第五章开关电器典型灭弧装置的工作原理

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1、LOGO教学目的与要求：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。 教学重点与教学重点与难点：点： 金属栅片灭弧装置、真空灭弧装置、SF6灭弧装置、石英砂灭弧装置第五章 开关电器典型灭弧装置的工作原理第五章第五章 LOGO本本 章章 教教 学学 基基 本本 内内 容容 （其中（其中红色内容色内容是重点）是重点） 1 1开关开关电器典型器典型灭弧装置的工作弧装置的工作 2 2提高提高灭弧装置开断能力的弧装置开断能力的的的灭弧弧辅助方法助方法 ：并：并联低低值电阻、附阻、附加同步装置、附加机械与半加同步装置、附加机械与半导体混合式开关。体

2、混合式开关。 通通过本章的学本章的学习，学生掌握当今开关掌握当今开关电器中所使用的器中所使用的灭弧装弧装置的置的灭弧原理，熟悉提高弧原理，熟悉提高灭弧装置开断能力的弧装置开断能力的辅助方法，便于在助方法，便于在以后的工程以后的工程实践中灵活运用。践中灵活运用。 第五章 开关电器典型灭弧装置的工作原理第五章第五章 LOGO3 5-0 5-0 概概 述述 5-1 5-1 开关开关电器典型器典型灭弧装置的工作原理弧装置的工作原理 5-2 5-2 提高提高灭弧装置开断能力的弧装置开断能力的辅助方法助方法 小小 结 基基 本本 内内 容容 第五章 开关电器典型灭弧装置的工作原理第五章第五章 当当电电源源

3、电压电压超超过过数十伏、开断数十伏、开断电电流在数十安以上流在数十安以上时时，为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。取加强灭弧能力的措施，为此而采用的装置称为灭弧装置。 这这些些灭灭弧装置主要有下列十几种：弧装置主要有下列十几种： 1 1简单简单开断；开断； 2 2磁吹磁吹灭灭弧装置；弧装置； 3 3纵缝灭纵缝灭弧装置；弧装置； 4 4绝缘栅绝缘栅片片灭灭弧装置；弧装置； 5 5金属金属栅栅片片灭灭弧装置；弧装置； 6 6固体固体产产气气灭灭弧装置，弧装置， 7 7石英砂灭

4、弧装置；石英砂灭弧装置； 8 8变压器油灭弧装置；变压器油灭弧装置； 9 9压缩空气灭弧装置；压缩空气灭弧装置； 1010SF6SF6灭弧装置；灭弧装置； 1111真空灭弧装置。真空灭弧装置。 概概 述述5-0 5-0 概概 述述LOGO5 此外，此外，为为了增加了增加灭灭弧装置的开断能力，通常可以采用弧装置的开断能力，通常可以采用下列下列辅助方法：辅助方法： 1 1在弧隙两瑞并在弧隙两瑞并联电联电阻；阻； 2. 2. 附加同步开断装置；附加同步开断装置； 3 3附加机械与半附加机械与半导导体混合式开关。体混合式开关。概概 述述第五章第五章 1 1、灭弧装置的弧装置的灭弧原理主要有：弧原理主要

5、有： (1) (1) 在大气中依靠触在大气中依靠触头分开分开时的机械拉的机械拉长，使，使电弧增大；弧增大； (2) (2) 利用流利用流过导电回路或特制回路或特制线圈的圈的电流在燃弧区流在燃弧区产生磁生磁场，使，使电弧迅速移弧迅速移动和拉和拉长； （3 3）依靠磁）依靠磁场的作用，将的作用，将电弧弧驱入用耐弧材料制成的狭入用耐弧材料制成的狭缝中，以加中，以加强电弧的冷却和消弧的冷却和消电离；离； (4) (4) 用金属板将用金属板将电弧分隔成弧分隔成许多串多串联的短弧；的短弧； (5) (5) 在封在封闭的的灭弧室中，利用弧室中，利用电弧自身能量分解固体材料，弧自身能量分解固体材料，产生气体，

6、生气体，以提高以提高灭弧室中的弧室中的压力，或者利用力，或者利用产生的气体生的气体进行吹弧；行吹弧； (6) (6) 利用利用电弧自身能量，使弧自身能量，使变压器油分解成含有大量器油分解成含有大量氢气的气体并建立气的气体并建立起很高的起很高的压力，再利用此力，再利用此压力推力推动冷油和气体去吹弧；冷油和气体去吹弧； (7) (7) 利用利用压缩空气吹弧；空气吹弧； (8) (8) 利用利用SFSF6 6气体吹弧；气体吹弧； (9) (9) 在高真空中开断触在高真空中开断触头，利用弧隙中由，利用弧隙中由电极金属蒸汽形成的弧柱在极金属蒸汽形成的弧柱在电流流过零零时迅速迅速扩散的原理散的原理进行行灭

