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1、电器学,中南大学信息学院电气工程系,教学目的与要求：掌握在当今开关电器中所使用的灭弧装置的灭弧原理，熟悉提高灭弧装置开断能力的辅助方法。教学重点与难点：金属栅片灭弧装置、真空灭弧装置、SF6灭弧装置、石英砂灭弧装置,2,第五章 开关电器典型灭弧装置的工作原理,3,本 章 教 学 基 本 内 容 1开关电器典型灭弧装置的工作 2提高灭弧装置开断能力的的灭弧辅助方法：并联低值电阻、附加同步装置、附加晶闸管装置。通过本章的学习，学生掌握当今开关电器中所使用的灭弧装置的灭弧原理，熟悉提高灭弧装置开断能力的辅助方法，便于在以后的工程实践中灵活运用。,第五章 开关电器典型灭弧装置的工作原理,4,概 述 5
2、-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理 5-2 提高灭弧装置开断能力的辅助方法 小 结,基 本 内 容,第五章 开关电器典型灭弧装置的工作原理,5,当电源电压超过数十伏、开断电流在数十安以上时，为减少电弧对触头的烧损和限制电弧扩展的空间，通常需要采取加强灭弧能力的措施，为此而采用的装置称为灭弧装置。这些灭弧装置的灭弧原理主要有下列十几种：1简单开断；2磁吹灭弧装置；3纵缝灭弧装置；4绝缘栅片灭弧装置；5金属栅片灭弧装置；6固体产气灭弧装置，,概 述,6,7石英砂灭弧装置；8变压器油灭弧装置；9压缩空气灭弧装置；10SF6灭弧装置；11真空灭弧装置。此外，为了增加灭弧装置的开断能力，通常可以采用下
3、列辅助方法：1在弧隙两瑞并联电阻；2.附加同步开断装置；3附加晶闸管装置。,概 述,7,上述灭弧装置的灭弧原理是：(1)在大气中依靠触头分开时的机械拉长，使L增大；(2)利用流过导电回路或特制线圈的电流在燃弧区产生磁场，使电弧迅速移动和拉长；（3）依靠磁场的作用，将电弧驱入用耐弧材料制成的狭缝中，以加强电弧的冷却和消电离；(4)用金属板将电弧分隔成许多串联的短弧；,概 述,8,(5)在封闭的灭弧室中，利用电弧自身能量分解固体材料，产生气体，以提高灭弧室中的压力，或者利用产生的气体进行吹弧；(6)利用电弧自身能量，使变压器油分解成含有大量氢气的气体并建立起很高的压力，再利用此压力推动冷油和气体去
4、吹弧；,概 述,9,(7)利用压缩空气吹弧；(8)利用SF6气体吹弧；(9)在高真空中开断触头，利用弧隙中由电极金属蒸汽形成的弧柱在电流过零时迅速扩散的原理进行灭弧；(10)利用石英砂等固体颗粒介质，限制电弧直径的扩展和加强冷却。,概 述,10,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,一、拉长电弧 在大气中利用机械方式拉长电弧进行灭弧的原理与图例。（1）原理：电弧放长后，电弧电压就增大，其静态伏-安特性向上移动。,11,（2）图解：如下图示，除依靠触头分开拉长电弧以外，还可依靠导电回路的电流产生的磁场使电弧弯曲来拉长电弧。前者沿电弧的轴向(亦称切向)拉长电弧，后者是沿着垂直于弧轴的方向(亦称法
5、向)拉长电弧。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,12,依靠拉长电弧使之恰好熄灭的最短长度，称为临界长度，记为Llj。其计算公式为：,式中 K常数，当电源电压为500V时，K=0.75；250V时，K=0.15；开断电流的起始值（有效值），单位为A。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,13,（3）示例：例一：刀开关拉长电弧。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,14,例二：利用流过导电回路的特制线圈的电流在燃弧期间产生磁场，使电弧迅速移动和拉长。图b）还增加了引弧角。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,15,二、磁吹线圈：可用于低压直流和交流接触器中。对后者，为减少涡流损
6、耗和避免由于钢夹板中磁通与电弧电流相位不同而产生反向电动力，铁心2上可开一槽或者用硅钢片叠成。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,16,当铁心不饱和时，如果磁吹线圈开断大电流时产生的磁场适当，则在开断小电流时将因电动力过小而引起吹弧困难。当然，通过设计也能使磁吹线圈在开断小电流时产生的磁场适当。但这样做，一方面将使磁吹线圈的匝数增加，增大了线圈体积和多用有色金属；另一方面将使开断大电流时产生的磁场过强，使得触头的电磨损大大增加。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,17,为缓和上述矛盾，可以通过适当选择磁吹线圈的匝数以及铁心和钢夹板的截而积，使得开断小电流时磁场加强，在开断大电流时则
