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第二章 電弧與電氣觸頭的基本知識,第一節(jié) 電弧的形成與熄滅,第二節(jié) 交流電弧的特性及熄滅,第三節(jié) 開關(guān)電器中熄滅交流電弧的基本方法,第四節(jié) 電氣觸頭的基本知識,本章計(jì)劃學(xué)時(shí)：4 學(xué)時(shí),本章教學(xué)要求,了解電弧的危害，熟悉電弧的形成過程,熟悉交流電弧的特性，交流電弧的熄滅條件,了解交流電弧的開斷過程,掌握熄滅交流電弧的基本方法,熟悉電氣觸頭的基本要求，及觸頭的分類和結(jié)構(gòu),第一節(jié) 電弧的形成與熄滅,一、開關(guān)電器的滅弧原理,（一）電弧現(xiàn)象,1) 電?。菏且环N氣體游離放電現(xiàn)象。 2) 產(chǎn)生電弧的條件：用開關(guān)電器開斷電源電壓大于10 20 V，電流大于80 100mA的電路時(shí)，就會發(fā)生電弧。 3) 電弧的特點(diǎn)：能量集中，溫度很高，亮度很強(qiáng)；電弧是良導(dǎo)體。 4) 電弧的利用：電弧在工業(yè)上有很多有益的應(yīng)用，例如，利用其高溫的電弧焊接機(jī)，電弧煉鋼爐等。 5) 電弧的危害：在開關(guān)電器中，電弧是有害的，要求盡快地熄滅，否則會燒壞開關(guān)觸頭，誤拉隔離開關(guān)會造成相間短路和人身傷亡。,6) 特征： 氣體導(dǎo)電（輕、易變形）； 電弧的能量集中，溫度很高，亮度很強(qiáng) 例：10kvQF斷開20kA的電流，電弧功率達(dá)到 1萬kw以上 電弧由陰極區(qū)，陽極區(qū)和弧柱區(qū)組成。 弧柱處溫度最高，可達(dá)67k0C到1萬度以上在弧柱周圍溫度較低，亮度明顯減弱的部分叫弧焰，電流幾乎都從弧柱內(nèi)部流過。,電弧的氣體放電是自持放電，維持電弧燃燒的電壓很低。在大氣中，1cm長的直流電弧的弧柱電壓僅1530v，在變壓器油中1cm長的直流電弧的弧柱電壓僅100220v。 電弧是一束游離的氣體，質(zhì)量極輕，極易變形。 電弧在氣體或液體的流動作用下或電動力作用下，能迅速移動、伸長或彎曲。,（二）電弧的產(chǎn)生與熄滅,游 離中性質(zhì)點(diǎn)分解成自由電子和正離子。 去游離電子和正離子相互吸引還原為中性質(zhì)點(diǎn)。,1. 電弧的產(chǎn)生,1）強(qiáng)電場發(fā)射：E=U / s 大于3106 V/m時(shí)，金屬觸頭陰極表面就會發(fā)射自由電子。,2）熱電子發(fā)射：在開關(guān)分閘時(shí)，動靜觸頭之間的接觸壓力和接觸面積減小，接觸電阻增大，接觸表面發(fā)熱嚴(yán)重，產(chǎn)生局部高溫，陰極金屬材料中的電子獲得動能而逸出成為自由電子。,3）加速運(yùn)動：自由電子，在強(qiáng)電場的作用下，向陽極作加速運(yùn)動。,4）碰撞游離：加速運(yùn)動獲得動能的自由電子在運(yùn)動中與中性質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞，中性質(zhì)點(diǎn)中的電子獲得能量產(chǎn)生躍遷，跳到能級更高的軌道上，如果獲得的能量足夠大，自由電子就能脫離原子核的束縛，游離成自由電子和正離子。,5）雪崩：游離的結(jié)果導(dǎo)致觸頭間自由電子數(shù)量劇增 。,6）介質(zhì)擊穿產(chǎn)生電?。簞≡龅碾娮有纬呻娏?，介質(zhì)被擊穿而產(chǎn)生電弧。,電弧形成小結(jié),自由電子的來源 (即游離方式) 電極發(fā)射大量自由電子：熱電子+強(qiáng)電場發(fā)射 弧柱區(qū)的氣體游離：碰撞游離+熱游離,電弧的形成,其中：陰極發(fā)射（起因）碰撞游離（重要因素）擊穿（量變到質(zhì)變）熱游離（主要因素）維持發(fā)展,2電弧的維持與發(fā)展 1）由于電弧的 r 小，電弧形成后，觸頭間的電壓和電場強(qiáng)度很低，強(qiáng)電場發(fā)射停止。 