教学改革和研究项目申报,文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第六章 电气设备的原理与选择,一、电弧的基本理论,电弧是一种气体游离放电现象能量集中，温度很高，亮度很强,三部分组成：,阴极区、阳极区和弧柱区,电弧的气体放电是自持放电，维持电弧稳定燃烧的电压很低,电弧是一束游离的气体，,质量极轻，容易变形在气,体或液体的流动作用下，或,在电动力的作用下，电弧能,迅速移动，伸长或弯曲一、电弧的基本理论,（,一,),电弧的产生、维持及物理过程,触头的周围原本是空气或它绝缘介质为什么在动静触头分离瞬间会变成导电的电弧呢,?,原因就在于,在绝缘介质,中出现了大量的自由电子大量自由电子由阴极向阳极,的定向运动形成了电弧一、电弧的基本理论,（一,),电弧的产生、维持及物理过程,1,弧柱中自由电子的来源,A,电极发射大量自由电子，对电弧的产生起决定作用热电子的发射,：,动静触头分离时，触头间接触电阻增大，接触处大量发热，使阴极表面温度升高而发射电子其数量取决于胜头材料和表面温度冷电子发射,(,强电场发射,),：,动静触头分离时，触头间的间隙很小，触头间会形成很高的电场强度，将阴极触头金属表面中的自由电子从中拉出来。
其数量取决于电场强度的大小一、电弧的基本理论,（一,),电弧的产生、维持及物理过程,1,弧柱中自由电子的来源,B,弧柱区的气体游离，产生大量的自由电子和离子，对电弧的形成和维持起决定作用游离是指中性质点变成自由电子和正离子的过程,电场游离（碰撞游离）：,在电场作用下电子加速向阳极运动途中与介质中的中性质点发生碰撞若自由电子具有足够动能就能与中性质点产生碰撞游离，使其游离为正离子和自由电子这样的过程连续进行导致雪崩式碰撞使触头间充满了自由电子在外加电压作用下形成电子流，介质被击穿而形成电弧一、电弧的基本理论,（一,),电弧的产生、维持及物理过程,1,弧柱中自由电子的来源,B,弧柱区的气体游离产生大量的自由电子和离子对电弧的形成和维持起决定作用游离是指中性质点变成自由电子和正离子的过程,热游离：电弧形成后，触头间电压立刻降低，但弧柱的温度很高处于高温下的介质分子和原子产生剧烈运动，不断发生碰撞，也会游离出自由电子和离子,(,这就是热游离过程,),，可以,维持电弧,的燃烧一、电弧的基本理论,（一,),电弧的产生、维持及物理过程,2.,电弧的形成过程总结,阴极在,强电场,作用下发射电子发射的电子在触头电压作用下产生碰撞游离，就形成了电弧。
在,高温,作用下，阴极产生热发射，并在介质中发生热游离，使电弧维持和发展，这就是电弧形成的过程一、电弧的基本理论,（一,),电弧的产生、维持及物理过程,3.,去游离过程（带电质点减少）,在电弧中，发生游离过程的同时还进行着使带电质点减少的去游离过程游离过程,去游离过程：电弧电流增大，炽热燃烧,游离过程,=,去游离过程：电弧电流不变，稳定燃烧,游离过程,U,r,（,t,）,一、电弧基本理论,(,二,),熄灭交流电弧,的物理过程,介质强度和弧隙电压的恢复过程图示,(a),在,t1,时刻发生,(b),电弧熄灭,(c),电弧熄灭击穿电弧重燃,弧隙介质强度的恢复过程,介质强度的恢复过程与下列因素有关：,电弧电流的大小（电弧温度）,弧隙的冷却条件,(,灭弧装置的结构,),灭弧介质的特性（,SF6,气体和真空介质）,触头分离的速度（电阻）,近阴极效应：交流,低压电器常利用近阴极效应来灭弧,150,250,伏的起始介质强度（,0.1,微秒,-1,微秒）在电流过零后在阴极附近的薄,层空间介质强度突然升高的现象弧隙电压的恢复过程,弧隙电压的恢复过程与线路参数和负荷性质有关弧隙电压的恢复过程可能,是,周期性,或,非周期性,的。
