3開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理

1、開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理教學(xué)基本內(nèi)容：Ø 開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理Ø 提高滅弧裝置開斷能力的輔助方法 概述當(dāng)電源電壓超過(guò)數(shù)十伏、開斷電流在數(shù)十安以上時(shí)，為減少電弧對(duì)觸頭的燒損和限制電弧擴(kuò)展的空間，通常需要采取加強(qiáng)滅弧能力的措施，為此而采用的裝置稱為滅弧裝置。 這些滅弧裝置的滅弧原理主要有下列十幾種： 1簡(jiǎn)單開斷； 2磁吹線圈； 3縱縫滅弧裝置； 4絕緣柵片滅弧裝置； 5金屬柵片滅弧裝置； 6固體產(chǎn)氣滅弧裝置，7石英砂滅弧裝置； 8變壓器油滅弧裝置； 9壓縮空氣滅弧裝置； 10SF6滅弧裝置； 11真空滅弧裝置。此外，為了增加滅弧裝置的開斷能力，通?？梢圆捎孟铝休o

2、助方法： 1在弧隙兩瑞并聯(lián)電阻； 2. 附加同步開斷裝置； 3附加晶閘管裝置。上述滅弧裝置的滅弧原理是： (1) 在大氣中依靠觸頭分開時(shí)的機(jī)械拉長(zhǎng)，使L增大； (2) 利用流過(guò)導(dǎo)電回路或特制線圈的電流在燃弧區(qū)產(chǎn)生磁場(chǎng)，使電弧迅速移動(dòng)和拉長(zhǎng)； （3）依靠磁場(chǎng)的作用，將電弧驅(qū)入用耐弧材料制成的狹縫中，以加強(qiáng)電弧的冷卻和消電離； (4) 用金屬板將電弧分隔成許多串聯(lián)的短??；(5) 在封閉的滅弧室中，利用電弧自身能量分解固體材料，產(chǎn)生氣體，以提高滅弧室中的壓力，或者利用產(chǎn)生的氣體進(jìn)行吹??； (6) 利用電弧自身能量，使變壓器油分解成含有大量氫氣的氣體并建立起很高的壓力，再利用此壓力推動(dòng)冷油和氣體去吹弧

3、； (7) 利用壓縮空氣吹??； (8) 利用SF6氣體吹??； (9) 在高真空中開斷觸頭，利用弧隙中由電極金屬蒸汽形成的弧柱在電流過(guò)零時(shí)迅速擴(kuò)散的原理進(jìn)行滅??； (10) 利用石英砂等固體顆粒介質(zhì)，限制電弧直徑的擴(kuò)展和加強(qiáng)冷卻。開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理一、拉長(zhǎng)電弧 （1）大氣中，利用機(jī)械拉長(zhǎng)電弧方式的原理與圖例。 電弧放長(zhǎng)后，電弧電壓就增大，其靜態(tài)伏安特性向上移動(dòng)。 如下圖示，除依靠觸頭分開拉長(zhǎng)電弧以外，還可依靠導(dǎo)電回路的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)使電弧彎曲來(lái)拉長(zhǎng)電弧。前者沿電弧的軸向(亦稱切向)拉長(zhǎng)電弧，后者是沿著垂直于弧軸的方向(亦稱法向)拉長(zhǎng)電弧。 依靠拉長(zhǎng)電弧使之恰好熄滅的最短長(zhǎng)度，稱為臨界

4、長(zhǎng)度，記為L(zhǎng)lj。刀開關(guān)拉長(zhǎng)電弧的例子。 (2) 利用流過(guò)導(dǎo)電回路的特制線圈的電流在燃弧期間產(chǎn)生磁場(chǎng)，使電弧迅速移動(dòng)和拉長(zhǎng)。下圖的b還增加了引弧角。二、磁吹滅?。?可用于低壓直流和交流接觸器中。對(duì)后者，為減少渦流損耗和避免由于鋼夾板中磁通與電弧電流相位不同而產(chǎn)生反向電動(dòng)力，鐵心2上可開一槽8(如圖5-4所示)或者用硅鋼片疊成。當(dāng)鐵心不飽和時(shí)，如果磁吹線圈的開斷大電流時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)適當(dāng)，則在開斷小電流時(shí)將因電動(dòng)力過(guò)小而引起吹弧困難。當(dāng)然，也可以設(shè)計(jì)成磁吹線圈在開斷小電流時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)適當(dāng)。 但這樣做，一方面將使磁吹線圈的匝數(shù)增加，增大了線圈體積和多用有色金屬；另一方面將使開斷大電流時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)過(guò)強(qiáng)，

