电器学第二章-电接触与电弧理论---2013.ppt

电器学湖南大学 任何电工装置皆由彼此间以任意方式联系着任何电工装置皆由彼此间以任意方式联系着的单元构成，其中赖以保证电流流通的导体间的的单元构成，其中赖以保证电流流通的导体间的联系称为联系称为电接触电接触 通过互相接触以实现导电的具体物件称为通过互相接触以实现导电的具体物件称为电触头( (简称触头简称触头) ) ，它是接触时接通电路、操作，它是接触时接通电路、操作时因其相对运动而断开或闭合电路的两个或两个时因其相对运动而断开或闭合电路的两个或两个以上的导体。以上的导体。第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第一节电接触与触头一、触头的分类 (一一)连接触头连接触头 连接触头是以机械方式:焊接焊接、铆接铆接和栓接栓接来连接电路的不同环节，使电流得以自一环节流向另一环节。这种触头在工作过程中无相对运动，永无相对运动，永远闭合远闭合。连接触头除栓接式为可卸式外，其余为不可卸式。第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第一节电接触与触头 是在其所在装置的使用期限内，应能完整无损地长期通过正常工作电流正常工作电流和短时通过规定的故障电流故障电流。为此，它的电阻应当不大而且稳定。这就要求它能耐受周围介质的作用，又能耐受温度变化引起的形变形变和通过短路电流时所产生的电动力。第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第一节电接触与触头二、换接触头换接触头 (二)换接触头换接触头 换接触头是电器中用以接通、分断、转换电路的执行部件，并且总是以动触头和静触头的形式成对地出现。它具有多种形式，诸如楔形触头、刷形触头、指形触头、桥式触头和瓣式触头等。第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第一节电接触与触头 是电阻小而稳定，并且耐电弧、抗熔焊和电侵蚀。有触点电器的故障很大一部分是触头工作不良所致，且后果严重。第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第一节电接触与触头触头的工作状态触头的工作状态a.a.闭合状态闭合状态 主要任务是保证能通过规定的电流主要任务是保证能通过规定的电流,且触且触头温升不超过允许值，主要问题是触头的发头温升不超过允许值，主要问题是触头的发热及热和电动稳定性。热及热和电动稳定性。b.b.闭合过程闭合过程 触头在闭合过程中会因碰撞而产生机械触头在闭合过程中会因碰撞而产生机械振动，主要问题是减小机械振动，从而减小振动，主要问题是减小机械振动，从而减小触头的磨损，避免触头熔焊。触头的磨损，避免触头熔焊。 第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第一节电接触与触头c. 断开状态断开状态d.d.开断过程开断过程 触头处于断开状态时，必须有足够的开距，触头处于断开状态时，必须有足够的开距，以保证可靠地熄灭电弧和开断电路。以保证可靠地熄灭电弧和开断电路。 触头开断过程是触头最繁重的工作过程。触头开断过程是触头最繁重的工作过程。当触头开断电路时，一般会在触头间产生电当触头开断电路时，一般会在触头间产生电弧，主要问题是熄灭电弧，减小由电弧而产弧，主要问题是熄灭电弧，减小由电弧而产生的触头电磨损。生的触头电磨损。第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第一节电接触与触头触头的主要参数触头的主要参数a.a.触头的开距触头的开距s s 触头处于断开位置时，动、静触头处于断开位置时，动、静触头之间的最小距离。触头之间的最小距离。安全绝缘间隔。安全绝缘间隔。b.b.触头的超程触头的超程r r 触头完全闭合后，如果将静触触头完全闭合后，如果将静触头移开，动触头在触头弹簧的作头移开，动触头在触头弹簧的作用下继续前移的距离。用下继续前移的距离。保证触头经磨保证触头经磨损至电寿命终结之前，仍能可靠接触所必需的结损至电寿命终结之前，仍能可靠接触所必需的结构措施。构措施。第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第一节电接触与触头c.c.触头的初压力触头的初压力 动触头刚与静触头接触时所具有的一定动触头刚与静触头接触时所具有的一定的互压力。的互压力。降低触头闭合过程中的弹跳现象。降低触头闭合过程中的弹跳现象。 动、静触头闭合终了时，触头间的接触动、静触头闭合终了时，触头间的接触压力。