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1、1高压电路中电弧的特性及形成过程随着我国经济发展和电力工业需求的增长,对高压开关性能要求也越来越高, 它能否正常工作直接关系电力系统的安全与稳定。断路器起着控制和保护电力系 统的双重作用，能在有载、无载及各种短路工况下完成规定的合分或操作循环任 务，特别是在高压强电流的条件下开断电路并不是件容易的事，开断过程产生的电 弧不熄灭,电路就不能被开断。由于电力系统发生故障时，产生的电流比正常负载 电流要大得多，这时开断电路的断路器在触头分离后,触点之间将会出现电弧，电 弧的存在对高压电路来说是一个不可忽视的安全隐患,因此高压电路上明确规定, 只有电弧熄灭，电路的断开任务才算完成，而断开的时间很短，因
2、此要求很高。电弧 快速熄灭能及时根除安全隐患，为将财产损失减到最小赢得时间。断路器的开断 要快速、可靠、稳定。在运行中，开断能力是标志性能的基本指标。所谓开断能 力,就是指断路器在切断电流时熄灭电弧，顺利地切、分电流的任务的能力。在电 力系统中,开断能力的参数通常是以额定短路开断电流为标志的,符号为Ib,单位 kA。电弧是一种能量集中、温度高、亮度大的气体放电现象,是一种电离的气体, 质量极轻，发出耀眼的光芒，在外力作用下迅速移动、卷缩和伸长。在操作电力开 关分断电路的过程中，当开关的触头即将分离时，由于触头的接触面突然减小，使 得触头接触处的电阻猛增,同时电路上被消耗的电能将产生上千度的高温
3、,使触头 产生热电子发射，这与人们在电子管中观察到的热电子发射情况类似,只不过这时 触头表面的温度比电子管内灯丝的温度要高得多，发射的热电子强度也大得多。 同时在开关触头分离的瞬间，电路加在触头上的电压将在触头间极小的间隙内形 成很强的电场，它将在高温作用下触头发射的热电子迅速加速，这些高速运动的热 电子碰撞其周围的气体分子而产生自由电子和正离子，被电离出来的自由电子在 高温和强电场的作用下继续加速，又碰撞其附近的其它气体分子，如此继续,形成 连锁反应，使开关触头间的气体在极短的时间发生雪崩似的电离，接通电路，发出 耀眼的亮光,这就是人们看到的电弧。电弧产生以后,触头间隙周围的温度随之升 高到
4、4 000C以上,大量的金属蒸气和气体原子在高温下继续电离为自由电子和 正离子，以维持电弧的稳定和电路的导通。电子学理论认为68，在电弧的形成过 程中，高温和电场不仅使气体分子、原子和炽热的金属蒸气发生电离，同时还使已 电离的自由电子和正离子重新复合成中性原子、分子。电弧形成过程示意图见 图1。电弧形成机制包括两种6 10 ，场致电子发射和热电子发射。场致电子发射机理: 当材料表面外加很强的电场时，势垒的高度显著降低，同时势垒的宽度变窄，这时 电子不需要额外获得能量就会由于隧道效应而有一定穿越势垒的几率，产生场致 电子发射。有文献表明810, Fowler和Nordheim于1928年计算了这
5、种场致发 射的电流密度与外加电场的关系得出在0 K时发射的电流密度为：1, 54 % IQ- T - 83 1 x 10,材% JJ 旷 由J F E3. 795 x lb 3”式中,E为电场强度;中为材料的逸出功,v(y)和t(y)可通过查表得到。热电子发射需 将阴极加热到约2 500 K以上,这时便在热作用下发射电子。电子经施加在两极间 的电场加速，向阳极运动。由于热电子发射需要的温度高，故只有少数几种难熔金 属(如W、Zr、Hf等)才可能产生热电子发射。热电子发射符合Richardson_Dushman 方程：；,=.4 T Vx|)| - K T |( 2)式中,js为电流密度;A为常
