⒊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。⒋电弧的熄灭，采取措施加强去游离作用而削弱游离作用。四、交流电弧的特性(1)交流电弧的伏安特性为动态特性。（电弧的温度、电阻及电弧电压随时间而变化,电弧温度的变化总是一滞后于电流的变化，如图2—27(a)所示。(2)电弧电压的波形呈马鞍形变化。燃弧电压大于熄弧电压。(3)电流每半周过零一次，电弧会暂时自动熄灭。结论：电流过零时，采取适当措施使弧隙间介质的绝缘能力达到不被弧隙外施电压击穿的程度，则下半周电弧就不会重燃而熄灭，从而断开电路。过零灭弧点弧隙电阻看作动态的电阻就好理解了五、交流电弧的熄灭条件①弧隙介质强度的增大(即弧隙的绝缘能力，或称弧隙的耐压强度)；ud（t）②加于弧隙的电压(称恢复电压)的增大。Ur（t）电弧电流过零时，是熄灭电弧的有利时机，但电弧是否能熄灭，取决于上述两方面竞争的结果。ud（t）›Ur（t）1．弧隙介质强度恢复过程电弧电流过零时，弧隙介质的绝缘能力由起始介质强度逐渐增强的过程，称为弧隙介质强度恢复过程，用ud(t)表示。(1)近阴极效应：在电流过零后（0.1－1µS）在阴极附近的薄层空间介质强度突然升高（150－250v）的现象，称为近阴极效应。近阴极效应在熄灭低压短弧中得到广泛应用对几万伏以上的高压断路器的灭弧不起多大作用，（因为起始介质强度与加在弧隙上的高电压相比，无足轻重。起决定作用的是弧柱区中的介质强度恢复过程。）Ud图2－28电流过零后弧隙电荷及电位分布减速场加速场电子数很少场强不足以从导体中拉出电子T＝０＋时刻(2)弧柱区介质强度的恢复过程。弧柱区介质强度的恢复过程与断路器的灭弧装置结构、介质特性、电弧电流、冷却条件及触头分开速度等因素有关。①不同介质强度恢复过程曲线如图2—29所示结论：不同介质恢复速度不同（其他条件相同）②弧隙温度与弧隙介质强度恢复曲线图2－30。结论：a、电弧电流愈小，电弧温度愈低，对电弧的冷却条件愈好，电流过零时电弧温度下降愈快，介质强度恢复过程愈快。b、提高触头的分断速度，可迅速拉长电弧，使其散热和扩散的表面积迅速增加，去游离加强，可提高介质强度的恢复速度。不同介质的起始介质强度不同介质的最终介质强度温度下降好慢耶所以介质强度恢复得慢呀介质强度恢复得快呀哇塞温度下降好快呀2．弧隙电压的恢复过程⑴定义：电弧电流过零时，经过由电路参数所决定的电磁振荡，弧隙电压逐渐由熄弧电压恢复到电源电压的过程，称为弧隙电压的恢复过程，用Ur(t)表示。⑵影响弧隙电压的恢复过程的因素：①电路参数(L、C、R)②负荷性质(阻、感、容性)③恢复过程(过渡过程)的特点：可能是周期性变化的振荡过程，也可能是非周期性变化的不振荡过程，如图2—31所示。⑶恢复电压的组成：如图2—32所示：①瞬变恢复电压utr，为恢复电压的暂态值，它存在的时间只有几十微秒至几毫秒；②工频恢复电压usr，即与电源电压波形重合、与电源电压相等的电压，为恢复电压的稳态值。3．交流电弧的熄灭条件：Ud(t)Ur(t)（或两曲线无交点）（微秒）过零再次击穿点第八节弧隙电压恢复过程分析分析弧隙电压恢复过程中电路参数的影响，进而分析从外电路考虑如何有利于熄弧一、单相交流电路的电压恢复过程断路器开断单相短路电流的短路电路如图2—34(a)所示，⒈近似分析的几个条件：①电源G为单相交流发电系统，其等值电路如图2—34(b)所示。Ｒ、Ｌ、Ｃ为系统元件参数。②r为QF触头并联电阻(也可认为是熄弧后的弧隙电阻)。短路时，QF与c并联，所以，弧隙电压恢复过程ur与c两端的电压变化过程uc相同。③熄弧后，从熄弧电压到电源电压的过程很短（几百微秒）④电弧电流过零时电源电压瞬时值为u0，且在过程中不变，以直流源代替。⒉弧隙电压恢复过程ur（t）的计算：变为直流电源突然合闸于R、L、C组成的串联电路时，在C两端的电压变化过程uc，等值电路如图2—35所示。