7、弧；弧； (10) (10) 利用石英砂等固体利用石英砂等固体颗粒介粒介质，限制，限制电弧直径的弧直径的扩展和加展和加强冷却。冷却。概概 述述LOGO 一个一个灭弧装置可以采用上述某一个原理弧装置可以采用上述某一个原理进行行灭弧，但是大多数情况下弧，但是大多数情况下则综合采用几个原理，以增大合采用几个原理，以增大灭弧效果。弧效果。 采取哪些采取哪些灭弧原理决定于：弧原理决定于：满足所需开断的足所需开断的电流和流和电器工作的器工作的电压考考虑电器的体器的体积、制造成本、使用寿命和安装、制造成本、使用寿命和安装维修方便修方便 高压电器和低压电器所采用的灭弧原理不尽相同高压电器和低压电器所采用的灭弧

8、原理不尽相同！概概 述述第五章第五章 5-1 5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理开关电器典型灭弧装置的工作原理 一、一、简单开断（拉开断（拉长电弧）弧） 依靠在大气中分开触依靠在大气中分开触头以拉以拉长电弧弧进行行灭弧的方法叫做弧的方法叫做简单开断。开断。 （1 1）原理：）原理：电弧放弧放长后，后，电弧弧电压就增大，其静就增大，其静态伏伏- -安特性向上移安特性向上移动。根据直流根据直流灭弧条件：当弧条件：当电弧的静弧的静态伏伏- -安安特性高于特性高于电源源电压与与电路路电阻上的阻上的电压降降之差以后，之差以后，电弧就要熄弧就要熄灭。5-1 5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理开关电

9、器典型灭弧装置的工作原理 依靠拉依靠拉长电弧使之恰好熄弧使之恰好熄灭的最短的最短长度，称度，称为临界界长度，度，记为Llj。当触。当触头分开速度在分开速度在1-10m/s范范围内，其内，其计算公式算公式为： 式中式中 K K常数，当电源电压为常数，当电源电压为500V500V时，时，K=0.75K=0.75；250V250V时，时，K=0.15K=0.15； 开断电流的起始值（有效值），单位为开断电流的起始值（有效值），单位为A A。 开断交流电路时，由于交流电流自身过零的作用，电弧开断交流电路时，由于交流电流自身过零的作用，电弧临界长度要比开断相同直流的直流电弧的临界长度为小。临界长度要比开

10、断相同直流的直流电弧的临界长度为小。LOGO （2 2）图图解：如下解：如下图图示，除依靠触示，除依靠触头头分开拉分开拉长电长电弧以外，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。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。前者沿电弧的轴向前者沿电弧的轴向( (亦称切向亦称切向) )拉长电弧，后者是沿着垂直于拉长电弧，后者是沿着垂直于弧轴的方向弧轴的方向( (亦称法向亦称法向) )拉长电弧。拉长电弧。第五章第五章 （3 3）示例：）示例： 例一：刀开关拉例一：刀开关拉长电弧。弧。 刀开关拉刀开关拉长电弧同弧同时利用触利用触头分开运分开运动和和导电回路回路产生磁生磁场

11、拉拉长电弧的情况。弧的情况。 例二：利用流例二：利用流过导电回路的特制回路的特制线圈的圈的电流在燃弧期流在燃弧期间产生磁生磁场，使，使电弧迅速移弧迅速移动和拉和拉长。当。当动静触静触头分开分开时，形成两个彼此串，形成两个彼此串联的的电弧，他弧，他们一方面被拉一方面被拉长，一方面受，一方面受导电回路磁回路磁场产生的生的电动力作用，向两力作用，向两侧作法作法向运向运动，使，使电弧受到拉弧受到拉长和冷却。（和冷却。（图b b）还增加了引弧角，当触增加了引弧角，当触头分开差分开差生生电弧弧时，将在，将在导电回路磁回路磁场中中产生生电动力作用下，其弧根迅速移到燃弧力作用下，其弧根迅速移到燃弧角角3 3上

12、燃上燃烧。不。不仅使使电弧迅速拉弧迅速拉长，还大大减少大大减少对触触头的的烧损。二、磁吹二、磁吹线圈：圈： 1 1、结构：构：1 1为磁吹磁吹线圈由粗圈由粗导体体绕成，与静触成，与静触头7 7相相连。2 2为铁心可减小磁阻以心可减小磁阻以增大穿增大穿过触触头间隙的磁通。隙的磁通。铁心两端平行固定两心两端平行固定两块钢夹板板5 5，动静触静触头放在两放在两块钢夹板之板之间。2 2、原理：触、原理：触头闭合合时，磁吹，磁吹线圈在圈在钢夹板之板之间产生的磁通，如生的磁通，如图所示。当触所示。当触头分开分开产生生电弧弧4 4时，产生生电动力使力使电弧向上运弧向上运动（方向（方向为垂直垂直纸面向上）并面

