電器原理與應(yīng)用

電器原理與應(yīng)用第1頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)電接觸與觸頭任何電工裝置皆由彼此間以任意方式聯(lián)系著的單元構(gòu)成，其中賴以保證電流流通的導(dǎo)體間的聯(lián)系稱為電接觸，它是一種物理現(xiàn)象。通過互相接觸以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的具體物件稱為電觸頭(簡稱觸頭)，它是接觸時接通電路、操作時因其相對運(yùn)動而斷開或閉合電路的兩個或兩個以上的導(dǎo)體。第2頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一一、觸頭的分類(一)連接觸頭連接觸頭是以機(jī)械方式一焊接、鉚接和栓接來連接電路的不同環(huán)節(jié)，使電流得以自一環(huán)節(jié)流向另一環(huán)節(jié)。這種觸頭在工作過程中無相對運(yùn)動，它永遠(yuǎn)閉合著。連接觸頭除栓接式為可卸式外，其余為不可卸式。

對連接觸頭的基本要求是在其所在裝置的使用期限內(nèi)，應(yīng)能完整無損地長期通過正常工作電流和短時通過規(guī)定的故障電流。為此，它的電阻應(yīng)當(dāng)不大而且穩(wěn)定。這就要求它能耐受周圍介質(zhì)的作用，又能耐受溫度變化引起的形變和通過短路電流時所產(chǎn)生的電動力。第3頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一(二)換接觸頭換接觸頭是電器中用以接通、分?jǐn)嗉稗D(zhuǎn)換電路的執(zhí)行部件，并且總是以動觸頭和靜觸頭的形式成對地出現(xiàn)。它具有多種形式，諸如楔形觸頭、刷形觸頭、指形觸頭、橋式觸頭和瓣式觸頭等。

對換接觸頭的基本要求是電阻小而穩(wěn)定，并且耐電弧、抗熔焊和電侵蝕。顧及到有觸電器的故障很大一部分是觸頭工作不良所致，且后果往往還較嚴(yán)重，故對此決不可掉以輕心。第4頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一二、換接觸頭的工作狀態(tài)和基本參數(shù)換接觸頭有兩種穩(wěn)定的工作狀態(tài):

對應(yīng)于電路通路的閉合狀態(tài);

對應(yīng)于電路斷路的斷開狀態(tài)。換接觸頭還有兩種過渡工作狀態(tài)：從斷開狀態(tài)向閉合狀態(tài)過渡的接通過程;

從閉合狀態(tài)向斷開狀態(tài)過渡的分?jǐn)噙^程。四個基本參數(shù):開距、超程、初壓力和終壓力：開距是觸頭處于斷開狀態(tài)時其動靜觸頭間的最短距離，其值是由它能否耐受電路中可能出現(xiàn)的過電壓以及能否保證順利熄滅電弧來決定的。超程是觸頭運(yùn)動到閉合位置后、將靜觸頭移開時動觸頭還能移動的距離，其值取決于觸頭在期限內(nèi)遭受的電侵蝕。初壓力是觸頭剛閉合時作用于它的正壓力。終壓力是觸頭閉合終止位置的壓力，其值由許多因素，諸如溫升、熔焊等所決定。第5頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)電弧及其產(chǎn)生過程一、載流電路的開斷過程

動靜觸頭的接觸原本是許多個點(diǎn)在接觸，而接觸壓力一般是由彈簧產(chǎn)生的。由于超程的存在，觸頭開始分?jǐn)鄷r，電路并沒開斷，僅僅是動觸頭朝著與靜觸頭分離的方向運(yùn)動。這時，超程和接觸壓力都逐漸減小，接觸點(diǎn)也減少。及至極限狀態(tài)、即僅剩一個點(diǎn)接觸時，接觸面積減至最小，電流密度非常巨大，故電阻和溫升劇增。以致觸頭雖仍閉合，但接觸處的金屬已處于熔融狀態(tài)。此后，動觸頭繼續(xù)運(yùn)動，終于脫離，但動靜觸頭間并未形成間隙，而由熔融的液態(tài)金屬橋所維系著。液態(tài)金屬的電阻率遠(yuǎn)大于固體金屬的，故金屬橋內(nèi)熱量高度集中，使其溫度達(dá)到材料的沸點(diǎn)，并隨即發(fā)生爆炸形式的金屬橋斷裂過程，觸頭間隙也形成了。金屬橋剛斷裂時，間隙內(nèi)充滿著空氣或其他介質(zhì)及金屬蒸氣，它們均具有絕緣性質(zhì)。于是，電流被瞬時截斷，并產(chǎn)生過電壓，將介質(zhì)和金屬蒸氣擊穿，使電流以火花放電乃至電弧的形式重新在間隙中流通。此后，隨著動觸頭不斷離開靜觸頭以及各種熄弧因素作用，電弧終將轉(zhuǎn)化為非自持放電并最終熄滅，使整個觸頭間隙成為絕緣體，觸頭分?jǐn)噙^程亦告終結(jié)至此，觸頭已處于斷開狀態(tài)。第6頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一二、電弧的形成過程

兩個觸頭行將接觸或開始分離時，只要它們之間的電壓達(dá)12~20V、電流達(dá)0.25~lA,觸頭間隙內(nèi)就會產(chǎn)生高溫弧光，這就是電弧。壞處：因?yàn)槠錅囟冗_(dá)成千上萬K足以燒傷觸頭、使之迅速損壞;它也能使觸頭熔焊、破壞電器的正常工作，甚或釀成火災(zāi)刀人員傷亡等嚴(yán)重事故;它還會產(chǎn)生干擾附近的通信設(shè)施的高次諧波。

益處：電弧焊、電弧熔煉和弧光燈等是專門利用電弧的設(shè)備，電器本身可借助電弧以防止產(chǎn)生過高的過電壓和限制故障電流。(一)氣體的電離電子是在一定能級的軌道上環(huán)繞原子核旋轉(zhuǎn)。離原子核越遠(yuǎn)，軌道能級越高。若電子吸收了外界能量、但仍不足以脫離原子核束縛，它只能躍遷到能級更高的軌道上，處于激勵狀態(tài)。電子在激勵狀態(tài)只能延續(xù)0.1~1us。在此期間，電子再獲得外界能量，它便將脫離原子核的束縛而逸出，成為自由電子，否則，它將按量子規(guī)律釋放多余能量而返回原軌道。當(dāng)電子受激勵躍遷到特殊能級的軌道時，它能在激勵狀態(tài)持續(xù)0.1~10ms;這就更易再次吸收外界能量而逸出。此類狀態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)，它在電離過程中起著主要作用。如果電子獲得足以脫離原子核束縛的能量，它便逸出成為自由電子，而失去電子的原子則成為正離子。這種現(xiàn)象稱為電離。發(fā)生電離所需能量稱為電離能Wi。

第7頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一使一個電子激勵所需能量稱為激勵能We，它與電離能Wi均以電子伏eV為單位。表2-1中列舉了部分氣體和金屬蒸氣的We和Wi值。第8頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一電離形式表面發(fā)射空間電離場致發(fā)射光發(fā)射二次電子發(fā)射熱發(fā)射光電離碰撞電離熱電離發(fā)生于金屬電極表面發(fā)生于觸頭間隙內(nèi)第9頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一場致發(fā)射光發(fā)射二次電子發(fā)射熱發(fā)射光電離碰撞電離熱電離熱發(fā)射出現(xiàn)于電極表面被加熱到2000~2500K時。此時電極表面的自由電子就因獲得足以克服表面晶格電場產(chǎn)生的勢壘而逸出到空間。場致發(fā)射是因電極表面存在強(qiáng)電場,使表面墊壘厚度減小而令電子借隧道效應(yīng)逸出的。光發(fā)射是光和各種射線照射于金屬表面。使電子獲得能量而逸出的現(xiàn)象。二次電子發(fā)射是指正離子高速撞擊陰極、或電子高速撞擊陽極引起的表面發(fā)射。-一般陰極表面的二次電子發(fā)射較強(qiáng)，并在氣體放電過程中起著重要作用。光電離發(fā)生在hv>Wi時，光頻率v越高，光電離便越強(qiáng)?？梢姽馔ǔ２灰鸸怆婋x。帶電粒子在場強(qiáng)為E的電場中運(yùn)動時，它在兩次碰撞之間的自由行程上可獲得動能W=qEλ，若該能量大于或等于中性粒子的電離能，該粒子被碰撞后即電離。由于電子的自由行程大，故引起碰撞電離的主要是電極發(fā)射或空間中性粒子電離時釋放的電子。有時碰撞能量不足以使中性粒子電離，只能使之處于激勵狀態(tài)或使電子附于中性粒子上成為負(fù)離子。實(shí)際電離過程絕非單一形式的，而是各種電離形式的綜合表現(xiàn)第10頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一(二)消電離及其形式

電離氣體中的帶電粒子自身消失或失去電荷而轉(zhuǎn)化為中性粒子的現(xiàn)象稱為消電離。電離與消電離是同時存在也同時消亡的矛盾統(tǒng)一體。消電離主要有兩種形式----復(fù)合和擴(kuò)散。

