电器学第二章 电接触与电弧理论 2013汇总

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1、电器学,湖南大学,任何电工装置皆由彼此间以任意方式联系着的单元构成，其中赖以保证电流流通的导体间的联系称为电接触 通过互相接触以实现导电的具体物件称为电触头(简称触头) ，它是接触时接通电路、操作时因其相对运动而断开或闭合电路的两个或两个以上的导体。,第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第一节 电接触与触头,一、触头的分类,(一)连接触头 连接触头是以机械方式:焊接、铆接和栓接来连接电路的不同环节，使电流得以自一环节流向另一环节。这种触头在工作过程中无相对运动，永远闭合。连接触头除栓接式为可卸式外，其余为不可卸式。,第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第一节 电接触

2、与触头,连接触头的基本要求,是在其所在装置的使用期限内，应能完整无损地长期通过正常工作电流和短时通过规定的故障电流。为此，它的电阻应当不大而且稳定。这就要求它能耐受周围介质的作用，又能耐受温度变化引起的形变和通过短路电流时所产生的电动力。,第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第一节 电接触与触头,二、换接触头,(二)换接触头 换接触头是电器中用以接通、分断、转换电路的执行部件，并且总是以动触头和静触头的形式成对地出现。它具有多种形式，诸如楔形触头、刷形触头、指形触头、桥式触头和瓣式触头等。,第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第一节 电接触与触头,换接触头的基本要求

3、,是电阻小而稳定，并且耐电弧、抗熔焊和电侵蚀。有触点电器的故障很大一部分是触头工作不良所致，且后果严重。,第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第一节 电接触与触头,触头的工作状态,a.闭合状态 ,主要任务是保证能通过规定的电流,且触头温升不超过允许值，主要问题是触头的发热及热和电动稳定性。,b.闭合过程 ,触头在闭合过程中会因碰撞而产生机械振动，主要问题是减小机械振动，从而减小触头的磨损，避免触头熔焊。,第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第一节 电接触与触头,c. 断开状态,d.开断过程,触头处于断开状态时，必须有足够的开距，以保证可靠地熄灭电弧和开断电路。,触头

4、开断过程是触头最繁重的工作过程。当触头开断电路时，一般会在触头间产生电弧，主要问题是熄灭电弧，减小由电弧而产生的触头电磨损。,第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第一节 电接触与触头,触头的主要参数,a.触头的开距s,触头处于断开位置时，动、静触头之间的最小距离。安全绝缘间隔。,b.触头的超程r,触头完全闭合后，如果将静触头移开，动触头在触头弹簧的作用下继续前移的距离。保证触头经磨损至电寿命终结之前，仍能可靠接触所必需的结构措施。,第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第一节 电接触与触头,c.触头的初压力,动触头刚与静触头接触时所具有的一定的互压力。降低触头闭合过程

5、中的弹跳现象。,动、静触头闭合终了时，触头间的接触压力。保证触头在闭合状态接触电阻小而稳定。,d.触头的终压力,第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第一节 电接触与触头,一、载流电路的开断过程 动静触头的接触原本是许多个点在接触，而接触压力一般是由弹簧产生的。由于超程的存在，触头开始分断时，电路并没开断，仅仅是动触头朝着与静触头分离的方向运动。这时，超程和接触压力都逐渐减小，接触点也减少。及至极限状态、即仅剩一个点接触时，接触面积减至最小，电流密度非常巨大，故电阻和温升剧增。以致触头虽仍闭合，但接触处的金属已处于熔融状态。 此后，动触头继续运动，终于脱离，但动静触头间并未形成间隙

6、，而由熔融的液态金属桥所维系着。液态金属的电阻率远大于固体金属的，故金属桥内热量高度集中，使其温度达到材料的沸点，并随即发生爆炸形式的金属桥断裂过程，触头间隙也形成了。 金属桥刚断裂时，间隙内充满着空气或其他介质及金属蒸气，它们均具有绝缘性质。于是，电流被瞬时截断，并产生过电压，将介质和金属蒸气击穿，使电流以火花放电乃至电弧的形式重新在间隙中流通。 随着动触头不断离开静触头以及各种熄弧因素作用，电弧终将转化为非自持放电并最终熄灭，使整个触头间隙成为绝缘体，触头分断过程亦告终结至此，触头已处于断开状态。,第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第二节 电弧及其产生过程,第一篇 电器的理

