4-電弧的產(chǎn)生和熄滅解析

1、電弧的形成與熄電弧的形成與熄滅滅對(duì)電弧的了解、分析，采取有效地措施熄滅電弧，這對(duì)電力系統(tǒng)的正常操作與安全運(yùn)行有很重要的意義。這是我們所不希望的這是我們所不希望的電弧是電力系統(tǒng)及電能利用工程中常見(jiàn)的物理現(xiàn)象.例如：隨處可見(jiàn)的電弧焊接、電弧煉鋼爐等利用電弧工作的用電設(shè)備；在電力系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)電器，工作時(shí)觸頭間也會(huì)產(chǎn)生電弧。 1. 電弧的概念電弧的概念 當(dāng)開(kāi)關(guān)電器開(kāi)斷電路時(shí)，電壓和電流達(dá)到一定值時(shí)，觸頭剛剛分離后，觸頭之間就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的白光，稱為電弧。 現(xiàn)象：開(kāi)關(guān)電器開(kāi)斷電路時(shí)，觸頭間產(chǎn)生耀眼的白光。 電弧的存在說(shuō)明電路中有電流，只有當(dāng)電弧熄滅，觸頭電弧的存在說(shuō)明電路中有電流，只有當(dāng)電弧熄滅，觸頭間隙

2、成為絕緣介質(zhì)時(shí)，電路才算斷開(kāi)。間隙成為絕緣介質(zhì)時(shí)，電路才算斷開(kāi)。 一、電弧的危害和特點(diǎn)一、電弧的危害和特點(diǎn) 2.電弧的本質(zhì)電弧的本質(zhì) 電弧的實(shí)質(zhì)是一種氣體放電現(xiàn)象。 3. 電弧放電的特征電弧放電的特征 （1）電弧能量集中，溫度很高，亮度很強(qiáng)。例：10kvQF斷開(kāi)20KA的電流，電弧功率達(dá)到1萬(wàn)kw以上。 （2）電弧是一種自持放電現(xiàn)象。 （3）電弧是一束游離的的氣體。 （4）電弧由陰極區(qū)、陽(yáng)極區(qū)和弧注區(qū)組成 弧注區(qū)溫度最高，可達(dá)6-7k到一萬(wàn)度以上，在弧柱周?chē)鷾囟容^低，亮度明顯減弱的部分叫弧焰，電流幾乎都從弧柱內(nèi)部流過(guò)。一、電弧的危害和特點(diǎn)一、電弧的危害和特點(diǎn) 4. 電弧的危害電弧的危害 （1）

3、電弧的存在延長(zhǎng)了開(kāi)關(guān)電器開(kāi)斷故障電路的時(shí)間，加重了電力系統(tǒng)短路故障的危害。 （2）電弧產(chǎn)生的高溫，將使觸頭表面熔化和蒸化，燒壞絕緣材料。對(duì)充油電氣設(shè)備還可能引起著火、爆炸等危險(xiǎn)。 （3）由于電弧在電動(dòng)力、熱力作用下能移動(dòng)，很容易造成飛弧短路和傷人，或引起事故的擴(kuò)大。 1 1、強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射、強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射 開(kāi)關(guān)電器分閘的瞬間，由于動(dòng)、靜觸頭的距離很小，觸頭間的電場(chǎng)強(qiáng)度就非常大 ，使觸頭內(nèi)部的電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下被拉出來(lái) ，就形成強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。 2 2、熱電子發(fā)射、熱電子發(fā)射 當(dāng)斷路器的動(dòng)、靜觸頭分離時(shí)，觸頭間的接觸壓力及接觸面積逐漸縮小，接觸電阻增大，使接觸部位劇烈發(fā)熱，導(dǎo)致陰極表面溫度急劇升高而發(fā)射電子