復(fù)合:兩帶異性電的帶電粒子彼此相遇后失去電荷成為中性粒子的現(xiàn)象稱為復(fù)合。復(fù)合有表面復(fù)合與空間復(fù)合兩種形式。

擴(kuò)散：帶電粒子自高溫高濃度處移向低溫低濃度處的現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。它能使電離空間內(nèi)的帶電粒子減少，所以有助于熄滅電弧。第11頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一表面復(fù)合電子進(jìn)入陽極或負(fù)離子接近陽極把電子轉(zhuǎn)移給陽極、以及正離予接近陰極從它取得電子時，這些帶電粒子均失去電荷化為中性粒子。還有，當(dāng)電子接近、不帶電的金屬表面(圖2-3a)或負(fù)離子接近之(圖2-3b)時，它們將因金屬表面感應(yīng)而生的異性電荷作用被吸附于其上，一旦附近出現(xiàn)帶異性電的帶電粒子，這些粒子便互相吸引，復(fù)合形成中性粒子。即使帶電粒子到達(dá)絕緣體表面，由于感應(yīng)所生極化電荷的作用，也會發(fā)生類似于出現(xiàn)在金屬表面的復(fù)合過程。上述這些發(fā)生在帶電或不帶電物體表面的表面的復(fù)合過程，統(tǒng)稱為表面復(fù)合。空間復(fù)合若正離子和電子在極間空隙內(nèi)相遇(圖2-3c)，它們將復(fù)合成為一個中性粒子，這就空間復(fù)合。若電子在空間運(yùn)動中為一中性粒子俘獲形成一負(fù)離子，然后再與正離子相遇復(fù)合成為兩個中性粒子(圖2-3d)，這就是間接空間復(fù)合。第12頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一另外，復(fù)合的概率與氣體性質(zhì)及純度有關(guān)。例如，惰性氣體和純凈的氫氣及氮?dú)舛疾粫c電子結(jié)合成為負(fù)離子，而氟原子及其化合物(如SF6氣體)就具有極強(qiáng)的俘獲電子的能力。因此SF6被稱為負(fù)電性氣體，它是一種良好的滅弧介質(zhì)。帶電粒子在復(fù)合時將釋放出部分能量，后者或被用以加熱物體的表面(表面復(fù)合時)；或被用以增大所形成中性粒子的運(yùn)動速度及以光量子形式向周圍空間輻射(空間復(fù)合時)。第13頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一(三)氣體放電過程

若在兩電極之間施加電壓，當(dāng)逐漸增大電壓u至一定值時，便發(fā)生了間隙內(nèi)的氣體放電現(xiàn)象。圖2-4所示即為直徑I0cm、間隙為數(shù)厘米、氣壓約133Pa的低氣壓放電管氣體放電的靜態(tài)伏安特性。

第14頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一在OA段，外施電壓甚低，由外界催離素(如陰極被加熱和各種射線的作用)產(chǎn)生的帶電粒子尚難以全部到達(dá)陽極，故電流i雖隨電壓u上升而增大，但其值極微小。在AB段，隨著電壓增大，電流已達(dá)飽和值，但該值仍由外界催離素的作用自陰極釋放的電子數(shù)所決定。在BC和CD段，由于電壓繼續(xù)增大已導(dǎo)致場致發(fā)射和二次電子發(fā)射以及不甚強(qiáng)的碰撞電離，故電流又在增大，開始很慢(BC段)、然后較快(CD段)。然而，在整個OD段，若無外界催離素的作用，間隙內(nèi)就沒有白由電子，放電亦將終止，故此階段被稱為非自持放電階段。OD段：非自持放電階段DH段：自持放電階段從D點(diǎn)起，場致發(fā)射及二次電子發(fā)射的電子已甚多，以致除去外界電離因素后仍可借空間的碰撞電離維持放電，故氣體放電已有質(zhì)的變化，進(jìn)入了自持放電階段。于是，電流增長迅速，且放電伴隨有不強(qiáng)的聲光效應(yīng)。對應(yīng)于D點(diǎn)的電壓是決定自持放電的主要因素，它稱為氣隙的擊穿電壓Ub第15頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一在氣體間隙的擊穿過程中，先是陰極發(fā)射的電子在電場作用下向陽極運(yùn)動，并于此中過碰撞產(chǎn)生許多新的電子和正離子。電子運(yùn)動速度大，多集中于前進(jìn)方向端部;正則反之，處于尾部。這種形式的分布稱為電子雪崩。隨著雪崩數(shù)量增多及其端部和尾部分別向陽極和陰極發(fā)展，間隙內(nèi)就形成了自陰極至陽極的離子化通道，即氣隙的擊穿。CE段：湯遜放電區(qū)湯遜最先研究了CE段的放電現(xiàn)象，所以該段被稱為湯遜放電區(qū)。但即使是自持性湯逾放電也是無光的，故稱作無光放電或黑暗放電。EF段：過度階段從E點(diǎn)至F段稱為過渡階段，放電由無光轉(zhuǎn)向有輝光，電流也在增大。但由于碰撞電離增強(qiáng)，為維持放電所需的電壓反而反而降低了。此階段內(nèi)，陰極附近的正離子部分被中和，陰極區(qū)電壓降也逐漸降低。第16頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一FG段在FG段，放電電電流繼續(xù)增大，輝光放電向著擴(kuò)張到整個陰極表面發(fā)展，故電流密度不大(約0.1A/m2)，而且穩(wěn)定，并使陰極區(qū)電壓降也較穩(wěn)定，其值約數(shù)百伏。GH段：異常放電階段在GH段，由于電流和電流密均在增大，陰極區(qū)電壓降和維持放電所需電壓亦增大。這個階段被稱作異常輝光放電階段。H點(diǎn)后從H點(diǎn)開始，氣體放電已進(jìn)入弧光放電階段，它伴隨著強(qiáng)烈的聲光和熱效應(yīng)。這時，電流密度已高達(dá)107A/m2以上，故放電通道溫度極高(在6000K以上)。放電形式以熱電離為主，陰極區(qū)電壓降較小，僅數(shù)十伏。自持放電形式很多，諸如無光放電、輝光放電、電暈放電、火花放電，弧光放電(電弧)等，但它們是否轉(zhuǎn)化為弧光放電以及如何轉(zhuǎn)化，則受到許多客觀因素的影響。第17頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一三、電弧的外觀與本質(zhì)從外表來看，電弧是存在于電極(觸頭)間隙內(nèi)的一團(tuán)光度極強(qiáng)、溫度羅極高的火焰。電弧形成時，陰極表面有一塊或若干塊光度特別強(qiáng)的區(qū)域----陰極斑點(diǎn)。它的溫度常為陰極材料的氣化溫度，電流密度亦達(dá)10A/mm2以上。在電弧電流本身磁場作用下，此斑點(diǎn)在陰極表面不斷移動，并發(fā)射電子。臨近斑點(diǎn)的一段極短的電弧區(qū)（越等于電子的平均自由行程、即〈10-6m)稱為近陰極區(qū)。其中電弧光度較小，電壓降卻很大。陰極發(fā)射的電子在此區(qū)域內(nèi)被電場加速后具有甚大能量，故一旦與中性粒子相撞常可使之電離。與此對應(yīng)，陽極表面也有陽極斑點(diǎn)，它接受來自電弧間隙的電子。其附近也有稱為近陽極區(qū)的薄層，但厚度約為近陰極區(qū)的數(shù)倍。兩近極區(qū)的電壓降均在20V以內(nèi)，且?guī)缀跖c電流值無關(guān)。但近陰極區(qū)厚度特別小，故該處電位梯度竟達(dá)108~I09V/m。兩極區(qū)之間的一段電弧稱為弧柱，它幾乎占有電弧的全部長度。弧柱內(nèi)氣體已全部電離(但同時也不間斷的在進(jìn)行消電離)，且正負(fù)帶電粒子電量相等，所以是等離子區(qū)?；≈鶞囟忍貏e高，中心溫度達(dá)(1~3)×104，故特別明亮;弧柱外層有一層暈圈，其溫度在(0.5~4)×103K范圍內(nèi)，故較紅暗。圖2-5所示為電弧的構(gòu)造和逼度分布。第18頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一總之，弧光放電乃是自持放電的一種形式，也是它的最終形式。從本質(zhì)上來看，電弧是生成于氣體中的熾熱電流、是高溫氣體中的離子化放電通道，是充滿著電離過程和消電離過程的熱電統(tǒng)一體。第19頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)電弧的特性和方程一、電弧的電壓方程電弧電壓包括近陰極區(qū)電壓降Uc、近陽極區(qū)電壓降Ua和弧柱電壓降Up，即

UA=Uc+Ua+Up

兩近極區(qū)電壓降基本不變，故以Uo=Uc+Ua表示，并稱之為近極區(qū)壓降；弧柱區(qū)內(nèi)的電場強(qiáng)度E又近乎恒值，約(1~5)×103V/m，在特殊介質(zhì)內(nèi)還可達(dá)(10~20)×103V/m，故電弧電壓

UA=U0+El

式中：l為弧柱區(qū)長度，可近似地取它為整個電弧的長度。圖2-6給出了電弧各區(qū)域內(nèi)的電壓降和電場強(qiáng)度的分布。第20頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一二、直流電弧的伏安特性伏安特性為電弧的重要特性之一，它表示電弧電壓與電弧電流間的關(guān)系。圖2-7是直流電弧的伏安特性。當(dāng)外施電壓達(dá)到燃弧(擊穿)電壓Ub、電流亦達(dá)到燃弧電流Ib后，電弧便產(chǎn)生了，而且隨著電流的增大，電弧電壓反而降低。這是因?yàn)殡娏髟龃髸够≈鶅?nèi)熱電離擲劇、離子濃度加大，故維持穩(wěn)定燃弧所需電壓反而減小。這種特性稱為負(fù)阻特性。燃弧電壓和燃弧電流與電極材料以及間隙內(nèi)的介質(zhì)有關(guān)。當(dāng)直流電器觸頭分?jǐn)鄷r，若電壓和電流均超過一定數(shù)值后，即將產(chǎn)生電弧。圖2-7曲線1是在弧長不變的條件下逐漸增大電流測得的。實(shí)際上曲線起點(diǎn)Ub不在縱軸上(參見圖2-4)。若自IA=II處開始減小電流(進(jìn)入曲線2)，由于電弧本身的熱慣性，電弧電阻的增大總是滯后于電流的變化,故曲線2位于曲線1下方。電流減小越快，曲線2位置越低;在極限情況下、即電流減小速度為無窮大時，電弧溫度、熱電離程度、弧柱直徑和尺寸均來不及變化，伏安特性也就變成過坐標(biāo)原點(diǎn)的曲線3了。電流減小時伏安特性與縱軸相交處的電壓Ue稱為熄弧電壓。除非在極限場合，即電流無限緩慢減小時，均有Ue<Ub第21頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一三、交流電弧的伏安特性和時間特性