7、论基础 第二章 电接触与电弧理论 第二节 电弧及其产生过程,二.电弧的形成过程 在两触头分离时，的电压、0.25的电流即可形成高温电弧。,（一）气体的电离,电离形式 表面发射 场所： 金属电极表面 种类： 热发射、场致发射、光发射、二次发射等四种形式 空间电离 场所： 触头间隙内 种类： 光电离、热电离、碰撞电离等三种形式,1. 表面发射：指由金属表面发射电子的现象； 它包括了热发射、高电场发射、光发射和二次发射。 热发射：在20002500K范围内，金属表面自由电子获得足够的动能，超越金属表面晶格电场造成的势垒而逸出的现象。 逸出功：记为yc，是指一个电子逸出金属所需的最低能量，单位为eV。

8、, 高电压发射：也叫场致发射，是常温下当金属表面的电场强度106(v/cm)时，自由电子逸出金属的现象。,2. 空间电离：是指电极间气体受外力影响，其分子及原子分裂成自由电子和正离子的现象。 空间电离的方式有光电离、碰撞（电场）电离和热电离；它们可能同时存在。,热电离：当气体温度在30004000K以上时，气体粒子因高速热运动而互相碰撞所产生的电离。 气体的热电离度可用沙哈公式计算：,式中，P是压力（Pa），T是气体温度(K)，Wyl是中性粒子的电离能(J)。 气体中混有金属蒸汽时，其电离度要比纯气体的高，即电导率要大。,（二）消电离及其方式： 1. 消电离：也叫去游离；是指电离气体中的带电粒

9、子自身消失或者失去电荷变为中性粒子的现象。 2. 消电离方式：包括复合与扩散。 复合：两个带异性电荷的粒子相遇后，相互作用引起电荷消失，形成中性粒子的现象。具体有以下两种方式： a. 表面复合：有四种方式。此时，释放的能量多用以加热电极、金属或绝缘材料的表面。,图3-2 在金属表面的复合过程 a) 正离子和电子复合成一个中性粒子 b) 正离子和负离子复合成两个中性粒子,b. 空间复合：有直接复合和间接复合(电子粘在中性粒子上， 再与正离子相遇复合成为两个中性粒子)。 对空间复合而言，促使空间复合的决定因素是冷却，因为冷却促使带电粒子运动速度减小。,复合概率：气体性质及纯度 惰性气体、氢气、氮气

10、等不会复合 SF6等极强的俘获电子的能力,第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第二节 电弧及其产生过程,气体放电过程 在两极之间施加电压，当逐渐增大电压U至一定值时，便发生了间隙内的气体放电现象。,OC段非自持放电阶段 在此阶段，若无外界催离素的作用，间隙内就没有自由电子，放电亦将终止。,C点以后自持放电阶段 在此阶段，场致发射及二次电子发射的电子已甚多，以致除去外界电离因素后仍可借空间的碰撞电离维持放电。,(三)电弧的外观与本质 图25 Aanode Ccathode 阴极斑点 温度极高（气化温度）、电流密度极高 在自身磁场作用下运动 阳极斑点,近阴极区、近阳极区 两极区的电压

11、降与电流无关，20V 弧柱 其内部气体全部电离 等离子区：正负带电粒子电量相等 电场强度近乎恒值 图25 电弧本质 自持放电的一种形式 P41,第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第三节 电弧的特性和方程,一.电弧的电压方程,四、电弧的能量平衡 电弧功率计算 电弧电压公式25 电弧功率公式26 短弧：U0占主导地位金属件散热 长弧：UA占主导地位弧柱散热 电弧的动态热平衡方程 式27 电弧的熄灭取决于PA和Pd 灭弧指导,在电弧长度维持不变的情况下，对应每一个直流电流Ih，当电弧中的发热和散热过程达到平衡后，弧隙两端都会有一个与之对应的电压Uh，则称Uh与Ih的关系为直流电弧的静