13、向上）并转移移到引弧角上燃到引弧角上燃烧和熄和熄灭。 可用于低可用于低压直流和交流接触器中。直流和交流接触器中。对后者，后者，为减少减少涡流流损耗和避免耗和避免由于由于钢夹板中磁通与板中磁通与电弧弧电流相位不同而流相位不同而产生反向生反向电动力，力，铁心心2 2上可开上可开一槽或者用硅一槽或者用硅钢片叠成。片叠成。 当当铁心不心不饱和和时，弧隙中的磁通与开断，弧隙中的磁通与开断电流成正比，如果磁吹流成正比，如果磁吹线圈圈开断大开断大电流流时产生的磁生的磁场适当，适当，则在开断小在开断小电流流时将因将因电动力力过小而引小而引起吹弧困起吹弧困难。当然，通。当然，通过设计也能使磁吹也能使磁吹线圈在开

14、断小圈在开断小电流流时产生的磁生的磁场适当。但适当。但这样做，一方面将使磁吹做，一方面将使磁吹线圈的匝数增加，增大了圈的匝数增加，增大了线圈体圈体积和多用有色金属；和多用有色金属；另一方面将使开断大另一方面将使开断大电流流时产生的磁生的磁场过强，使得触，使得触头间形成的熔化金属形成的熔化金属桥可能被可能被过大的大的电动力力驱赶到接触区以外，使得触赶到接触区以外，使得触头的的电磨磨损大大增加。大大增加。 解决解决办法：适当法：适当选择磁吹磁吹线圈的匝数以及圈的匝数以及铁心和心和钢夹板的截面板的截面积，使得开断小使得开断小电流流时磁磁场加加强，开断大，开断大电流流时则由于磁路由于磁路饱和不致和不致

15、过强。 三、三、 纵缝灭弧装置弧装置 所所谓纵缝就是就是灭弧室的弧室的缝隙方向与隙方向与电弧的弧的轴线平行。平行。 灭弧装置的工作原理：利用磁吹弧装置的工作原理：利用磁吹线圈圈产生的磁生的磁场将将电弧弧驱入耐弧入耐弧绝缘材料材料( (石棉、水泥、陶土等石棉、水泥、陶土等) )制成的具有制成的具有纵缝的的灭弧室中弧室中进行行灭弧。它弧。它既可用于熄既可用于熄灭直流直流电弧，也可用于熄弧，也可用于熄灭交流交流电弧。弧。 5-1 5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理开关电器典型灭弧装置的工作原理LOGO 按按缝隙的尺寸和形式，它隙的尺寸和形式，它们又分两又分两种，如种，如图5-55-5所示。所示。

16、 图5-5a5-5a表示一表示一单纵缝灭弧装置的原弧装置的原理理结构。构。图中，中，1 1为用耐弧用耐弧绝缘材料制成材料制成的的灭弧室壁，弧室壁，2 2为磁吹磁吹线圈的圈的钢夹板，板，3 3为电弧。弧。 通常上部通常上部缝宽小小于熄于熄灭电弧的直径。弧的直径。第五章第五章 5-1 5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理开关电器典型灭弧装置的工作原理 由图由图5-6可见，当电流增大（横坐标向右）时，纵缝灭弧装置可见，当电流增大（横坐标向右）时，纵缝灭弧装置中电弧的中电弧的“伏伏安特性安特性”随电弧电流增加而下降的程度比自由燃随电弧电流增加而下降的程度比自由燃弧时的弧时的“伏伏安特性安特性”下降程

17、度要缓得多，特别当电流很大时，下降程度要缓得多，特别当电流很大时，E可以认为是常数。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，电弧的随着缝宽的减小和电弧横向运动速度的提高，电弧的“伏伏安特性安特性”也将升高，这表明灭弧能力也随之增强也将升高，这表明灭弧能力也随之增强。 图5-6b5-6b表示多表示多纵缝灭弧装置的构造，弧装置的构造，采用多采用多纵缝可以减小可以减小电弧弧进入上部窄入上部窄缝的阻力，在的阻力，在驱动电弧运弧运动的的电磁力磁力给定定时，可以采用比，可以采用比单纵缝灭弧室更弧室更小的小的缝隙。隙。这使使灭弧空壁弧空壁对电弧的冷弧的冷却和消却和消电离作用更离作用更强。

18、多纵缝灭弧装置广泛用于多纵缝灭弧装置广泛用于低压接触器低压接触器中。中。四、四、绝缘栅片片灭弧装置弧装置 灭弧装置如弧装置如图5-85-8所示。所示。 其中，其中，灭灭弧室弧室l l中装有用耐弧中装有用耐弧绝缘材料制成的几片绝缘栅片绝缘材料制成的几片绝缘栅片2 2，栅片的边缘和电弧栅片的边缘和电弧3 3的轴线垂直。的轴线垂直。 当开断当开断电电流流时时，在触，在触头头4 4和和5 5之之间产生的电弧在导电回路的磁场间产生的电弧在导电回路的磁场作用下向上运动。作用下向上运动。LOGO21 当磁当磁场场的方向的方向为为垂直于垂直于纸纸面面向里时，电弧向里时，电弧ABAB、BCBC和和CDCD段所受