交流電弧的伏安特性不同于直流的伏安特性(圖2-8)，因?yàn)榻蛔冸娏骺偸请S著時間變化，所以伏安特性只能是動態(tài)的。值得注意的是交變電流每個周期有兩次自然通過零值，而電弧也通常在電流過零時自行熄滅。若未能熄滅，則另一半周內(nèi)電弧將重燃，且其伏安特性與原特性是關(guān)于坐標(biāo)原點(diǎn)對稱的。交流電弧電壓和電流隨時間的變化見圖2-9。今以電阻性負(fù)載時的特性為例加以說明。當(dāng)電弧電流lA過零時，因電源電壓u與之同相，且電弧電阻又甚大，故電弧間隙上的電壓實(shí)際上等于電弧電壓。隨著電源電壓的上升，弧隙電流不斷增大，電弧電阻則逐漸減小，及至弧隙電壓上升到燃弧電壓，間隙便被擊穿，重新燃弧。此后電弧電阻繼續(xù)減小，使電弧呈現(xiàn)負(fù)阻性，故電弧電壓反而因電流增大而下降，并趨于某定值UA。在半周行將結(jié)束時，為持電弧電流，電弧電壓又要升高。至某一時刻，電弧電壓已不足以維持電弧電流，電弧即熄滅，iA=0，而電弧電壓又和電源電壓一樣。第22頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一四、電弧的能量平衡電弧的功率為PA=UAIA=U0lA+EllA按UO和El在UA中所占比例，電弧有長弧與短弧之分。若UO在UA中占主要地位，電弧就是短弧;反之，則是長弧。短弧的能量損耗是轉(zhuǎn)化為熱能、并經(jīng)電極和與之連接的金屬件散往周圍介質(zhì)。長弧的能量損耗可近似地認(rèn)為是轉(zhuǎn)化為熱能、并經(jīng)弧柱散往周圍介質(zhì)。就一般工業(yè)電器而論，弧柱的散熱具有重要意義?；≈歉邷氐入x子體。燃弧時的弧柱溫度通常為(4~20)×103K，熄弧時則僅有(3~4))×103K?；≈鶞囟扰c電極材料、滅弧介質(zhì)種類和壓力以及其冷卻作用的強(qiáng)烈程度等有關(guān)。若以QA表示電弧能量、以Pd表示電弧散出的功率，電弧的動態(tài)熱平衡方程便是dQA/dt=PA-Pd若dQA/dt>0，即PA>Pd，說明電弧能量在增大，使燃弧更加熾烈;若dQA/dt<0，即PA<Pd，說明電弧能量在減小，電弧將趨于熄滅;若dQA/dt=0，即PA=Pd，電弧能量達(dá)到平衡，并且穩(wěn)定地燃弧。

第23頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)直流電弧及其熄滅對于含電阻R、電感L的直流電路，當(dāng)其中的觸頭間隙內(nèi)產(chǎn)生電弧時，若以U表示電源電壓，i表示電弧電流，電壓平衡方程為

在繪制電弧伏安特性的同時(曲線1)，再作U-iR特性（曲線2）。后者為連接縱軸上的點(diǎn)U與橫軸上的I=U/R的線段。U-iR特性與伏安特性交于A、B兩點(diǎn)，故點(diǎn)A、B是電路在有電弧時的兩個工作點(diǎn)。在此二點(diǎn)上，電源電壓U的一部分降落于電路的電阻上，另一部分降落于電弧電阻上(電弧電壓uA)，而U-iR=Ldi/dt+UA第24頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一兩個工作點(diǎn)A、B并不均為穩(wěn)定燃弧點(diǎn)。設(shè)電路工作于點(diǎn)A，即電流為IA。由圖可見，當(dāng)電流有一增量△i>0時，Ldi/dt>0，電流繼續(xù)增大;反之，若電流有一增量△i<0,則Ldi/dt<0，電弧電流將繼續(xù)減小。因此，A點(diǎn)不可能是穩(wěn)定燃弧點(diǎn)。經(jīng)分析后不難看出，B點(diǎn)將是電路的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)、也即穩(wěn)定燃弧點(diǎn)。顯然，要熄滅電弧，就必須消除穩(wěn)定燃弧點(diǎn)。第25頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一一、熄滅直流電弧的方法為消除直流電弧的穩(wěn)定燃弧點(diǎn)，應(yīng)使其伏安特性處于特性U-iR的上方，使電弧電壓UA與電阻電壓降iR之和超過電源電壓U，以致電弧無法穩(wěn)定燃燒（曲線1--》曲線1’）。按電弧電壓方程及電壓平衡方程，可采取下列技術(shù)措施:拉長電弧或?qū)ζ鋵?shí)行人工冷卻增大近極區(qū)電壓降增大弧柱電場強(qiáng)度U-iR=Ldi/dt+UA第26頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一(1)拉長電弧或?qū)ζ鋵?shí)行人工冷卻此二者在原理上均為借增大弧柱電阻使電弧伏安特性上移，與特性u-iR脫離，即由原來的曲線1變?yōu)榍€I’(圖2-11)。為此，可增大縱向觸頭間隙(圖2-12a)，也可借電流本身的磁場或外加磁場從法向吹弧以拉長電弧(圖2-12b)，或借磁場使弧斑沿電極上移(圖2-12.)。這些措施除能機(jī)械地增大電弧長度l外，還能借電弧在運(yùn)動中不斷與新鮮冷卻介質(zhì)接觸而增大弧柱電場強(qiáng)度E，從而增大弧柱電壓降。第27頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一(2)增大近極區(qū)電壓降若在滅弧室內(nèi)設(shè)置若干垂直于電弧的柵片(如n片)，則電弧被驅(qū)入滅弧室后將被它們截割為n+I段短弧(圖2-12d)，故電弧電壓降UA=(n+1)Uo十EI這比無柵片時增大了nU0，所以也能起到使電弧伏安特性上移的作用。(3)增大弧柱電場強(qiáng)度具體措施有增大氣體介質(zhì)的壓強(qiáng)、增大電弧與介質(zhì)間的相對運(yùn)動速度、使電弧與溫度較低的絕緣材料緊密接觸以加速弧柱冷卻、采用如SF6氣體等具有強(qiáng)烈消電離作用的特殊滅弧介質(zhì)以及采用真空滅弧室等。第28頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一二、分?jǐn)嘀绷麟娐窌r的過電壓分?jǐn)嘀绷麟娐窌r，電弧熄滅的瞬間有i=0及uA=Ue，故有：所以出現(xiàn)在觸頭間隙上的過電壓為它與電流減小的速度、即滅弧強(qiáng)度有關(guān)。滅弧能力越強(qiáng)，電流減小就越快，過電壓也越高。由上式能導(dǎo)出燃弧時間計(jì)算公式此式宜以圖解積分法求解，即先作1/ΔU=f(i)曲線，再求曲線在由I至0一段內(nèi)包圍的面積，最后乘以電感值L。顯然，線路的電感越大，其所儲存并需要經(jīng)由電弧間隙散出的能量也越大，因而滅弧越發(fā)困難，所需時間也越長。第29頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一決定過電壓的因素主要是滅弧強(qiáng)度:過強(qiáng)會導(dǎo)致甚高的過電壓，過低將延長滅弧時間。為防止分?jǐn)嚯姼行载?fù)載時出現(xiàn)過高的、危及絕緣或?qū)е码娀≈厝嫉倪^電壓，必須采取限制措施。若給負(fù)載并聯(lián)一電阻RS(圖2-13a)，則切斷電流時應(yīng)有故負(fù)載兩端的電壓而t=0時弧隙兩端過電壓的最大值為由此可見，選擇適當(dāng)?shù)腞s值可將過電壓降低到容許的水平。但為避免增大功率損耗，應(yīng)與并聯(lián)電阻Rs串聯(lián)一個二極管VD(圖2-13b)。有時也采用雙斷口電路(圖2-13c)以降低過電壓。分?jǐn)鄷r，斷口CI先分?jǐn)?，C2后分?jǐn)唷Ｓ捎跀嗫贑2和電阻Rs的存在，斷口CI處的電弧就容易熄滅了。斷匚C2處的電弧則因Rs的限流作用，且它本身又被設(shè)計(jì)為具有較小的滅弧強(qiáng)度，故也易熄滅。這種電路多用于高壓系統(tǒng)。第30頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)交流電弧及其熄滅