6、数;K为Boltzmann常数;T为电极温度;中是逸出功。式 表明热电子发射与发射体温度、电子逸出功有密切关系。比较式(1)、(2)可知, 对弧触头，无论是场致电子发射还是热电子发射，其发射电流都直接依赖于触头材 料的逸出功。提高材料的逸出功可显著降低动静弧触头间的电子发射能力。同时, 在热电子发射工作状态下，提高逸出功可使电极在较高的温度下达到所需要的电 流，能有效改善弧触头材料的抗烧蚀能力。2熄灭电弧的方法电弧的产生直接影响着电力系统的安全运行，快速、可靠、稳定地熄灭电弧对高 压电路起着举足轻重的作用。必须要指出的是,很多场合熄灭电弧,工作人员错误 的单纯采用体积大的断路器或闸刀，人为拉长
7、电弧的长度和电弧存在的时间，这对 于熄灭小电弧是可行的。但电弧是一种自持放电现象，采用体积大的断路器或闸 刀控制，拉长电弧，仅仅是熄灭这类电弧的充分条件。众所周知，我们所讨论的电 弧现象大多是基于交流电流的情况。随着正弦交流电流的周期性变化，交流电弧 也将随之每半周要过零一次。电弧能否熄灭，决定于电弧电流过零时,弧隙的介质 强度恢复速度和系统恢复电压上升速度的竞争。加强弧隙的去游离或减小弧隙电 压的恢复速度，都可以促进电弧熄灭。前已指出，交流电弧的熄灭条件是在零休期间不发生热击穿，同时在此之后 弧隙介质恢复过程总是胜过电压恢复过程，也即不发生击穿。但从灭弧效果来看， 零休期间是最好的灭弧时机：
8、一则这时弧隙的输入功率近乎等于零，只要采取适 当措施加速电弧能量的散发以抑制热电离，即可防止因热击穿引起电弧重燃；二 则这时线路所储能量很小，需借电弧散发的能量不大，不易因出现较高的过电压 而引起电击穿。反之，若灭弧非常强烈，在电流自然过零前就“截流”，强迫电 弧熄灭，则将产生很高的过电压，即使不致影响灭弧，对线路及其中的设备也很 不利。因此，除非有特殊要求，交流开关电器多采用灭弧强度不过强的灭弧装置， 使电弧是在零休期间，而且是在电流首次自然过零时熄灭实际上交流电弧未必均能于电流首次自然过零时熄，有时需经23个半周 才熄灭。如图2所示，触头刚分（t=t0）时，弧隙甚小，uh也不大。故电流在
9、首次过零t=t1 ）前，其波形基本上仍属正弦波，且在电流过零处电源电压滞后 约为 90。这时，介质强度ujf不大，恢复电压uhf于不久后上升到大于燃 弧电压ub1时，弧隙击穿，电弧重燃。图2在第二个半周，弧隙增大，弧隙增大了，uh和Ujf均增大，电流再过零(t =t2)时的滞后角0 2ujf2时，弧隙再次被击 穿，电弧仍重燃。此后，因弧隙更大，当t=t3、即电流第三次过零时，0 3 绝缘喷口； 3-静毛触头;4劫孤触头;5-动.上触头;6-热膨胀室；7-主触头；8-单向阀；9-辅助压力室；10-汽I释压阀图4热膨胀+助吹SF6断路器分闸过程示意图断路器分闸时，动主触头、动弧触头和拉杆等组成的刚
10、性运行部件在分闸弹 簧的作用下向下运动.在运动过程中，动主触头先与静主触头分离,电流转移到仍 闭合的动静弧触头上，随后两弧触头分离形成电弧.在开断短路电流时，由于开断 电流较大,弧触头间的电弧能量也大，被电弧加热的SF6气体流入热膨胀室，在热 膨胀室内与原有的冷气体进行热交换,形成低温高压气体.由于热膨胀室压力大于 辅助压力室,单向阀关闭,当喷口打开时，高压气体吹至喷口并在电流过零时熄灭 电弧.在分闸过程中，辅助压力室内的气压开始时是被压缩的，但达到一定的气压 值后,底部的弹性释压阀打开放气，使机构不必克服更多的压气反力，从而大大 降低操作功,如图的b）图.在开断小电流时,由于电弧能量小,热膨