19、段所受的电动力都使电弧压向绝缘栅片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积，从而加强了电弧的冷却和消电离作用；而电离作用；而DEDE段所受的电动力段所受的电动力使电弧向上拉长，更加深入栅片使电弧向上拉长，更加深入栅片间隙和增加电弧与绝缘栅片的接间隙和增加电弧与绝缘栅片的接被面积。被面积。 由于受到由于受到绝缘栅绝缘栅片的阻片的阻挡挡，电电弧弯曲成如弧弯曲成如图图5-95-9中中AGAG曲曲线所示的形状。线所示的形状。B B5-1 5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理开关电器典型灭弧装置的工作原理第五章第五章 除此以外，

20、除此以外，电电弧弧ABAB段和段和CDCD段相互作用段相互作用产产生一相吸生一相吸电动电动力、力、CDCD段和段和EFEF段相互作用产生一相斥电动力，使段相互作用产生一相斥电动力，使ABAB、CDCD和和E EF F段段压压向向绝缘绝缘栅栅片；片；CDCD段和段和EFEF段段对对DEDE段相互作用也段相互作用也产产生一生一相相斥电动力，使斥电动力，使DEDE段段向上运动。向上运动。 这这种种灭灭弧装置充分利用了弧装置充分利用了电电弧自身弧自身磁磁场产场产生的生的电动电动力。力。五、金属栅片五、金属栅片( (又称去离子栅又称去离子栅) )灭弧装置：灭弧装置： 这这种种灭灭弧装置的原理构造如弧装置

21、的原理构造如图图5-10 a5-10 a所示。所示。 灭灭弧室弧室1 1内部有内部有许许多由厚度多由厚度为为23mm23mm钢钢板冲成的横向板冲成的横向栅栅片片2 2。 栅栅片外表面片外表面镀铜镀铜以增大以增大传热传热能力和防止能力和防止钢钢片生片生锈锈。 每一每一栅栅片冲有三角形的缺口。片冲有三角形的缺口。栅栅片缺口片缺口错错开的作用开的作用为为减减 少少电电弧初始碰到的弧初始碰到的栅栅片数，从而减少片数，从而减少进进入的阻力。入的阻力。在在电弧弧进入入栅片之后，片之后，电弧弧电压变为：通常通常l 与与l差别不大，当差别不大，当n数值较大时，数值较大时， ，所以电弧电，所以电弧电压压 且与电

22、弧电流几乎无关。且与电弧电流几乎无关。 金属金属栅栅片片灭灭弧装置既能用于熄弧装置既能用于熄灭灭直流直流电电弧，也能用于熄弧，也能用于熄灭交流电弧。灭交流电弧。 熄熄灭灭直流直流电电弧条件：弧条件：UN:为被开断电路的电源电压U0：阴极和阳极压降之和当熄当熄灭灭交流交流电电弧弧时时，金属，金属栅栅片片灭灭弧装置不弧装置不仅仅在在电电流流过过零前由零前由于于电电弧弧电压电压升高，可以减小升高，可以减小电电弧弧电电流的幅流的幅值值、减小、减小电电弧弧电电流流与与电电源源电压电压的相角差，从而降低的相角差，从而降低电电流流过过零零时时的工的工频频恢复恢复电压电压瞬瞬时值时值，而且在，而且在电电流流过

23、过零后，由于每一短弧都有一近阴极效零后，由于每一短弧都有一近阴极效应应引起的介引起的介质质初始恢复初始恢复强强度度U Ujfo jfo ，n n个短弧就有个短弧就有n n个个Ujfo ，从而从而提高了弧隙总的介质恢复强度特性，使交流电弧易于熄灭。提高了弧隙总的介质恢复强度特性，使交流电弧易于熄灭。5-1 5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理开关电器典型灭弧装置的工作原理 图5-115-11表示厚表示厚为2mm2mm、片、片距距5mm5mm的平板形的平板形栅片的片的灭弧装弧装置开断置开断350A350A电流流时，介介质初始初始恢复恢复强度度U Ujf0jf0和和K Kjfjf与与n n变化的关

24、化的关系是不成比例系是不成比例。其原因是。其原因是电弧弧进入入栅片分成很多短弧后，它片分成很多短弧后，它们在在灭弧室中的运弧室中的运动速度不同、速度不同、运运动方向也不同。方向也不同。 金属金属栅栅片片灭灭弧装置广泛用弧装置广泛用于于低压开关电器低压开关电器中。中。 其主要其主要缺点缺点是是灭灭弧室除弧室除电电弧弧能量损耗之外，还有栅片中电阻能量损耗之外，还有栅片中电阻、磁滞和涡流引起的损耗。加之、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。升向，从而引起灭弧条件恶化。 因