就直流電弧而論，只要電弧電流等于零即可認(rèn)為它已熄滅，除非弧隙被過電壓重新?lián)舸?。交流電弧則不然，因?yàn)槠潆娏鲿匀贿^零。在此之后同時有兩種過程在進(jìn)行著:一為電弧間隙內(nèi)絕緣介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過程---介質(zhì)恢復(fù)過程;另一為弧隙電壓恢復(fù)過程。若介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度始終高于電壓恢復(fù)速度，弧隙內(nèi)的電離必然逐漸減弱，最終使弧隙呈完全絕緣狀態(tài)，電弧也不會重燃。否則弧隙中的電離將逐漸加強(qiáng)，及至帶電粒子濃度超過某一定值，電弧便重燃。因此，交流電弧熄滅與否需視電弧電流過零后介質(zhì)恢復(fù)過程是否超過電壓恢復(fù)過程而定。如圖2-14所示，當(dāng)介質(zhì)恢復(fù)速度(曲線1)始終超過電壓恢復(fù)速度(曲線3)時，由于Ujf>Uhf，電弧不會重燃。反之，當(dāng)介質(zhì)恢復(fù)速度在某些時候(曲線2)小于電壓恢復(fù)速度時，電弧還會重新燃燒，也即電弧未能熄滅。第31頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一一、弧隙介質(zhì)恢復(fù)過程交流電弧電流自然過零后、弧隙介質(zhì)恢復(fù)過程便已開始，但在近陰極區(qū)和其余部分(生要是弧柱區(qū))恢復(fù)過程有所不同。(一)近陰極區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過程電弧電流過零后弧隙兩端的電極立即改變極性。在新的近陰極區(qū)內(nèi)外，電子運(yùn)動速度為正離子的成千倍，故它們于剛改變極性時即迅速離開而移向新的陽極，使此處僅留下正離子。同時，新陰極正是原來的陽極，附近正離子并不多，以致難以在新陰極表面產(chǎn)生場致發(fā)射以提供持續(xù)的電子流。另外，新陰極在電流過零前后的溫度已降低到熱電離溫度以下，亦難以借熱發(fā)射提供持續(xù)的電子流。因此，電流過零后只需經(jīng)過0.1~lus，即可在近陰極區(qū)獲得150~250V的介質(zhì)強(qiáng)度(具體量值視陰極溫度而定，溫度越低，介質(zhì)強(qiáng)度越高)。圖2-15給出了剛改變極性時近陰極區(qū)的狀況。倘若在滅弧室內(nèi)設(shè)若干金屬柵片，將進(jìn)人滅弧室內(nèi)的電弧截割劇成許多段串聯(lián)的短弧，則電流過零后每一短弧的近陰極區(qū)均將立即出現(xiàn)150~250V的介質(zhì)強(qiáng)度(由于弧隙熱慣性的影響，實(shí)際介質(zhì)強(qiáng)度要低一些)。當(dāng)它們的總和大于電網(wǎng)電壓(包括過電壓)時，電弧便熄滅。出現(xiàn)于近陰極區(qū)的這種現(xiàn)象稱為近陰極效應(yīng)，綜合利用截割電弧和近陰極效應(yīng)滅弧的方法稱為短弧滅弧原理，它廣泛用于低壓交流開關(guān)電器。第32頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一(二)弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過程

電弧電流自然過零前后的數(shù)十微秒內(nèi)，電流已近乎等于零，故這段時間被稱為零休時間。由于熱慣性的影響，零休期間電弧電阻Rh并非無窮大，而是因滅弧強(qiáng)度不同呈現(xiàn)不同量值?；∠峨娮璺菬o窮大意味著弧隙內(nèi)尚有殘留的帶電粒子和它們形成的剩余電流，故電源仍向弧隙輸送能量。當(dāng)后者小于電弧散出的能量時，弧隙內(nèi)溫度降低，消電離作用增強(qiáng)，弧隙電阻不斷增大，直至無窮大，也即弧隙變成了具有一定強(qiáng)度的介質(zhì)，電弧也將熄滅。反之若弧隙取自電源的能量大于其散出的能量，Rh將迅速減小，剩余電流不斷增大，使電弧重新燃燒。這就是所謂熱擊穿。然而，熱擊穿存在與否還不是交流電弧是否能熄滅的唯一條件。不出現(xiàn)熱擊穿固然象征著熱電離已基本停止，但當(dāng)弧隙兩端的電壓足夠高時，仍可能將弧隙內(nèi)的高溫氣體擊穿，重新燃弧。這種現(xiàn)象稱為電擊穿。因此，交流電弧電流自然過零后的弧柱區(qū)介質(zhì)恢復(fù)過程大抵可分為熱擊穿和電擊穿兩個階段。交流電弧的熄滅條件則可歸結(jié)為:在零休期間，弧隙的輸入能量恒小于輸出能量，因而無熱積累;在電流過零后，恢復(fù)電壓又不足以將已形成的弧隙介質(zhì)擊穿。第33頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一二、弧隙電壓恢復(fù)過程電弧電流過零后，弧隙兩端的電壓將由零或反向的電弧電壓上升到此時的電源電壓。這一電壓上升過程稱為電壓恢復(fù)過程，此過程中的弧隙電壓則稱為恢復(fù)電壓。電壓恢復(fù)過程進(jìn)展情況與電路參數(shù)有關(guān)。分?jǐn)嚯娮栊噪娐窌r(圖2-16a),電弧電流i與電源電壓U同相，故電流過零時電壓亦為零。這樣，電流過零后作用于弧隙的電壓---恢復(fù)電壓uhf自零開始按正弦規(guī)律上升，而無暫態(tài)分量，只有穩(wěn)態(tài)分量---工頻正弦電壓。若分?jǐn)嚯姼行噪娐?圖2-16b)，因電流滯后于電源電壓約90度，故電流過零時電源電壓恰為幅值。因此，電流過零后加在弧隙上的恢復(fù)電壓將自零躍升到電源電壓幅值，并于此后按正弦規(guī)律變化。這時的恢復(fù)電壓含上升很快的暫態(tài)分量。分?jǐn)嚯娙菪噪娐窌r(圖2-16c)，因電流越前電源電壓約90度，電流過零時電壓也處于幅值，因而電容被充電到具有約為電源電壓幅值的電壓，且因電荷于電路分?jǐn)嗪鬅o處泄放而保持著此電壓。因此，電弧電流為零時恢復(fù)電壓有一個幾乎很少衰減的暫態(tài)分量和一工頻正弦穩(wěn)態(tài)分量，并且是從零開始隨著u的變化逐漸增大，最終達(dá)到約二倍電源電壓幅值。第34頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)際的電壓恢復(fù)過程要復(fù)雜得多，它要受到被分?jǐn)嚯娐返南鄶?shù)、一相的斷口數(shù)、線路工作狀況、滅弧介質(zhì)和滅弧室構(gòu)造及分?jǐn)鄷r的初相角等許多因素的影響。鑒于電路以電感性的為多，所以分析電壓恢復(fù)過程也以它為例。第35頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一為便于分析起見，只討論理想弧隙的電壓恢復(fù)過程，并設(shè)電路本身的電阻為零、且在此過程(約數(shù)百微秒)中電源電壓不變。顧及到電源繞組間的寄生電容、線路的對地電容和線間電容(其總值為C)，則電路的電壓方程為其解為：

式中A、B為積分常數(shù)ω0為無損耗電路的固有振蕩角頻率Ugm工頻電源電壓的幅值當(dāng)電弧電流過零(t=0)時，uc=0,du/dt=0，故積分常數(shù)A=Ugm，B=0。于是，

此電壓Uc就是弧隙上的恢復(fù)電壓Uhf，它含穩(wěn)態(tài)分量Ugm和暫態(tài)分量Ugmcosω0t。因此，電壓恢復(fù)過程是角頻率為ω0的振蕩過程(圖2-17a)。第36頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一三、交流電弧的熄滅交流電弧的熄滅條件是在零休期間不發(fā)生熱擊穿，同時在此之后弧隙介復(fù)過程總是勝過電壓恢復(fù)過程，也即不發(fā)生電擊穿。但從滅弧效果來看，零休期間是最好的滅弧時機(jī):一則這時弧隙的輸入功率近乎等于零，只要采取適當(dāng)措施加速電弧能量的散發(fā)以抑制熱電離，即可防止因熱擊穿引起電弧重燃;二則這時線路所儲能量很小，需借電弧散發(fā)的能量不大，不易因出現(xiàn)較高的過電壓而引起電擊穿。反之，若滅弧非常強(qiáng)烈，在電流自然過零前就“截流”，強(qiáng)迫電弧熄滅，則將產(chǎn)生很高的過電壓，即使不致影響滅弧，對線路及其中的設(shè)備也很不利。因此，除非有特殊要求，交流開關(guān)電器多采用滅弧強(qiáng)度不過強(qiáng)的滅弧裝置，使電弧是在零休期間、而且是在電流首次自然過零時熄滅。第37頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)際上交流電弧未必均能于電流首次自然過零時熄滅，有時需經(jīng)2~3個半周才熄滅。如圖2-18所示，觸頭剛分離(t=t0)時，弧隙甚小，Uh也不大。故電流在首次過零(t=t1)前，其波形基本上仍屬正弦波，且在電流過零處比電源電壓滯后約為90度。這時，介質(zhì)強(qiáng)度Ujf不大，當(dāng)恢復(fù)電壓Uhf于不久后上升到大于燃弧電壓UbI時，弧隙被擊穿，電弧重燃。在第二個半周，弧隙增大了，uhujf均增大，電流再過零(t=t2)時的滯后角φ2<φ1。由于Ujf仍不夠大，在Uhf>Ujf2時，弧隙再次被擊穿，電弧仍重燃。此后因弧隙更大，當(dāng)t=t3、即電流第三次過零時，φ3<φ2，且Ujf始終大于Ubf，電弧終被熄滅，交流連路也完全切斷了。第38頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一第六節(jié)滅弧裝置一、滅火花電路二、簡單滅弧三、磁吹滅弧裝置四、弧罩與縱縫滅弧裝置五、柵片滅弧裝署六、固體產(chǎn)氣滅弧裝置七、石英砂滅弧裝置八、油吹滅弧裝置九、壓縮空氣滅弧裝置十、六氟化硫(SF6)氣體滅弧裝置十一、真空滅弧裝置十二、無弧分?jǐn)嚯娀∪紵臻g的擴(kuò)展及其導(dǎo)致的觸頭電侵蝕，能危及電器本身和它所在系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，故必須采用適當(dāng)滅弧裝置以加速并可靠地熄滅電弧。第39頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一一、滅火花電路

