电弧基本理论.pptx

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1、一、电弧的基本理论（一)电弧的产生、维持及物理过程1弧柱中自由电子的来源A电极发射大量自由电子，对电弧的产生起决定作用。 热电子的发射：动静触头分离时，触头间接触电阻增大，接触处大量发热，使阴极表面温度升高而发射电子。其数量取决于触头材料和表面温度。 冷电子发射(强电场发射)：动静触头分离时，触头间的间隙很小，触头间会形成很高的电场强度，将阴极触头金属表面中的自由电子从中拉出来。其数量取决于电场强度的大小。第1页/共31页一、电弧的基本理论B弧柱区的气体游离，产生大量的自由电子和离子，对电弧的形成和维持起决定作用。 游离是指中性质点变成自由电子和正离子的过程 电场游离（碰撞游离）-形成：在电场

2、作用下，电子加速向阳极运动，途中与介质中的中性质点发生碰撞。若自由电子具有足够动能，能与中性质点产生碰撞游离，使其游离为正离子和自由电子。这样的过程连续进行导致雪崩式碰撞，使触头间充满了自由电子。在外加电压作用下形成电子流，介质被击穿而形成电弧。第2页/共31页一、电弧的基本理论 热游离-维持：电弧形成后，触头间电压立刻降低，但弧柱的温度很高。处于高温下的介质分子和原子产生剧烈运动，不断发生碰撞，也会游离出自由电子和离子(这就是热游离过程)，可以维持电弧的燃烧。第3页/共31页一、电弧的基本理论（一)电弧的产生、维持及物理过程2.电弧的形成过程总结 阴极在强电场作用下发射电子。发射的电子在触头

3、电压作用下产生碰撞游离，就形成了电弧。在高温作用下，阴极产生热发射，并在介质中发生热游离，使电弧维持和发展，这就是电弧形成的过程。第4页/共31页一、电弧的基本理论（一)电弧的产生、维持及物理过程3.去游离过程（带电质点减少） 在电弧中，发生游离过程的同时还进行着使带电质点减少的去游离过程。 游离过程去游离过程：电弧电流增大，炽热燃烧 游离过程=去游离过程：电弧电流不变，稳定燃烧 游离过程Ur（t）第11页/共31页一、电弧基本理论(二)熄灭交流电弧的物理过程介质强度和弧隙电压的恢复过程图示(a)在t1时刻发生 (b)电弧熄灭 (c)电弧熄灭击穿电弧重燃 第12页/共31页弧隙介质强度的恢复过

4、程介质强度的恢复过程与下列因素有关： 电弧电流的大小（电弧温度） 弧隙的冷却条件(灭弧装置的结构) 灭弧介质的特性（SF6气体和真空介质） 触头分离的速度（电阻）近阴极效应：交流低压电器常利用近阴极效应来灭弧 150250伏的起始介质强度（0.1微秒-1微秒）。 在电流过零后在阴极附近的薄层空间介质强度突然升高的现象。第13页/共31页弧隙电压的恢复过程 弧隙电压的恢复过程与线路参数和负荷性质有关。 弧隙电压的恢复过程可能是周期性或非周期性的。 周期性振荡过程 非周期性过程第14页/共31页 恢复电压：瞬变恢复电压和工频恢复电压组成瞬变恢复电压：首先出现 存在几十微秒至几毫秒 暂态分量工频恢复

5、电压：恢复电压稳态值第15页/共31页第16页/共31页高压断路器熄灭电弧的基本方法 1采用特殊金属材料作灭弧触头 电弧中的去游离强度很大程度上取决于觚头材料。若采用熔点高，导热系数和热容量大的耐高温金属作触头材料，可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸气，抑制游离作用。同时，触头材料还要求有较高的抗电弧，抗熔焊能力。 常用的触头材料有：铜钨合金，银钨合金。第17页/共31页高压断路器熄灭电弧的基本方法2利用灭弧介质 电弧中的去游离强度很大程度上取决于电弧周围介质的特性，如介质的传热能力，介电强度，热游离温度和热容量等。这些参数的数值越大，则去游离作用越强，电弧就越容易熄灭。 常用的灭弧介质有：空