11、胀室内产生的压 力小,不能满足灭弧的需求,需要利用辅助压力室的气体.分闸过程中，动触头系统 向下移动，在辅助压力室内建立起压力;当电流过零时，辅助压力室内的压力大于 热膨胀室压力，单向阀打开，被压缩的气体向喷口吹去,形成熄灭小电流电弧的助 吹，增强了开断小电流的能力,如图的c）图.4.3真空断路器4.3.1真空电弧的形成不管触头表面如何平整，微观上看总是凹凸不平的。两触头接触时只有少数 表面突起部分接触，通过电流。接触点的多少和接触面积的大小与接触压力有关。 当触头在真空中开断电流时，随着触头分开，接触压力减小，接触点的数量和接 触面积也随之减少。电流集中在愈来愈少的少数接触点上，损耗增加，接
12、触点温 度急剧上升，出现熔化。随着触头继续分开，熔化的金属桥被拉长变细并最终断 裂产生金属蒸气。金属蒸气的温度很高，部分原子可能产生热电离，加上触头刚 分离时，间隙距离很短，电场强度很高，阴极表面在高温强电场的作用下又会发 射出大量电子，这样触头间的放电将变为自持的真空电弧子。由此可见，维持真空电弧的是金属蒸气而不是气体分子，真空电弧实为金属 蒸气电弧。电弧中金属蒸气的压力可达到O.OIMPa0.1MPa。4.3.2真空断路器的主要特点4.3.2.1真空的绝缘特性真空具有很强的绝缘特性，在真空断路器中，气体非常稀薄，气体分子的自 由行程相对较大，发生相互碰撞的几率很小，因此，碰撞游离不是真空间
13、隙击穿 的主要原因，而在高强电场作用下由电极析出的金属质点才是引起绝缘破坏的主 要因素。真空间隙中的绝缘强度不仅与间隙的大小、电场的均匀程度有关，而且 受电极材料的性质及表面状况的影响较大。真空间隙在较小的距离间隙（2 3mm）情况下，有比空气与SF6气体高的绝缘特性，这就是真空断路器的触头 开距一般不大的原因。电极材料对击穿电压的影响主要表现在材料的机械强度 （抗拉强度）和金属材料的熔点上。抗拉强度和熔点越高，电极在真空下的绝缘 强度越高。实验表明，真空度越高，气体间隙的击穿电压越高，所以，要保证真 空灭弧室的绝缘强度。4.3.2.2真空中电弧的形成与熄灭真空电弧和我们以前学习的气体电弧放电
14、现象有很大的差别，气体的游离现象不 是产生电弧的主要因素，真空电弧放电是在触头电极蒸发出来的金属蒸汽中形成 的。同时，开断电流的大小不同，电弧表现的特点也不同，所以，我们一般把它 分为小电流真空电弧和大电流真空电弧。4.3.2.3小电流真空电弧触头在真空中开断时，产生的电流和能量集聚在阴极斑点，从阴极斑点上大量的 蒸发金属蒸汽，其中的金属原子和带电质点的密度都很高，电弧就在其中燃烧。 同时，弧柱内的金属蒸汽和带电质点不断的向外扩散，电极也不断的蒸发新的质 点来补充。在电流过零时，电弧的能量减小，电极的温度下降，蒸发作用减小， 弧柱内的质点密度降低，最后，在过零时阴极斑消失，电弧熄灭。有时，蒸发
15、作 用不能维持弧柱的扩散速度，电弧将突然熄灭，发生截流现象。4.3.2.4大电流真空电弧在触头断开大的电流时，电弧的能量增大，阳极也严重发热，形成很强的集聚型 弧柱。同时，电动力的作用也更加明显了，因此，对于大电流真空电弧，触头间 的磁场分布就对电弧的稳定性和熄弧性能有决定性的影响。如果电流太大，超过 了极限开断电流，就会造成开断失败。此时，触头发热严重，电流过零以后仍然 蒸发，介质恢复困难，不能断开电流。4.3.3高压真空断路器的结构简介高压断路器由以下五个部分组成：通断元件，中间传动机构，操 动机构，绝缘支撑件和基座。通断元件是断路器的核心部分，主电路的 接通和断开由它来完成。主电路的通断
16、，由操动机构接到操作指令后， 经中间传动机构传送到通断元件，通断元件执行命令，使主电路接通或 断开。通断元件包括有触头、导电部分、灭弧介质和灭弧室等，一般安 放在绝缘支撑件上，使带电部分与地绝缘，而绝缘支撑件则安装在基座 上。如图6所示：I上山曜性泊一上山站、3村竺我SI室H 划弗*h 4-F出配 -垠*抑掉谄-侍成用什点一分阳悼菅；汨- 功序林；】1一主姓布克桥胃A升用学特犀子：1彳一姓成I4T卜1 I ； I图5高压真空断路器的结构图- ；m4.3.4真空断路器机械特性 4.3.4.1.分、合闸速度真空断路器对分闸速度是有一定要求的，因为它影响燃弧时间和弧后介质强 度的恢复速度。不同型号的
