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1、1,主 编：李家坤 朱华杰主 审：陈光会,3 电弧及电气触头,发电厂及变电站电气设备,FADIANCHANG JI BIANDIANZHAN DIANQISHEBEI,2,3.1 电弧的基本问题,1,3 电弧及电气触头,目 录,3,【知识目标】1了解电弧的概念及特征，理解电弧的形成过程和燃烧熄灭的条件及影响电弧熄灭的因素；2理解直流电弧的特性及燃烧工作点，掌握稳定燃烧方程式及熄灭的条件；3理解交流电弧的动态伏安特性，理解弧隙电压恢复和介质电强度的恢复过程,掌握交流电弧熄灭的条件；4理解各种电弧熄灭的方法、原理及开关装置的灭弧措施；5了解电气触头的概念分类及接触电阻的概念，理解触头的接触机理和影
2、响接触电阻的因素。,3 电弧及电气触头,4,【能力目标】1能够简述电弧的形成过程，解释燃烧电弧熄灭的条件；2能够写出直流电弧沿弧长的电压分布方程，能够解释直流电弧稳定燃烧方程式；3能够简述交流电弧的动态伏安特性，能够解释弧隙电压恢复过程和介质电强度恢复过程；4能够认识、区分常见电气触头。,3 电弧及电气触头,5,电力系统中的电气设备，当切断通有电流的电路和接通具有电压的电路时，在分离和接通的触头之间便会产生电弧。电弧的温度较高，很容易烧毁触头，使触头周围的绝缘材料遭受破坏。如果电弧燃烧时间过长，设备内部压力过高，则很可能使电器设备发生爆炸等事故。因此，当开关触头间出现电弧时，必须尽快予以熄灭。
3、了解和分析电弧的形成机理，并采取有效的措施熄灭电弧，对电力系统的正常操作与安全运行有很重要的意义。,3 电弧及电气触头,6,高压断路器是开关电器中最为完善的一种设备，其最大特点是能断开电路中的负荷电流和短路电流，因此，运行中其开断能力是标志性能的一项基本指标。所谓开断能力，就是指断路器在切断电流时熄灭电弧的能力，以保证其顺利地分、合闸电路的任务。,3 电弧及电气触头,7,3.1 电弧的基本问题,3.1 电弧的基本问题,8,电弧实际上是一种能量集中、温度很高、亮度很大的气体放电现象，就是一种具有强光和高温的电游离现象。其内因在于触头本身和周围介质中存在着大量可被游离的电子，其外因为分断的触头间又
4、存在足够大的电压，当同时具有上述两个条件时，触头间便可能产生强烈的电游离而形成电弧。游离就是中性质点转化为带电质点。,3.1.1 电弧的形成,3.1 电弧的基本问题,9,用开关切断有电流通过的电路时，在开关触头刚分离的瞬间便会产生电弧，如图3.1所示为直流电弧的组成示意图。,图3.1 直流电弧的组成,3.1 电弧的基本问题,10,3.1.1.1 电弧的特性（1）电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成，如图3.1所示。阴极和阳极附近的区域分别称为阴极区和阳极区，在阴极和阳极间的明亮光柱称为弧柱。弧柱区中心部位温度最高、电流密度最大，称为弧心；弧柱区周围温度较低、亮度明显减弱的部分称为弧焰。（2）
5、电弧的温度很高。电弧形成后，由电源不断地输送能量，维持其燃烧，并产生很高的温度。电弧燃烧时，能量高度集中，弧柱区中心温度可达到10000以上，表面温度也有30004000，同时发出强烈的白光，故称弧光放电为电弧。,3.1 电弧的基本问题,11,（3）电弧是一种自持放电，不同于其他形式的放电现象（如电晕放电、火花放电等），电极间的带电质点不断产生和消失，处于一种动态平衡。弧柱区电场强度很低，一般仅为10200Vcm，很低的电压就能维持电弧的稳定燃烧而不会熄灭。（4）电弧是一束游离的气体，质量很轻，在电动力、热力或其他外力作用下能迅速移动、伸长、弯曲和变形。其运动速度可达每秒几百米。,3.1 电弧
6、的基本问题,12,3.1.1.2 触头间发生电弧的条件和物理过程触头周围的介质原本是绝缘的，电弧的产生说明绝缘介质变成了导电的介质，发生了物态的转化。任何一种物质都有三态，即固态、液态和气态，这三态随温度的升高而改变。当物质变为气态后，若温度再升高，一般要到5000以上，物质就会转化为第四态，即等离子体态。任何等离子体态的物质都是以离子状态存在的，具有导电的特性。因此，电弧的形成过程就是介质向等离子体态的转化过程。电弧的产生和维持是触头间中性质点（分子和原子）被游离的结果。,3.1 电弧的基本问题,13,开关触头刚分离时，由于触头间的间隙很小，触头间会出现很高的电场强度，当电场强度超过 V/m
7、时，阴极触头表面的电子在强电场的作用下被拉出来发生强电场发射。从阴极表面发射出来的自由电子，在电场力的作用下向阳极作加速运动，它们在奔向阳极的途中碰撞介质的中性质点（原子或分子），只要电子的运动速度足够高，其动能大于中性质点的游离能（能使电子释放出来的能量）时，便产生碰撞游离，原中性质点游离为正离子和自由电子。新产生的电子将和原有的电子一起以极高的速度向阳极运动，当它们和其他中性质点相碰撞时又再一次发生碰撞游离，依次连续发生。碰撞游离过程示意图如图3.2所示。,3.1 电弧的基本问题,14,图3.2 碰撞游离过程示意图,3.1 电弧的基本问题,15,碰撞游离连续进行的结果是使触头间隙充满了电子