4、 ，形成熱電子發(fā)射。 二、電弧的形成二、電弧的形成 3 3、碰撞游離、碰撞游離 從陰極表面發(fā)射出的電子在電場(chǎng)力的作用下高速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷地與中性質(zhì)點(diǎn)（原子或分子）發(fā)生碰撞。當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的電子積聚足夠大的動(dòng)能時(shí)，就會(huì)從中性質(zhì)點(diǎn)中打出一個(gè)或多個(gè)電子，使中性質(zhì)點(diǎn)游離，這一過(guò)程稱為碰撞游離。4 4、熱游離、熱游離 弧柱中氣體分子在高溫作用下產(chǎn)生劇烈熱運(yùn)動(dòng)，動(dòng)能很大的中性質(zhì)點(diǎn)互相碰撞時(shí)，將被游離而形成電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為熱游離?；≈鶎?dǎo)電就是靠熱游離來(lái)維持的。 斷路器斷開(kāi)過(guò)程中電弧是這樣形成的。觸頭剛分離時(shí)突然解除接觸壓力，陰極表面立即出現(xiàn)高溫?zé)霟狳c(diǎn)，產(chǎn)生熱電子發(fā)射；同時(shí)，由于觸頭的間隙

5、很小，使得電壓強(qiáng)度很高，產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。從陰極表面逸出的電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，加速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，發(fā)生碰撞游離，導(dǎo)致觸頭間隙中帶電質(zhì)點(diǎn)急劇增加，溫度驟然升高，產(chǎn)生熱游離并且成為游離的的主要因素，此時(shí)，在外加電壓作用下，間隙被擊穿，形成電弧。上述是電弧形成的上述是電弧形成的四個(gè)因素四個(gè)因素，實(shí)際上是個(gè)連續(xù)過(guò)程，實(shí)際上是個(gè)連續(xù)過(guò)程 電弧的去游離過(guò)程包括復(fù)合復(fù)合和擴(kuò)散擴(kuò)散兩種形式。 1. 1. 復(fù)合復(fù)合 復(fù)合是正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)相互結(jié)合變成不帶電質(zhì)點(diǎn)的現(xiàn)象復(fù)合是正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)相互結(jié)合變成不帶電質(zhì)點(diǎn)的現(xiàn)象。由于弧柱中電子的運(yùn)動(dòng)速度很快，約為正離子的1000倍，所以電子直接與正離子復(fù)合的幾率很小。一般情況下，先是

6、電子碰撞中性質(zhì)點(diǎn)時(shí)，被中性質(zhì)點(diǎn)捕獲變成負(fù)離子，然后再與質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)?shù)恼x子互相吸引而接近，交換電荷后成為中性質(zhì)點(diǎn)。還有一種情況就是電子先被固體介質(zhì)表面吸附后，再被正離子捕獲成為中性質(zhì)點(diǎn)。三、帶點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合與擴(kuò)散三、帶點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合與擴(kuò)散2. 2. 擴(kuò)散擴(kuò)散 擴(kuò)散是弧柱中的帶電質(zhì)點(diǎn)逸出弧柱以外，進(jìn)入周?chē)橘|(zhì)的現(xiàn)象。擴(kuò)散有三種形式： （1 1）溫度擴(kuò)散）溫度擴(kuò)散，由于電弧和周?chē)橘|(zhì)間存在很大溫差，使得電弧中的高溫帶電質(zhì)點(diǎn)向溫度低的周?chē)橘|(zhì)中擴(kuò)散，減少了電弧中的帶電質(zhì)點(diǎn)； （2 2）濃度擴(kuò)散）濃度擴(kuò)散，這是因?yàn)殡娀『椭車(chē)橘|(zhì)存在濃度差，帶電質(zhì)點(diǎn)就從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散，使電弧中的帶電質(zhì)

7、點(diǎn)減少； （3 3）利用吹弧擴(kuò)散）利用吹弧擴(kuò)散，在斷路器中采用高速氣體吹弧，帶走電弧中的大量帶電質(zhì)點(diǎn)，以加強(qiáng)擴(kuò)散作用。 1. 1. 電弧溫度電弧溫度 電弧是由熱游離維持的，降低電弧溫度就可以減弱熱游離，減少新的帶電質(zhì)點(diǎn)的的產(chǎn)生。同時(shí)，也減小了帶電質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度，加強(qiáng)了復(fù)合作用。通過(guò)快速拉長(zhǎng)電弧，用氣體或油吹動(dòng)電弧，或使電弧與固體介質(zhì)表面接觸等，都可以降低電弧的溫度。 2.2.介質(zhì)的特性介質(zhì)的特性 電弧燃燒時(shí)所在介質(zhì)的特性在很大程度上決定了電弧中去游離的強(qiáng)度，這些特性包括：導(dǎo)熱系數(shù)、熱容量、熱游離溫度、介電強(qiáng)度等。若這些參數(shù)值大，則去游離過(guò)程就越強(qiáng)，電弧就越容易熄滅。四、影響去游離的因素四、影響