12、态伏安特性。,二.直流电弧的伏安特性,负阻特性： 电流增大，而电弧电压降低 增大的电流使热电离加剧，离子浓度增大，维持稳定燃弧所需电压降低,式中 U0：是电弧近极压降，V； L：电弧长度，cm； n和c：常数，n0.25； Ih：电弧电流，；,曲线1是在弧长不变的条件下逐渐增大电流测得的。,由于电弧本身的热惯性，电弧电阻的增大总是滞后于电流的变化。当电流减至I2时，电弧电阻大抵仍停留在I1时的水平上。,极限情况下，即电流减小速度为无穷大，电弧电阻来不及变化，伏安特性即为曲线3。,电流减小时伏安特性与纵轴相交处的电压Ue极为熄弧电压。,2,原因：弧柱的温度和直径具有热惯性，具体为：,定义：如下后

13、图所示，是指一个周期内h与h关系曲线，用uh-ih表示。,三.交流电弧的伏安特性和时间特性,第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第四节 直流电弧及其熄灭,直流电弧的稳定燃烧点：也叫“工作点”，它应满足：EIRUh；,二、直流电弧的燃烧与熄灭（续4）,增大纵向触头间隙 法向拉长电弧 借使弧斑上移拉长电弧,利用金属栅片(n片)将电弧分割成系列短弧,（2）增大近极区电压降,Uh=（n+1）U0+El,这比无栅片时增大了nU0，所以也能起到使电弧伏安特性上移的作用。,增大气体介质的压强 增大电弧与介质间的相对运动速度 使电弧与温度较低的绝缘材料紧密接触以加速弧柱冷却 采用如六氟化硫 SF

14、6气体等具有强烈消电离作用的特殊灭弧介质 采用真空灭弧室,（3）增大弧柱电场强度,Uh=U0+El,交流电弧的熄灭条件:电流过零后，弧隙介质恢复强度在任何时刻始终高于弧隙上的恢复电压。,第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第五节 交流电弧及其熄灭,一.弧隙介质恢复过程,第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第五节 交流电弧及其熄灭,倘若在灭弧室内设若干金属栅片，将进入灭弧室内的电弧截割成许多段串联的短弧，则电流过零后每一短弧的近阴极区均将立即出现150-250V的介质强度(。当它们的总和大于电网电压(包括过电压)时，电弧便熄灭。 出现于近阴极区的这种现象称为近阴极效应

15、，综合利用截割电弧和近阴极效应灭弧的方法称为短弧灭弧原理，它广泛用于低压交流开关电器。,一般来说，电弧的熄灭过程要经历两个阶段： 热击穿 电击穿 弧柱的介质恢复过程，对交流长弧的熄灭具有很重要的意义，因为它是几乎所有高压开关电器和部分低压开关电器设计的理论基础。,.弧柱区的介质恢复强度,在电流前半周结束和下半周结束时电弧中电流一般并不按照正弦波变化而是按照另外一个规律变化，即电流等于电弧电压与电弧电阻的比值。在电流自然过零前的一小段时间内，电流被电弧电阻限制得很小实际上等于零。同样。在下一个半周开始时也是如此。虽则电弧电流在事实上仅在某一瞬间过零点，但在电流自然过零前后整个一小段时间内，电流近似等于零，而整个这段时间就称为电流的零休时间。,零休时间,热击穿,由于热惯性的影响，零休期间电弧电阻Rh并非无穷大，故电源仍向弧隙输送能量。当电源输送能量小于电弧散出的能量时，孤隙内温度降低，消电离作用增强，弧隙电阻不断增大，直至无穷大，也即弧隙变成了具有一定强度的介质，电孤也将熄灭。反之，若弧隙取自电源的能量大于其散出的能量， Rh将迅速减小，剩余电流不断增大，使