17、真空断路器速度特性曲线形状有差别,但变化大致相 同,而且其曲线是唯一的。由于加工质量和装配中的差异，同种真空断路器合闸前 段和分闸后段会有不同，但合闸后段和分闸前段应当差异很小。凸轮被空转储能 簧拉动直至与滚子接触前的一段,这一段是空转。理论上如无空转则真空灭弧室 运动端速度从零开始（实际中为保证机构出力特性都有空转角度）。按照动量守恒 定律，空转角度变大初速度提高。如CT19空转角度在8.396 -17.135之间。 尽管对初速度影响不大，但对全行程所用时间影响却不小。因为走过前12 mm 空程所用时间占全行程时间的30%-40%。对于分闸后段的速度差异则视缓冲特性而定。其中分闸弹簧在全部分
18、闸过程 中都起作用,不仅影响断路器的刚分速度，而且还影响最大分闸速度分闸弹簧的力 越大,释放能量越多，则刚分速度和最大速度越大。触头弹簧只在超行程阶段起作 用,因此对刚分速度有直接影响。而且，触头本身的弹性及静触头系统的支撑部分 的刚性也对分闸速度尤其是刚分速度有很大影响。通常，具体速度的大小是通过 试验进行测定的。4.3.4.2合闸弹跳目前，真空断路器均采用对接式触头，且合闸速度较高,触头在合闸时就可能 产生弹跳。由于弹跳不但会使触头熔焊，产生过电压，而且还会使波纹管受强迫振 动而出现裂纹，导致灭弧室漏气，所以合闸弹跳越小越好。(1) 合闸弹跳定义断路器在合闸时触头刚接触直至触头稳定接触瞬间
19、为止的时间。所有直读数 据的开关特性测试仪都是按照这个定义来设计制造的。影响灭弧室电寿命的是电 弧，而电弧只有在动静触头不接触时才会产生，在动静触头接触时不会产生。大量 实践及理论分析均表明，真正对真空的电寿命有影响的因素是:合闸过程中，触头 刚接触直至触头稳定接触瞬间为止，这期间的触头断开时间。合闸弹跳的危害合闸弹跳是真空断路器机械特性的一种重要参数，在合闸弹跳过程中，触头断 开距离小，电弧不会熄灭，导致触头电磨损加重，从而影响灭弧室的电寿命,但由于 其存在时间较短，远小于合闸过程中电弧燃烧时间。在一定范围内的弹跳最主要 的危害在于加速了灭弧室触头的摩损，从而导致灭弧室电寿命的缩短。解决合闸
20、弹跳的对策弹跳对真空灭弧室电寿命的危害到底有多大?在合闸过程中，由于动静触头 的非弹性碰撞引起弹跳,弹跳值大小与诸多因素有关，如触头弹簧的弹力、合闸速 度、开距以及真空断路器的触头材料等等，安装、调试质量、零部件如铝支座、 灭弧室、轴销、换向器的加工精度都影响真空断路器合闸弹跳时间的长短。为了 把合闸弹跳减小到规定范围内,通常采取以下措施：(a) 提高配件的加工精度，使铝支座与轴、换向器与钢销、轴等紧密配合减小 间隙。(b) 加强装配工艺质量控制，提高装配工艺质量，在真空断路器装配过程中，注 意安装合理,不使真空灭弧室受到额外应力，调整导向管的位置，使灭弧室动触头 运动轨迹，在灭弧室的轴心上，
21、真空灭弧室动触头活动自如，无任何卡涩现象。(c) 适当加大触头超程弹簧预压力。通过采取以上措施，可以基本上有效地控 制弹跳时间。4.343.合、分闸时间从定义来看，合闸时间是指从接到合闸指令瞬间起到所有极触头都接触瞬间 的时间间隔定义为高压断路器合闸时间。而分闸时间则定义为从开关分闸操作(即接到分闸指令瞬间)起到所有极触头分离瞬间的时间间隔。这对系统的继电保护的设置提供了可*的保证。这在的产品中基本上都能够 达到产品的技术条件标准。但也有例外，一般是机构装配中产生的问题如：大轴 卡涩、合闸辅助开关行程过长或角度调整在死点等。总的来说时间问题这块相对 稳定些。4.3.4.4 .同期同期；定义为三