25、此，因此，这这种种灭灭弧装置不适弧装置不适用用于过分频繁操作的场所。于过分频繁操作的场所。六、固体六、固体产气气灭弧装置弧装置 某些固体某些固体绝缘材料如材料如钢纸( (亦称反白亦称反白) )、有、有机玻璃等，在机玻璃等，在电弧的高温作用下能迅速气化，弧的高温作用下能迅速气化，产生大量主要成分生大量主要成分为氢及其化合物的气体。及其化合物的气体。 利用利用这些材料的些材料的产气性气性质进行行灭弧的弧的灭弧弧装置称装置称为固体固体产气气灭弧装置。弧装置。 图5-135-13是利用串是利用串联短弧和高气短弧和高气压两种方式两种方式灭弧。其中，弧。其中，钢纸管管4 4在在电弧的高温作用下分弧的高温作

26、用下分解，解，产生气体，使生气体，使压力提高。力提高。 如如图5-145-14所示，所示，灭弧期弧期间管内的管内的压力可达力可达4.8MPa4.8MPa。31 图5-155-15是利用是利用产气原理提高气气原理提高气压，再利用气，再利用气压进行行灭弧弧的高的高压跌落式熔断器熔管的原理跌落式熔断器熔管的原理结构构图。 当短路当短路电流通流通过时，熔，熔丝3 3被熔断被熔断产生生电弧，于是弧，于是弹簧簧6 6长度度缩短，短，电弧被迅速拉弧被迅速拉长。同。同时，电弧的高温使弧的高温使钢纸分解分解产生大量的气体，管内生大量的气体，管内压力迅速升高，力迅速升高，这一一压力推力推动软线5 5加速向右运加速

27、向右运动，从而也加速，从而也加速电弧的拉弧的拉长和和压力的升高。力的升高。 当当软线5 5被推出被推出钢纸管管8 8以后，管内的高以后，管内的高压气体向外冲出，气体向外冲出，进行行纵向向吹弧，使吹弧，使电弧熄弧熄灭。七、石英砂七、石英砂灭弧装置：弧装置： 利用石英砂限制弧柱的利用石英砂限制弧柱的扩展并冷却展并冷却电弧使之熄弧使之熄灭的装的装置，叫做石英砂置，叫做石英砂灭弧装置。弧装置。图中图中 熔管熔管1 1用瓷制用瓷制成，成，2 2和和3 3分分别为端盖和接端盖和接线板。板。34 当熔片当熔片4 4的狭的狭颈熔断、气化形成几个串熔断、气化形成几个串联的短弧后，的短弧后，这些短些短弧弧继续将熔

28、片的狭将熔片的狭颈部分气化。由于熔片气化后部分气化。由于熔片气化后让出的空出的空间很小，很小，每一短弧都相当于在石英砂包每一短弧都相当于在石英砂包围的狭的狭缝中燃中燃烧，它因，它因为和石英砂和石英砂紧密接触而受到密接触而受到强烈冷却。烈冷却。 与此同与此同时，由于熔片，由于熔片4 4的金属从固的金属从固态变为气气态后体后体积受局部受局部石英砂的限制不能自由膨石英砂的限制不能自由膨胀，于是在燃弧区形成很高的，于是在燃弧区形成很高的压力。此力。此压力推力推动弧隙中弧隙中电离气体迅速向石英砂离气体迅速向石英砂缝隙中隙中扩散，并在散，并在缝隙中隙中受到冷却和消受到冷却和消电离，离，这就大大加就大大加强

29、了了对弧隙的冷却作用。弧隙的冷却作用。 LOGO35 石英砂熔断器釆用了多断口串石英砂熔断器釆用了多断口串联、提高弧隙中气、提高弧隙中气压以以加加强电离气体的离气体的扩散作用，以及利用狭散作用，以及利用狭缝冷却冷却电弧共三种弧共三种灭弧原理，所以它的弧原理，所以它的灭弧能力弧能力强，限流作用非常，限流作用非常显著。著。第五章第五章 八、变压器油灭弧装置八、变压器油灭弧装置 1 1、分、分类类： （1 1）自能）自能吹弧灭弧装置吹弧灭弧装置：利用：利用电电弧自身的能量将油蒸弧自身的能量将油蒸发发分解而成分解而成油气，提高灭弧室中的压力以驱动油或油气进行油气，提高灭弧室中的压力以驱动油或油气进行吹

30、弧。吹弧。 （2 2）外能）外能吹弧灭弧装置吹弧灭弧装置：利用外界能量：利用外界能量( (通常是通常是储储存在存在弹弹簧中的能簧中的能量量) )推动活塞，提高灭弧室中的压力以驱动油或推动活塞，提高灭弧室中的压力以驱动油或油气进行灭弧。油气进行灭弧。 （3 3）混合）混合吹弧灭弧装置吹弧灭弧装置：兼用上述两种能量，提高：兼用上述两种能量，提高灭灭弧室中的弧室中的压压力以驱动油或油气进行吹弧。力以驱动油或油气进行吹弧。 第一种结构简单，已获广泛应用！第一种结构简单，已获广泛应用！ 37 2 2、即使在油中、即使在油中简单简单地位地位长电长电弧，其弧，其灭灭弧能力也比在大气弧能力也比在大气中拉长电弧