8、和正离子，介质中带电质点大量剧增，使触头间隙具有很大的电导，在外加电压的作用下，大量的电子向阳极运动，形成电流，这是由于介质被击穿而产生的电弧，这时，电流密度很大，触头间电压降很小。电弧产生后，弧柱的温度很高，可达5000K以上，这时处于高温下的介质分子和原子产生剧烈运动，使它们之间不断发生碰撞，其结果又游离出电子和正离子，这便是热游离过程。,3.1 电弧的基本问题,16,电弧燃烧过程中，电极表面少数点上有较集中的电流，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少，接触电阻随之增大，会使电极表面有相当高温，从而造成其中的电子获得很大的动能，逸出到周围空间。这种现象称为热电子发射，是气
9、体介质中带电质点产生的主要原因之一，其强弱程度与阴极的材料及表面有关。从以上分析可知，电弧形成的过程是：开关阴极触头在强电场作用下发射电子，所发射出的电子在触头间电压作用下产生碰撞游离，形成了电弧。在高温的作用下，介质中发生热游离，热电子发射，使电弧得以维持和发展。,3.1 电弧的基本问题,17,3.1.1.3 产生电弧的游离方式（1）热电发射当开关触头分断电流时，阴极表面由于大电流逐渐集中而出现炽热的光斑，温度很高，从而使触头表面分子中外层电子吸收足够的热能而发射到触头间的介质中去，形成自由电子。（2）高电场发射开关触头分断之初，电场强度很大。在这种高电场作用下，触头表面的电子可能被强拉出去
10、，也进入触头间的介质中形成自由电子。,3.1 电弧的基本问题,18,（3）碰撞游离当触头间隙存在足够大的电场强度时，其中的自由电子以相当大的动能向阳极运动，在运动中碰撞中性质点（介质分子），有可能使中性质点分裂为带电的正离子和自由电子。这些被碰撞游离出来的带电质点，在电场力作用下继续参与碰撞游离，使触头间隙中的离子数越来越多，形成“雪崩”现象。,3.1 电弧的基本问题,19,3.1.1.4 影响游离作用的物理因素（1）气体介质的温度。温度越高，热游离越强烈。（2）介质的压力。压力越大，自由电子的平均自由行程越小，发生碰撞游离的可能性越小。（3）触头之间的外加电压。电压越高越容易将间隙击穿。（4
11、）触头之间的开断距离。开断距离增大则减小间隙中的电场强度。,3.1 电弧的基本问题,20,（5）触头之间的介质种类。不同介质游离电场不同，热游离温度也不同。（6）开关电器的触头材料。不同金属的蒸气有不同的游离电压，有些金属耐高温，不易产生金属蒸气。在电弧中，发生游离过程的同时还进行着带电质点减少的去游离过程。去游离过程是指自由电子和正离子相互吸引发生中和现象。,3.1 电弧的基本问题,21,电弧的熄灭过程，实际上是气体介质由导通又变为截止的去游离过程，去游离使弧隙中正离子和自由电子减少，电弧的熄灭是电弧区域内已电离的质点不断发生去游离的结果。,3.1.2 电弧的熄灭,3.1 电弧的基本问题,2
12、2,3.1.2.2 影响去游离的物理因素（1）介质的特性介质特性在很大程度上决定了电弧中去游离的强度，介质特性包括导热系数、热容量、热游离温度、介电强度等，这些参数值越大，去游离作用越强，电弧越容易熄灭，如氢气的灭弧能力是空气的7.5倍，SF6气体的灭弧能力约是空气的100倍。,3.1 电弧的基本问题,23,（2）电弧的温度降低电弧温度可以减弱热游离，减少新的带电质点的产生，同时也降低带电质点的运动速度，加强了复合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动电弧，或使电弧与固体介质表面接触，都可以降低电弧的温度。（3）气体介质压力气体介质压力增大，可使质点间的距离减小、浓度增大、复合作用加强。而高度
13、真空的绝缘强度远远高于一个大气压的空气和SF6气体的绝缘强度，并且高于变压器油的绝缘强度，真空中绝缘强度恢复快、熄弧能力强。,3.1 电弧的基本问题,24,3.1.2.2 去游离的主要方式去游离的主要方式包括复合和扩散两种形式。（1）复合复合是带异性电荷的质点相遇，彼此中和正负电荷成为中性质点的现象。电子的运动速度远大于离子，电子对于正离子的相对速度较大，它们复合的可能性很小，但电子在碰撞时，如果先附着在中性质点上形成负离子，则速度大大减慢，而正、负离子间的复合比电子和正离子间的复合要容易得多。,3.1 电弧的基本问题,25,若利用液体或气体吹弧，或将电弧挤入绝缘冷壁做成的窄缝中，迅速冷却电弧