2）由于電弧在燃燒過程中溫度很高，可達(dá)到幾千度甚至上萬度，陰極表面繼續(xù)進(jìn)行熱電子發(fā)射。,3）另一方面介質(zhì)的分子和原子在高溫下將產(chǎn)生強(qiáng)烈的分子熱運(yùn)動，獲得動能的中性質(zhì)點(diǎn)之間不斷地發(fā)生碰撞，游離成自由電子和正離子，此即所謂熱游離。 4）熱發(fā)射和熱游離給弧隙提供了大量的自由電子，電流繼續(xù)流過，電弧的燃燒得以維持。,3電弧的熄滅,1）復(fù)合去游離：正離子和負(fù)離子相互吸引而中和成為中性質(zhì)點(diǎn)的過程。自由電子的 v 遠(yuǎn)大于正離子，它們直接復(fù)合的可能性很小，往往是自由電子先附著在中性質(zhì)點(diǎn)上，形成負(fù)離子，運(yùn)動速度大大減慢，此時(shí)正離子和負(fù)離子更容易復(fù)合。 2）擴(kuò)散去游離：自由電子和正離子逸出電弧而進(jìn)入周圍介質(zhì)中，被周圍介質(zhì)冷卻而復(fù)合的過程。 由于電弧內(nèi)外的電荷濃度及溫差的不同，自由電子和正離子將向濃度和溫度都低的周圍介質(zhì)中擴(kuò)散，在低溫處，電子和離子的v減慢而復(fù)合成為中性質(zhì)點(diǎn)。,影響游離和去游離的因素,電弧溫度：熱游離Q 速度復(fù)合加強(qiáng)Q 使溫度降低的方法有：吹弧、拉長電弧、或與冷卻介質(zhì)表面接觸。 電場強(qiáng)度：E 運(yùn)動速度復(fù)合 Q熱游離 氣體介質(zhì)的壓力：F自由行程縮短離子濃度復(fù)合 真空數(shù)目少磁撞游離擴(kuò)散 介質(zhì)特性：包括氣體的介電強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱容量、電負(fù)荷 電極材料：銅、銀、銅鎢、銀鎢合金 具有熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱能力強(qiáng)、熱容量大的特點(diǎn)，可減少熱電子發(fā)射和弧柱中的金屬蒸氣。,游離作用等于去游離作用，新增加的帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)量與中和的數(shù)量相等，電弧穩(wěn)定燃燒。 游離作用大于去游離作用，電弧燃燒加劇。 游離作用小于去游離作用，則電弧中的帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)量減少，最終導(dǎo)致電弧熄滅。,3）電弧的熄滅：電弧的燃燒是由游離過程維持的，但在電弧中同時(shí)還進(jìn)行著相反的使帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)量減少的去游離過程。,第二節(jié) 交流電弧的特性,1）電弧電流交變，每半個(gè)周期過零一次，此時(shí)電弧因失去能量而自然熄滅。,2）由于熱慣性，弧柱溫度的變化滯后于快速變化的電流，所以交流電弧的伏安特性是動態(tài)的，如圖2-3所示。在電流增大時(shí)，溫度來不及增高，弧隙電阻來不及減??；在電流減小時(shí)，溫度來不及減小，弧隙電阻來不及增大。故圖2-3a中正方向電流增大時(shí)的曲線在電流減小時(shí)的上方。 A點(diǎn)是電弧產(chǎn)生時(shí)的電壓，稱為燃弧電壓。 B點(diǎn)是電弧熄滅時(shí)的電壓，稱為熄弧電壓。,（四）交流電弧熄滅的條件,1）熄滅交流電弧的最佳時(shí)機(jī)：交流電弧每半周期自然熄滅是熄滅交流電弧的最佳時(shí)機(jī)。 2）在電流過零后，弧隙中存在著兩個(gè)恢復(fù)過程。 a) 介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程: 由于去游離作用的加強(qiáng)，弧隙間的介質(zhì)逐漸恢復(fù)其絕緣性能，以耐受的電壓Ur (t) 表示。 