31、高得多。这是因为：中拉长电弧高得多。这是因为： (1) (1) 油气的主要成分是油气的主要成分是氢氢，它在所有气体中具有最高，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。的导热系数和最小的粘度，这就使弧柱的热量容易散发。 (2) (2) 在在电电弧的高温作用下，油的气化和分解弧的高温作用下，油的气化和分解过过程非常程非常剧烈。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（胀，因而气泡中压力很高，通常可达（0.510.51）MPMP。 (3) (3) 在熄在熄灭灭交流交流电电弧弧

32、过过程中，当程中，当电电流增大流增大时时，电电弧的功弧的功率增大，油气的形成加剧，气泡中油气温度增高和压力上升。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。当电流减小特别是过零附近时，由于电弧功率减小，油态。当电流减小特别是过零附近时，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

33、状态的油猛烈气化。由于气泡壁各处油沸点下降，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。弧柱中，加强了弧柱的冷却。 (4) (4) 在某些情况在某些情况下，还可利用被开断电流产生的电动下，还可利用被开断电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。力使电弧弯曲和靠近气泡壁，加强对弧柱的冷却作用。 按照油或油气与按照油或油气与电弧作用的方式，电弧作用的

34、方式，自能吹弧灭弧装置自能吹弧灭弧装置又可分为又可分为横吹、纵吹、纵横吹和环吹四种。横吹、纵吹、纵横吹和环吹四种。 开断开断电电流越大，流越大，则单则单位位时间时间内内产产生的气体越多，生的气体越多，灭灭弧室弧室内压力越高，吹弧力量越强，于是燃弧时间越短；内压力越高，吹弧力量越强，于是燃弧时间越短； 当开断当开断较较小小电电流流时时，灭灭弧室内弧室内压压力低，吹弧力量减力低，吹弧力量减弱，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。开断。 由由图图可可见见，燃弧，燃弧时间时间有一有一最大值，相应于最大燃弧时间最大值，相应于最

35、大燃弧时间的电流称为临界电流的电流称为临界电流I Iljlj。其数。其数值视灭弧装置的具体结构而异，值视灭弧装置的具体结构而异，一般为几十安到上千安。一般为几十安到上千安。 自能吹弧自能吹弧灭灭弧装置的极限弧装置的极限开断电流开断电流I Ilxlx主要决定于灭弧室主要决定于灭弧室的机械强度。的机械强度。九、九、压缩空气空气灭弧方式。弧方式。 在开断在开断电路路对，将，将预先先储备好的好的压缩空气用管道引向燃空气用管道引向燃弧区，利用弧区，利用压缩空气猛烈吹弧和提高燃弧区的空气猛烈吹弧和提高燃弧区的压力，使力，使电弧弧熄熄灭的装置叫做的装置叫做压缩空气空气灭弧装置。弧装置。 按照气流吹弧的方向分

36、横吹式和按照气流吹弧的方向分横吹式和纵吹式两吹式两类。 横吹式缺点横吹式缺点较多，已淘汰，多，已淘汰，现主要介主要介绍纵吹式。吹式。按照触头的结构，纵吹式灭弧装置可分为三类：按照触头的结构，纵吹式灭弧装置可分为三类：两个触头都是棒状的（图两个触头都是棒状的（图5-20a）两个触头都是管状的（图两个触头都是管状的（图5-20b）一个触头都是棒状的，一个触头都是管状的（图一个触头都是棒状的，一个触头都是管状的（图5-20c,d）压缩空气空气灭弧装置的极限开断弧装置的极限开断电流与流与喷口截口截面面积、触、触头开距、开距、压缩空气的气空气的气压等因素有等因素有关。关。 十、十、SFSF6 6灭弧装置

37、。弧装置。 SFSF6 6是无色、无臭、无毒、无公害和不燃是无色、无臭、无毒、无公害和不燃烧的气体。的气体。 其沸点在大气其沸点在大气压时为-60-60，加温到，加温到150 150 都不易与其他都不易与其他物物质起化学反起化学反应，到，到500500时仍不能自行分解。它的密度是仍不能自行分解。它的密度是空气的空气的5 5倍。常温倍。常温时的的传热能力能力( (包括包括对流在内流在内) )为空气的空气的1.61.6倍。它具有很高的倍。它具有很高的绝缘性能。性能。图5-225-22表示在相同条件下，表示在相同条件下， SFSF6 6 、变压器油和器油和氢气的气的击穿穿电压随随压力的力的变化情况。