8、去游離的因素電弧的熄滅過(guò)程取決于發(fā)生游離和去游離過(guò)程電弧的熄滅過(guò)程取決于發(fā)生游離和去游離過(guò)程 3. 3. 氣體介質(zhì)的壓力氣體介質(zhì)的壓力 氣體介質(zhì)的壓力對(duì)電弧去游離的影響很大。因?yàn)?，氣體的壓力越大，電弧中質(zhì)點(diǎn)的濃度就越大，質(zhì)點(diǎn)間的距離就越小，復(fù)合作用越強(qiáng)，電弧就越容易熄滅。在高度的真空中，由于發(fā)生碰撞的幾率減小，抑制了碰撞游離，而擴(kuò)散作用卻很強(qiáng)。因此，真空是很好的滅弧介質(zhì)。 4. 4. 觸頭材料觸頭材料 觸頭材料也影響去游離的過(guò)程。當(dāng)觸頭采用熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱能力強(qiáng)和熱容量大的耐高溫金屬時(shí)，減少了熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸汽，有利于電弧熄滅。 除了上述因素以外，去游離還受電場(chǎng)電壓等因素的影響。除了上述

9、因素以外，去游離還受電場(chǎng)電壓等因素的影響。定義定義：在直流電路中產(chǎn)生的電弧叫直流電弧在直流電路中產(chǎn)生的電弧叫直流電弧1.電弧電壓分布圖電弧電壓分布圖321UUUUh電弧電壓陰極區(qū)壓降弧柱壓降陽(yáng)極區(qū)壓降電弧電壓陰極區(qū)壓降弧柱壓降陽(yáng)極區(qū)壓降五、直流電弧的特性五、直流電弧的特性2.電弧的伏安特性電弧的伏安特性直流電弧的伏安特性直流電弧的穩(wěn)定燃燒1.1.拉長(zhǎng)電弧拉長(zhǎng)電弧2.2.開(kāi)斷電路時(shí)在電路中逐級(jí)串入電阻開(kāi)斷電路時(shí)在電路中逐級(jí)串入電阻拉長(zhǎng)電弧滅弧拉長(zhǎng)電弧滅弧引入電阻滅弧引入電阻滅弧3.3.在斷口上裝滅弧柵在斷口上裝滅弧柵4.冷卻電弧冷卻電弧 在交流電路中，電流瞬時(shí)值隨時(shí)間變化，因而電弧的溫度、直徑以

10、及電弧電壓也隨時(shí)間變化，電弧的這種特性稱為動(dòng)特性。由于弧柱的受熱升溫或散熱降溫都有一定過(guò)程，跟不上快速變化的電流，所以電弧溫度的變化總滯后于電流的變化，這種現(xiàn)象稱為電弧的熱慣性。 六、交流電弧的特性六、交流電弧的特性經(jīng)過(guò)分析，可見(jiàn)交流電弧在交流電流自然過(guò)零時(shí)將自動(dòng)熄滅，但在下半周隨著電壓的增高，電弧又重燃。如果電弧過(guò)零后，電弧不發(fā)生重燃，電弧就此熄滅。交流電弧的伏安特性 弧隙介質(zhì)能夠承受外加電壓作用而不致使弧隙擊穿的電壓稱為弧隙的介質(zhì)強(qiáng)度。當(dāng)電弧電流過(guò)零時(shí)電弧熄滅，而弧隙的介質(zhì)強(qiáng)度要恢復(fù)到正常狀態(tài)值還需一定的時(shí)間，此恢復(fù)過(guò)程稱之為弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過(guò)程。srtrruuu 電弧電流自然過(guò)零后，電