由图2—35可知，当Q突然合闸时，有(2—67)(2—68)初始条件：t＝0时uc＝－ur0，i1＝0将式(2—68)代入式(2—67)并整理得式(2—69)该式为常系数线性微分方程，其通解为(2—70).0cc12ciuiRLutuiiiCutdddd＝＋＋＝＋＝＋讨论：回路参数处于不同情况时，恢复过程不同(1)为不等的负实根，且有：212112rCLC时，，11201275trcuuue所以有：（－）101278rtLruuer近似的－L（－）注意：横轴座标单位为微秒恢复过程时间很短当结论：(非周期性电压恢复过程中）①恢复电压的最大值不超过电弧电流过零时的电源电压瞬时值（小于等于Um），不会产生过电压。②r值越小，恢复电压上升速率越慢（可以利用）u0越大升速越快（不可控，开断时刻是不确定的）0000rrttuuudurudtL时，可能的最大值为Um（V/s)恢复电压的上升速率讨论：弧隙电压恢复过程为衰减的周期性振荡过程注意β＝－１／２rC000010,0212(1cos)282rrrCfLCuut若则有（－）①可能在电路中出现过电压max022rmuuU1.21.8rmmmuKu称为幅值系数，一般在－之间②③电压恢复速率为：000t00sindu2V)ravduutdtusdt一般取固有振荡频率半周内的电压平均速度（／结论：a、弧隙电压恢复过程为振荡恢复过程，恢复速度及恢复幅值均与电路参数有关。b、可能出现系统过电压，且增加熄弧的困难c、r值较小时，由公式（２－８０）可知：衰减快（β＝－1／2rC），恢复速度慢。注意！这可是最极端的情况12ttrcee10101(1)trrmuutetuu当时，有将此时的电阻叫做临界并联电阻：12crLrC（）恢复过程曲线与图2—36类似。但这种情况临近于振荡情况，故称为临界情况。结论：①当r≤rcr时，弧隙电压恢复过程为非周期性；②当rrcr时，为周期性。3、以上分析可知：①弧隙电压恢复过程只取决于电路参数。②触头两端的并联电阻r可以改变恢复电压的特性，即影响恢复电压的幅值和恢复速度。当rrcr时，将把具有周期性振荡特性的恢复过程转变为非周期性恢复过程，从而大大降低恢复电压的幅值和恢复速度，相应地改善了断路器的开断条件。③有可能出现开断过电压（rrcr时）二、三相交流电路不同短路形式的工频恢复电压由于运行方式和短路形式不同，相应的电路参数和开断瞬间的工频恢复电压u0不相同，直接影响断路器的开断条件。1．开断单相短路电流过零时，工频恢复电压瞬时值为：2．开断中性点不直接接地系统的三相短路三相交流电路中，三相电流不同时过零，断路器开断三相短路时，电弧电流过便有先后，先过零的一相，电弧首先熄灭，称为首先开断相。000sin()sinsin1mmtmmuutuuuu＝为电源相电压的最大值为功率因数角，短路时在图2—38中，忽略电阻，只计电抗xL，即相电流滞后相应的相电压90。。设U相为首先开断相，当U相电流过零时其电弧熄灭，V、W相触头仍由电弧短接,由电路知识可得：数值上，有UU＝UV＝UW＝Uph，式中Uph为相电压，Uu0’＝1.5Uph(2—88)首先开断相断口上的工频恢复电压为相电压1．5倍，如图2—38(b)所示。在U相电流过零后，经1／4周期，V、W两相短路电流同时过零，电弧同时熄灭。这时Uvw的瞬时值达最大，V、W两相断口各承受一半电压值，即：''1130.86622VOWOVWPhPhUUUUU结论：①断口电弧的熄灭关键在于首先开断相（首先开断相断口的恢复电压最大）。②后续开断相的燃弧时间比首先开断相长（0．005s），电弧能量较大，可能使触头烧坏、喷油、喷气等现象比首开相更为严重。③开断中性点直接接地系统中的三相不接地短路的情况与上述相同。例如，对110kV高压断路器，首先开断相断口的恢复电压如下。工频恢复电压有效值为1.5UPh＝1．5×110／√3＝95．26(kV)工频恢复电压最大值为√2×95．26＝134．72(kV)恢复电压最大值(取Km=1．5)为1．5×134．72＝202．08(kV)3．开断中性点直接接地系统中的三相接地短路与上述情况不同，