压力。保证触头在闭合状态接触电阻小而稳定。保证触头在闭合状态接触电阻小而稳定。d.d.触头的终压力触头的终压力第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第一节电接触与触头一、载流电路的开断过程一、载流电路的开断过程1.动静触头的接触原本是许多个点在接触，而接触压力一般是由弹簧产生的。由于超程的存在，触头开始分断时，电路并没开断，仅仅是动触头朝着与静触头分离的方向运动。这时，超程和接触压力都超程和接触压力都逐渐减小，接触点也减少。及至极限状态、即仅剩一个点接触时，逐渐减小，接触点也减少。及至极限状态、即仅剩一个点接触时，接触面积减至最小，电流密度非常巨大，故电阻和温升剧增。以致接触面积减至最小，电流密度非常巨大，故电阻和温升剧增。以致触头虽仍闭合，但接触处的金属已处于熔融状态。触头虽仍闭合，但接触处的金属已处于熔融状态。2.此后，动触头继续运动，终于脱离，但动静触头间并未形成间隙，而由熔融的液态金属桥所维系着。液态金属的电阻率远大于固体金属的，故金属桥内热量高度集中，使其温度达到材料的沸点，并随即发生爆炸形式的金属桥断裂过程，触头间隙也形成了。3. 金属桥刚断裂时，间隙内充满着空气或其他介质及金属蒸气，它们均具有绝缘性质。于是，电流被瞬时截断，并产生过电压，将介质和金属蒸气击穿，使电流以火花放电乃至电弧的形式重新在间隙中流通。4.随着动触头不断离开静触头以及各种熄弧因素作用，电弧终将转化为非自持放电并最终熄灭，使整个触头间隙成为绝缘体，触头分断过程亦告终结至此，触头已处于断开状态。第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第二节电弧及其产生过程第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第二节电弧及其产生过程二.电弧的形成过程在两触头分离时，的电压、0.25的电流即可形成高温电弧。（一）气体的电离（一）气体的电离电离形式表面发射场所：金属电极表面种类：热发射、场致发射、光发射、二次发射等四种形式空间电离场所：触头间隙内种类：光电离、热电离、碰撞电离等三种形式1. 1. 表面发射表面发射：指由金属表面发射电子的现象；：指由金属表面发射电子的现象； 它包括了热发射、高电场发射、光发射和二它包括了热发射、高电场发射、光发射和二次发射。次发射。 热发射热发射：在：在200020002500K2500K范围内，金属表范围内，金属表面自由电子获得足够的动能，超越金属表面晶格电面自由电子获得足够的动能，超越金属表面晶格电场造成的势垒而逸出的现象。场造成的势垒而逸出的现象。 逸出功：记为逸出功：记为ycyc，是指一个电子逸出金属所是指一个电子逸出金属所需的最低能量，单位为需的最低能量，单位为eVeV。 高电压发射高电压发射：也叫场致发射，是常温下当金：也叫场致发射，是常温下当金属表面的电场强度属表面的电场强度10106 6(v/cm)(v/cm)时，自由电子逸出金属时，自由电子逸出金属的现象。的现象。 2. 2. 空间电离空间电离：是指电极间气体受外力影响，其分子：是指电极间气体受外力影响，其分子及原子分裂成自由电子和正离子的现象。及原子分裂成自由电子和正离子的现象。 空间电离的方式有空间电离的方式有光电离光电离、碰撞（电场）电离碰撞（电场）电离和和热电离热电离；它们可能同时存在。；它们可能同时存在。 热电离热电离：当气体温度在：当气体温度在300030004000K4000K以上时，气以上时，气体粒子因高速热运动而互相碰撞所产生的电离。体粒子因高速热运动而互相碰撞所产生的电离。 气体的热电离度可用沙哈公式计算：气体的热电离度可用沙哈公式计算：58001.2521.5510133ylWTTeP式中，式中，P P是压力（是压力（PaPa），），T T是气体温度是气体温度(K)(K)，W Wylyl是中性粒子的是中性粒子的电离能电离能(J)(J)。气体中混有金属蒸汽时，其电离度要比纯气体的高，即电气体中混有金属蒸汽时，其电离度要比纯气体的高，即电导率要大。导率要大。（二）消电离及其方式：（二）消电离及其方式：1. 1. 消电离消电离：也叫去游离；是指电离气体中的带电粒：也叫去游离；是指电离气体中的带电粒子自身消失或者失去电荷变为中性粒子的现象。子自身消失或者失去电荷变为中性粒子的现象。2. 2. 消电离方式：包括消电离方式：包括复合复合与与扩散扩散。 复合：两个带异性电荷的粒子相遇后，相互作用复合：两个带异性电荷的粒子相遇后，相互作用引起电荷消失，形成中性粒子的现象。具体有以下两引起电荷消失，形成中性粒子的现象。具体有以下两种方式：种方式： a. a. 