开关电器典型灭弧装置

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1、第四讲 开关电器典型灭弧装置的 工作原理,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,2,3,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，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。,4,概 述 4-1 灭弧装置 4-2 开关电器典型灭弧装置的工作原理 4-3 提高灭弧装置

2、开断能力的辅助方法 小 结,基 本 内 容,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

3、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吹弧；,概 述,9,(7) 利用压缩空气吹弧；

4、 (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,4.1 灭弧装置,一. 灭火花电路 图219 用于继电器 本质：放电回路 图2-19中L、C、R的选择请参看P50. 二. 简单灭弧 拉长电弧：弧压增大，特性上移 空气冷却：介质恢复,11,例一：刀开关拉长电弧。,12,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。,4.1 灭弧装置,三. 磁吹灭弧装置 图220 电流：681； 铁心

5、和夹板：减小磁路增大磁通； 考虑结构、磁通与灭弧等的优化,14,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。,4.1 灭弧装置,四. 弧罩与纵缝灭弧装置 图221 为限制弧区扩展并加速冷却以削弱热电离，常 采用陶土或耐弧塑料制造的灭弧室。 纵缝：灭弧室缝隙方向与电弧轴线平行 目的：冷却电弧以灭弧 多缝：比单缝的阻力小； 纵向曲缝： 显著增大接触面积，提高弧柱的冷却和消电离作用 电弧受到的阻力较大（需要较大的外加磁场）,16,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

6、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的直径。,4.1 灭弧装置,五. 栅片灭弧装置 绝缘栅片 利用电弧段之间的电磁力使电弧与栅片紧密接触来增强熄弧能力 金属栅片 切割成短弧 利用近极区效应增强熄弧能力,18,绝缘栅片灭弧装置,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。,19,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

7、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,20,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,4.1 灭弧装置,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。 原理： 1、熔体熔化和汽化，形成短弧 2、绝缘管产生高压气体 应用：熔断器,22,图5-13是

8、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。,固体产气灭弧装置,23,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。,4.1 灭弧装置,七. 石英砂灭弧装置 应用: 熔断器 石英砂来限制弧柱的扩展并冷却电弧 1、短弧（多断口串联） 2、高压气体（石英砂限值气体扩散） 3、狭缝冷却 缺点：石英砂的熔解导致稳定燃弧现象出现,25,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。,26,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

9、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。,4.1 灭弧装置,八. 油吹灭弧装置 变压器油分解、气化 气泡的气体中 油蒸汽40，其他气体60 其他气体：氢气(70%以上)、乙、乙烯。 气泡体积关系： 易于灭弧： 气体中：氢导热系数最大，粘度最小，加强弧柱冷却 气泡压力大油限制其体积，且油在电弧作用下分解和气化 油气作紊乱运动，易于灭弧 缺点： 有临界电流、极限开断电流 结构复杂，维护麻烦,28,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

10、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。,变压器油灭弧装置,29,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。,4.1 灭弧装置,九. 压缩空气灭弧装置 利用压缩空气增强灭弧 结构 棒棒，管管，棒管 缺点： 结构复杂 灭弧能力过强，常引起电流截断导致高过电压 喷口堵塞可能导致弧柱冷却不够，导致电弧重燃极限开断电流,31,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

11、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。,32,4-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理,4.1 灭弧装置,十. 六氟化硫（SF6）灭弧 正八面体分子结构，强负电性 即对电子有极大的亲和力，而粘合形成负离子负离子质量为电子的几千倍，在电场中移动缓慢，极大提高介质的恢复强度速度 常温下稳定：150度不易起化学反应 无色、无臭、无味、无毒、不燃、无腐蚀性 密度大，热容量高（易于灭弧） 高温会分解，但低温下极易恢复 击穿电压高（约为空气的23倍） 简单开断时，开断能力比空气强约100倍；而简单的辅助手段即可大幅提高开断能力 缺点： 易液化 不均匀电场中的击穿电压下降明显

12、 电弧可以拉很长而很难截断,34,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。,35,一个突出优点是它有很强的灭弧能力。,4.1 灭弧装置,十一.真空灭弧 真空度：在1.3310-3Pa以下时 电子自由行程很大，达43m ，不易碰撞 空气分子自由行程达7.6m 介质击穿条件： 电子碰撞粒子时期电离（电场电离）以产生更多的电子 击穿电压比空气高很多 电弧构成：金属蒸汽 金属蒸汽不多且易扩散 介质强度恢复快 灭弧能力强（无足够介质） 灭弧室尺寸可以较小 其它优点请参看P53 容易形成截流而形成高的过电压(缺点),37,图5-29是带圆柱状触头真空灭弧装置的原理结构图。,4.1

13、 灭弧装置,优点： 免维修；防爆 耐压强度高 分断能力高 mm级别开距 介质强度恢复快 操作频率高 结构简单，体积小，重量轻，操作噪声小 缺点： 过电压高，截流 击穿电压受电极表面粗糙度和污染程度影响很大 电弧使电极，特别是阴极光洁度影响极大,4.1 灭弧装置,十二.无弧分断 交流电流过零点分断，并使介质强度以足够快的速度恢复 同步开关，图223 给触头并联晶体管,并使之承担电路的通断，而触头仅在稳态下工作 混合开关，图224 固体开关 新型材料的阻抗特性,40,1、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

14、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。,41,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。,42,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(

15、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；,43,(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。,44,2、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

16、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。,45,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. 示例：混合式交流接触器，请参看教材P54和图2-24.,Skip,46,4-2 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。,47,（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(亦称法向)拉长电弧。,4-2 开关电器典型灭弧装置的工作原理,48,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