14、，减小离子的运动速度，可加强复合过程。此外，增加气体压力，使离子间自由行程缩短，气体分子密度加大，使复合的几率增加，也是加强复合过程的措施。,3.1 电弧的基本问题,26,（2）扩散扩散是指电弧中自由电子和正离子逸出弧柱以外，与周围未被游离的冷介质相混合的现象。扩散是由于带电质点的不规则热运动以及空间电荷的不均匀分布，使电弧中的高温离子由密集的空间向密度小、温度低的介质周围方向扩散。电弧和周围介质的温度差以及离子浓度差愈大，扩散作用就愈强。,3.1 电弧的基本问题,27,扩散去游离主要有两方面原因及形式：离子浓度差，由于弧道中带电质点浓度高，而弧道周围介质中带电质点浓度低，存在着浓度上的差别，
15、带电质点会由浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使弧道中的带电质点减少；温度差，由于弧道中温度高，而弧道周围温度低，存在温度差，这样，弧道中的高温带电质点将向温度低的周围介质中扩散，减少了弧道中的带电质点。电弧截面越小，离子扩散也越强。,3.1 电弧的基本问题,28,3.1.2.3 熄灭电弧的基本方法熄灭电弧的基本方法是：削弱游离过程，加强去游离过程，使触头间电弧中的去游离率（速率）大于游离率（速率）。主要措施有：（1）提高触头间的开断速度第一批自由电子是依靠断口间的高电场强度产生的，提高触头的运动速度或增加断口数目，减少间隙处于高电场强度下的时间，使自由电子数不足而迫使电流减小，过程中注入间隙的
16、能量也小，间隙温度较低，使电弧不易形成。,3.1 电弧的基本问题,29,（2）冷却电弧用冷却绝缘介质降低电弧温度，削弱热发射和热游离作用以熄灭电弧。在高压开关中常用的绝缘介质有三种：油、SF6和压缩空气（高密度空气）。（3）增大绝缘介质气体压力它可使气体密度增加，缩短分子和离子运动的自由程，降低热游离几率，增大复合几率，促使电弧熄灭。,3.1 电弧的基本问题,30,（4）吹弧采用绝缘介质吹弧，使电弧拉长，增大冷却面，提高传热率，并强行迫使弧道中游离介质扩散，流入新鲜介质以促使电弧熄灭。（5）将触头置于真空密室中由于缺乏导电介质而使电器分断时不能维持电弧燃烧。,3.1 电弧的基本问题,31,（1
17、）电弧的高温，可能烧坏电器触头和触头周围的其他部件；对充油设备还可能引起着火甚至爆炸等危险，危及电力系统的安全运行，造成人员的伤亡和财产的重大损失。,3.1.3 电弧的危害,3.1 电弧的基本问题,32,（2）由于电弧是一种气体导电现象，所以在开关电器中，虽然开关触头已经分开，但是在触头间只要有电弧的存在，电路就没有断开，电流仍然存在，直到电弧完全熄灭，电路才真正断开，电弧的存在延长了开关电器断开故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。（3）由于电弧在电动力、热力作用下能移动，容易造成飞弧短路、伤人或引起事故扩大。,3.1 电弧的基本问题,33,3.2 直流电弧的特性和熄灭,3.2 直流
18、电弧的特性和熄灭,34,因为交流回路和直流回路中产生的电弧在特性上有差异，所以高压断路器熄灭这两种电弧的方法并不完全相同，在直流电路中产生的电弧叫直流电弧。直流电弧的特性，可以用沿弧长的电压分布和伏安特性来表示。对于几毫米长的电弧，通常称为短弧。在短弧中，电弧电压主要由阳极区、阴极区电压降组成，它的特性表现在电弧电压约为20V，而且是与电流、外界条件无关的常数。对于长度为几厘米及以上的电弧，称为长弧。在长弧中，电弧电压主要由弧柱区电压降组成，电弧电压与电弧长度成正比。,3.2.1 直流电弧的特性,3.2 直流电弧的特性和熄灭,35,3.2.1.1 弧长电压分布特性稳定燃烧的直流电弧沿弧长的电压
19、分布如图3.3所示。电弧压降由阴极区压降、弧柱区压降和阳极区压降三部分组成。电弧阴极区压降近似等于常数，它与电极材料和弧隙的介质有关。弧柱区压降与弧长成正比。阳极区的电压降比阴极区的小。当电流很大时，阳极区压降很小。如果其他条件不变，电弧电压随电流的增加而下降。由图3.3可知直流电弧弧长的电压为：,3.2 直流电弧的特性和熄灭,36,式中电弧在全长上的压降；阴极区压降；弧柱区压降；阳极区压降。由于电弧的端部靠近触头的区段（阴极区和阳极区）较之于中心区段（弧柱区）温度低，自由电子的密度小，因此导电率低，电位梯度大。,（3.1）,3.2 直流电弧的特性和熄灭,37,图3.3直流电弧电压沿弧长的分布
20、,3.2 直流电弧的特性和熄灭,38,特别是阴极区，由于堆积了许多正离子，电位梯度最高；而阳极区主要是接受从弧隙中来的电子，只有在高温下才发射少量电子，所以其电位梯度较阴极区小。弧柱区压降与电流大小、弧隙长度、介质种类及其状态（介质压力、介质流动方式及流速等）有关。当电弧稳定燃烧时，若弧隙介质情况不变，则电流越大，弧柱区电阻越小，弧柱区压降越低；当弧长增加时，弧柱区电阻增大，弧柱区压降上升，弧柱区压降与弧长基本上成正比。,3.2 直流电弧的特性和熄灭,39,3.2.1.2 电弧燃烧伏安特性图3.4是具有电弧的R-L直流电路，其电压方程式为电弧稳定燃烧时，和 基本保持不变，即 0。若改变电阻R使