表面复合表面复合：有四种方式。此时，释放的能量：有四种方式。此时，释放的能量多用以加热电极、金属或绝缘材料的表面。多用以加热电极、金属或绝缘材料的表面。 图图3-2 3-2 在金属表面的复合过程在金属表面的复合过程a) a) 正离子和电子复合成一个中性粒子正离子和电子复合成一个中性粒子b) b) 正离子和负离子复合成两个中性粒子正离子和负离子复合成两个中性粒子 b. b. 空间复合：有直接复合和间接复合空间复合：有直接复合和间接复合( (电子粘在中性粒电子粘在中性粒子上，子上， 再与正离子相遇复合成为两个中性粒子再与正离子相遇复合成为两个中性粒子) )。 对空间复合而言，促使空间复合的决定因素是冷却，因对空间复合而言，促使空间复合的决定因素是冷却，因为冷却促使带电粒子运动速度减小。为冷却促使带电粒子运动速度减小。 复合概率：气体性质及纯度复合概率：气体性质及纯度惰性气体、氢气、氮气等不会复合惰性气体、氢气、氮气等不会复合SF6SF6等等极强的俘获电子的能力极强的俘获电子的能力第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第二节电弧及其产生过程气体放电过程在两极之间施加电压，当逐渐增大电压U至一定值时，便发生了间隙内的气体放电现象。OC段非自持放电阶段在此阶段，若无外界催离素的作用，间隙内就没有自由电子，放电亦将终止。C点以后自持放电阶段在此阶段，场致发射及二次电子发射的电子已甚多，以致除去外界电离因素后仍可借空间的碰撞电离维持放电。(三)电弧的外观与本质图25AanodeCcathode阴极斑点温度极高（气化温度）、电流密度极高在自身磁场作用下运动阳极斑点近阴极区、近阳极区两极区的电压降与电流无关，20V弧柱其内部气体全部电离等离子区：正负带电粒子电量相等电场强度近乎恒值图25电弧本质自持放电的一种形式P41第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第三节电弧的特性和方程一.电弧的电压方程四、电弧的能量平衡电弧功率计算电弧电压公式25电弧功率公式26短弧：U0占主导地位金属件散热长弧：UA占主导地位弧柱散热电弧的动态热平衡方程式27电弧的熄灭取决于PA和Pd灭弧指导AcapUUUU0AAAAAPU IU IElIAAddQPPdt 在电弧长度维持不变的情况下，对应每一个直流电流Ih，当电弧中的发热和散热过程达到平衡后，弧隙两端都会有一个与之对应的电压Uh，则称Uh与Ih的关系为直流电弧的静态伏安特性。 二二.直流电弧的伏安特性直流电弧的伏安特性负阻特性：负阻特性：电流增大，而电弧电压降低电流增大，而电弧电压降低增大的电流使热电离加剧，离子浓度增大，维持增大的电流使热电离加剧，离子浓度增大，维持稳定燃弧所需电压降低稳定燃弧所需电压降低式中 U0：是电弧近极压降，V； L：电弧长度，cm； n和c：常数，n0.25； Ih：电弧电流，； 曲线1是在弧长不变的条件下逐渐增大电流测得的。 由于电弧本身的热惯性，电弧电阻的增大总是滞后于电流的变化。当电流减至I2时，电弧电阻大抵仍停留在I1时的水平上。 极限情况下，即电流减小速度为无穷大，电弧电阻来不及变化，伏安特性即为曲线3。电流减小时伏安特性与纵轴相交处的电压Ue极为熄弧电压。2原因：弧柱的温度和直径具有热惯性原因：弧柱的温度和直径具有热惯性，具体为：123(),hhhhhhhhhhIRI RIRI RdIITdt hhhhh、 快速 ， 来不及减小，则U新稳态时的U 值；、 快速 ， 来不及增大，则U新稳态时的U 值；、变化期间，弧柱的 、直径保持不变，R 也不变，为直线。定义定义：如下后图所示，是指一个周期内h与h关系曲线，用uh-ih表示。 三.交流电弧的伏安特性和时间特性第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第四节直流电弧及其熄灭直流电弧的稳定燃烧点：也叫直流电弧的稳定燃烧点：也叫“工作点工作点”，它应满足：，它应满足：EIRUh； 二、直流电弧的燃烧与熄灭（续二、直流电弧的燃烧与熄灭（续4 4）增大纵向触头间隙法向拉长电弧借使弧斑上移拉长电弧利用金属栅片(n片)将电弧分割成系列短弧（2）增大近极区电压降Uh=（n+1）U0+El这比无栅片时增大了nU0，所以也能起到使电弧伏安特性上移的作用。增大气体介质的压强增大电弧与介质间的相对运动速度使电弧与温度较低的绝缘材料紧密接触以加速弧柱冷却采用如六氟化硫 SF6气体等具有强烈消电离作用的特殊灭弧介质采用真空灭弧室（3）增大弧柱电场强度Uh=U0+El交流电弧的熄灭条件:电流过零后，弧隙介质恢复强度在任何时刻始终高于弧隙上的恢复电压。