5、過(guò)強(qiáng)的磁場(chǎng)不僅會(huì)使燃弧區(qū)擴(kuò)展過(guò)大和容易產(chǎn)生不能允許的過(guò)電壓，而且因?yàn)橐驗(yàn)樵谟|頭剛分瞬間，觸頭間形成的熔化金屬橋可能被過(guò)大的電動(dòng)力驅(qū)趕到接觸區(qū)以外去，使得觸頭的電磨損大大增加。 為緩和上述矛盾，可以通過(guò)適當(dāng)選擇磁吹線圈的匝數(shù)以及鐵心和鋼夾板的截而積，使得開斷小電流時(shí)磁場(chǎng)加強(qiáng)，在開斷大電流時(shí)則由于磁路飽和而磁場(chǎng)不致過(guò)強(qiáng)。這樣，電弧所受到的電動(dòng)力將不再隨開斷電流成平方倍數(shù)地增加。三、 縱縫滅弧裝置 所謂縱縫就是滅弧室的縫隙方向與電弧的軸線平行。 此滅弧裝置的工作原理是利用磁吹線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)將電弧驅(qū)入耐弧絕緣材料(石棉、水泥、陶土等)制成的具有縱縫的滅弧室中進(jìn)行滅弧。它既可用于熄滅直流電弧，也可用于熄

6、滅交流電弧。 按縫隙的尺寸和形式，它們又分兩種，如圖5-5所示。圖5-5a表示一單縱縫滅弧裝置的原理結(jié)構(gòu)。圖中，1為用耐弧絕緣材料制成的滅弧室壁，2為磁吹線圈的鋼夾板，3為電弧。通常上部縫寬小于熄滅電弧的直徑。由圖5-6可見，當(dāng)電流增大（橫坐標(biāo)向右）時(shí)，縱縫滅弧裝置中電弧的“伏安特性”隨電弧電流增加而下降的程度比自由燃弧時(shí)的“伏安特性”下降程度要緩得多；特別當(dāng)電流很大時(shí)，E可以認(rèn)為是常數(shù)。隨著縫寬的減小和電弧橫向運(yùn)動(dòng)速度的提高，電弧的“伏安特性”也將升高，這表明滅弧能力也隨之增強(qiáng)。 采用多縱縫可以減小電弧進(jìn)入上部窄縫的阻力，在驅(qū)動(dòng)電弧運(yùn)動(dòng)的電磁力給定時(shí)，可以采用比單縱縫滅弧室更小的縫隙。這使滅

7、弧空壁對(duì)電弧的冷卻和消電離作用更強(qiáng)。多縱縫滅弧裝置廣泛用于低壓接觸器中。 四、絕緣柵片滅弧裝置滅弧裝置如圖5-8所示。 其中，滅弧室l中裝有用耐弧絕緣材料制成的幾片絕緣柵片2，柵片的邊緣和電弧3的軸線垂直。當(dāng)開斷電流時(shí)，在觸頭4和5之間產(chǎn)生的電弧在導(dǎo)電回路的磁場(chǎng)作用下向上運(yùn)動(dòng)。由于受到絕緣柵片的阻擋，電弧彎曲成如圖5-9中AG曲線所示的形狀。當(dāng)磁場(chǎng)的方向?yàn)榇怪庇诩埫嫦蚶飼r(shí)，電弧AB、BC和CD段所受的電動(dòng)力都使電弧壓向絕緣柵片頂部，增大與柵片表面的接觸面積，從而加強(qiáng)了電弧的冷卻和消電離作用；而DE段所受的電動(dòng)力使電弧向上拉長(zhǎng)，更加深入柵片間隙和增加電弧與絕緣柵片的接被面積。除此以外，電弧AB段