滅火花電路用于保護(hù)直流繼電器的觸頭系統(tǒng)，降低其電侵蝕、提高其分?jǐn)嗄芰?，進(jìn)而保證其安全可靠運(yùn)行，因?yàn)槔^電器工作電流雖不大，但為提高靈敏度和減小體積重量，其接觸壓力取得很小，兼之操作頻率高、負(fù)載又多為電感性的，故必須增強(qiáng)其滅弧能力。所謂滅火花電路，或并聯(lián)在負(fù)載上、或并聯(lián)在繼電器觸頭上作為放電回路。第40頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一二、簡單滅弧這是指在大氣中分開觸頭拉長電弧使之熄滅。它借機(jī)械力或電弧電流本身產(chǎn)生的電動力拉長電弧，并使之在運(yùn)動中不斷與新鮮空氣接觸為其冷卻。這樣，隨著弧長，和弧柱電場強(qiáng)度E的不斷增大，使電弧伏安特性因電弧電壓Uh增大而上移。當(dāng)Uh>u-iR時，電弧熄滅。低壓電器中的刀開關(guān)和直動式交流接觸器均有利用簡單滅弧原理者。但為保護(hù)觸頭有時還設(shè)弧角，使電弧在弧角上燃燒，同時為限制電弧空間擴(kuò)展有時亦設(shè)置滅弧室。第41頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一三、磁吹滅弧裝置需要較大的電動力將電弧吹入滅弧室時，要采用專門的磁吹線圈(圖2-20)建立足夠強(qiáng)的磁場。它通常有一至數(shù)匝，與觸頭串聯(lián)(雖也可與電源并聯(lián)，但很少見)。為使磁場較集中地分布在弧區(qū)以增大吹弧力，線圈中央穿有鐵心，其兩端平行地設(shè)置夾著滅弧室的導(dǎo)磁鋼板。串聯(lián)磁吹線圈的吹弧效果在觸頭分?jǐn)啻箅娏鲿r很明顯，分?jǐn)嘈‰娏鲿r則比較遜色。第42頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一四、弧罩與縱縫滅弧裝置為限制弧區(qū)擴(kuò)展并加速冷卻以削弱熱電離，常采用陶土或耐弧塑料(如三聚氰胺與MP-1塑料)制造的滅弧室。有些滅弧室還設(shè)有狹窄的縱縫，使電弧進(jìn)入后在與縫壁的緊密接觸中被冷卻?？v縫滅弧裝置有單縱縫、多縱縫和縱向曲縫等數(shù)種(圖2-21)。為克服電弧進(jìn)入寬度略小于其直徑的狹縫的阻力，有時還需磁吹配合。縱縫多采取下寬上窄的形式，以減小電弧迸入時的阻力。多縱縫的縫隙甚窄，且入口處寬度是驟變的，故僅當(dāng)電流甚大時卓有成效?？v向曲縫兼有逐漸拉長電弧的作用，故其效果尤佳。這種滅弧方式多用于低壓開關(guān)電器，間或用于3~10kV的高壓開關(guān)電器。第43頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一五、柵片滅弧裝置柵片滅弧裝置有絕緣柵片與金屬柵片兩種:前者借拉長電弧并使之在與它緊密接觸的過程中迅速冷卻;后者借將電弧截割為多段短弧、利用增大近極區(qū)電壓降(特別是交流陰極效應(yīng))以加強(qiáng)滅弧效果(圖2-22)。金屬柵片為鋼質(zhì)，它有將電弧吸引的作用和冷卻作用，但其V形缺口是偏心的，且要交錯排列以減小對電弧的阻力。柵片滅弧裝置適用于高低壓直流和交流開關(guān)電器，但以低壓交流開關(guān)電器用得較多。第44頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一六、固體產(chǎn)氣滅弧裝置它主要用于高低壓熔斷器。以低壓封閉管式熔斷器為例，它是利用能產(chǎn)生氣體的固體絕緣材料兼作絕緣管和滅弧室。電路發(fā)生短路時，熔體窄部迅速熔化和汽化，形成若干串聯(lián)短弧，而絕緣管則在電弧高溫作用下迅速分解汽化，產(chǎn)生壓強(qiáng)達(dá)數(shù)MPa的含氫高壓氣體。電弧便在近陰極效應(yīng)和高壓氣態(tài)介質(zhì)共同作用下很快熄滅，有時甚至能在短路電流尚未達(dá)到頂期值之前就截流，提前分?jǐn)嚯娐?。?5頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一七、石英砂滅弧裝置它也是主要用于高低壓熔斷器。石英砂充填在絕緣管內(nèi)作為滅弧介質(zhì)。熔斷器的熔體熔化后產(chǎn)生的金屬蒸氣為石英砂所限無法自由擴(kuò)散，遂形成高壓氣體，使電離了的金屬蒸氣擴(kuò)散于石英砂縫隙內(nèi)，在該處冷卻并復(fù)合。這種裝置滅弧能力強(qiáng)，截流作用顯著。但分?jǐn)嘈”稊?shù)過載電流時，可能因熔體穩(wěn)態(tài)工作溫度較高而將石英砂熔解，形成液態(tài)玻璃，并與金屬熔體作用生成絕緣性能差的硅酸鹽，以致發(fā)生穩(wěn)定燃弧現(xiàn)象，特別是在直流的場合。第46頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一八、油吹滅弧裝置

油吹滅弧裝置是以變壓器油為介質(zhì)。產(chǎn)生電弧后，它會使油氣化為含氫量達(dá)70~80%的氣體，后者與占總體積約40%的油蒸氣共同形成油氣泡，使電弧在其中燃燒。油吹滅弧主要是利用氫氣的高導(dǎo)熱性和低粘度以加強(qiáng)對弧柱的冷卻作用，利用油氣為四周冷油所限不能迅速膨脹而形成的0.5~IMPa高壓以加強(qiáng)介質(zhì)強(qiáng)度，以及利用因氣泡壁各處油的氣化速度不同產(chǎn)生的壓力差使油氣作紊亂運(yùn)動，將剛生成的低溫油氣引至弧柱以加速其冷卻。油吹滅弧的燃弧時間有一最大值，與之對應(yīng)的電流稱為臨界電流其值因滅弧裝置結(jié)構(gòu)而異，由于弧室機(jī)械強(qiáng)度的限制，油吹滅弧還有一極限開斷電流。油吹滅弧裝置曾在高壓斷路器中占重要地位，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且效果不甚理想，它已越來越多地為其他形式的滅弧裝置所取代。第47頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一九、壓縮空氣滅弧裝置

它也是用于高壓電器。開斷電路時，以管道將預(yù)儲的壓縮空氣引向弧區(qū)猛烈吹弧。一面帶走大量熱量、降低弧區(qū)溫度，另一方面則吹散電離氣體將新鮮高壓氣體補(bǔ)充空間。因此，這種滅弧裝置既能提高分?jǐn)嗄芰Α⒖s短燃弧時間，又能保證自動重合閘時不降低分?jǐn)嗄芰ΑＫm無臨界電流，但仍有極限分?jǐn)嗄芰?。然而，由于種種原因，壓縮空氣滅弧裝置近年來也用得比較少了。第48頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一十、六氟化硫(SF6)氣體滅弧裝置SF6氣體為共價鍵型的完全對稱正八面體分子結(jié)構(gòu)的氣體，故具有強(qiáng)負(fù)電性，極為穩(wěn)定。它無色、無臭、無味、無毒、既不燃也不助燃。一般無腐蝕性。在常溫常壓下SF6的密度是空氣的5倍，分子量也大，故其熱導(dǎo)率雖遜于空氣，但熱容量大，總的熱傳導(dǎo)仍優(yōu)于空氣。概括起來，SF6氣體作為滅弧介質(zhì)具有下列優(yōu)點(diǎn):它在電弧高溫下生成的等離子體度很高，故弧隙能量小，冷卻特性好;介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)快，絕緣及滅弧性能好，有利于縮小電器的體積和重量;基本上無腐蝕作用;無火災(zāi)及爆炸危險;采用全封閉結(jié)構(gòu)時易實(shí)現(xiàn)免維修運(yùn)行;可在較寬的溫度和壓力范圍內(nèi)使用;無噪聲及無線電干擾。SF6氣體的主要缺點(diǎn)是液化(-40度時，工作壓力不得大于0.35MPa;-35度時不得大于0.5MPa)，而且在不均勻電場中其擊穿電壓會明顯下降。目前，SF6氣體滅弧裝置已廣泛用于高壓斷路器，同時此氣體還廣泛用于全封閉式高壓組合及成套設(shè)備中作為滅弧和絕緣介質(zhì)。第49頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一十一、真空滅弧裝置