第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第五节交流电弧及其熄灭一一.弧隙介质恢复过程弧隙介质恢复过程第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第五节交流电弧及其熄灭 倘若在灭弧室内设若干金属栅片，将进入灭弧室内的电弧截割成许多段串联的短弧，则电流过零后每一短弧的近阴极区均将立即出现150-250V的介质强度(。当它们的总和大于电网电压(包括过电压)时，电弧便熄灭。 出现于近阴极区的这种现象称为近阴极效应，综合利用截割电弧和近阴极效应灭弧的方法称为短弧灭弧原理，它广泛用于低压交流开关电器。一般来说，电弧的熄灭过程要经历两个阶段：热击穿电击穿弧柱的介质恢复过程，对交流长弧的熄灭具有很重要的意义，因为它是几乎所有高压开关电器和部分低压开关电器设计的理论基础。.弧柱区的介质恢复强度 在电流前半周结束和下半周结束时电弧中电流一般并不按照正弦波变化而是按照另外一个规律变化，即电流等于电弧电压与电弧电阻的比值。在电流自然过零前的一小段时间内，电流被电弧电阻限制得很小实际上等于零。同样。在下一个半周开始时也是如此。虽则电弧电流在事实上仅在某一瞬间过零点，但在电流自然过零前后整个一小段时间内，电流近似等于零，而整个这段时间就称为电流的零休时间。零休时间 热击穿 由于热惯性的影响，零休期间电弧电阻Rh并非无穷大，故电源仍向弧隙输送能量。当电源输送能量小于电弧散出的能量时，孤隙内温度降低，消电离作用增强，弧隙电阻不断增大，直至无穷大，也即弧隙变成了具有一定强度的介质，电孤也将熄灭。反之，若弧隙取自电源的能量大于其散出的能量， Rh将迅速减小，剩余电流不断增大，使电弧重新燃烧。这就是所谓热击穿。 电击穿 热击穿存在与否还不是交流电弧是否能熄灭的唯一条件。 当弧隙两端的电压足够高时，仍可能将孤隙内的高温气体击穿，重新燃弧，这种现象称为电击穿。第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第五节交流电弧及其熄灭二.弧隙电压恢复过程第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第五节交流电弧及其熄灭三.交流电弧的熄灭交流电弧在零休期间是最好的灭弧时机。在此阶段电弧能量最小。截流：电流自然过零前截断。产生较高的过电压。除非有特殊要求，交流开关电器多采用灭弧强度不过强的灭弧装置，使电弧在零休期间、而且是在电流首次自然过零时熄灭。 电弧燃烧共约3个半波，i1、i2、i3分别表示这三个半波的电弧电流ih，而t1、t2、t3分别表示三个电流半波的过零时刻，1、2、3分别表示i1、i2和i3过零之后落后于电源电压u过零之后的相角。 触头分开前，uh为零。触头分开后，在第一个电流半波，lh很短，弧隙上的电压uh0，故电流波形基本不变，ujf也较小。在t1时刻，ih第一次过零，因ujf不大，当弧隙上uhf上升到Urh时，弧隙发生重燃，电流继续流通。 第二个电流半波，ih和uh较前增大，故ih幅值减小，过零附近波形有些畸变，u与ih的相位差角为2，ujf也较前增大。在t2时刻ih第二次过零，因ujf仍不够高，故uhf上升到Urh”时，电弧又发生重燃，ih又继续流通； 第三个电流半波，lh和uh继续增大，故ih幅值又减小，过零附近波形畸变更剧烈，ujf继续增高。t3时刻ih第三次过零。因uhf在较低的工频恢复电压瞬时值作用下上升，呈振荡性且有剩余电流is通过，但因实际ujf总是大于实际的uhf数值，电弧不再重燃，电路终被开断。 第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第六节灭弧装置一.灭火花电路用于保护直流继电器的触头系统，降低其电侵蚀、提高其分断能力，进而保证其安全可靠运行。火花产生的原理火花产生的原理原因原因：当触点断开时，由于：当触点断开时，由于电路存在着电感电路存在着电感，而使触点，而使触点间产生过电压，则触点间隙被击穿而产生火花放电。间产生过电压，则触点间隙被击穿而产生火花放电。现象现象：火花放电是由于触点间隙被击穿而引起的忽通忽：火花放电是由于触点间隙被击穿而引起的忽通忽断的不稳定的放电现象。断的不稳定的放电现象。原理原理：触点断开时由于电路中存在着电感，而：触点断开时由于电路中存在着电感，而动静触点动静触点相当于电容的两个极板相当于电容的两个极板，所以当触点断开时，储藏在，所以当触点断开时，储藏在电感内的能量要释放出来，而对动静触点充电。电感内的能量要释放出来，而对动静触点充电。