21、电弧稳定燃烧，则可画出“”曲线，称为电弧的静态伏安特性曲线；如果 0，电弧的 曲线称为动态伏安特性曲线，如图3.5所示。由于热惯性的原因，图中曲线2总低于曲线1。,（3.2）,3.2 直流电弧的特性和熄灭,40,图3.4 具有直流电弧的R-L电路,3.2 直流电弧的特性和熄灭,41,图3.5 直流电弧的伏安特性,3.2 直流电弧的特性和熄灭,42,3.2.1.3 直流电弧的熄灭条件对于几毫米的短弧，电弧压降主要是近极（阴极和阳极）压降，如果外加电压小于近极压降，电弧将被熄灭。对于几厘米以上的电弧，电弧压降主要由弧柱区压降组成，因此电弧压降正比于电弧长度。当=0时，由式（3.2）可得:是电源供给
22、电弧的电压，曲线是电路的伏安特性，它与电弧的静态特性曲线 在图3.6中有A和B两个交点，其中B点是电弧稳定燃烧点，A点是不稳定燃烧点。,（3.3）,3.2 直流电弧的特性和熄灭,43,在A点若电流 略有减小，则，电弧电流将会继续减小，直至熄灭；若 略有增加，则，电弧电流将继续增大，最后稳定在B点。如果能将电弧静态伏安特性提高到图3.6中的虚线 位置，两条特性曲线 与 无交点，就会将电弧熄灭。因此，直流电弧的熄灭条件是：或,（3.4）,3.2 直流电弧的特性和熄灭,44,图3.6 直流电弧的稳定燃烧点,3.2 直流电弧的特性和熄灭,45,如图3.5和图3.6所示，由直流电弧的伏安特性曲线可知，其
23、稳定燃烧点在B点，只要能够保证，则能保持0，从而使电弧熄灭。因此，增加电阻压降和电弧压降以消耗电压，是低压开关电器熄灭电弧的有效方法。具体灭弧方法有：（1）拉长电弧。如图3.7所示，当电弧长度为 时电弧在B点稳定燃烧，如将其拉长经（临界状态）至，由于 的增加而总有 0，电弧熄灭。,3.2.2 直流电弧的灭弧方法,3.2 直流电弧的特性和熄灭,46,图3.7 拉长电弧熄灭,3.2 直流电弧的特性和熄灭,47,（2）开断电路时在电路中逐级串人电阻。如图3.8所示。当外电路电阻为R0时，电弧在B点稳定燃烧，如在外电路中串入电阻使外电路电阻变为R1，0而熄灭。采用此种措施时应注意限制电流的变化速度以防
24、止过电压，否则不能达到熄弧目的。因此由R0变至R1时，需逐级串人电阻进行。,3.2 直流电弧的特性和熄灭,48,图3.8 外电路逐级引入电阻灭弧,3.2 直流电弧的特性和熄灭,49,（3）在断口上装灭弧栅 如图3.9所示，由钢片组成的灭弧栅罩在开关触头上，开关开断时，弧电流产生的磁场与钢片产生作用力使电弧拉入灭弧栅内被钢片分割成多段短弧，形成许多对电极，由于电弧的近极压降而使电弧所需电压增加，造成 0，使电弧熄灭。低压开关的灭弧常采用此种方法。,3.2 直流电弧的特性和熄灭,50,图3.9 金属栅片分割短弧灭弧,3.2 直流电弧的特性和熄灭,51,（4）吹弧冷却电弧利用流体介质对电弧进行横吹或
25、纵吹，或者把电弧与耐热绝缘材料（如石棉、水泥或陶土等）密切接触，都可对电弧起冷却作用，并可增强表面复合作用，如图3.10所示。,3.2 直流电弧的特性和熄灭,52,图3.10 吹弧（横吹和纵吹）,3.2 直流电弧的特性和熄灭,53,3.3 交流电弧的特性和熄灭,3.3 交流电弧的特性和熄灭,54,交流电弧是指在开断交流回路过程中所产生的电弧。它存在自然暂时熄弧点，电流过零时，电弧自然暂时熄灭，与电弧中去游离过程无关；电流过零后，电弧的发展方向就取决于游离与去游离的强弱较量。,3.3.1 交流电弧的伏安特性,3.3 交流电弧的特性和熄灭,55,交流电弧的特性如下：（1）交流电弧具有动态伏安特性在
26、交流电路中，电流的大小和相位不断地随时间变化，每个周期有两次通过零点，因而电弧的温度、直径以及电弧电压也随时间变化，因此交流电流一直处于动态过程，电弧的这种特性称为动态特性。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,56,图3.11为含R-L-C的交流电弧电路，设交流电路处于稳定状态，且电弧长度不变，则交流电弧的伏安特性以及在一个周期内交流电弧电流和电压随时间的变化关系如图3.12所示。由图3.12可见，电流由负值过零瞬间，电弧暂时熄灭，但触头两端仍有电源电压。在电流上升阶段，当电压升至A点时，电弧重燃，对应于A点的电压称为燃弧电压。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,57,由于电弧热游离很强，尽管电流继续