此滅弧裝置以真空作為絕緣及滅弧手段。當(dāng)滅弧室真空度在1.33×10-3Pa以下時，電子的自由行程達(dá)43m，發(fā)生碰撞電離的概率極小。因此，電弧是靠電極蒸發(fā)的金屬蒸氣電離生成的。若電極材料選用得當(dāng)，且表面加工良好，金屬蒸氣就既不多又易擴(kuò)散，故真空滅弧效果比其他方式都強(qiáng)得多。真空滅弧具有下列優(yōu)點(diǎn)：觸頭開距小(10kV級的僅需10mm左右)，故滅弧室小，所需操作力也小，動作迅速;燃弧時間短到半個周期左右，且與電流大小無關(guān);介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)快；防火防爆性能好；觸頭使用期限長，尤適宜于操作頻率高的場合。其缺點(diǎn)主要是截流能力過強(qiáng)，滅弧時易產(chǎn)生甚高的過電壓。目前，高低壓電器均發(fā)展了采用真空滅弧裝置的工業(yè)產(chǎn)品。第50頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一十二、無弧分?jǐn)鄬?shí)現(xiàn)無弧分?jǐn)嘁话阌袃煞N方法:一是在交變電流自然過零時分?jǐn)嚯娐?，同時以極快的速度使動靜觸頭分離到足以耐受恢復(fù)電壓的距離，使電弧甚弱或無從產(chǎn)生;二是給觸頭并聯(lián)晶閘管，并使之承擔(dān)電路的通斷，而觸頭僅在穩(wěn)態(tài)下工作。(一)同步開關(guān)圖2-23所示為帶壓縮空氣滅弧裝置的同步開關(guān)原理結(jié)構(gòu)。其設(shè)計(jì)原則是使開關(guān)在電流將自然過零時(如1ms)分?jǐn)啵⒓铀儆|頭運(yùn)動，使之在電流過零時已有一定間隙，滅弧就能在電流甚小、燃弧時間甚短弧隙介質(zhì)恢強(qiáng)度高的條件下進(jìn)行。第51頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一正常工作時，電容器C由充電電路充電。若運(yùn)行中發(fā)生短路，過流繼電器以觸頭閉合，接通飽和電流互感器TA的二次電路。當(dāng)一次電路(即待分?jǐn)嚯娐?電流甚大時，TA鐵心處于飽和狀態(tài)，其二次繞組幾乎無輸出;而當(dāng)電流自然減至一定值時，鐵心轉(zhuǎn)入非飽和狀態(tài)，二次繞組有輸出。于是，同步觸發(fā)裝置TS給出觸發(fā)脈沖，令晶閘管導(dǎo)通，而電容器C經(jīng)VS對靜止線圈放電。該線圈電流產(chǎn)生強(qiáng)大的磁通，使金屬盤出現(xiàn)感應(yīng)電流。它與線圈電流互相作用，產(chǎn)生軸向電動斥力F，使金屬盤連同動觸頭一起右移。同時，壓縮空氣亦吹向弧隙，使其介質(zhì)強(qiáng)度于電流過零后迅速恢復(fù)。這就實(shí)現(xiàn)了無弧分?jǐn)唷Ｍ椒謹(jǐn)嘟Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，故僅間或用于高壓電器。第52頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一(二)混合式開關(guān)以混合式交流接觸器為例，它有電壓觸發(fā)式和電流觸發(fā)式兩類(圖2-24)。就前者而論，在斷開狀態(tài)，由于繼電器觸頭KA是斷開的，雖然晶閘管VTI、VT2均有外施電壓，但是門極無觸發(fā)信號，故都是截止的;在運(yùn)行時，又因a、b兩點(diǎn)間的電壓是接觸器的主觸頭KM的電壓降，它小于晶閘管導(dǎo)通電壓，雖有門極觸發(fā)信號，晶閘管仍截止。但在接通過程中，先于KM閉合，故晶閘管先導(dǎo)通，主觸頭后閉合;而在分?jǐn)噙^程中，KA比KM后斷開，使晶閘管因被加上電源電壓而導(dǎo)通，并承擔(dān)全部負(fù)載。待KA分?jǐn)嗪?，晶閘管亦因無門極作用隨即即截止，切除負(fù)載。這樣，就基本上實(shí)現(xiàn)了無弧通斷。第53頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一第七節(jié)觸頭的接觸電阻如果將一段導(dǎo)體于截斷后再小心翼翼地對接好，則在測量其電阻時將發(fā)現(xiàn)一電阻增量，后者是因兩截導(dǎo)體接觸時產(chǎn)生的，故稱為接觸電阻，以Rj表示。

接觸電阻主要由束流電阻和膜層電阻兩部分。束流電阻：試驗(yàn)表明，導(dǎo)體接觸處的整個面積只是個視在面積，真正接觸著的是離散性的若于個被稱為a斑點(diǎn)的小點(diǎn)(圖2-25)。這種斑點(diǎn)的面積僅為視在接觸面的很小一部分。就是a斑點(diǎn)本身也只有一小部分是純金屬接觸區(qū)，其余部分是受污染的準(zhǔn)金屬接觸區(qū)和覆蓋著絕緣膜的不導(dǎo)電接觸區(qū)因此，實(shí)際的金屬導(dǎo)體接觸面非常小。第54頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一膜層電阻：接觸面暴露在大氣中會導(dǎo)致表面膜層的產(chǎn)生。它包含塵埃膜、化學(xué)吸附膜、無機(jī)膜和有機(jī)膜。膜層導(dǎo)致的電阻增量稱為膜層電阻。束流電阻和膜層電阻都很難用解析的辦法得到。一般計(jì)算接觸電阻Rj都采用以下經(jīng)驗(yàn)公式：式中Kc---觸頭材料、接觸面加工情況以及表面狀況有關(guān)的系數(shù)（表2-3）。Fj---接觸壓力;m---與接觸形式有關(guān)的指數(shù)(點(diǎn)接觸m=0.5、線接觸m=0.5~0.7、面接觸m=

1.0)。第55頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一影響接觸電阻的因素很多，其中主要是:(1)接觸形式

表面上看似乎面接觸的接觸電阻最小，但也不盡然。若接觸壓力不大，面接觸時a斑點(diǎn)多，每個斑點(diǎn)上的壓力反而很小，以致接觸電阻增大很多。因此，繼電器和小容量電器的觸頭普遍采用點(diǎn)-點(diǎn)及點(diǎn)-面接觸形式，大中容量電器觸頭才采用線和面接觸形式。表2-4中關(guān)于銅觸頭的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)便是實(shí)證。第56頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一(2)接觸壓力

它是確定接觸電阻的決定性因素。接觸面受壓后總有彈性及塑性形變，使接觸面積增大。壓力還能抑制表面膜層的影響。但從黃銅質(zhì)球-平面接觸觸頭通過20A電流時的試驗(yàn)結(jié)果來看(圖2-27)，接觸壓力越小，Rj越大，且分散性很大，可是過分增大接觸壓力也并不佳。弱電繼電器接觸壓力甚小，為使接觸電阻值壓力不得小于表2-5中的數(shù)值。第57頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一(3)表面狀況接觸面越粗糙，越易污染和氧化，Rj也越大。其后果不僅是發(fā)熱損耗增大，還會妨礙電路正常接通，特別是當(dāng)電壓和電流均甚小時。(4)材料性能影響Rj值的材料性能主要是電阻率和屈服點(diǎn)。屈服點(diǎn)越小，即材料越軟，越易發(fā)生塑性形變，Rj值也越小。第58頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一第八節(jié)閉合狀態(tài)下的觸頭觸頭閉合后，由于通過電流，其溫度將升高，并在動靜觸頭間產(chǎn)生電動斥力。這些現(xiàn)象均將影響觸頭的工作。一、觸頭的發(fā)熱觸頭的發(fā)熱與一般導(dǎo)體不同，它分本體發(fā)熱和觸點(diǎn)發(fā)熱兩部分。觸點(diǎn)處有接觸電阻，產(chǎn)生的熱量很大，同時其表面積很小，熱量只能通過熱傳導(dǎo)傳給觸頭本體。因此，觸點(diǎn)的溫度照例要比觸頭本體的高。觸點(diǎn)相對本體的溫升可按下式估算:

式中Uj接觸電壓降;I通過觸點(diǎn)的電流;λ、ρ觸頭材料的熱導(dǎo)率和電阻率。第59頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一金屬材料的λ值越大，ρ值就越小。任何金屬的λρ值大抵僅與絕對溫度T才有關(guān)，即

因此有：

考慮到觸頭本體的發(fā)熱和觸頭發(fā)熱的特殊性，觸點(diǎn)相對周圍介質(zhì)的溫升為：第60頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一二、接觸電阻與接觸電壓降觸頭接觸面溫度上升時，由于接觸電阻Rj增大，接觸電壓降Uj也會增大。反之亦然。但實(shí)驗(yàn)所得,“Ri-Ui”特性并非全然如此(圖2-28)。Rj由圖可見，當(dāng)Uj增大時，Rj開始是增大的，但當(dāng)Uj增大到Us時,觸點(diǎn)溫度已高達(dá)能令觸點(diǎn)金屬材料機(jī)械性質(zhì)發(fā)生變化---軟化的地步，故Us稱為軟化電壓。這時，在接觸壓力作用下，接觸面積增大，使Rj驟減。此后，Rj仍將隨Uj而逐漸增大，并于Uj增至Um時再度猛降,因?yàn)榇藭r接觸面積因溫度已達(dá)熔點(diǎn)而增大很多。電壓降Um稱為熔化電壓。軟化電壓和熔化電壓均為觸點(diǎn)材料的特性參數(shù)。對于繼電器觸頭，通常?。喝粢阎|點(diǎn)允許通過的電流I，則大體上可以求得觸點(diǎn)的允許接觸電阻：第61頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一

即使在穩(wěn)定工作狀態(tài)，觸頭的接觸電阻亦非恒值，而是隨時間不斷變化(圖2-29)。觸點(diǎn)表面受腐蝕性氣體作用產(chǎn)生的薄膜，其厚度是與時俱增的，故Ri也不斷增大。然而，隨著Ri增大，Uj也在增大，使能破壞薄膜的膜層電場強(qiáng)度和溫度同時在增大。及至它們增至一定值，薄膜就被破壞，Rj隨即驟降。在此之后，前述過程又重復(fù)著。倘者形成了夠堅(jiān)固的薄膜，Rj將增大到不能容許的地步。這時的觸頭溫升已足以危害電器的絕緣，故必須注意防止產(chǎn)生這樣的薄膜。形成薄膜的主要原因是金屬在大氣中的腐蝕----氧化。至于連接觸頭，為防止生成氧化膜，常于裝配前在接觸面上涂敷工業(yè)凡士林等防銹油脂以資保護(hù)，但裝配前應(yīng)將它拭凈，以免妨礙導(dǎo)電。近年來，在接觸面上已廣泛涂敷兼有隱降低接觸電阻和保護(hù)接觸面兩種作用的導(dǎo)電膏。第62頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一三、觸頭間的電動力