特点特点：随着触点间距不断增大，击穿电压需要更高，所：随着触点间距不断增大，击穿电压需要更高，所以火花放电以火花放电越来越微弱越来越微弱到最后熄灭。到最后熄灭。危害危害：火花放电会使触点产生电气磨损，并且会产生高：火花放电会使触点产生电气磨损，并且会产生高频信号，严重频信号，严重干扰无线电通讯干扰无线电通讯，必须设法消除。，必须设法消除。火花放电的熄灭原理及灭火花电火花放电的熄灭原理及灭火花电路路设置附加电路，将电感中的能量消耗掉，设置附加电路，将电感中的能量消耗掉，就可以使电路不形成火花放电现象，或就可以使电路不形成火花放电现象，或降低触点间过电压，缩短放电时间。降低触点间过电压，缩短放电时间。灭火花电路一般用于直流继电器中。因为灭火花电路一般用于直流继电器中。因为继电器的控制对象大都是电感性负载，继电器的控制对象大都是电感性负载，所以需要设置灭火花电路。所以需要设置灭火花电路。熄灭火花的两种途径熄灭火花的两种途径一种是一种是给负载电感线圈提供一条释放能量的通给负载电感线圈提供一条释放能量的通道道，当触点断开时，电感的能量可以通过辅，当触点断开时，电感的能量可以通过辅助通道释放掉，如图助通道释放掉，如图(a)(a)、(c)(c)及及(d)(d)；图图(d)(d)采用稳压二极板，是为了缩短电感放电时间，采用稳压二极板，是为了缩短电感放电时间，提高提高di/dtdi/dt，而且又能保证触点不被击穿产生火，而且又能保证触点不被击穿产生火花放电。花放电。熄灭火花的两种途径熄灭火花的两种途径另一种途径是另一种途径是限制触点限制触点断开时的电压断开时的电压图图(b)(b)，其电容两端的，其电容两端的电压不能突变，当触点电压不能突变，当触点断开时，加于触点两端断开时，加于触点两端的电压很小，当电容两的电压很小，当电容两极板电压升高之后，触极板电压升高之后，触点已断开一定的距离。点已断开一定的距离。二、简单灭弧 在大气中开触头拉长电弧使熄灭。借机械力或电弧电流在大气中开触头拉长电弧使熄灭。借机械力或电弧电流本身产生的电动力拉长电弧（本身产生的电动力拉长电弧（l增大），并使之在运动中增大），并使之在运动中不断与新鲜空气接触而冷却（不断与新鲜空气接触而冷却（E增大增大、介质恢复），从而介质恢复），从而UA增大，大于增大，大于u- -iR时，电弧熄灭。时，电弧熄灭。（多用于低压电器中的刀开关和直动式交流接触器）（多用于低压电器中的刀开关和直动式交流接触器）130 除依靠触头分开拉长电弧以外，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。前者沿电弧的轴向(亦称切向)拉长电弧，后者是沿着垂直于弧轴的方向(亦称法向)拉长电弧。131 示例： 例一：刀开关拉长电弧。 132 例二：利用流过导电回路的特制线圈的电流在燃弧期间产生磁场，使电弧迅速移动和拉长。图b）还增加了引弧角。第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第六节灭弧装置三.磁吹灭弧装置采用专门的磁吹线圈建立足够强的磁场，将电弧吹入灭弧室。（在开断大电流与小电流时对磁场的要求不同，开断大电流合适时，可能小电流无法开断，而在开断小电流合适时的磁场在开断大电流时会导致电动力过大而引起触头液化体被吹走以及引起不必要的过电压。因此设计磁场时根据情况，使小电流时比较合适，而在大电流时由于磁路的饱合而不致于磁场过强。四、弧罩与纵缝灭弧装置四、弧罩与纵缝灭弧装置 所谓纵缝就是灭弧室的缝隙方向与电弧的轴线平行。 灭弧装置的工作原理：利用磁吹线圈产生的磁场将电弧驱入耐弧绝缘材料(石棉、水泥、陶土等)制成的具有纵缝的灭弧室中进行灭弧。它既可用于熄灭直流电弧，也可用于熄灭交流电弧。 有些灭弧室还设有狭窄的纵缝，使电弧进入后在缝壁的紧密接触中被冷却。多用于低压开关电器。135 按缝隙的尺寸和形式，它们又分两种，如图所示。 图表示一单纵缝灭弧装置的原理结构。图中，1为用耐弧绝缘材料制成的灭弧室壁，2为磁吹线圈的钢夹板，3为电弧。 通常上部缝宽小于熄灭电弧的直径。纵缝：灭弧室缝隙方向与电弧轴线平行目的：冷却电弧以灭弧多缝：比单缝的阻力小；纵向曲缝：显著增大接触面积，提高弧柱的冷却和消电离作用电弧受到的阻力较大（需要较大的外加磁场）五、栅片灭弧装置五、栅片灭弧装置绝缘栅片：拉长电弧并使迅速冷却金属栅片：将电弧截割为多段短弧，增大近极区电压降（特别是交流电弧近阴极效应）。金属栅片为钢质，对电弧有吸引的作用和冷却作用。多用于低压交流开关电器。138 绝缘栅片灭弧装置 灭弧装置如图所示。 其中，灭弧室l中装有用耐弧绝缘材料制成的几片绝缘栅片2，栅片的边缘和电弧3的轴线垂直。 当开断电流时，在触头4和5之间产生的电弧在导电回路的磁场作用下向上运动。