27、上升，而电弧压降却在逐渐降低（AB段）；从B点（对应于电流峰值）以后电流逐渐减小，电弧压降相应回升（BC段），到达C点时电弧再次熄灭，对应电压称为熄弧电压。由此可见，熄弧电压总低于燃弧电压。电弧电压呈马鞍形变化，电流小时电弧电压高，电流大时电弧电压减小且接近于常数。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,58,图3.11 含R-L-C的交流电弧电路,3.3 交流电弧的特性和熄灭,59,图3.12 交流电弧的伏安特性及电压、电流波形（a）伏安特性；（b）波形图,3.3 交流电弧的特性和熄灭,60,电流过零后在反方向重燃，其伏安特性与正半周相似。（2）交流电弧具有热惯性交流电流变化很快，而弧柱的受热升温或
28、散热降温都有一定过程，跟不上快速变化的电流，所以电弧温度的变化总滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,61,（3）交流电弧电流存在着自然过零交流电流每半个周期过零一次，称为“自然过零”。电流过零时，电弧自然熄灭。如果电弧是稳定燃烧的，则电弧电流过零熄灭后，在另半周又会重燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就熄灭。因此，交流电流过零的时刻是熄灭电弧的良好时机，如果在电流过零时采取有效措施使电弧不再重燃，则电弧最终熄灭。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,62,由于电源电压的交变，交流电弧与直流电弧燃烧过程的基本区别在于交流电弧中电流每半个周期要经过零点一次，
29、此时电弧暂时熄灭，而不像直流电弧那样需要强行熄灭。熄灭交流电弧的主要问题仅为防止电弧重燃，且产生过电压的可能性也低于强行熄灭的直流电弧，因而交流电路较直流电路易于切断。,3.3.2 交流电弧的熄灭,3.3 交流电弧的特性和熄灭,63,交流电流过零后，弧隙中同时存在着两个恢复过程：一是弧隙介质绝缘能力（或介电强度）的恢复过程，它主要取决于弧隙的冷却条件；二是弧隙电压的恢复过程，即弧隙电压由熄弧电压经过电路参数所决定的电磁振荡，逐渐恢复到电源电压的过程，它主要取决于电路参数。在恢复过程中，电弧是否重燃取决于弧隙介质绝缘强度的恢复和弧隙电压的恢复快慢程度。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,64,在电流
30、过零时，若恢复电压高于介质的绝缘强度，电弧将会重燃，这种现象叫电击穿；反之，若采取有效措施加强弧隙的冷却，使弧隙介质的绝缘强度达到不会被弧隙外施电压击穿的程度，则在下半周电弧就不会重燃而最终熄灭。同时弧隙中电弧是否能够熄灭也与弧隙中去游离过程和游离过程的竞争结果密切相关。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,65,当电流过零、电弧暂时熄灭时，弧隙温度继续下降，去游离作用继续加强，弧隙介质绝缘强度逐渐回升，但因热惯性而使弧隙温度仍然较高，甚至热游离也未完全停止，所以弧隙还具有一定的导电性，在弧隙外加电压作用下仍有残余电流通过。此时弧隙中同时存在着散失能量和输人能量两个过程，若输入能量大于散失能量，则游
31、离过程胜于去游离过程，电弧可以重燃，这种现象叫热击穿；反之，电弧就会熄灭。一般来说，断路器电弧多由电击穿而重燃。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,66,3.3.2.1 弧隙介质介电强度的恢复弧隙介质能够承受外加电压作用而不致使弧隙击穿的电压称为弧隙的绝缘能力（绝缘强度或介电强度）。当电弧电流过零时电弧熄灭，弧隙中去游离作用继续进行，弧隙电阻不断增大，但弧隙介质的介电强度要恢复到正常状态值需要有一个过程，此恢复过程称为弧隙介质介电强度的恢复过程，以能耐受的电压 表示。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,67,介质介电强度的恢复速度与冷却条件、电流大小、开关电器灭弧装置的结构和灭弧介质的性质有关。目前，
32、电力系统中常用的灭弧介质有油（变压器油或断路器油）、空气、真空、SF6等。图3.13所示为不同介质的介电强度恢复过程曲线。从图可知，在电流过零瞬间（t=0），介电强度出现突然升高的现象，这称为近阴极效应。这是因为在电弧过零之前，弧隙充满着电子和正离子,电流过零后，弧隙的电极极性发生了改变，弧隙中剩余的带电质点的运动方向也相应改变，弧隙中质量小的电子迅速向新的阳极运动。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,68,图3.13 介质介电强度的恢复过曲线1-真空；2-SF6；3-空气；4-油,3.3 交流电弧的特性和熄灭,69,而比电子质量大很多倍的正离子由于惯性大，来不及改变运动方向停留在原地基本未动，从