b) 弧隙電壓恢復(fù)過程: 電源電壓要重新作用在觸頭上，弧隙電壓將從熄弧電壓逐漸恢復(fù)到電源電壓，用Ud (t) 表示。,1弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程,（1）起始介質(zhì)強(qiáng)度（近陰極效應(yīng)）,在電流過零后的0.1 1s 的短暫時(shí)間內(nèi)，陰極附近出現(xiàn)150 250V的起始介質(zhì)強(qiáng)度，稱為近陰極效應(yīng)。,原因：在電流過零的瞬間，弧隙電壓的極性發(fā)生變化，弧隙中的自由電子立即向新陽極運(yùn)動，正離子質(zhì)量大，基本未動，在新陰極附近就形成了只有正電荷的不導(dǎo)電薄層，阻礙陰極發(fā)射電子，呈現(xiàn)出一定的介質(zhì)強(qiáng)度，如圖2-4所示。 （2）起始介質(zhì)強(qiáng)度出現(xiàn)后的介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù) 這是一個(gè)復(fù)雜的過程，它與電弧電流、介質(zhì)特性、冷卻條件和觸頭分?jǐn)嗨俣扔嘘P(guān)。,2弧隙電壓恢復(fù)過程,1）電弧為純電阻性質(zhì)，電弧電流與弧隙電壓同相位，電弧電流過零時(shí)，弧隙電壓接近零； 2）短路時(shí)電路電阻很小，電路呈感性 ，電弧電流與電源電壓不同相位，電弧電流過零時(shí)，電源電壓不等于零； 3）由于電路參數(shù)L、C的存在，電弧熄滅后，弧隙電壓不可能立刻由熄弧電壓上升到電源電壓，一般弧隙恢復(fù)電壓是一個(gè)過渡過程。它將從瞬態(tài)（振蕩）恢復(fù)電壓逐漸過渡到工頻恢復(fù)電壓。,3交流電弧熄滅的條件,電流過零后，電弧能否熄滅取決于兩個(gè)恢復(fù)過程作用的結(jié)果： 1）如果弧隙電壓恢復(fù)過程上升速度較快，幅值較大，弧隙電壓恢復(fù)過程大于弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程，介質(zhì)被擊穿，電弧重燃，如圖2-6a所示。 2）如果弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程始終大于弧隙電壓恢復(fù)過程，則電弧熄滅，如圖2-6b和2-6c所示。,故交流電弧熄滅的條件應(yīng)為： Ud (t) Ur (t),（五）斷路器開斷短路電流時(shí)的弧隙電壓恢復(fù)過程,如果能夠采取措施，防止弧隙恢復(fù)電壓振蕩，將周期性振蕩特性的恢復(fù)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵芷谛曰謴?fù)過程，電弧就更容易熄滅，如圖2-6c所示。,目的：找出恢復(fù)電壓不振蕩的條件及防止振蕩的方法。,斷路器開斷短路電流時(shí)的電路如圖2-7a所示，其等效電路如圖2-7b所示，R、L為電源和變壓器的電阻和電感，C可以認(rèn)為是變壓器繞組及連接線對地的分布電容，r為斷路器觸頭并聯(lián)電阻。,斷路器開斷短路電流時(shí)的弧隙電壓恢復(fù)過程相當(dāng)于二階電路過渡過程中，電容C兩端的電壓變化過程，即。,1）熄弧后，從瞬態(tài)恢復(fù)電壓過渡到電源電壓的時(shí)間很短，一般不超過幾百微秒，可近似認(rèn)為電源電壓不變，故電源用直流電源U0來代替。,假設(shè)與初始條件：,）,）i = 0時(shí)是時(shí)間的起點(diǎn)，即t = 0,如圖2-7b所示，當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，有,整理得：,此為二階常系數(shù)線性微分方程，其特征根為,當(dāng)特征根不等時(shí)，非齊次通解為,當(dāng)特征根為重根時(shí)，非齊次通解為,當(dāng),時(shí)，特征根為不等負(fù)實(shí)根。