供配电教程――第4章 供配电一次系统2

14.2电弧本节教学要求掌握电弧的形成及熄灭条件熟悉电弧形成的物理过程、特性掌握直流电弧及交流电弧的特性及熄灭条件掌握开关电器常用的熄弧方法了解电气触头的类型、工作条件掌握接触电阻的形成、发展、后果及降低措施。23在大气中开断电路时，如果电源电压超过20V，被开断的电流超过80～100mA，在开关触头间通常会产生一团温度极高、发出强光和能够导电的近似圆柱形的气体——这就是电弧。一、概述电弧——为一种气体游离放电现象现象：开关电器开断电路时，触关间产生的耀眼的白光。4.2电弧1.什么是电弧4延长了电路的开断时间。电弧高温烧损开关的触头。电弧的主要危害：电弧的产生，一方面使电路仍旧保持导通状态，延迟了电路的开断；另一方面，温度高达10000℃，将烧损开关的触头，并可能造成短路及破坏开关电器的绝缘，在最严重的情况下，甚至可能引起开关电气的爆炸和火灾。因此，在开关电器中要采取措施使电弧不产生，或者产生后使电弧存在的时间尽量缩短，以减轻其危害的程度。52、特征：①电弧的能量集中，温度极高，亮度很强例：10kV断路器断开20kA的电流，电弧功率达到1万kW以上②电弧由阴级区，阳极区和弧柱区组成。弧柱处温度最高，可达6000～7000℃到1万度以上,在弧柱周围温度较低，亮度明显减弱的部分叫弧焰，电流几乎都从弧柱内部流过。弧柱阳极区阴极区6③电弧的气体放电是自持放电，维持电弧燃烧的电压很低。在大气中，1cm长的直流电弧的弧柱电压仅15～30v，在变压器油中1cm长的直流电弧的弧柱电压仅100～220v。④电弧是一束游离的气体，质量极轻，极易变形。电弧在气体或液体的流动作用下或电动力作用下，能迅速移动、伸长或弯曲。7电弧原理二、电弧的形成触头间电弧燃烧的区域称为弧隙。弧隙中带电质点不断增多的游离过程可以由各种不同途径发生：（1）热电子发射；（2）强电场发射；（3）碰撞游离；（4）热游离。当切断路瞬间，动静触头间出现弧光放电，是由于其间的介质迅速游离，存在着一定浓度的带电质点，即带正电荷的离子和带负电荷的电子。产生电弧的根本原因：触头本身及其周围的介质含有大量可被游离的电子。8气体、等离子体、金属的状态简图91.热电子发射在弧光放电过程中，电极表面少数点上有局部较集中的电流，同时因开关触头分离后，触头间接触压力及接触面积逐渐减小，接触电阻也随之增加，会使电极表面有相应高温，从而造成其中的电子获得很大的动能后逸出到周围空间。这种现象称为热电子发射，其强弱程度与阴极的材料及表面温度有关，是气体介质中带电质点产生的主要原因之一。电弧原理10•2.强电场发射在断路器触头分开的最初瞬间，触头电极的表面受到外加电压所形成的强电场的作用，金属电极表面的电子就会在电场力的作用下被拉出，即发生了所谓强电场发射。金属表面发射电子的数量决定于极间电场强度的高低。当电场强度超过107V/cm时，即使金属表面温度不高，其电子发射量也会显著增加。电弧原理11电弧原理•3.碰撞游离当有一定强动能的电子撞击到某种气体的中性质点时，可使其间电子被释放出来，游离成正离子和新的自由电子。被撞击的电子和原来的电子又会在电场作用下向阳极作加速运动，获得足够动能后，又将撞击其它中性质点，产生更多的自由电子和正离子，使带电质点浓度迅速增加。这一游离过程即称为碰撞游离。12电场游离（碰撞游离）示意图13电弧原理•4.热游离在高温下，气体分子和原子热运动加快，它们互相碰撞，在温度足够高时会撞击产生离子和自由电子，这种现象称为热游离。热电子发射强电场发射加速磁撞游离电弧温度热游离电弧得以维持介质击穿产生电弧14电弧原理三、电弧间隙的去游离在电弧放电发生后，介质中同时存在着游离与去游离这样二个相反过程。去游离对应的是弧隙中带电粒子（正离子或自由电子）减少的过程，它进行的方式主要有两种：复合扩散直接复合间接复合（主要形式）高浓度→低浓度A++e→AA+e→A-A-+A+→2A15电弧原理•再结合是指带异性电荷的质点相互接触，交换多余电荷而形成中性质点的现象，又称复合。1．复合16电弧原理•电弧中扩散主要原因：•（1）弧燃区域与周围介质中带电质点浓度不同；•（2）两区域中温度的不同而引起。•弧柱中带电质点不断扩散到介质中，并在介质中发生再结合，使得弧燃区域中导电质点数目减少，发生去游离。•扩散的速率决定于电弧表面上带电质点数目，故与电弧直径成反比。2.扩散带电质点从弧燃区域逃逸至周围介质中去称作扩散。17电弧原理•四、电弧的熄灭电弧中存在的游离与去游离这二个性质相反过程的强弱对比就决定了电弧最终发展趋势，即当游离强于去游离时，电弧就会发生并燃烧激烈；若去游离与游离过程达到平衡，电弧就会稳定燃烧；而在去游离占有优势时，电弧的燃烧即将减弱并最终熄灭游离速度去游离速度=越燃越旺稳定燃烧最终熄灭18影响游离和去游离的因素•E↓→运动速度↓→复合↑→Q↓→热游离↓①电弧温度：温度↓→速度↓→复合加强→Q↓热游离↓→Q↓使温度降低的方法有：吹弧、拉长电弧、或与冷却介质表面接触。