7、由于磁路饱和而磁场不致过强。这样，电弧所受到的电动力将不再随开断电流成平方倍数地增加。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,18,三、纵缝灭弧装置 所谓纵缝就是灭弧室的缝隙方向与电弧的轴线平行。灭弧装置的工作原理：利用磁吹线圈产生的磁场将电弧驱入耐弧绝缘材料(石棉、水泥、陶土等)制成的具有纵缝的灭弧室中进行灭弧。它既可用于熄灭直流电弧，也可用于熄灭交流电弧。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,19,按缝隙的尺寸和形式，它们又分两种，如图5-5所示。图5-5a表示一单纵缝灭弧装置的原理结构。图中，1为用耐弧绝缘材料制成的灭弧室壁，2为磁吹线圈的钢夹板，3为电弧。通常上部缝宽小于熄灭电弧
8、的直径。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,20,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,21,由图5-6可见，当电流增大（横坐标向右）时，纵缝灭弧装置中电弧的“伏安特性”随电弧电流增加而下降的程度比自由燃弧时的“伏安特性”下降程度要缓得多，特别当电流很大时，E可以认为是常数。随着缝宽的减小和电弧横向运动速度的提高，电弧的“伏安特性”也将升高，这表明灭弧能力也随之增强。采用多纵缝可以减小电弧进入上部窄缝的阻力，在驱动电弧运动的电磁力给定时，可以采用比单纵缝灭弧室更小的缝隙。这使灭弧空壁对电弧的冷却和消电离作用更强。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,22,四、绝缘栅片灭弧装置 灭弧
9、装置如图5-8所示。,其中，灭弧室l中装有用耐弧绝缘材料制成的几片绝缘栅片2，栅片的边缘和电弧3的轴线垂直。当开断电流时，在触头4和5之间产生的电弧在导电回路的磁场作用下向上运动。,多纵缝灭弧装置广泛用于低压接触器中。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,23,当磁场的方向为垂直于纸面向里时，电弧AB、BC和CD段所受的电动力都使电弧压向绝缘栅片顶部，增大与栅片表面的接触面积，从而加强了电弧的冷却和消电离作用；而DE段所受的电动力使电弧向上拉长，更加深入栅片间隙和增加电弧与绝缘栅片的接被面积。,由于受到绝缘栅片的阻挡，电弧弯曲成如图5-9中AG曲线所示的形状。,B,5-1 开关电器典型灭弧
10、装置的工作原理,24,除此以外，电弧AB段和EF段相互作用产生一相吸电动力、CD段和EF段相互作用产生一相斥电动力，使AB、CD和EF段压向绝缘册片；CD段和EF段对DE段相互作用也产生一相斥电动力，使DE段向上运动。这种灭弧装置充分利用了电弧自身磁场产生的电动力。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,25,五、金属栅片(又称去离子栅)灭弧装置：这种灭弧装置的原理构造如图5-10 a所示。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,26,灭弧室1内部有许多由厚度为23mm钢板冲成的横向栅片2。栅片外表面镀铜以增大传热能力和防止钢片生锈。每一栅片冲有三角形的缺口。栅片缺口错开的作用为减 少电弧
11、初始碰到的栅片数，从而减少进入的阻力。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,27,在电弧进入栅片之后，电弧电压变为,金属栅片灭弧装置既能用于熄灭直流电弧，也能用于熄灭交流电弧。当熄灭直流电弧时：,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,28,图5-11表示厚为2mm、片距5mm的平板形栅片的灭弧装置开断350A电流时，介质初始恢复强度Ujf0和Kjf与n变化的关系是不成比例。其原因是电弧进入栅片分成很多短弧后，它们在灭弧室中的运动速度不同、运动方向也不同。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,29,金属栅片灭弧装置广泛用于低压开关电器中。其主要缺点是灭弧室除电弧能量损耗之外，还有栅片中
12、电阻、磁滞和涡流引起的损耗。加之栅片间隙较小，阻碍了热量的散发。这些都使灭弧室的温度容易升向，从而引起灭弧条件恶化。因此，这种灭弧装置不适用于过分频繁操作的场所。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,30,六、固体产气灭弧装置 某些固体绝缘材料如钢纸(亦称反白)、有机玻璃等，在电弧的高温作用下能迅速气化，产生大量主要成分为氢及其化合物的气体。利用这些材料的产气性质进行灭弧的灭弧装置称为固体产气灭弧装置。图5-13是利用串联短弧和高气压两种方式灭弧。其中，钢纸管在电弧的高温作用下分解，产生气体，使压力提高。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,31,如图5-14所示，灭弧期间管内的压力可