33、而形成弧隙间电子与正离子运动不平衡，导致新的阴极附近形成了一个正电荷离子层，如图3.14所示，空间正电荷层使阴极附近出现了大约150250V的起始介电强度。近阴极效应使弧隙在电弧自然熄灭后的极短瞬间能耐受150250V的外加电压。在低压电器中，常利用近阴极效应这个特性来灭弧。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,70,图3.14 近阴极效应（a）电荷分布；（b）电压分布,3.3 交流电弧的特性和熄灭,71,电弧电流越大，即电弧温度越高，介质强度恢复越慢。相反，对电弧冷却越好，温度下降越快，介质强度恢复就越快。在高压断路器中，普遍利用气体或液体吹动电弧来加强弧柱的冷却，加强介质强度的恢复过程，以达到熄
34、弧的目的。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,72,影响介质介电强度恢复速率的主要因素有：（1）弧隙温度。弧隙温度降低越快，弧隙介质 强度恢复速率越大。（2）弧隙介质特性。不同的灭弧介质中弧隙介 质强度恢复速率不同，如图3.13所示。（3）灭弧介质的压力。压力高不易击穿产生电 弧。（4）断路器触头的分断速度。分断越快，开距 越大，介质介电强度的恢复速率越大。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,73,3.3.2.2 弧隙电压的恢复过程电流过零使电弧熄灭后，电路施加于弧隙的电压，将从不大的电弧电压逐渐增长，一直恢复到电源电压，这一过程中加在弧隙上的电压称为恢复电压。电弧电流过零前，弧隙电压呈马鞍形变化，电
35、压值很低，电源电压的绝大部分降落在线路和负载阻抗上。电流过零时，弧隙电压等于熄弧电压，正处于马鞍形的后峰值处（图3.12的C点），电流过零后，弧隙电压从后峰值逐渐增长，一直恢复到电源电压，弧隙电压从熄弧电压变成电源电压的过程称为弧隙电压恢复过程。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,74,电压恢复过程与电路参数、负荷性质等有关。受电路参数等因素的影响，电压恢复过程可能是周期性的变化过程，也可能是非周期性变化过程。这里用 表示电压恢复过程。一般恢复电压由两部分组成：在电压恢复过程中，首先出现在弧隙两端的是具有过渡过程特性的电压，称为瞬态恢复电压，它存在的时间很短；然后，弧隙两端的电压就是电源电压，称为
36、工频恢复电压，如图3.15所示。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,75,图3.15 弧隙恢复电压组成,3.3 交流电弧的特性和熄灭,76,工频恢复电压是电弧熄灭后加在弧隙上的恢复电压稳态值，而瞬态电压则是从熄弧电压过渡到稳态值之间的暂态分量。瞬态恢复电压 与工频恢复电压 合起来，称为恢复电压。图3.16所示恢复电压呈现周期性振荡的变化过程，这时弧隙的恢复电压最大值理论上可达到2，实际中由于电阻影响，弧隙恢复电压振荡有衰减，实际最大值为（1.31.6）。周期性振荡的恢复电压更容易超过弧隙介质强度，造成电弧重燃。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,77,图3.16 恢复电压周期性振荡变化过程,3.3 交
37、流电弧的特性和熄灭,78,3.3.2.3 交流电弧的熄灭条件电弧电流过零后，电弧自然熄灭。此时弧隙中同时存在着两个作用相反的恢复过程，即介质介电强度 的恢复过程和弧隙电压 的恢复过程。如果弧隙介质介电强度在任何情况下都高于弧隙恢复电压，则电弧熄灭；反之，如果弧隙恢复电压高于弧隙介质介电强度，弧就被击穿，电弧重燃，如图3.17所示。交流电弧的熄灭条件为：,（3.5）,3.3 交流电弧的特性和熄灭,79,因此，在交流电弧的灭弧中，应充分利用交流电流的自然过零点，采取有效的措施，加大弧隙间去游离的强度，使电弧不再重燃，最终熄灭。,图3.17 交流电弧在过零后重燃和熄灭（a）重燃；（b）熄灭,3.3
38、交流电弧的特性和熄灭,80,开断交流电弧时，应在电流达到零值以后，加强对弧隙的冷却，抑制热游离，加强去游离作用。为此，在开关设备中均装设了灭弧装置，称为灭弧室，灭弧室不断改进，大大提高了开关的灭弧能力。另外，还可以采用性能更为优越的新型灭弧介质，如六氟化硫断路器的使用等。,3.3.3 交流电弧的灭弧方法,3.3 交流电弧的特性和熄灭,81,目前，广泛采用的交流电弧的灭弧方法有以下几种：（1）速拉灭弧利用空气、电动力、闸刀等拉长电弧，使弧隙的电场强度骤降，使离子的复合迅速增强，强化去游离过程,而加速灭弧。这是开关电器最基本的一种灭弧方法。开关电器中装设的断路弹簧，目的就在于加速触头的分断速度，迅