8、和CD段相互作用產(chǎn)生一相吸電動(dòng)力、CD段和EF段相互作用產(chǎn)生一相斥電動(dòng)力，使AB、CD和EF段壓向絕緣冊(cè)片；CD段和EF段對(duì)DE段相互作用也產(chǎn)生一相斥電動(dòng)力，使DE段向上運(yùn)動(dòng)。這種滅弧裝置充分利用了電弧自身磁場(chǎng)產(chǎn)生的電動(dòng)力。在電弧進(jìn)入柵片之后，電弧電壓變高。圖5-11表示厚為2mm、片距5mm的平板形柵片的滅弧裝置開斷350A電流時(shí)，介質(zhì)初始恢復(fù)強(qiáng)度Ujf0和Kjf與n變化的關(guān)系是不成比例。其原因，是電弧進(jìn)入柵片分成很多短弧后，它們?cè)跍缁∈抑械倪\(yùn)動(dòng)速度不同、運(yùn)動(dòng)方向也不同。 五、金屬柵片(又稱去離子?xùn)?滅弧裝置：這種滅弧裝置的原理構(gòu)造如圖5-10 a所示。滅弧室1內(nèi)部有許多由厚度為23mm鋼板

9、沖成的橫向柵片2。柵片外表面鍍銅以增大傳熱能力和防止鋼片生銹。每一柵片沖有三角形的缺口。柵片缺口錯(cuò)開的作用為減少電弧初始碰到的柵片數(shù)，從而減少進(jìn)入的阻力。在電弧進(jìn)入柵片之后，電弧電壓變?yōu)榻饘贃牌瑴缁⊙b置既能用于熄滅直流電弧，也能用于熄滅交流電弧。當(dāng)熄滅直流電弧時(shí)：圖5-11表示厚為2mm、片距5mm的平板形柵片的滅弧裝置開斷350A電流時(shí)，介質(zhì)初始恢復(fù)強(qiáng)度Ujf0和Kjf與n變化的關(guān)系是不成比例。其原因，是電弧進(jìn)入柵片分成很多短弧后，它們?cè)跍缁∈抑械倪\(yùn)動(dòng)速度不同、運(yùn)動(dòng)方向也不同。金屬柵片滅弧裝置廣泛用于低壓開關(guān)電器中。其主要缺點(diǎn)是滅弧室除電弧能量損耗之外，還有柵片中電阻、磁滯和渦流引起的損耗。

10、加之柵片間隙較小，阻礙了熱量的散發(fā)。這些都使滅弧室的溫度容易升向，從而引起滅弧條件惡化。因此，這種滅弧裝置不適用于過(guò)分頻繁操作的場(chǎng)所。六、固體產(chǎn)氣滅弧裝置某些固體絕緣材料如鋼紙(亦稱反白)、有機(jī)玻璃等，在電弧的高溫作用下能迅速氣化，產(chǎn)生大量主要成分為氫及其化合物的氣體。利用這些材料的產(chǎn)氣性質(zhì)進(jìn)行滅弧的滅弧裝置稱為固體產(chǎn)氣滅弧裝置。圖5-13是利用串聯(lián)短弧和高氣壓兩種方式滅弧。其中，鋼紙管在電弧的高溫作用下分解，產(chǎn)生氣體，使壓力提高。 如圖5-14所示，滅弧期間管內(nèi)的壓力可達(dá)4.8MPa 圖5-15是利用產(chǎn)氣原理提高氣壓，再利用氣壓進(jìn)行滅弧的高壓跌落式熔斷器熔管的原理結(jié)構(gòu)圖。 當(dāng)短路電流通過(guò)時(shí)，

11、熔絲3被熔斷產(chǎn)生電弧，于是彈簧6長(zhǎng)度縮短，電弧被迅速拉長(zhǎng)。同時(shí)，電弧的高溫使鋼紙分解產(chǎn)生大量的氣體，管內(nèi)壓力迅速升高，這一壓力推動(dòng)軟線5加速向右運(yùn)動(dòng)，從而也加速電弧的拉長(zhǎng)和壓力的升高。當(dāng)軟線5被推出鋼紙管8以后，管內(nèi)的高壓氣體向外沖出，進(jìn)行縱向吹弧，使電弧熄滅。七、石英砂滅弧裝置：利用石英砂限制弧柱的擴(kuò)展并冷卻電弧使之熄滅的裝置，叫做石英砂滅弧裝置。當(dāng)熔片的狹頸熔斷、氣化形成幾個(gè)串聯(lián)的短弧后，這些短弧繼續(xù)將熔片的狹頸部分氣化。由于熔片氣化后讓出的空間很小，每一短弧都相當(dāng)于在石英砂包圍的狹縫中燃燒，它因?yàn)楹褪⑸熬o密接觸而受到強(qiáng)烈冷卻。同時(shí)由于熔片4金屬?gòu)墓虘B(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)后，體積受局部石英砂的限制不