13、达4.8MPa。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,32,图5-15是利用产气原理提高气压，再利用气压进行灭弧的高压跌落式熔断器熔管的原理结构图。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,33,当短路电流通过时，熔丝3被熔断产生电弧，于是弹簧6长度缩短，电弧被迅速拉长。同时，电弧的高温使钢纸分解产生大量的气体，管内压力迅速升高，这一压力推动软线5加速向右运动，从而也加速电弧的拉长和压力的升高。当软线5被推出钢纸管8以后，管内的高压气体向外冲出，进行纵向吹弧，使电弧熄灭。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,34,七、石英砂灭弧装置：利用石英砂限制弧柱的扩展并冷却电弧使之熄灭的装置，叫
14、做石英砂灭弧装置。,图中 熔管1用瓷制成，2和3分别为端盖和接线板。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,35,七、石英砂灭弧装置：利用石英砂限制弧柱的扩展并冷却电弧使之熄灭的装置，叫做石英砂灭弧装置。,图中 熔管1用瓷制成，2和3分别为端盖和接线板。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,36,石英砂熔断器釆用了多断口串联、提高弧隙中气压以加强电离气体的扩散作用，以及利用狭缝冷却电弧共三种灭弧原理，所以它的灭弧能力强，限流作用非常显著。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,37,八、变压器油灭弧装置 1、分类：（1）自能式：利用电弧自身的能量将油蒸发分解而成油气，提高灭弧室中的压力
15、以驱动油或油气进行吹弧。（2）外能式：用外界能量(通常是储存在弹簧中的能量)推动活塞，提高灭弧室中的压力以驱动油或油气进行灭弧。（3）混合式：兼用上述两种能量，提高灭弧室中的压力以驱动油或油气进行吹弧。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,38,2、即使在油中简单地位长电弧，其灭弧能力也比在大气中拉长电弧高得多。这是因为：(1)油气的主要成分是氢，它在所有气体中具有最高的导热系数和最小的粘度，这就使弧柱的热量容易散发。(2)在电弧的高温作用下，油的气化和分解过程非常剧烈。油气形成后由于受到周围冷油的阻碍，体积不能迅速膨胀，因而气泡中压力很高，通常可达（0.51）MP。,5-1 开关电器典型
16、灭弧装置的工作原理,39,(3)在熄灭交流电弧过程中，当电流增大时，电弧的功率增大，油气的形成加剧，气泡中油气温度增高和压力上升。在压力较高的情况下，气泡壁处油的沸点升高，处于过热状态。当电流减小到过零附近时，由于电弧功率减小，油气产生的速度下降，但气泡在压力作用下仍继续膨胀，结果引起气泡中油气的温度和压力迅速降低。此时气泡壁处油的沸点下降，处于过热状态的油猛烈气化。由于气泡壁各处油的气化速度不一致，在气泡内就形成了压力差。此压力差促使油气产生混乱的运动，使刚刚形成的温度较低的油气进入弧柱中，加强了弧柱的冷却。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,40,(4)在某些情况下，还可利用被开断电
17、流产生的电动力使电弧弯曲和靠近气泡壁，加强对弧柱的冷却作用。按照油或油气与电弧作用的方式，自能吹弧灭弧装置又可分为横吹、纵吹、纵横吹和环吹四种。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,41,自能吹弧装置的特点:开断电流越大，则单位时间内产生的气体越多，灭弧室内压力越高，吹弧力量越强，于是燃弧时间越短；当开断较小电流时，灭弧室内压力越低，吹弧力量减弱，燃弧时间增长，实际上没有吹弧作用，即相当于在油中简单开断。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,42,由图可见，燃弧时间有一最大值，相应于最大燃弧时间的电流称为临界电流Ilj。其数值视灭弧装置的具体结构而异，一般为几十安到上千安。自能吹弧灭弧
18、装置的极限开断电流Ilx主要决定于灭弧室的机械强度。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,43,九、压缩空气灭弧方式。在开断电路对，将预先储备好的压缩空气用管道引向燃弧区，利用压缩空气猛烈吹弧和提高燃弧区的压力，使电弧熄灭的装置叫做压缩空气灭弧装置。按照气流吹弧的方向分横吹式和纵吹式两类。横吹式缺点较多，已淘汰，现主要介绍纵吹式。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,44,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,45,十、SF6灭弧装置。SF6是无色、无臭、无毒、无公害和不燃烧的气体。其沸点在大气压时为-60，加温到150 都不易与其他物质起化学反应，到500时仍不能自行分解。它的密度