39、速拉长电弧。（2）冷却灭弧法降低电弧温度，可使电弧中的热游离减弱，正负离子的复合增强，从而有助于电弧熄灭。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,82,（3）采用多断口灭弧在许多高压断路器中，常采用每相两个或多个断口相串联的方式，如图3.18所示。熄弧时，利用多断口把电弧分解为多个相串联的短电弧，使电弧的总长度加长，弧隙电导下降；在触头行程、分闸速度相同的情况下，电弧被拉长的速度成倍增加，促使弧隙电导迅速下降，提高了介电强度的恢复速度；另一方面，加在每一断口上的电压减小数倍、输人电弧的功率和能量减小，降低了弧隙电压的恢复速度，缩短了灭弧时间。多断口比单断口具有更好的灭弧性能，便于采用积木式结构（用于1
40、10kV及以上电压的断路器中）。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,83,图3.18 双断 口示意图1-静触头；2-电弧；3-动触头,3.3 交流电弧的特性和熄灭,84,（4）吹弧或吸弧灭弧法利用灭弧介质（气体、油等）在灭弧室中吹动电弧或吸动电弧，广泛应用在开关电器中，特别是高压断路器中。使电弧加速冷却，同时拉长电弧，降低电弧中的电场强度，使电弧中离子的复合和扩散加强，从而加速灭弧。吹弧可将电弧中大量正负离子吹到触头间隙以外，代之以绝缘性能高的新鲜介质；吹弧使电弧温度迅速下降，阻止热游离的继续进行，使触头间的绝缘强度提高；被吹走的离子与冷介质接触，加快了复合过程的进行；吹弧使电弧拉长变细，加快了电
41、弧的扩散，弧隙电导下降。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,85,按方向可把吹弧分为：横吹吹弧方向与电弧轴线相垂直时，称为横吹，如图3.19（a）所示。横吹更易于把电弧吹弯拉长，增大电弧表面积，加强冷却和增强扩散。纵吹吹弧方向与电弧轴线一致时，称为纵吹，如图3.19（b）所示。纵吹能促使弧柱内带电质点向外扩散，使新鲜介质更好地与炽热的电弧相接触，冷却作用加强，并把电弧吹成若干细条，易于熄灭。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,86,纵横吹横吹灭弧室在开断小电流时，因灭弧室内压力太小，开断性能差。为了改善开断小电流时的灭弧性能，可将纵吹和横吹结合起来。在开断大电流时主要靠横吹，开断小电流时主要靠纵吹。,
42、3.3 交流电弧的特性和熄灭,87,图3.19 吹弧方式（a）横吹（b）纵吹l一电弧 2一触头,3.3 交流电弧的特性和熄灭,88,灭弧方法按外力的性质分，有气吹、油吹、电动力吹及磁力吹弧或吸弧等。如图3.20所示。有的开关采用专门的磁吹线圈来吹动电弧，如图3.21所示。也有的开关利用铁磁物质如钢片来吸引电弧，如图3.22所示，这相当于反向吹弧。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,89,图3.20 电动力吹弧（刀开关断开时）1-静触头；2-动触头；3-电弧,3.3 交流电弧的特性和熄灭,90,图3.21 磁力吹弧l-磁吹线圈；2-灭弧触头；3-电弧,3.3 交流电弧的特性和熄灭,91,图3-22
43、铁磁吸弧 l-钢片；2-电弧,3.3 交流电弧的特性和熄灭,92,（5）长弧切短灭弧法 由于电弧的电压降主要降落在阴极和阳极上，其中以阴极电压降最大，而弧柱的电压降极小。因此如果利用金属片将长弧切割成若干短弧，则电弧中的电压降将近似地增大若干倍。当外施电压小于电弧中总的电压降时，则电弧就不能维持而迅速熄灭。图3.23为钢灭弧栅将长弧切割成若干短弧的情形。电弧进入钢灭弧栅内，一方面利用 图3.20所示的电动力吹弧，另一方面利用图3.22所示的铁磁吸弧。钢片对电弧还有冷却降温作用。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,93,图3.23 钢灭弧栅对电弧的作用l-钢栅片；2-电弧；3-触头,3.3 交流电弧
44、的特性和熄灭,94,（6）粗弧分细灭弧法 将粗大的电弧分散成若干平行的细小电弧，使电弧与周围介质的接触面增大，改善电弧的散热条件，降低电弧的温度，从而使电弧中离子的复合和扩散都得到增强，加速电弧的熄灭。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,95,（7）狭沟灭弧法使电弧在固体介质所形成的狭沟中燃烧，由于电弧的冷却条件改善，从而使去游离增强，同时固体介质表面的复合也比较强烈，从而有利于加速灭弧。有一种用耐弧的绝缘材料（如陶瓷）制成的灭弧栅，就是利用这种狭沟灭弧原理，如图3.24所示。有的熔断器在装有熔丝的熔管内充填石英砂，也是利用狭沟灭弧原理来加速熔丝的熔断。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,96,图3.