12、能自由膨脹，于是在燃弧區(qū)形成很高的壓力，此壓力推動(dòng)弧隙中電離氣體迅速向石英砂縫隙中擴(kuò)散，并在縫隙中受到冷卻和消游離，這就大大加強(qiáng)了對(duì)弧隙的冷卻作用。石英砂熔斷器釆用了多斷口串聯(lián)、提高弧隙中氣壓以加強(qiáng)電離氣體的擴(kuò)散作用，以及利用狹縫冷卻電弧共三種滅弧原理，所以它的滅弧能力強(qiáng)，限流作用非常顯著熔管1用瓷制成，2和3分別為端蓋和接線板。當(dāng)熔片的狹頸熔斷、氣化形成幾個(gè)串聯(lián)的短弧后，這些短弧繼續(xù)將熔片的狹頸部分氣化。由于熔片氣化后讓出的空間很小，每一短弧都相當(dāng)于在石英砂包圍的狹縫中燃燒，它因?yàn)楹褪⑸熬o密接觸而受到強(qiáng)烈冷卻。同時(shí)由于熔片4金屬?gòu)墓虘B(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)后，體積受局部石英砂的限制不能自由膨脹，于是在燃

13、弧區(qū)形成很高的壓力，此壓力推動(dòng)弧隙中電離氣體迅速向石英砂縫隙中擴(kuò)散，并在縫隙中受到冷卻和消游離，這就大大加強(qiáng)了對(duì)弧隙的冷卻作用。石英砂熔斷器釆用了多斷口串聯(lián)、提高弧隙中氣壓以加強(qiáng)電離氣體的擴(kuò)散作用，以及利用狹縫冷卻電弧共三種滅弧原理，所以它的滅弧能力強(qiáng)，限流作用非常顯著。八、變壓器油滅弧裝置1、分類：自能式：利用電弧自身的能量將油蒸發(fā)分解而成油氣，提高滅弧室中的壓力以驅(qū)動(dòng)油或油氣進(jìn)行吹弧。外能式：利用外界能量(通常是儲(chǔ)存在彈簧中的能量)推動(dòng)活塞，提高滅弧室中的壓力以驅(qū)動(dòng)油或油氣進(jìn)行滅弧?；旌鲜剑杭嬗蒙鲜鰞煞N能量，提高滅弧室中的壓力以驅(qū)動(dòng)油或油氣進(jìn)行吹弧。 2、即使在油中簡(jiǎn)單地位長(zhǎng)電弧，其滅弧能

14、力也比在大氣中拉長(zhǎng)電弧高得多。 這是因?yàn)椋?(1) 油氣的主要成分是氫，它在所有氣體中具有最高的導(dǎo)熱系數(shù)和最小的粘度，這就使弧柱的熱量容易散發(fā)。(2) 在電弧的高溫作用T，油的氣化和分解過(guò)程非常劇烈。油氣形成后由于受到周圍冷油的阻礙，體積不能迅速膨脹，因而氣泡中壓力很高，通?？蛇_(dá)（0.51）MP。(3) 在熄滅交流電弧過(guò)程中，當(dāng)電流增大時(shí)，電弧的功率增大，油氣的形成加劇，氣泡中油氣溫度增高和壓力上升。在壓力較高的情況下，氣泡壁處油的沸點(diǎn)升高，處于過(guò)熱狀態(tài)。當(dāng)電流減小特則是過(guò)零附近時(shí)，由于電弧功率減小，油氣產(chǎn)生的速度下降，但氣泡在壓力作用下仍繼續(xù)膨脹，結(jié)果引起氣泡中油氣的溫度和壓力迅速降低。此時(shí)