22、相动触头与静触头最先合与最后合或最先分与后分之间的时 间间隔。如果不同期大，会严重影响真空断路器开断过电流的能力，影响断路器的寿 命，严重时能引起断路器爆炸。不同型号的开关的不同期尽不相同，在常见的产 品的不同期2ms，其具体的处理方法有：(1) 在保证行程、超行程的前提下，通过调整三相绝缘拉杆的长度使同期、弹 跳测试数据在合格范围内；(2) 如果通过调整无法实现，则必须更换数据不合格相的真空泡，并重新调整 到数据合格。4.3.4.5 .反弹真空断路器反弹对灭弧室的影响。真空断路器的触头多为对接式结构，在分 合操作中可能产生不同程度的反弹现象。不论分闸反弹还是合闸反弹都会给运行 带来危害。反弹
23、可能导致：(1) 触头烧损严重，甚至熔焊。(2) 波纹管经受强迫振动可能产生裂纹，使灭弧室漏气。(3) 分闸时的冲击速度及冲击力较大发生反弹可能产生触头和导电杆的变 形，甚至产生裂纹。(4) 切合电容器组的真空断路器如发生分闸弹跳还会导致电容器的损坏。 4.4油断路器又断路器按其油量多少和油的作用又分为多油和少油断路器两大类，多油断 路器油量多，其油一方面作为灭弧介质，另一方面又作为相对地(外壳)甚至相 与相间的绝缘介质，这种断路器由于体积庞大，维护困难，目前已基本淘汰。少油断路器油量少(一般只几千克)其油只作为灭弧介质，一般635KV户内配电装置中大多采用少油断路器，下图6是SN10-10型
24、号高压少油断路器 的外型图，其油箱内部结构如图。图示为断路器合闸位置。其导电回路是由上出 线座2,经瓣形静触头13,动触头杆5,紫铜滚轮6,到下出线座7。I一濡气分荆器：？一 出线座3无拽宇爆藐 5动触1打；&一箫爆涂轮;T F川城座;S-*杼 9-笔咫；10-主精；他摩拉什；口一分闸为黄 13-莉形玛触土图6 SN10-10型断路器分相结构这种断路器由框架、传动部分和油箱等三个主要部分组成。油箱是其核心 部分，油箱下部是由高强度铸铁制成的基座，操作断路器导电杆（动触头）的转 轴和拐臂等传动机构就装在基座内，基座上部固定着中间滚动触头，油箱中部是 灭弧室，外面套的是高强度绝缘筒，油箱上部是铝帽
25、，铝帽的上部是油气分离室， 下部装有插座式静触动头，插座式静触头有34片弧触片。断路器合闸时，导 电杆插入静触头，最后离开的是弧触片，因此无论断路器合闸或跳闸，电弧总在 弧触片和导电杆端部之间产生，而这些弧触片与导电杆端部都由耐弧材料制成， 为了使电弧片能偏向弧触片，利用电弧的磁效应使电弧吸住铁片一侧确保电弧只 有在弧触片处余导电杆之间产生，不置烧坏静触头中主要工作触片。断路器灭弧主要依赖与如图7所示灭弧室。图8是灭弧室的工作原理。图7 SN10-10型高压少油断路器的灭弧室图8 SN10-10高压少油断路器的灭弧室工作示意图1-第一道灭弧沟；2-第二道灭弧沟1-静触头；2-吸弧铁片；3-横吹
26、灭弧沟（3道）；3-第三道灭弧沟；4吸弧铁片4-纵吹油囊；5-电弧；6-动触头断路器跳闸时，导电杆向下运动，当导电杆离开静触头时产生电弧，使绝缘 油分解形成气泡，导致静触头周围油压剧增，迫使静触头内的逆止阀动作其钢珠 上升堵住中心孔，于是电弧在近乎封闭的空间内燃烧，使灭弧室内的压力迅速升 高，当导电杆继续向下运动，相继打开一、二、三道吹沟及下面的纵吹油囊时， 油气混合体强烈地横吹和纵吹电弧，同时导电杆向下运动时，在灭弧室内形成附 加油流射自电弧，由于这种机械油吹和上述纵横吹的综合作用能使电弧在很短时 间内迅速熄灭，而且这种断路器在跳闸时导电杆是向下运动的，从而使得导电杆 端部的弧根部分不断地与下面冷却的新鲜的油接触，进一步改善灭弧条件。这种少油断路器，在油箱上部设有油气分离室，其作用是灭弧过程中产生的 油气混合体分离，油滴返回，则由顶部的排气孔排出。