11、路施加于弧隙的電壓，將從不大的電弧電壓逐漸增長(zhǎng)，一直恢復(fù)到電源電壓，這一過(guò)程中的弧隙電壓稱為恢復(fù)電壓。 電壓恢復(fù)過(guò)程與線路參數(shù)、負(fù)荷性質(zhì)等有關(guān)?；謴?fù)電壓瞬態(tài)恢復(fù)電壓工頻恢復(fù)電壓)()(tuturd1.如果電源電壓恢復(fù)過(guò)程大于介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過(guò)程， 氣隙被擊穿，電弧重燃。2.如果電源電壓恢復(fù)過(guò)程低于介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過(guò)程， 電弧熄滅。電弧熄滅的條件：交流電弧的熄滅條件交流電弧的熄滅條件交流電弧的熄滅方法交流電弧的熄滅方法 熄滅交流電弧的關(guān)鍵在于電弧電流過(guò)零后，弧隙的介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過(guò)程能否始終大于弧隙電壓的恢復(fù)過(guò)程。為了加強(qiáng)冷卻，抑制熱游離，增強(qiáng)去游離，在開(kāi)關(guān)電器中裝設(shè)專(zhuān)用的滅弧裝置或使用特殊的滅弧介質(zhì)，以

12、提高開(kāi)關(guān)的滅弧能力。 迅速拉長(zhǎng)電弧，有利于迅速減小弧柱中的電位梯度，增加電弧與周?chē)橘|(zhì)的接觸面積，加強(qiáng)冷卻和擴(kuò)散的作用。因此，現(xiàn)代高壓開(kāi)關(guān)中都采取了迅速拉長(zhǎng)電弧的措施滅弧，如采用強(qiáng)力分閘彈簧，其分閘速度已達(dá)16m/s以上。1、提高觸頭的分閘速度、提高觸頭的分閘速度 每一相有兩個(gè)或多個(gè)斷口相串聯(lián)。在熄弧時(shí)，多斷口把電 弧分割成多個(gè)相串聯(lián)的小電弧段。多斷口使電弧的總長(zhǎng)度長(zhǎng)，導(dǎo)致弧隙的電阻增加；在觸頭行程、分閘速度相同的情況下，電弧被拉長(zhǎng)的速度成倍增加，使弧隙電阻加速增大，提高了介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度，縮短了滅弧時(shí)間。 采用多斷口時(shí)，加在每一斷口上的電壓成倍減少，降低了弧隙的恢復(fù)電壓，亦有利于熄滅電弧。

13、在要求將電弧拉到同樣的長(zhǎng)度時(shí)，采用多斷口結(jié)構(gòu)成倍減小了觸頭行程，也就減小了開(kāi)關(guān)電器的尺寸。2、采用多斷口、采用多斷口 3、吹弧吹弧 用新鮮而且低溫的介質(zhì)吹拂電弧時(shí)，可以將帶電質(zhì)點(diǎn)吹到弧隙以外，加強(qiáng)了擴(kuò)散，由于電弧被拉長(zhǎng)變細(xì)，使弧隙的電導(dǎo)下降。吹弧還使電弧的溫度下降，熱游離減弱，復(fù)合加快。按吹弧氣流的產(chǎn)生方法和吹弧方向的不同，吹弧可分為以下幾種。 1. 1. 吹弧氣流產(chǎn)生的方法有：吹弧氣流產(chǎn)生的方法有： （1 1）用油氣吹?。┯糜蜌獯祷?用油氣作吹弧介質(zhì)的斷路器稱為油斷路器。在這種斷路器中，有用專(zhuān)用材料制成的滅弧室，其中充滿了絕緣油。當(dāng)斷路器觸頭分離產(chǎn)生電弧后，電弧的高溫使一部分絕緣油迅速分解為