15、氣泡壁處油的沸點(diǎn)下降，處于過(guò)熱狀態(tài)的油猛烈氣化。由于氣泡壁各處油的氣化速度不一致，在氣泡內(nèi)就形成了壓力差。此壓力差促使油氣產(chǎn)生混亂的運(yùn)動(dòng)，使剛剛形成的溫度較低的油氣進(jìn)入弧柱中，加強(qiáng)了弧柱的冷卻(4) 在某些情況下，還可利用被開斷電流產(chǎn)生的電動(dòng)力使電弧彎曲和靠近氣泡壁，加強(qiáng)對(duì)弧柱的冷卻作用。按照油或油氣與電弧泎用的方式，自能吹弧滅弧裝置又可分為橫吹，縱吹縱橫吹和環(huán)吹四種。 開斷電流越大，則單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的氣體越多，滅弧室內(nèi)壓力越高，吹弧力量越強(qiáng)，于是燃弧時(shí)間越短；當(dāng)開斷較小電流時(shí)，滅弧室內(nèi)壓力越低，吹弧力量減弱，燃弧時(shí)間增長(zhǎng)，實(shí)際上沒(méi)有吹弧作用，即相當(dāng)于在油中簡(jiǎn)單開斷。由圖可見，燃弧時(shí)間有一最大

16、值，相應(yīng)于最大燃弧時(shí)間的電流稱為臨界電流Ilj。其數(shù)值視滅弧裝置的具體結(jié)構(gòu)而異，一般為幾十安到上千安。自能吹弧滅弧裝置的極限開斷電流Ilx主要決定于滅弧室的機(jī)械強(qiáng)度。九、壓縮空氣滅弧方式。 在開斷電路對(duì)，將預(yù)先儲(chǔ)備好的壓縮空氣用管道引向燃弧區(qū)，利用壓縮空氣猛烈吹弧和提高燃弧區(qū)的壓力，使電弧熄滅的裝置叫做壓縮空氣滅弧裝置。按照氣流吹弧的方向分橫吹式和縱吹式兩類。橫吹式缺點(diǎn)較多，已淘汰，現(xiàn)主要介紹縱吹式。十、SF6滅弧裝置。 SF6是無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)毒、無(wú)公害和不燃燒的氣體。 其沸點(diǎn)在大氣壓時(shí)為-60，加溫到150 都不易與其他物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)，到500時(shí)仍不能自行分解。它的密度是空氣的5倍。常溫時(shí)的

17、傳熱能力(包括對(duì)流在內(nèi))為空氣的1.6倍。 它具有很高的絕線性能。在壓力為0.1MPa時(shí)約為氮?dú)獾?6倍，當(dāng)壓力為0.16MP時(shí)已與變壓器油相等，而擊穿電壓為壓縮空氣的23倍。 所以，采用SF6作為絕緣介質(zhì)可以大大減小絕緣間隙的尺寸和縮小電器的體積。SF6另一突出的優(yōu)點(diǎn)是它只有很強(qiáng)的滅弧能力。主要原因有三條。十一、真空滅弧裝置 由于空氣稀薄，空氣分子及其電子的平均自由行程加長(zhǎng)，這就使弧中氣體粒子受到其他粒子碰障而電離的幾率大大減少。因此，真空具有很高的絕緣和滅弧性能。將觸頭在高度真空中開斷便構(gòu)成有很高開斷能力的滅弧裝置。按照觸頭結(jié)溝的不同，真空滅弧裝置分帶圓柱狀觸頭、帶螺旋槽的磁吹觸頭和帶縱磁

18、場(chǎng)線圈的觸頭三種。圖5-29是帶圓柱狀觸頭真空滅弧裝置的原理結(jié)構(gòu)圖。 在一定條件下，真空的擊穿電壓比空氣高得多，但是，它受觸頭材料、電極形狀、特別是電極表面粗糙度和電極上有無(wú)臟圬影響很大。真空滅弧裝置的觸頭形狀示例。 提高滅弧裝置開斷能力的輔助方法一、并聯(lián)電阻幫助滅弧電路，圖5-33是圖5-32的簡(jiǎn)化圖。并聯(lián)電阻有助于滅弧。二、附加同步開斷裝置 由于交流電流每秒要通過(guò)零點(diǎn)2f(f是電源頻率)次。如果我們能使開關(guān)電器的觸頭在電流過(guò)零瞬時(shí)分開，并以極高的速度拉開到足以承受恢復(fù)電壓而不發(fā)生間隙擊穿的距離，則此時(shí)弧隙中將不產(chǎn)生電弧，也不存在所謂熱擊穿階段。 同時(shí)，由于弧隙是未電離的，只需較小的極間距離，就可承受較高的恢復(fù)電壓。這種開斷電路的方法叫做同步開斷，而相應(yīng)的開關(guān)電器叫做同步開關(guān)開關(guān)。由