139 当磁场的方向为垂直于纸面向里时，电弧AB、BC和CD段所受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积，从而加强了电弧的冷却和消电离作用；而DE段所受的电动力使电弧向上拉长，更加深入栅片间隙和增加电弧与绝缘栅片的接被面积。 由于受到绝缘栅片的阻挡，电弧弯曲成如图5-9中AG曲线所示的形状。B140 除此以外，电弧AB段和EF段相互作用产生一相吸电动力、CD段和EF段相互作用产生一相斥电动力，使AB、CD和EF段压向绝缘册片；CD段和EF段对DE段相互作用也产生一相斥电动力，使DE段向上运动。 这种灭弧装置充分利用了电弧自身磁场产生的电动力。141 金属栅片(又称去离子栅)灭弧装置： 这种灭弧装置的原理构造如图5-10 a所示。142 灭弧室1内部有许多由厚度为23mm钢板冲成的横向栅片2。 栅片外表面镀铜以增大传热能力和防止钢片生锈。 每一栅片冲有三角形的缺口。栅片缺口错开的作用为减 少电弧初始碰到的栅片数，从而减少进入的阻力。143 在电弧进入栅片之后，电弧电压变为 金属栅片灭弧装置既能用于熄灭直流电弧，也能用于熄灭交流电弧。 0hUnUEl六、固体产气灭弧装置应用产气式固体做绝缘管或灭弧室，短路时熔体形成多段电弧，产气装置分解汽化，形成高压，有利于灭弧。多用于高低压熔断器。 图5-15是利用产气原理提高气压，再利用气压进行灭弧的高压跌落式熔断器熔管的原理结构图。 145 当短路电流通过时，熔丝3被熔断产生电弧，于是弹簧6长度缩短，电弧被迅速拉长。同时，电弧的高温使钢纸分解产生大量的气体，管内压力迅速升高，这一压力推动软线5加速向右运动，从而也加速电弧的拉长和压力的升高。 当软线5被推出钢纸管8以后，管内的高压气体向外冲出，进行纵向吹弧，使电弧熄灭。七、石英砂灭弧装置七、石英砂灭弧装置 石英砂充填在绝缘管内作灭弧介质。熔体融化后产生的金属蒸汽扩散与石英砂缝隙内，迅速冷却复合。灭弧能力强，截流作用显著。 主要用于高低压熔断器。八、油吹灭弧装置八、油吹灭弧装置 以变压器油为介质，产生电弧后，油气化为氢气，利用氢气的高导热性和低粘度加强对弧柱的冷却作用。 多用于高压开关电器。曾在高压断路器中占重要地位，现已逐渐被其他灭弧装置所取代。 九、压缩空气灭弧装置九、压缩空气灭弧装置 开断电路时，以压缩空气向弧区强烈吹弧。一方面带走大量热量，另一方面吹散电离气体。多用于高压开关电器（现已较少使用）。 十、十、SFSF6 6气体灭弧装置气体灭弧装置 SF6气体作为灭弧介质具有下列优点：（1）它在电弧高温下生成的等离子体电离度很高，故弧隙能量小，冷却特性好；（2）介质强度恢复快，绝缘及灭弧性能好，有利于缩小电器的体积和重量；（3）基本上无腐蚀作用；无火灾及爆炸危险；采用全封闭结构时易实现免维修运行；（4）可在较宽的温度和压力范围内使用；（5）无噪声及无线电干扰。十一、真空灭弧装置十一、真空灭弧装置 当灭弧室真空度在1.33x10-3Pa以下时，电子的自由行程达43m，发生碰撞电离的概率极小。因此，电弧是靠电极蒸发的金属蒸气电离生成的。若电极材料选用得当，且表面加工良好，金属蒸气就既不多又易扩散，故真空灭弧效果比其他方式都强得多。 目前，高低压电器均有利用真空灭弧装置的产品，以高压为主。 第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第六节灭弧装置十二.无弧分断1.利用快速开关在电流过零时分断电弧; 在交流电流自然过零时，以极快的速度使动静触头分离，在交流电流自然过零时，以极快的速度使动静触头分离，使触头分断过程中电弧能量最小，致使电弧很弱或根本无法产使触头分断过程中电弧能量最小，致使电弧很弱或根本无法产生电弧，以达到无弧分断电路的目的。生电弧，以达到无弧分断电路的目的。2.应用半导体技术形成混合式无弧分断。 在触头的两端并联晶闸管，让晶闸管承担电路的通断，在触在触头的两端并联晶闸管，让晶闸管承担电路的通断，在触头断开时将其电压控制在极低的范围内，从而避免电弧的产生。头断开时将其电压控制在极低的范围内，从而避免电弧的产生。同步开关同步开关 若发生短路，KA触头闭合，接通饱和电流互感器TA二次电路。当待分断电流很大时，TA铁心处于饱和状态，其二次绕组无输出；电流减至一定值时，铁心转入非饱和状态，二次绕组有输出。TS给出触发脉冲，令晶闸管导通，而电容器C经VS对静止线圈放电，产生强大的磁通，使金属盘出现感应电流，产生轴向电动斥力F，使金属盘连同动触头起右移。同时，压缩空气功；吹向弧隙，使其介质强度于电流过零后迅速恢复。混合式开关混合式开关 晶闸管具有可控单向导电的性质。如果将它和开关电器S并联，并且当交流电流I的流向如图所示的方向时，将开关S的触头分开，同时使晶闸管v触发导通，于是开断电流将从v中流过。