,可解得,代入非齊次通解可解得,一般變壓器繞組電阻 ， 略去不計(jì)，得,從上式可以看出，由于特征根為負(fù)實(shí)根，故弧隙電壓恢復(fù)過程為非周期性的，如圖2-8曲線3所示。,一般,，,略去不計(jì)，故上式最大值不會超過U0 ，進(jìn)一步化簡得,忽略R后，特征根為,根據(jù)近似計(jì)算，當(dāng)x很小時(shí)，,對上式微分，可得電流過零時(shí)的恢復(fù)電壓上升速度(V/s )為,由上式可知，觸頭并聯(lián)電阻r可以降低恢復(fù)電壓的上升速度，r越小，恢復(fù)電壓的上升速度越低。,當(dāng),時(shí)，特征根為共軛復(fù)根。,將,、,代入，得,利用歐拉公式化簡，得,從式(2-11)可以看出，1、2為共軛復(fù)根時(shí)，弧隙電壓恢復(fù) 過程為衰減的周期性振蕩過程，如圖2-8曲線2所示，從圖中曲線2可以看出，周期性振蕩過程的恢復(fù)電壓上升速度較快，幅值較大，給電弧的熄滅帶來困難 。,如果斷路器觸頭沒有裝設(shè)并聯(lián)電阻，即r=時(shí)，忽略R，,a) 周期性振蕩過程中的弧隙恢復(fù)電壓最大值可達(dá)2U0 ，如圖2-8曲線1所示。,當(dāng),時(shí)，為相等的負(fù)實(shí)根(重根)。,根據(jù)初始條件和公式,及其微分表達(dá)式，可求得,不計(jì)R，從而得,b)上升速度取固有振蕩頻率的半個(gè)周期內(nèi)的平均速度 ，由,得,a) 當(dāng) r rcr 時(shí)，弧隙電壓恢復(fù)過程為非周期性。在斷路器觸頭間并聯(lián)低值電阻（幾歐至幾十歐），可以改變弧隙電壓恢復(fù)過程的上升速度和幅值，可以將弧隙恢復(fù)電壓由周期性振蕩特性恢復(fù)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵芷谛曰謴?fù)電壓，大大降低了恢復(fù)電壓的上升速度和幅值，改善了斷路器的滅弧條件 。,b) 當(dāng) r rcr 時(shí)，弧隙電壓恢復(fù)過程為周期振蕩性過程，對電弧熄滅不利。,由羅彼塔法則可知：,時(shí)，,當(dāng),在此種情況下，弧隙電壓恢復(fù)過程仍是非周期性的，但處在臨界情況。忽略R，臨界并聯(lián)電阻值為,第三節(jié) 熄滅交流電弧的基本方法,加強(qiáng)弧隙的去游離、提高介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度和降低弧隙電壓的上升速度與幅值，是高壓斷路器中熄滅電弧的基本方法。,1利用滅弧介質(zhì),在高壓斷路器中，廣泛采用去游離作用強(qiáng)的滅弧介質(zhì)滅弧。,2、利用固體介質(zhì)的狹縫狹溝滅弧 冷卻， 表面吸附電子，加強(qiáng)復(fù)合。 如：介質(zhì)縱縫滅弧罩 介質(zhì)填料滅弧管,2、利用短弧原理滅弧,交流電路：電流自然過零時(shí)，每一短弧有150250v電壓。 直流電路：每一短弧的陰極區(qū)有811v電壓降。,4吹?。M吹、縱吹、縱橫吹）,吹弧是指利用各種結(jié)構(gòu)形式的滅弧室，使高溫分解的氣體或具有很大壓力的新鮮且低溫的氣體在滅弧室中按特定的通路，吹動電弧，加強(qiáng)擴(kuò)散和復(fù)合去游離而使電弧熄滅的方法。,5采用特殊金屬材料作滅弧觸頭,采用銅、鎢合金和銀、鎢合金等特殊金屬材料作觸頭。這些材料在高溫下不易熔化和蒸發(fā)、抗熔焊，可以減少熱電子發(fā)射和高溫分解產(chǎn)生的金屬蒸氣，削弱了游離作用。,6提高斷路器觸頭的分離速度,加快斷路器觸頭的分離速度，可以迅速拉長電弧，使弧隙的電場強(qiáng)度驟降，弧隙電阻和電弧的表面積突然增大，電弧的冷卻加快，有利于帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散和復(fù)合去游離。,7采用多斷口滅弧,某些電壓等級較高的斷路器采用多個(gè)滅弧室串聯(lián)的多斷口滅弧方式。 