觸頭間的電動力相當(dāng)于變截面載流導(dǎo)體受到的電動力。當(dāng)導(dǎo)體截面變化時，電力線會彎曲，而電動力dF是與電力線垂直的，故它恒指向截面變大的一側(cè)(圖2-30)。短路時，巨大的電動力可能將觸點(diǎn)斥開。此電動力有二分量:徑向分量dFx和軸向分量dFy。前者是徑向壓力，后者是趨于在截面變化處將導(dǎo)體拉斷的電動收縮斥力。電接觸區(qū)的互相作用極其復(fù)雜，采用一般解析的方法計(jì)算結(jié)果只能是近似的。這里不做介紹。第63頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一第九節(jié)觸頭接通過程及其熔焊觸頭的接通過程常伴隨著機(jī)械振動，并因之在間隙內(nèi)產(chǎn)生電弧。由于接通時負(fù)載電流往往較大，故接通電弧危害有時頗嚴(yán)重，其中最危險的便是觸頭的熔焊。一、接通過程中的機(jī)械振動

接通時動觸頭以一定速度朝靜觸頭運(yùn)動，它們接觸時就發(fā)生了機(jī)械碰撞。結(jié)果，動觸頭被彈開，然后再朝靜觸頭運(yùn)動，多次重復(fù)發(fā)、碰撞。由于每碰撞一次都要損失部分能量，故振動幅度將逐漸減小(圖2-31）。除觸頭本身的碰撞外，電磁機(jī)構(gòu)中銜鐵與鐵心接觸時的撞擊以及短路電流通過觸頭時生的巨大的巨大電動斥力，均可能引起觸頭振動。第64頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一通過力學(xué)分析，得觸頭機(jī)械振動的最大幅度---第一次碰撞的反彈距離為：適當(dāng)減小動觸頭的質(zhì)量和運(yùn)動速度、增大觸頭初壓力，對減輕振動是有益的。但完全消除觸頭接通時的振動是不可能的，只要使xm小于或等于觸頭接觸面的形變，振動不致令動靜觸頭在碰撞時分離，振動也就無害了。第65頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一二、觸頭的熔焊

動靜觸頭因被加熱而熔化、以致焊在一起無法正常分開的現(xiàn)象稱為觸頭的熔焊。它有靜熔焊與之分。

靜熔焊：是連接觸頭或閉合狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換觸頭于通過大電流時、因熱效應(yīng)和正壓力的作用使a斑點(diǎn)及其鄰域內(nèi)的金屬熔化并焊為一體的現(xiàn)象，其發(fā)生過程一般無電弧產(chǎn)生;

動熔焊：

是轉(zhuǎn)換觸頭在接通過程中因電弧的高溫作用使接觸區(qū)局部熔化發(fā)生的熔焊現(xiàn)象。若觸頭接通過程伴隨有機(jī)械振動，由于電弧和金屬橋的出現(xiàn)，發(fā)生動熔焊的可能性更大。閉合狀態(tài)的轉(zhuǎn)換觸頭為短路電流產(chǎn)生的巨大電動力斥開時，同樣有可能發(fā)生動熔焊。第66頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一影響熔焊的因素主要有:(1)電參數(shù)它包括流過觸頭的電流、電路電壓和觸頭的電流產(chǎn)生的熱量。觸頭開始熔焊時的電流稱為最小熔焊電流Imin。，它與觸頭材料、接觸形式和壓力、通電時間等許多因素有關(guān)。此電流迄今尚無可信的計(jì)算公式，故通常是以實(shí)驗(yàn)方式確定。線路電壓對靜熔焊的影響仍是電流的影響，對動熔焊則表現(xiàn)為電壓越高越易燃弧，且電弧能量越大。電路參數(shù)的影響是指電感和電容的影響。接通電感性電路時，若負(fù)載無源，電感有抑制電流增長的作用;若負(fù)載有源，則因起動電流甚大而易發(fā)生熔焊。接通容性負(fù)載時，涌流的出現(xiàn)也易導(dǎo)致觸頭熔焊。(2)機(jī)械參數(shù)主要是接觸壓力，其增大可降低接觸電阻，提高抗熔焊能力。觸頭閉合速度也對熔焊有影響，速度大，易發(fā)生振動，因而也易發(fā)生熔焊。(3)表面狀況接觸面越粗糙，接觸電阻就越大，也越易發(fā)生熔焊。但接觸面的氧化膜雖對導(dǎo)電不利，但其分解溫度高，對提高抗熔焊能力卻是有利的。(4)材料影響熔焊的是材料品種、比熱容、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。粉末冶金材料的抗熔焊能力一般較強(qiáng)。當(dāng)動靜觸頭采用不同材料時，就靜熔焊而論，抗熔焊能力僅相對弱的一方有所提高;就動熔焊而論，不僅未必能提高抗熔焊能力，有時甚或會降低。第67頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一三、觸頭的冷焊

繼電器所用貴金屬觸頭當(dāng)接觸面上的氧化膜(它本來就不易生匙成)被破壞、因而純金屬接觸面擴(kuò)大時，因金屬受壓力作用致使連接處的原子或分子結(jié)合在一起的現(xiàn)象稱為冷焊。它一旦發(fā)生就很難處理，因?yàn)榻饘匍g的內(nèi)聚力往往非微小的接觸壓力所能克服，況且弱電觸頭又暫密封于外殼內(nèi)，很難以其他手段使之分離。目前，為防止發(fā)生冷焊，一般是通過實(shí)驗(yàn)、在觸頭及其鍍層材料的選擇方面采取適當(dāng)?shù)拇胧?。?8頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一第十節(jié)觸頭分?jǐn)噙^程與其電侵蝕觸頭接通過程中雖伴隨著電火花或電弧的產(chǎn)生，但只要振動是無害的，而且是在非故障狀態(tài)下閉合，電弧對觸頭危害就很小。分?jǐn)噙^程則不然，因?yàn)樗鼩v時較長，在此期間由于金屬在觸頭間的轉(zhuǎn)移和液態(tài)金屬的濺射以及金屬蒸氣的擴(kuò)散將使觸點(diǎn)材料有明顯的損失。結(jié)果是觸頭和整個電器的使用期限都縮短了。觸頭材料在工作過程中的損失稱為侵蝕，按產(chǎn)生原因區(qū)分有機(jī)械的、化學(xué)的和電的三種。機(jī)械侵蝕由觸頭在通斷過程中的機(jī)械摩擦引起，化學(xué)腐蝕由觸頭表面的氧化膜破碎所致，這些侵蝕量都不大，一般不作考慮。電侵蝕是觸頭通斷過程中因電火花和電弧而產(chǎn)生的，它是觸頭損壞的主要原因。本節(jié)要討論的就是電侵蝕第69頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一一、電侵蝕的類型

電侵蝕有兩種類型:橋蝕與弧蝕。橋蝕：如前所述，若分?jǐn)嚯娏髯銐虼螅詈蠓謹(jǐn)帱c(diǎn)的電流密度可高達(dá)(107~1012)A/m2。于是，該點(diǎn)及其附近的觸頭表面金屬材料將熔化，并在動觸頭繼續(xù)分離時形成液態(tài)金屬橋。當(dāng)動靜觸頭相隔到一定程度時，金屬橋就斷裂。由于其溫度最高點(diǎn)偏于陽極一側(cè)，故斷裂亦發(fā)生在近陽極處。這就使陽極表面因金屬向陰極轉(zhuǎn)移而出現(xiàn)凹陷，陰極表面出現(xiàn)針狀凸起物，結(jié)果陽極遭到電蝕。液態(tài)金屬橋斷裂以致材料自一極向另一極轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象稱為橋蝕或橋轉(zhuǎn)移。觸頭每分?jǐn)嘁淮味汲霈F(xiàn)一次橋蝕只是轉(zhuǎn)移的金屬量甚小而已。第70頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一弧蝕

液態(tài)金屬橋斷裂并形成觸頭間隙后，若觸頭工作電流不大，間隙內(nèi)將發(fā)生火花放電。這是電壓較高而功率卻較小時特有的一種物理過程。較高的電壓使觸頭間隙最薄弱處可能為強(qiáng)電場所擊穿，較小的功率則使間隙內(nèi)幾乎不可能發(fā)生熱電離，終于只能形成火花放電。火花放電電流產(chǎn)生的電壓降可能使觸頭兩端的電壓下降到不足以維持氣體放電所需強(qiáng)電場，以致放電中止。此后氣體又會因電壓上升再度被擊穿，重新發(fā)生火花放電。因此，火花放電呈間歇性，而且很不穩(wěn)定?；鸹ǚ烹姇r是陰極向陽極發(fā)射電子，故將有部分觸頭金屬材料自陰極轉(zhuǎn)移到陽極，也即陰極遭受電蝕。若液態(tài)金屬橋斷裂時觸頭工作電流較大，就會產(chǎn)生電弧。它是穩(wěn)定氣體放電過程的產(chǎn)物。電弧弧柱為等離子體，其中正離子聚集于陰極附近成為密集的正空間電荷層，使該處出現(xiàn)很強(qiáng)的電場。質(zhì)量較大的正離子為電場加速后轟擊陰極表面，使之凹陷，而相應(yīng)地陽極表面則出現(xiàn)凸起物。換言之，即陰極材料轉(zhuǎn)移到了陽極，形成陰極電蝕。與此同時，在電弧高溫作用下陰極和陽極表面的金屬均將局部熔化和蒸發(fā)，并在電場力作用下濺射和擴(kuò)散到周圍空間，使材料遭受凈侵蝕。不論火花放電抑或電弧放電，均使觸頭材料逐漸耗損，這就是弧蝕。第71頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一二、小電流下的觸頭電侵蝕

小電流下的觸頭電侵蝕主要表現(xiàn)為橋蝕和火花放電性質(zhì)的弧蝕，因?yàn)楫a(chǎn)生電弧需要一定的電壓和電流。

據(jù)實(shí)驗(yàn)，橋蝕中陽極材料的侵蝕程度可按下式計(jì)算：火花放電時觸頭的侵蝕量為：為降低火花放電導(dǎo)致的電侵蝕，通常是采用滅火花電路。第72頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一三、大電流下的觸頭電侵蝕