由于v的电压降大大低于生弧电压，弧隙中将无电弧。此后，当晶闸管v中交流电流过零时，它将自动闭锁，于是电路被开断。这种综合有触头开关电器和晶闭管而成的开关，通常称为混合式开关。第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第六节灭弧装置a）导体电阻）导体电阻 R1SlR1第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第七节触头的接触电阻b）导体电阻）导体电阻 R2JRSlR2接触电阻：两个导体接触时的附加电阻。第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第七节触头的接触电阻名义平面的相互接触名义平面的相互接触 在显微镜下观察都是凹凸不平的。在显微镜下观察都是凹凸不平的。 接触斑点接触斑点视在接触面视在接触面在接触表面中那些真正发生接触的凸起的点或小在接触表面中那些真正发生接触的凸起的点或小面面称为机械接触斑点或简称称为机械接触斑点或简称接触斑点接触斑点。 F在实际接触的小面中，只有膜被压破裂的地方才可在实际接触的小面中，只有膜被压破裂的地方才可能形成金属与金属的直接接触，称这些真正能导电能形成金属与金属的直接接触，称这些真正能导电的金属接触点为的金属接触点为导电斑点导电斑点，国际通用术语称为，国际通用术语称为a斑斑点点。 氧化膜氧化膜导电斑点的总面积又要比实际接触斑点的面积导电斑点的总面积又要比实际接触斑点的面积小得多，直径只有小得多，直径只有m到零点几到零点几mm的数量级。的数量级。 收缩电阻收缩电阻由于电流线在导电斑点附近发生收缩，由于电流线在导电斑点附近发生收缩，使电流流过的路径增加，在接触内表面出现的局部使电流流过的路径增加，在接触内表面出现的局部附加电阻。附加电阻。 导电斑点附近电流线收缩示意图导电斑点附近电流线收缩示意图 束流现象电流限于接触点和接触面积极度缩小所造成的电流收缩现象反向电动斥力Pinch效应造成的附加斥力2004( )eRFI lnr206pFIpinch effect箍缩效应箍缩效应 载流导体是可以在其周围空间建立磁场的，并且相互平行的两载流导线间存在着相对吸引力。不仅载流同向电流的两导线间存在着相对吸引力，若导体是液体或等离子体时，则由于离子的运动所产生的磁场可使导体产生收缩。犹如其表面受到外来力，向内的压力。导体的的这种收缩称为箍缩效应表面膜电阻表面膜电阻当电流通过导电斑点时，使电流当电流通过导电斑点时，使电流受到一定的阻碍而导致产生另一附加电阻。受到一定的阻碍而导致产生另一附加电阻。 接触电阻接触电阻收缩电阻与表面膜电阻之和。收缩电阻与表面膜电阻之和。 fbJRRR 尘埃膜（灰尘）尘埃膜（灰尘） 化学吸附膜（水分）化学吸附膜（水分） 无机膜（导电材料）无机膜（导电材料） 有机膜（绝缘材料）有机膜（绝缘材料）可变可变电阻电阻不变不变部分部分可变可变部分部分收缩收缩电阻电阻表面膜表面膜电电 阻阻隧道效应：触头表面由于尘埃膜、化学吸附膜、无机膜和有机膜等原因，使得电子无法穿过这层来导电，但是由于电子本身存在波粒二相性，可以以波的形式来穿透这层膜而导电，称为隧道效应。第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第七节触头的接触电阻)0 . 17 . 05 . 05 . 0;)102. 0( mmmmFKFKRjcmjcj、面接触、线接触数（点接触与接触形式有关的指接触压力有关的系数加工情况以及表面状况与触头材料、接触面式：接触电阻的经验计算公1）接触形式）接触形式接触形式分为：点接触、线接触和面接触。接触形式分为：点接触、线接触和面接触。接触形式对收缩电阻的影响主要与接触点数目有关。接触形式对收缩电阻的影响主要与接触点数目有关。影响接触电阻的各种因素影响接触电阻的各种因素说明说明点接触实际上指在一个小面积内的若干个接触点，点接触实际上指在一个小面积内的若干个接触点，而并非仅仅接触于一点。而并非仅仅接触于一点。表面上看似乎面接触的接触电阻最小，但若接触压表面上看似乎面接触的接触电阻最小，但若接触压力不大，面接触时力不大，面接触时a斑点多，每个斑点上的压力反斑点多，每个斑点上的压力反而很小，以致接触电阻增大很多。而很小，以致接触电阻增大很多。因此，接触形式对接触电阻的影响，视接触压力因此，接触形式对接触电阻的影响，视接触压力的大小而异。的大小而异。面接触：固定接触常采用此形式，且采用螺钉或铆面接触：固定接触常采用此形式，且采用螺钉或铆钉等压紧以加大压力，使接触电阻减小。由于面接钉等压紧以加大压力，使接触电阻减小。