1）多斷口將電弧分割成多段，在相同觸頭行程下，增加了電弧的總長度，弧隙電阻迅速增大，介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度加快。 2）使每個(gè)斷口上的恢復(fù)電壓減小，降低了恢復(fù)電壓的上升速度和幅值，提高了滅弧能力。,加裝均壓電容，來解決各斷口的電壓分配不均衡的問題：,1）不裝均壓電容時(shí),斷口等效電容,兩斷口連接處對地的等效電容：,分配在兩斷口上的電壓為(CQ C0 )：,可以看出，第一個(gè)斷口的工作條件比第二個(gè)要惡劣，如其電弧不能熄滅，電壓將全部加在第二斷口上，它也將被擊穿。,2）在斷口上并聯(lián)均壓電容C 時(shí)，,C=2000pF，遠(yuǎn)大于C0 (幾十pF)，則,可見并聯(lián)均壓電容后，斷口上的電壓分布均勻，在 i 過零后，兩斷口上的電弧可以同時(shí)熄滅。,8在斷路器主觸頭兩端加裝低值并聯(lián)電阻,1) 主觸頭Q1先斷開，產(chǎn)生電弧，因有并聯(lián)電阻，恢復(fù)電壓為非周期性，降低了恢復(fù)電壓的上升速度和幅值，主觸頭上的電弧很快熄滅。,2)接著斷開的輔助觸頭Q2，由于r的限流和阻尼作用，輔助觸頭上的電弧也容易熄滅。,定義,觸頭的分類和結(jié)構(gòu),第四節(jié) 電氣觸頭的基本知識,電氣觸頭-即指兩個(gè)導(dǎo)體或幾個(gè)導(dǎo)體之間相互接觸的部分。主要用來負(fù)責(zé)接通和斷開電路。,1. 按接觸面的形式劃分 （1）平面觸頭-如圖2-20a，通常用于工作電流和短路電流小情況； （2）線觸頭-如圖2-20b，廣泛用于高低壓開關(guān)電器中； （3）點(diǎn)觸頭-如圖2-20c， 2. 按結(jié)構(gòu)形式劃分 （1）可斷觸頭-如QF的動靜觸頭，可采用對接式和插入式； （2）固定觸頭-如母線的聯(lián)接，采用螺 柱連接和 壓接兩種； （3）滑動觸頭-如滑環(huán)與碳刷。,觸頭的接觸電阻,接觸電阻：接觸電阻是指收縮電阻和表面膜電阻之和，其大小決定了觸頭的 發(fā)熱、觸頭的工作情況。 觸頭電阻：接觸電阻和觸頭體電阻之和。 影響接觸電阻的因素及降低其值的措施： （1）觸頭材料：銅、黃銅、青銅、銅鋁過渡接頭片等 （2）接觸壓力 （3）接觸形式：點(diǎn)、線、面接觸的用途 （4）接觸面的加工情況：平而不是光 對電氣觸頭的要求 （1）結(jié)構(gòu)可靠 （2）由良好的導(dǎo)電性能和接觸性能。 （3）通過規(guī)定的電流時(shí)，發(fā)熱溫度不超過規(guī)定值。 （4）開斷規(guī)定容量的電流時(shí)有足夠的抗熔焊和抗電弧燒傷 能力。 （5）通過短路電流時(shí)，具有足夠的動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定。,觸頭的工作情況,1、在長期負(fù)載電流下的工作 負(fù)載電流I觸頭RcI2Rc 發(fā)熱 需采用降低溫度及提高通流能力、嚴(yán)防金屬氧化層造成的惡性循環(huán)的方法。,2、在短時(shí)大電流下的工作 在t很短的瞬間，電流很大會在某一點(diǎn)集聚大熱量觸頭的熔焊 機(jī)械強(qiáng)度 彈力 對策：規(guī)定短時(shí)發(fā)熱最高溫度限值,習(xí)題及思考題,21 何為電?。亢喪鰯嗦菲饔|頭開斷時(shí)斷口電弧的形成過程及由此 而確定的基本滅弧方法。 22 直流電弧穩(wěn)定燃燒的條件為何？滅弧柵何滅弧室在滅弧原理上由何差別？ 23 交流電弧電流有何特點(diǎn)？熄滅交流電弧的條件是什么？ 24 什么叫介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程？什么叫電壓恢復(fù)過程？它們與哪些因素有關(guān)？ 25 在直流電弧和交流電弧中，將長電弧分割成短電弧滅弧室利用了什么原理？ 26 電氣觸頭主要有哪幾種接觸形式？各有什么特點(diǎn)？ 27 如果電氣觸頭發(fā)生振動是什么原因造成的？有什么危害？,