14、氫氣、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳等氣體，其中氫的滅弧能力是空氣的7.5倍。這些油氣體在滅弧室中積蓄能量，一旦打開(kāi)吹口，即形成高壓氣流吹弧。（2 2）用壓縮空氣或六氟化硫氣體吹?。┯脡嚎s空氣或六氟化硫氣體吹弧 將20個(gè)左右大氣壓的壓縮空氣或5個(gè)大氣壓左右的六氟化硫氣體（SF6）先儲(chǔ)存在專(zhuān)門(mén)的儲(chǔ)氣罐中，斷路器分閘時(shí)產(chǎn)生電弧，隨后打開(kāi)噴口，用具有一定壓力的氣體吹弧。（3 3）產(chǎn)氣管吹?。┊a(chǎn)氣管吹弧 產(chǎn)氣管由纖維、塑料等有機(jī)固體材料制成，電弧燃燒時(shí)與管的內(nèi)壁緊密接觸，在高溫作用下，一部分管壁材料迅速分解為氫氣、二氧化碳等，這些氣體在管內(nèi)受熱膨脹，增高壓力，向管的端部形成吹弧。 2. 2. 按吹弧的方向

15、分為：按吹弧的方向分為： （1 1）縱吹）縱吹 吹弧的介質(zhì)（氣流或油流）沿電弧方向的吹拂稱為縱吹，縱吹能增強(qiáng)弧柱中的帶電質(zhì)點(diǎn)向外擴(kuò)散，使新鮮介質(zhì)更好地與熾熱電弧接觸，加強(qiáng)電弧的冷卻，有利于迅速滅弧。 （2 2）橫吹）橫吹 橫吹時(shí)氣流或油流的方向與觸頭運(yùn)動(dòng)方向是垂直的，或者說(shuō)與電弧軸線方向垂直。橫吹不但能加強(qiáng)冷卻和增強(qiáng)擴(kuò)散，還能將電弧迅速吹彎吹長(zhǎng)。有介質(zhì)滅弧柵的橫吹滅弧室，柵片能更充分地冷卻和吸附電弧，加強(qiáng)去游離。在相同的工作條件下，橫吹比縱吹效果要好。 （3 3）縱橫吹）縱橫吹 橫吹滅弧室在開(kāi)斷小電流時(shí)因室內(nèi)壓力太小，開(kāi)斷性能較差。為了改善開(kāi)斷小電流時(shí)的滅弧性能，可將縱吹和橫吹結(jié)合起來(lái)。在大電

16、流時(shí)主要靠橫吹，小電流時(shí)主要靠縱吹，這就是縱橫吹滅弧室。4、短弧原理滅弧、短弧原理滅弧 滅弧裝置是一個(gè)金屬柵滅弧罩，利用將電弧分為多個(gè)串聯(lián)的短弧的方法來(lái)滅弧。由于受到電磁力的作用，電弧從金屬柵片的缺口處被引入金屬柵片內(nèi)，一束長(zhǎng)弧就被多個(gè)金屬片分割成多個(gè)串聯(lián)的短弧。如果所有串聯(lián)短弧陰極區(qū)的起始介質(zhì)強(qiáng)度或陰極區(qū)的電壓降的總和永遠(yuǎn)大于觸頭間的外施電壓，電弧就不再重燃而熄滅。采用缺口鐵質(zhì)柵片，是為了減少電弧進(jìn)入柵片的阻力，縮短燃弧時(shí)間。 滅弧裝置的滅弧片是由石棉水泥或陶土制成的。觸頭間產(chǎn)生電弧后，在磁吹裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，將電弧吹入又滅弧片構(gòu)成的狹縫中，把電弧迅速拉長(zhǎng)的同時(shí)，使電弧與滅弧片內(nèi)壁緊密接觸，對(duì)電弧的表面進(jìn)行冷卻和吸附，產(chǎn)生強(qiáng)烈的去游離。 石英砂熔斷器中的熔絲熔斷時(shí)，在石英砂的狹溝中產(chǎn)生電弧。由于受到石英砂的冷卻和表面吸附作用，使電弧迅速熄滅。同時(shí)，熔絲氣化時(shí)產(chǎn)生的金屬蒸汽滲入石英砂中遇冷而迅速凝結(jié)，大大減少了弧隙中的金屬蒸汽，使得