大電流時，觸頭材料的電侵蝕主要表現(xiàn)為弧蝕。觸頭在一次分?jǐn)嘀斜磺治g的程度決定于電弧電流、電弧在觸頭表面上的移動速度和燃燒時間、觸頭的結(jié)構(gòu)形式等，它也與操作頻率有關(guān)。在電流較大而操作頻率不高時，觸頭的電侵蝕量與分?jǐn)啻螖?shù)通常呈線性關(guān)系。此外，觸頭電侵蝕量還與磁吹磁場有關(guān)，如果電流不是太大(在數(shù)百A以內(nèi))。當(dāng)磁吹磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B值較小時，電弧在觸頭表面移動的速度是隨它一起增大的，故侵蝕量會減小，并在某一B值時達(dá)到最小。此后，當(dāng)B值增大時，侵蝕量先是增大，然后趨于一穩(wěn)定值。因?yàn)樵趶?qiáng)磁場中會出現(xiàn)液態(tài)金屬從觸頭向外噴濺的現(xiàn)象，而當(dāng)磁場較弱時，液態(tài)金屬還能重新凝固并殘留在觸頭表面上。第73頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一四、電侵蝕與觸頭的使用期限和超程觸頭的接通和分?jǐn)噙^程都伴隨著其材料的侵蝕，其中以電侵蝕最為嚴(yán)重。影響電侵蝕量的因素很多，現(xiàn)象和規(guī)律又十分復(fù)雜，涉及到的學(xué)科也非常多，所以迄今尚未能就此建立能夠令人滿意的數(shù)學(xué)模型。電侵蝕直接影響到觸頭的使用期限，因?yàn)楫?dāng)觸頭材料耗損到一定程度后，它本身乃至整個電器都無法繼續(xù)正常工作。

這時，即可認(rèn)為觸頭的使用期限已告終結(jié)，而不必待到觸頭材料耗損殆盡。觸頭的電侵蝕并不是均勻的，若電弧很少在其表面移動、觸頭表面損傷過甚以致接觸電阻猛增、復(fù)合材料中某一組分喪失導(dǎo)致材料性能劣化等，均將使觸頭提前失效。

為保證觸頭在其規(guī)定使用期限內(nèi)能正常運(yùn)行，必須設(shè)有能夠補(bǔ)償其電侵蝕的超程。電器觸頭的超程值主要決定于其允許的最大侵蝕量。銅質(zhì)觸頭常取超程值為一個觸頭的厚度。銀或銀合金觸點(diǎn)的觸頭則取超程值為兩觸頭總厚度的75%左右。當(dāng)然，超程值的選取最終還要視具體運(yùn)行或試驗(yàn)情況而定。第74頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一第十一節(jié)栓接連接觸頭與接觸導(dǎo)電膏栓接連接觸頭在電氣工程中點(diǎn)有非常重要的地位。發(fā)電廠和變電所的高低壓屏柜、工礦企業(yè)中的各種生產(chǎn)設(shè)備的控制屏，均普遍應(yīng)用母線連接電源和電器。此外，大容量高低壓電器彼此間亦普遍用母線連接。這類連接觸頭雖不乏以焊、鉚方式連釘或螺栓連接的可卸式連接觸頭(栓接觸頭)。一、母線在運(yùn)行中的行為母線常以高電導(dǎo)率的銅質(zhì)或鋁質(zhì)型材制造。鋁材以其經(jīng)濟(jì)電導(dǎo)率(電導(dǎo)率與質(zhì)量之比)為銅材的二倍，兼之資源豐富，且在大多數(shù)場合對大氣和化學(xué)作用頗為穩(wěn)定，應(yīng)用尤為廣泛。不論銅母線還是鋁母線，搭接面的氧化膜都極為有害。和純銅比較，銅的氧化膜的電阻率大了十幾個數(shù)量級(，即使膜層再薄，電阻也高達(dá)I0ΩM以上。鋁氧化膜的電阻率更高達(dá)I010ΩM。更嚴(yán)重的是這類氧化膜很難以電或熱的方式破除，只能借機(jī)械摩擦破除，而母線搭接卻是相對靜止的。因此，氧化膜對銅鋁母線搭接的導(dǎo)電構(gòu)成了很大威脅。第75頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一銅鋁母線的氧化還會因其氧化膜層的破碎和脫落造成材料損失、即化學(xué)腐蝕。其年腐蝕率與周圍環(huán)境有很大關(guān)系，凡高溫高濕處、有鹽霧處及含大量有害工業(yè)氣體處，腐蝕就嚴(yán)重得多。電化學(xué)腐蝕對母線搭接面也很有害。搭接區(qū)縫隙內(nèi)常吸附有水蒸氣、氯化氫、二氧化硫和二氧化碳等氣體，它們能生成導(dǎo)電的酸性電解液。當(dāng)兩種不同金屬導(dǎo)體相接觸或含雜質(zhì)金屬的同一種金屬導(dǎo)體相接觸時只要被酸性電解液所浸濕，就將形成原電池，使橋準(zhǔn)電位低的金屬遭到腐蝕?；瘜W(xué)和電化學(xué)腐蝕除造成材料侵蝕外，更嚴(yán)重的是使接觸面狀況劣化、接觸電阻劇增，溫度驟升，最終破壞了電接觸連接。栓接母線緊固后，其內(nèi)部將產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。在一定的溫度下，當(dāng)應(yīng)力超過某一限度:即使外力不再增大，材料的塑性形變?nèi)詫⒕徛卦龃?，即蠕變現(xiàn)象。抵抗蠕變的強(qiáng)度稱為蠕變極限，它會隨溫度上升而銳減。載流情況下整個母線為一熱源，搭接部分以含大的接觸電阻而發(fā)熱尤為嚴(yán)重。高溫搭接段在緊固螺栓壓力作用下將因蠕變極限銳減發(fā)生金屬流動，使母線變薄，栓接松弛。于是，接觸壓力減小，接觸電阻增大，溫度繼續(xù)上升，蠕變更加嚴(yán)重，終于出現(xiàn)了惡性循環(huán)。結(jié)果在搭接區(qū)可能發(fā)生電弧放電，燒壞接觸面。對此，往往未引起人們注意。第76頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一二、母線搭接區(qū)的處理為改善母線搭接區(qū)的接觸狀況，防止金屬材料發(fā)生化學(xué)及電化學(xué)腐蝕，可采取接觸面壓花，間隙填銅屑、包封搭接區(qū)、接觸面搪錫等措施，但用得最多的還是掩錫。雖然錫的電阻率和熱導(dǎo)率仍及銅的1/7~1/6，但它較軟，在相同的接觸壓力下a斑點(diǎn)數(shù)量和半徑均較大，故搪錫可減小接觸電阻、降低溫升和能耗，削弱蠕變危害的程度。搪錫還有助于降低化學(xué)及電化學(xué)腐蝕，并避免母線在帶有導(dǎo)電性極差的氧化膜的情況下接觸。然而，這些措施或需復(fù)雜的工藝裝備，以致成本高、工作條件差、適用性不強(qiáng);或?qū)瘜W(xué)和電化學(xué)腐蝕的防護(hù)性差等等。因此，近年來已越來越廣泛采用接觸導(dǎo)電膏了。第77頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一三、接觸導(dǎo)電膏及其作用機(jī)理和效果

接觸導(dǎo)電膏是含導(dǎo)電填料和膠粘劑的具有流動性的糊狀導(dǎo)電涂料。它體現(xiàn)了去除氧化膜及其他膜層、密封保護(hù)以防腐蝕和使原有間隙成為隧道效應(yīng)導(dǎo)電通道等三位一體的思想，從而最大限度地減小了接觸電阻、能耗和溫升，并使它們在長期運(yùn)行中保持穩(wěn)定，最終全面地改善了接觸連接的工作特性。接觸導(dǎo)電膏的作用機(jī)理是:(1)除膜作用導(dǎo)電填料為金屬粉末，它不僅能導(dǎo)電，更重要的是在涂敷過程和以螺栓緊固時自a斑點(diǎn)被擠出的過程中，通過機(jī)械研磨作用在甚大程度上破碎并清除金屬表面的各種膜層，使a斑點(diǎn)基本上呈純金屬接觸狀態(tài)。(2)密封作用涂敷導(dǎo)電膏后，搭接段兩接觸面間的全部間隙遂為之所填補(bǔ)，氧氣、水蒸氣和腐蝕性氣體均無從侵入，故接觸面不會因被腐蝕而生成任何膜層。第78頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一(3)隧道效應(yīng)導(dǎo)電作用涂敷導(dǎo)電膏后，一則破除a斑點(diǎn)上的各種膜層，并防止了其重新氧化，使僅有的微小的金屬接觸面得到充分利用;再則盡管導(dǎo)電膏本身電導(dǎo)率不高，但它們填補(bǔ)全部搭接面間空隙后，，可在其中形成許多基于隧道效應(yīng)的導(dǎo)電通道，從而很大程度上擴(kuò)大了實(shí)際接觸面。涂敷導(dǎo)電膏的優(yōu)點(diǎn)除直接體現(xiàn)在因接觸狀況明顯改善而收到減小接觸電阻和節(jié)能降溫的效果外，又因可提高運(yùn)行可靠性而減少維修次數(shù)和費(fèi)用及降低停電檢修帶來的損失。況且導(dǎo)電膏還具有無毒、無臭、無污染、耐腐蝕、抗寒(可在-40度時運(yùn)行)、耐高溫(滴點(diǎn)溫度>70度)、不氧化、不長霉、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，涂敷工藝又十分簡便易行，適用性強(qiáng)(能適應(yīng)野外作業(yè))，價格低廉，故極宜推廣應(yīng)用。第79頁，共87頁，2023年，2月20日，星期一第十二節(jié)觸頭材料對觸頭材料通常有下列要求:具有低的電阻率和低的電阻溫度系數(shù);具有高的最小燃弧抗化學(xué)腐蝕能力;具有適當(dāng)?shù)挠捕群土己玫墓に囆阅?。觸頭材料