45、24 绝缘灭弧栅对电弧的作用 1-绝缘栅片；2-电弧；3-触头,3.3 交流电弧的特性和熄灭,97,（8）真空灭弧法利用真空作为绝缘和灭弧介质（真空断路器灭弧室内的气体压力在13310-4pa以下）是非常理想的灭弧方法。由于真空间隙内的气体稀薄，分子的自由行程大，发生碰撞的概率很小，具有相当高的绝缘强度，因此，碰撞游离不是真空间隙击穿产生电弧的主要因素。真空中的电弧是由触头电极蒸发出来的金属蒸汽形成的，具有很强的扩散能力，因而使电弧电流过零后触头间隙的介质强度能很快恢复起来，使电弧迅速熄灭，装在真空容器内的触头分断时，在交流电流过零时即能熄灭电弧而不致复燃。真空断路器就是利用真空灭弧原理制成的
46、，目前已得到广泛应用。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,98,（9）六氟化硫（SF6）灭弧法 六氟化硫（SF6）气体是一种不可燃的惰性气体，它的热导率随温度的不同而变化，其绝缘性能也很好，它的灭弧能力要比空气高100倍左右，是比较理想的灭弧介质。当用它吹弧时，采用不高的压力和不太大的吹弧速度就能熄灭高压断路器中的电弧。六氟化硫断路器就是利用SF6作绝缘介质和灭弧介质的。由于六氟化硫断路器具有开断容量大、电寿命长，开断性能好、无火灾危险等优点，因此受到普遍欢迎。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,99,（10）静止油中电弧的熄灭断路器等开关电器中常装有绝缘性能很好的变压器油，它既是绝缘介质，又是灭弧介
47、质。当开关触头切断负荷电流或短路电流时，电弧在油中燃烧，使之分解出大量气体，其中含有相当多的氢气（氢气的导热性很高，对电弧有良好的冷却效果），大量气体致使弧隙的去游离作用增强，可使电弧很快地熄灭。在现代的开关电器中，常常根据具体情况综合利用上述某几种灭弧方法来实现快速灭。,3.3 交流电弧的特性和熄灭,100,3.4 电气触头,3.4 电气触头,101,电气触头是指两个导体或几个导体之间相互接触的部分，如母线或导线接触的连接处以及开关电器中的动、静触头。电气触头设计、制造或工作状况的好坏，直接影响到电气设备和电气装置的工作可靠性，甚至导致电气设备发生严重事故。特别是开关电器中的触头，用来接通和
48、断开电路，是开关电器的执行元件，其性能好坏直接决定了开关电器的品质。,3.4.1 电气触头概述,3.4 电气触头,102,对电气触头的基本要求有：（1）结构可靠。（2）接触电阻小而且稳定，应有良好的导电性 能和接触性能。（3）通过规定电流时，发热稳定而且温度不超 过允许值。（4）通过短路电流时，应具有足够的动稳定性 和热稳定性。（5）开断规定的短路电流时，触头不被灼伤，磨损尽可能小，不发生熔焊现象。,3.4 电气触头,103,电流流过触头所产生的电阻称为接触电阻。因为触头的接触面往往不是全面接触，而是局部接触，所以接触面积可能小于导体的几何面积，因而接触电阻可能比导体其他部分的电阻增大。正常情
49、况下，触头间的接触紧密而牢靠，接触电阻是很小的。当接触部位接触不良时，接触电阻就会增大，使触头过热，如果不及时发现和处理，就会发展成触头烧毁、损伤触头周围物质，拉出电弧和飞弧短路，会导致故障的进一步扩大。,3.4.2 触头的接触电阻,3.4 电气触头,104,因为触头在正常工作和通过短路电流时的发热都与接触电阻值有关，所以触头的品质在很大程度上取决于触头的接触电阻值。触头的表面加工状况、表面氧化程度、触头间的压力及接触情况等都会影响接触电阻值。其主要影响因素如下：（1）触头间的压力即使精细加工的触头表面，从微观上看也是凹凸不平的，触头接触面积的大小受施加压力大小的影响，施加更大的外力则接触面增
50、大，将点接触形成新的接触面，总的接触面增大了，接触电阻就小了。压力是影响接触电阻的重要因素。,3.4 电气触头,105,开关电器触头间的接触压力，一般是利用触头本身的弹性或附加弹簧产生的。利用触头本身的弹性不能保证一定的压力，因而也不能保证规定的接触电阻值，当多次接通或断开后，弹性触头可能变形，造成接触不良。一般采用在触头上附加钢性弹簧，使接触压力增加，触头接触可靠，减小接触电阻并保持稳定。,3.4 电气触头,106,（2）接触材料及预防氧化由铜、黄铜和青铜等金属材料制成的触头在空气中容易被氧化，金属表面的氧化物一般都是不良导体，氧化程度越严重，氧化层越厚，接触电阻越大。当温度在60以上时，氧