由于面接触的散热面积及热容量大，多用于大电流。触的散热面积及热容量大，多用于大电流。 点接触：虽然膜电阻小，但是散热面积及热容量均点接触：虽然膜电阻小，但是散热面积及热容量均小，所以多于用小电流。小，所以多于用小电流。线接触：压力集中，实际接触压力强度较大，在中线接触：压力集中，实际接触压力强度较大，在中等压力时接触电阻较小，线接触的优点还表现在可等压力时接触电阻较小，线接触的优点还表现在可以使触头在闭合过程中有相对运动而自动净化、便以使触头在闭合过程中有相对运动而自动净化、便于调整。因此广泛用于接触器、自动开关及高压开于调整。因此广泛用于接触器、自动开关及高压开关电器的触头中。关电器的触头中。2、 接触压力接触压力接触面受压后总有弹性及塑性形变，使接触面积增接触面受压后总有弹性及塑性形变，使接触面积增大。大。 当压力较小时，接触电阻受压力变化的影响较大，当压力较小时，接触电阻受压力变化的影响较大，加大压力可减小收缩电阻与膜电阻，则接触电阻将加大压力可减小收缩电阻与膜电阻，则接触电阻将变小；变小；当压力达到一定值后，接触电阻受压力变化的影响当压力达到一定值后，接触电阻受压力变化的影响很小。很小。 影响接触电阻的各种因素影响接触电阻的各种因素3、 化学腐蚀化学腐蚀4、 电化学腐蚀电化学腐蚀5、 温度温度6、 材料性质材料性质7、 接触表面加工情况接触表面加工情况173 （一）接触导体的稳定温升分布： 两根同材料、同截面的均质圆柱形导体互相对接，接触面内有一圆形导电斑点，流过一稳定电流。 （二）假定: 接触点附近收缩区这一小段 导体外表面并不散热。 接触电阻热损失向接触点两 边导体各传一半。第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第八节闭合状态下的触头一.触头的发热174 （三）在收缩区外，沿导体轴向的任意横截面积上电位和温度相等，故收缩区外导体中的温度分布是一维场问题。 图中，令收缩区边界为直角坐标系的原点，导体轴线与x轴平行。 在距离原点x处取一小段dx。 收缩区外导体的温度分布的解为： 0()axwwe第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第八节闭合状态下的触头第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第八节闭合状态下的触头 实际的RjUj曲线：图228软化电压Us金属材料软化此时Rj骤减熔化电压Um触头温度达熔点接触电阻允许值(0.5 0.8)jsUU/jjRUI二.接触电阻与接触电压降由于存在软化点和熔化点，所以趋势见图。Uj与时间的特性 图229触头表面的氧化腐蚀导致膜层增加膜的破坏使Rj骤减应对材料选择铜镀银、嵌银或金等机构设置接触电阻随时间有一定的变化。与薄膜的形成有关。三.触头间的电动斥力一.接通过程中的机械振动第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第九节触头接通过程及其熔焊第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第九节触头接通过程及其熔焊减轻振动：减小动触头的质量和运动速度、增大触头初压力。第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第九节触头接通过程及其熔焊二.触头的熔焊触头间的发热熔焊，包括静熔焊和动熔焊。触头的熔焊影响因素电参数机械参数表面状况材料三、触头的冷焊 在常温、无电流情况下，因贵金属(金及金的合金)的原子与原子之间的化学亲合力的作用，使二接触表面牢固粘在一起的现象。第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第十节触头分断过程与其电侵蚀分断过程触头损失严重：过程历时长电弧持续时间长（侵蚀）（侵蚀）触头电磨损：与电流和触头断开时的电压有关。 定义：触头电磨损指触头在开断与闭合电路时，产生金属液桥、电弧与火花放电等，引起金属转移、 喷溅和气化，使触头材料损耗和变形的现象。电侵蚀: 桥蚀 弧蚀桥蚀阳极材料向阴极转移阴极凸起、阳极凹陷弧蚀火花放电物理过程电压较高而功率较小强电场击穿无热电离间歇性和不稳定阴极受电蚀阴极向阳极发射电子电弧放电阴极电蚀正离子在阴极附近形成正空间电荷层，形成强电场阴极材料向阳极转移阴极凹陷、阳极凸起净侵蚀高温情况下，阴极和阳极材料的局部熔化和蒸发第一篇 电器的理论基础 第二章 电接触与电弧理论 第十节触头分断过程与其电侵蚀二.小电流下的触头电侵蚀桥蚀、火花放电性质的弧蚀侵蚀程度的计算阳极材料的侵蚀火花放电时，触头材料