②电场强度：方法：提高触头分离速度、拉长电弧、多断口。19④介质特性：包括气体的介电强度、导热系数、电负性⑤电极材料：铜、银、铜钨、银钨合金具有熔点高、导热能力强、热容量大的特点，可减少热电子发射和弧柱中的金属蒸气。③气体介质的压力：F↓→自由行程缩短→离子浓度↑→复合↑真空数目少→碰撞游离↓→扩散↑在电弧产生后只要抓住有利时机，采取合理措施去减弱热游离而加强去游离，就将加速促成电弧熄灭。20（一）特性：()hhUfiUfUhabih(0)hhUi五、直流电弧的特性及熄灭1、静态伏安特性曲线为发弧电压、即产生电弧的最小电压值21弧柱阴极区区极阴Un=阴极区电压+弧柱区电压+阳极区电压hU2、电弧电压分布图：22U=阴极区电压U阴极区+弧柱区UH+阳极区U阳极区U阴极区大小与in无关，在空气中U=8~11VU阳极区U阴极区、且随in增大而减小甚至为零UH与in呈线性关系短弧：几个mm长、主要由U阴极区+U阳极区组成,UH近似于零长弧：几个cm~几个m长，主要由UH组成23近阴极效应（短弧原理）将长弧沿垂直方向切割成多段电弧串联，每一段即构成一个短弧，获得一个阴极区压降。如果加在触头间的电压小于各段短弧的阴极电压之和，则电弧就不能维持而熄灭。24（二）直流电弧的工作点UkUnLR直流电弧的熄灭条件hhURIU六、交流电弧的特性及熄灭Uh——马鞍形状。ABA——燃弧电压B——熄弧电压（一）特性1、动态状安特性曲线：电弧电压和电流随时间不断变化，每一周期，电流过零2次BAtUhAB26电弧在自然过零时将自动熄灭，但下半周期随着电压的升高，电弧会重燃。若电流过零时，电弧不再重燃，电弧就此熄灭。2、热惯性：电弧温度的变化滞后于电流的变化27（二）交流电弧的熄灭1、弧隙介质电强度的恢复过程Uj——弧隙介质能够承受而不致使弧隙去穿的最小电压过程：电流过零前，θ℃很高，Rn很小，弧隙为良导电通道；电流过零前后，θ℃↓，Rn↑具有一定抗电强度电流过零后，Uj恢复不是从零开始,而是有一个起始电压。这种现象称为交流电路的近阴极效应。（电流极性改变后的0.1~1.0微秒瞬间,有Uj=150~250V）282、弧隙电压的恢复过程Unf•Unf——电压由熄弧电压恢复到电源电压的过程。•过程：•1）电流过零前，电弧电阻很小，电源电压大部分降落在线路或负载的阻抗上。•2）电流过零时，电弧熄灭，最后变为绝缘介质，电源电压全部加在弧隙上。290aUnfuUjta)熄灭b)重燃0tuUj3、交流电弧的熄灭条件：nfjUU30七、开关电器中几种常用的灭弧方法：具体方法：a加快触头的分离速度，如采用强力断路弹簧。目前，高压断路器的分闸速度已经从1m/s提高到16m/s。b采用多断口。在触头行程、分闸速度相同的情况下，多一个或几个断口，电弧被拉长速度成倍增加，因此能提高灭弧能力。★速拉法：拉长电弧有利于散热和带电质点的复合和扩散，开关电器中普遍使用的一种方法。3132★吹弧法：利用外力吹动电弧，使电弧加速冷却，拉长电弧。★冷却法：降低电弧的温度，使电弧中的高温游离减弱。基本的灭弧方法之一。33★长弧切短法：用金属片将电弧分割成许多个串联的短弧。常用于低压交流开关中。★粗弧分细法：将粗大的电弧分成若干平行的细小的电弧。34★真空灭弧法：真空具有较高的绝缘强度。★SF6灭弧法：SF6气体具有优良的绝缘性能和灭弧性能。★狭沟灭弧法：依靠磁场的作用，将电弧驱入耐弧材料制成的狭缝中以加强电弧的冷却。填料式熔断器属于狭缝灭弧法。351)、满足正常负荷的发热要求；2)、有足够的机械强度；3)、有足够的动稳定度和热稳定度；4)、有足够的断流能力。八、对电气触头的基本要求36触头的分类•1、固定触头——如母线的联接，采用螺柱连接和压接两种；•2、滑动触头——如滑环与碳刷；•3、可断触头——如QF的动静触头，可采用对接式和插入式。触头的接触电阻接触电阻——直接反映触头的工作状况其大小决定了触头的发热触头的工作情况37触头的工作情况•1、在长期负载电流下的工作•——负载电流I→触头Rc→I2Rc→发热•需采用降低温度及提高通流能力、严防金属氧化层造成的恶性循环的方法。2、在短时大电流下的工作在t很短的瞬间，电流很大→会在某一点集聚大热量→触头的熔焊→机械强度↓→弹力↓对策：规定短时发热最高温度限值383、在大电流下的关合和分断会出现：①弹跳现象②在可断触头的触头间产生的电弧可能会烧坏触头触头的工作情况返回目录39•教学要求：掌握高、低压开关电器的结构特点、工作原理、电气参数及其应用，重点掌握断路器的工作原理；掌握熔断器的作用、结构、原理；掌握互感器的作用、结构、接线方式及准确度等级；4.3高压一次设备及其选择