6、气，油(变压器油或断路器油)，SF6，真空。第18页/共31页二、高压断路器熄灭电弧的基本方法 3利用气体或油吹动电弧 电弧在气流或油流中被强烈地冷却而使复合加强，吹弧也有利于带电离子的扩散。 在高压断路器中利用各种结构形式的灭弧室，使气体或油产生巨大的压力并有力地吹向电弧使电弧熄灭。 吹动的方式有：纵吹和横吹 纵吹：吹动方向与弧柱轴线平行。主要使电弧冷却变细，最后熄灭。 横吹：吹动方向与弧柱轴线垂直。主要把电弧拉长表面积增大并加强冷却。第19页/共31页二、高压断路器熄灭电弧的基本方法 4利用多断口灭弧 高压断路器常制成每相有两 个或更多个串联的断口。 如图为双断口的灭弧方式。 采用多断口是

7、把电弧分割成很多小电弧段，在相等的触头行程下，多断口比单断口的电弧拉长了，从而增大了弧隙电阻，而且电弧被拉长的速度（即触头分离速度）也增加，加速了弧隙电阻的增大；同时，也增大了介质强度的恢复速度。由于加在每个断口的电压更低，使弧隙的恢复电压降低，因此灭弧性能更好第20页/共31页高压断路器熄灭电弧的基本方法 4利用多断口灭弧 采用多断口的结构后，每一个断口在开断位置的电压分配和开断过程中的恢复电压分配出现了不均匀现象。如图为单相断路器在开断接地故障后的电路图。U:电源电压U1、U2：两个断口的电压Cd：断口的等效电容C0：底座对地等效电容第21页/共31页二、高压断路器熄灭电弧的基本方法 4利

8、用多断口灭弧则断口电压分布的计算可按下图进行： 可见，U1U2两个断口上的电压相差很大，第一个断口的工作条件比第二个断口要严重.第22页/共31页二、高压断路器熄灭电弧的基本方法 4利用多断口灭弧 为了充分发挥每个灭弧室的作用应该使两个断口的工作条件接近相等。通常在每个断口并联一个比Cd和C0都大得多的电容C（2500pf），称为“均压电容” 可见U1=U2，电压平均分布在两个断口上，每个断口工作条件基本上一致。第23页/共31页二、高压断路器熄灭电弧的基本方法5拉长电弧并增大断路器触头的分离速度 迅速拉长电弧，可使弧隙的电场强度骤降，同时，使弧隙的表面积突然增大，有利于电弧的冷却和带电质点向

9、周围介质扩散，使热游离作用减弱，加强了离子的复合速度，从而加速电弧的熄灭。 为此，在高压断路器中都装有强有力的断路弹簧，以加快触头的分离速度。真空断路器的开断速度很快。第24页/共31页二、高压断路器熄灭电弧的基本方法5拉长电弧并增大断路器触头的分离速度 断路器分闸速度的快慢通常由断路器全开断时间来衡量，它包括断路器固有动作时间和燃弧时间两部分。真空断路器（半周波断路器）当全开断时间 0.12s，称为低速断路器 0.08s，称为快速断路器 0.08s0.12s，称为中速断路器第25页/共31页 6.短弧原理灭弧 利用一个金属灭弧栅将电弧分为多个短弧，利用近阴极效应的方法灭弧。常用于低压开关电器

10、中，如自动开关和电磁接触器等。 第26页/共31页7、利用固体介质的狭缝灭弧 将电弧拉入灭弧片的狭缝中，灭弧片由石棉水泥或陶土材料制成，加强冷却。灭弧片结构有直缝式和曲缝式。 常用于低压电器中的接触器等。第27页/共31页 8、断路器加装并联电阻 并联电阻在触头分断过程中起分流作用，越小分流作用越大，对触头熄弧越有利。第28页/共31页 弧隙电压的恢复过程分析 （毫秒内的变化）1. 单相交流电路的电压恢复过程 电容电压的恢复过程即为断路器触头两端的电压恢复过程第29页/共31页2. 三相交流电路的电压恢复过程三相断路器开断三相短路电流，首先开断的一相触头两端的恢复电压三相断路器开断三相短路电流，首先开断的一相触头两端的恢复电压最为严重，其工频恢复电压有效值为相电压的最为严重，其工频恢复电压有效值为相电压的1.5倍；后两相在经过倍；后两相在经过0.005S后开断，此时工频恢复电压为线电压的一半（后开断，此时工频恢复电压为线电压的一半（0.866倍相电压）倍相电压）第30页/共31页感谢您的观看！第31页/共31页