38、由化情况。由图可知：可知： SFSF6 6 的的击穿穿电压在在压力力为0.1MPa0.1MPa时约为氮气的氮气的5656倍，当倍，当压力力为0.16MP0.16MP时已与已与变压器油相等。器油相等。由由试验得知：得知：这在相同的在相同的压力下，力下， SFSF6 6的的击穿穿电压为压缩空气的空气的2323倍。倍。所以，所以，采用采用SF6作为绝缘介质可以大大减小绝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缘间隙的尺寸和缩小电器的体积SFSF6 6另一突出优点是它只有很强的灭弧能力，另一突出优点是它只有很强的灭弧能力，主要原因主要原因有三条。有三条。SF6 在高温时形成由硫、氟的原子

39、、正离子和电子构成的等离子体，与一般灭弧介质相比，这一等离子体在弧温下具有较高的电离度，因而在同样电流时，电弧电压较低。这就使燃弧时弧隙中产生的热量较少，不需要大的介质吹弧速度便可使弧隙得到足够的冷却作用。图5-23表示在相同条件下，在氮气中和在SF6 中弧柱温度T延其半径rh 分布情况，由图可知，后者直径远比前者小，由于弧柱细，含热量少，因而电弧时间常数也大大减小。时间常数小表明弧隙的介质恢复速度上升较快，这就使SF6 灭弧装置能承受很高的恢复电压上升速度。SF6 分子和它分解而成的氟原子在高温时有一特异的性质，即分子和它分解而成的氟原子在高温时有一特异的性质，即他们对电子有很大的亲和力。当

40、电子和它们接近时，便受到它他们对电子有很大的亲和力。当电子和它们接近时，便受到它们的吸附作用而粘在一起构成负离子。负离子的质量为电子的们的吸附作用而粘在一起构成负离子。负离子的质量为电子的几千倍，他们在电场中移动缓慢，不易产生电场电离。弧隙失几千倍，他们在电场中移动缓慢，不易产生电场电离。弧隙失去一部分活动性强的电子后，产生电场电离和热电离的可能性去一部分活动性强的电子后，产生电场电离和热电离的可能性大大降低，这就提高了介质恢复强度上升的速度。大大降低，这就提高了介质恢复强度上升的速度。SFSF6 6主要缺点：主要缺点：SF6 容易液化，当容易液化，当-40时，工作压力不得大于时，工作压力不得

41、大于0.35MP, -30时，工作压力不得大于时，工作压力不得大于0.5MP。在不均匀电场中击穿电压下降很多。在不均匀电场中击穿电压下降很多。（十一）真空（十一）真空灭弧装置。弧装置。 介介质击穿必穿必须通通过电子碰撞气体粒子使之子碰撞气体粒子使之电离（离（电场电离）以离）以产生更多的生更多的电子才能子才能进行，而交流行，而交流电弧弧电流流过零后是否重燃，也取零后是否重燃，也取决于此决于此时弧隙中弧隙中带电粒子和中性粒子的密度。由于空气稀薄，空气粒子和中性粒子的密度。由于空气稀薄，空气分子及其分子及其电子的平均自由行程加子的平均自由行程加长，这就使弧中气体粒子受到其他就使弧中气体粒子受到其他粒

42、子碰障而粒子碰障而电离的几率大大减少。因此，真空具有很高的离的几率大大减少。因此，真空具有很高的绝缘和和灭弧性能。弧性能。 将触将触头在高度真空中开断便构成有很高开断能力的在高度真空中开断便构成有很高开断能力的灭弧装置。弧装置。 按照触按照触头结构的不同，真空构的不同，真空灭弧装置分弧装置分带圆柱状触柱状触头、带螺旋螺旋槽的磁吹触槽的磁吹触头和和带纵磁磁场线圈的触圈的触头三种。三种。 图5-295-29是是带带圆圆柱状触柱状触头头真空真空灭灭弧装置的原理弧装置的原理结结构构图图。 它的开断能力在它的开断能力在10kV10kV时时，不超，不超过过6 67kA7kA。它的开断能力在它的开断能力在1

43、0kV时，可开断时，可开断40kA以上的以上的电流。电流。 图5-305-30是是带带螺旋槽的磁吹触螺旋槽的磁吹触头头真空真空灭灭弧装置的原理弧装置的原理结结构构图图。它的开断能力在它的开断能力在10kV时，可开断时，可开断200kA的电流。的电流。 图5-315-31是是带带纵纵向磁向磁场线场线圈圈的的真空真空灭灭弧装置的原理弧装置的原理结结构构图图。5-2 5-2 提高灭弧装置开断能力的提高灭弧装置开断能力的辅助方法辅助方法一、并一、并联电阻帮助阻帮助灭弧弧电路：路：图5-335-33是是图5-325-32的的简化化图。 并并联电联电阻有助于阻有助于灭灭弧。弧。 二、附加同步开断装置二、附