19、是空气的5倍。常温时的传热能力(包括对流在内)为空气的1.6倍。它具有很高的绝线性能。在压力为0.1MPa时约为氮气的56倍，当压力为0.16MP时已与变压器油相等，而击穿电压为压缩空气的23倍。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,46,所以，采用SF6作为绝缘介质可以大大减小绝缘间隙的尺寸和缩小电器的体积。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,47,SF6另一突出优点是它只有很强的灭弧能力，主要原因有三条。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,48,（十一）真空灭弧装置。由于空气稀薄，空气分子及其电子的平均自由行程加长，这就使弧中气体粒子受到其他粒子碰障而电离的几率大大减少。因
20、此，真空具有很高的绝缘和灭弧性能。将触头在高度真空中开断便构成有很高开断能力的灭弧装置。按照触头结构的不同，真空灭弧装置分带圆柱状触头、带螺旋槽的磁吹触头和带纵磁场线圈的触头三种。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,49,图5-29是带圆柱状触头真空灭弧装置的原理结构图。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,50,在一定条件下，真空的击穿电压比空气高得多，但是，它受触头材料、电极形状、特别是电极表面粗糙度和电极上有无脏圬影响很大。真空灭弧装置的触头形状示例。,5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,51,5-2 提高灭弧装置开断能力的辅助方法,一、并联电阻帮助灭弧电路：图5-33是图
21、5-32的简化图。,并联电阻有助于灭弧。,52,二、附加同步开断装置 由于交流电流每秒要通过零点2f(f是电源频率)次。如果我们能使开关电器的触头在电流过零瞬时分开，并以极高的速度拉开到足以承受恢复电压而不发生间隙击穿的距离，则此时弧隙中将不产生电弧，也不存在所谓热击穿阶段。同时，由于弧隙是未电离的，只需较小的极间距离，就可承受较高的恢复电压。这种开断电路的方法叫做同步开断，而相应的开关电器叫做同步开关开关。,5-2 提高灭弧装置开断能力的辅助方法,53,由上述可见，这种理想的同步开关可以无需采用灭弧装置。然而，事实上，实现这一方案非常困难。其原因主要是：(1）技术上还不能保证开关电器的触头稳
22、定地每次恰在电流过零时分开；(2)还没有比较简便的方法使开关电器的动触头获得所需的高速度。,5-2 提高灭弧装置开断能力的辅助方法,54,工程上获得实际应用的是带灭弧装置的同步开关，即在现有的开关电器灭弧装置上加装同步装置，使触头在电流过零前一极短时刻(例如lms左右)分开，同时提高触头运动速度，使触头从分开到电流过零这段时间内动、静触头能分开到足够距离。这样做的好处：(1)触头分开时刻的稳定性要求降低；,5-2 提高灭弧装置开断能力的辅助方法,55,(2)有较长的时间让动触头在电流过零时达到一定的开距，从而可以减小动触头的运动速度。这时，虽然在弧隙中流过一定的电流，但因数值较小，而且持续时间
23、较短，弧隙中气体电离情况不太严重，所以在电流过零后弧隙的介质恢复强度数值较高，从而使现有的灭弧装置能够开断更大的电流。,5-2 提高灭弧装置开断能力的辅助方法,56,三、附加晶闸管装置 晶闸管具有可控单向导电的性质。如图5-38a所示，如果将它和开关电器S并联，并且当交流电流i的流向如图中的方向时，将开关S的触头分开，同时使晶闸管V触发导通，于是开断电流将从V中流过。由于V的电压降大大低于生弧电压，弧隙中将无电弧。此后，当晶闸管V中交流电流过零时它将自动闭锁，于是电路被开断。这种综合有触头开关电器和晶闸管而成的开关称为混合式开关。,5-2 提高灭弧装置开断能力的辅助方法,57,原理。混合式开关 优点：具有较高的电寿命；缺点：结构较复杂，价格较昂贵.,5-2 提高灭弧装置开断能力的辅助方法,58,小 结,开关电器灭弧装置的灭弧原理主要的有11种。根据这些原理构成的典型实际灭弧装置有：1简单开断；2磁吹灭弧装置；3纵缝灭弧装置；4绝缘栅片灭弧装置；5金属栅片灭弧装量；6固体产气灭弧装置；,59,7石英砂灭弧装量；8变压器油灭弧装置；9压缩空气灭弧装置；10SF6灭弧装置；11真空灭弧装置。此外，为增加灭弧装置的开断能力，通常可以采取下列辅助方法:1在弧隙两端并联电阻；2附加同步开断装置；3附加晶闸管装量。,小 结,