周期性振荡过程 非周期性过程,恢复电压：瞬变恢复电压和工频恢复电压组成,瞬变恢复电压：首先出现 存在几十微秒至几毫秒,暂态分量,工频恢复电压：恢复电压稳态值,弧隙电压的恢复过程分析,（毫秒内的变化）,1.,单相交流电路的电压恢复过程,电容电压的恢复过程,即为断路器触头两端的电压恢复过程,2.,三相交流电路的电压恢复过程,三相断路器开断三相短路电流，首先开断的一相触头两端的恢复电压最为严重，其工频恢复电压有效值为相电压的,1.5,倍；后两相在经过,0.005S,后开断，此时工频恢复电压为线电压的一半（,0.866,倍相电压）,高压断路器熄灭电弧的基本方法,1,采用特殊金属材料作灭弧触头,电弧中的去游离强度很大程度上取决于觚头材料若采用熔点高，导热系数和热容量大的耐高温金属作触头材料，可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸气，抑制游离作用同时，触头材料还要求有较高的抗电弧，抗熔焊能力常用的触头材料有：,铜钨合金，银钨合金高压断路器熄灭电弧的基本方法,2,利用灭弧介质,电弧中的去游离强度很大程度上取决于电弧周围介质的特性，如介质的传热能力，介电强度，热游离温度和热容量等这些参数的数值越大，则去游离作用越强，电弧就越容易熄灭。
常用的灭弧介质有：,空气，油,(,变压器油或断路器油,),，,SF6,，真空二、高压断路器熄灭电弧的基本方法,3,利用气体或油吹动电弧,电弧在气流或油流中被强烈地冷却而使复合加强，吹弧也有利于带电离子的扩散在高压断路器中利用各种结构形式的,灭弧室，,使气体或油产生巨大的压力并有力地吹向电弧使电弧熄灭吹动的方式有：纵吹和横吹,纵吹,：,吹动方向与弧柱轴线平行主要使电弧冷却变细，最后熄灭横吹,：,吹动方向与弧柱轴线垂直主要把电弧拉长表面积增大并加强冷却二、高压断路器熄灭电弧的基本方法,4,利用多断口灭弧,高压断路器常制成每相有两,个或更多个串联的断口如图为双断口的灭弧方式采用多断口是把电弧分割成很多小电弧段，在相等的触头行程下，多断口比单断口的电弧拉长了，从而增大了弧隙电阻，而且电弧被拉长的速度（即触头分离速度）也增加，加速了弧隙电阻的增大；同时，也增大了介质强度的恢复速度由于加在每个断口的电压更低，使弧隙的恢复电压降低，因此灭弧性能更好,高压断路器熄灭电弧的基本方法,4,利用多断口灭弧,采用多断口的结构后，每一个断口在开断位置的电压分配和开断过程中的恢复电压分配出现了,不均匀,现象如图为单相断路器在开断,接地故障后的电路图。
U:,电源电压,U,1,、,U,2,：两个断口的电压,C,d,：断口的等效电容,C,0,：底座对地等效电容,二、高压断路器熄灭电弧的基本方法,4,利用多断口灭弧,则断口电压分布的计算可按下图进行：,可见，,U,1,U,2,两个断口上的电压相差很大，第一个断口的工作条件比第二个断口要严重,.,二、高压断路器熄灭电弧的基本方法,4,利用多断口灭弧,为了充分发挥每个灭弧室的作用应该使两个断口的工作条件接近相等通常在每个断口并联一个比,C,d,和,C0,都大得多的电容,C,（,2500pf,），称为,“均压电容”,可见,U1=U2,，,电压平均分布在两个断口上，每个断口工作条件基本上一致二、高压断路器熄灭电弧的基本方法,5,拉长电弧并增大断路器触头的分离速度,迅速拉长电弧，可使弧隙的电场强度骤降，同时，使弧隙的表面积突然增大，有利于电弧的冷却和带电质点向周围介质扩散，使热游离作用减弱，加强了离子的复合速度，从而加速电弧的熄灭为此，在高压断路器中都装有强有力的断路弹簧，以加快触头的分离速度真空断路器的开断速度很快二、高压断路器熄灭电弧的基本方法,5,拉长电弧并增大断路器触头的分离速度,断路器分闸速度的快慢通常由,断路器全开断时间,来衡量，它包括,断路器固有动作时间,和,燃弧时间,两部分。
真空断路器（半周波断路器）,当全开断时间,0.12s,，称为低速断路器,0.08s,，称为快速断路器,0.08s,0.12s,，称为中速断路器,6.,短弧原理灭弧,利用一个金属灭弧栅将电弧分为多个短弧，利用近阴极效应的方法灭弧常用于低压开关电器中，如自动开关和电磁接触器等7,、利用固体介质的狭缝灭弧,将电弧拉入灭弧片的狭缝中，灭弧片由石棉水泥或陶土材料制成，加强冷却灭弧片结构有直缝式和曲缝式常用于低压电器中的接触器等8,、断路器加装并联电阻,并联电阻在触头分断过程中起分流作用，越小分流作用越大，对触头熄弧越有利弧隙电压的恢复过程分析,（毫秒内的变化）,1.,单相交流电路的电压恢复过程,电容电压的恢复过程,即为断路器触头两端的电压恢复过程,2.,三相交流电路的电压恢复过程,三相断路器开断三相短路电流，首先开断的一相触头两端的恢复电压最为严重，其工频恢复电压有效值为相电压的,1.5,倍；后两相在经过,0.005S,后开断，此时工频恢复电压为线电压的一半（,0.866,倍相电压）,。