44、加同步开断装置 由于交流由于交流电流每秒要通流每秒要通过零点零点2f(f2f(f是是电源源频率率) )次。如次。如果我果我们能使开关能使开关电器的触器的触头在在电流流过零瞬零瞬时分开，并以极分开，并以极高的速度拉开到足以承受恢复高的速度拉开到足以承受恢复电压而不而不发生生间隙隙击穿的距穿的距离，离，则此此时弧隙中将不弧隙中将不产生生电弧，也不存在所弧，也不存在所谓热击穿穿阶段。段。 同同时，由于弧隙是未，由于弧隙是未电离的，只需离的，只需较小的极小的极间距离，距离，就可承受就可承受较高的恢复高的恢复电压。这种开断种开断电路的方法叫做同步路的方法叫做同步开断，而相开断，而相应的开关的开关电器叫做

45、同步开关开关。器叫做同步开关开关。 由上述可由上述可见，这种理想的同步开关可以无需采用种理想的同步开关可以无需采用灭弧装置。然而，事弧装置。然而，事实上，上，实现这一方案非常困一方案非常困难。 其原因主要是：其原因主要是： (1(1） 技技术上上还不能保不能保证开关开关电器的触器的触头稳定地每次定地每次恰在恰在电流流过零零时分开；分开； (2)(2)还没有比没有比较简便的方法使开关便的方法使开关电器的器的动触触头获得得所需的高速度。所需的高速度。 工程上工程上获得得实际应用的是用的是带灭弧装置的同步开关，即在弧装置的同步开关，即在现有的开关有的开关电器器灭弧装置上加装同步装置，使触弧装置上加装

46、同步装置，使触头在在电流流过零前零前一极短一极短时刻刻( (例如例如lmslms左右左右) )分开，同分开，同时提高触提高触头运运动速度，使速度，使触触头从分开到从分开到电流流过零零这段段时间内内动、静触、静触头能分开到足能分开到足够距距离。离。 这样做的好做的好处： (1) (1) 触触头分开分开时刻的刻的稳定性要求降低；定性要求降低； (2) (2) 有有较长较长的的时间让动时间让动触触头头在在电流过零时达到一定电流过零时达到一定的开距，从而可以减小动触的开距，从而可以减小动触头的运动速度。这时，虽然头的运动速度。这时，虽然在弧隙中流过一定的电流，在弧隙中流过一定的电流，但因数值较小，而且

47、持续时但因数值较小，而且持续时间较短，弧隙中气体电离情间较短，弧隙中气体电离情况不太严重，所以在电流过况不太严重，所以在电流过零后弧隙的介质恢复强度数零后弧隙的介质恢复强度数值较高，从而使现有的灭弧值较高，从而使现有的灭弧装置能够开断更大的电流。装置能够开断更大的电流。三、附加机械与半导体混合式开关三、附加机械与半导体混合式开关机械式开关：优点：流通能力强，工作可靠，不易损坏缺点：接触时容易产生预击穿，分断时会产生电弧而烧毁触头半导体式开关：优点：可控触发，触发能量小，导通速度快，接通和分断时时不会产生电弧缺点：通流、耐压能力小，工作时有损耗，易发热，易损耗混合式开关近年来获得很多应用，主要用

48、在低压领域。优点：点：具有具有较高的寿命；高的寿命； 缺点：缺点：结构构较复复杂，价格，价格较昂昂贵. .LOGO 小小 结结 开关开关电器器灭弧装置的弧装置的灭弧原理主要的有弧原理主要的有1111种。根据种。根据这些原理构些原理构成的典型成的典型实际灭弧装置有：弧装置有： 1 1简单开断；开断； 2 2磁吹磁吹灭弧装置；弧装置； 3 3纵缝灭弧装置；弧装置； 4 4绝缘栅片片灭弧装置；弧装置； 5 5金属金属栅片片灭弧装量；弧装量； 6 6固体固体产气气灭弧装置；弧装置；第五章第五章 LOGO 7 7石英砂石英砂灭弧装量；弧装量； 8 8变压器油器油灭弧装置；弧装置； 9 9压缩空气空气灭弧

49、装置；弧装置； 1010SFSF6 6灭弧装置；弧装置； 1111真空真空灭弧装置。弧装置。 此此外外，为增增加加灭弧弧装装置置的的开开断断能能力力，通通常常可可以以采采取取下下列列辅助助方方法法: : 1 1在弧隙两端并在弧隙两端并联电阻；阻； 2 2附加同步开断装置；附加同步开断装置； 3 3附加附加机械与半导体混合式开关机械与半导体混合式开关。 小小 结结第五章第五章 LOGO1 1、简述开关述开关电器典型器典型灭弧装置的主要弧装置的主要灭弧原理弧原理2 2、简述典述典灭弧装置弧装置3 3、简述提高述提高灭弧装置的开断能力的弧装置的开断能力的辅助方法助方法4 4、影响同步开断的主要技、影响同步开断的主要技术因素有哪些因素有哪些作业作业第五章第五章 LOGO本章本章 结结 束束 第五章第五章