AA-电弧的产生讲义及熄灭
电弧的产生及熄灭
第四节 熄灭交流电弧的方法
一、提高触头的分闸速度 二、采用多断口
三、吹弧
■ 吹弧气流产生的方法 ■ 吹弧的方向
四、短弧原理灭弧
五、利用固体介质的狭缝狭沟灭弧 六、采用耐高温金属材料制作触头 七、采用优质灭弧介质
▉ 提高触头的分闸速度
迅速拉长电弧，有利于迅速减小弧柱中的电位梯度，增加 电弧与周围介质的接触面积，加强冷却和扩散的作用。因此， 现代高压开关中都采取了迅速拉长电弧的措施灭弧，如采用强 力分闸弹簧，其分闸速度已达16m/s以上。
▉吹弧 —吹弧气流产生法...（2）
（2）用压缩空气或六氟化硫气体吹弧
将20个左右大气压的压缩空气或5个大气压左右的六氟化
硫气体（SF6）先储存在专门的储气罐中，断路器分闸时产生 电弧，随后打开喷口，用具有一定压力的气体吹弧。 （3）产气管吹弧 产气管由纤维、塑料等有机固体材料制成，电弧燃烧时与 管的内壁紧密接触，在高温作用下，一部分管壁材料迅速分解 为氢气、二氧化碳等，这些气体在管内受热膨胀，增高压力， 向管的端部形成吹弧。
大的中性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，
这种现象称为热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。
▉ 电弧的形成—
电弧形成的过程
断路器断开过程中电弧是这样形成的。触头刚分离时突然
解除接触压力，阴极表面立即出现高温炽热点，产生热电子发 射；同时，由于触头的间隙很小，使得电压强度很高，产生强 电场发射。从阴极表面逸出的电子在强电场作用下，加速向阳 极运动，发生碰撞游离，导致触头间隙中带电质点急剧增加，
第三节 交流电弧的特性及熄灭
一、交流电弧的特性 二、交流电弧的熄灭条件
■ 弧隙介质介电强度的恢复 ■ 弧隙电压的恢复过程 ■ 交流电弧熄灭的条件
工厂供配电技术--电弧的产生及灭弧方法-课件
2019/8/10
3·产生电弧的游离方式 （1）高电场发射。开关触头分断电流的瞬间，触头间隙中电场强度 很大，金属触头阴极表面的电子在电场力的作用下，被拉入间隙形成 自由电子，又在电场力的作用下形成电弧电流。 （2）热电发射。当开关触头分断电流时，阴极表面由于大电流逐渐 收缩集中而出现很热的光斑，温度很高，因而使触头表面分子中外层 电子吸收足够的热能而发射到触头间隙中去，形成自由电子。 （3）碰撞游离。当触头间隙存在足够大的电场强度时，其中的自 由电子在强电场的作用下，向阳极移动，并获得一定的能量，在移动 中会碰撞中性质点，只要能量足够大，就会使中性质点中的电子游离 出来，从而使中性质点游离成带正电的正离子和自由电子，这些被游 离出来的带电质点在电场力的作用下，继续向阳极移动，又会碰撞其 他中性质点，形成新的碰撞游离，其结果是使触头间和自由电子数越 来越多，当离子浓度足够大时介质被击穿而产生电弧。
去游离方式有复合与扩散。 （1）复合。带有异性电荷的质点相遇而结合成中性质点的现象。电
弧中温度越低，电场强度越弱，质点的动能越小则复合越强，介 质的性质越稳定，密度越高，则自由电子加速的自由行程越短， 获得的能量就越小，越有利于复合。 （2）扩散。扩散即为狐隙中的电子和正离子，从浓度高的空间向 浓度低的介质周围移动的现象。扩散的主要原因是电弧与周围存 在浓度差。 （3）交流电弧的熄灭。交流电弧每一个周期两次过零，电流过零 时，电弧将暂时熄灭，弧柱温度急剧下降，热游离中止，去游离 增强，在靠近阴极区的介质的绝缘强度迅速增强。在熄灭交流电 弧时，就是充分利用这一点，电压较低灭弧较易。
电弧产生和熄灭的物理原理
任务二:电弧产生和熄灭的物理原理一、电弧产生的物理过程当触头开断，在触头间隙中有电弧燃烧时，电路仍然导通。
这说明此时触头间隙的气体由绝缘状态变成了导电状态。
气体呈导电状态的原因是由于原来的中性气体分解为电子和离子，即气体被游离，此过程称为气体的游离过程。
气体游离出来的电子和离子在电场作用下各朝对应的极运动，便形成电流，从而造成触头虽然已开断，但电路却并未切断。
但当电弧熄灭之后电路就不再导通了。
这说明此时触头间隙的气体恢复了介质强度，又呈现绝缘状态，即气体已经消除游离而恢复为中性。
那么，气体是怎么游离和消游离的呢？一、开断电路时电弧产生的物理过程当触头开断电路，在间隙中产生电弧时，电路仍然是导通的。
这就说明已分开的触头间的气体由绝缘状态变成了导电状态。
那么，究竟有哪些物理过程在这个气体由不导电的状态变成导电状态过程中起作用了呢?下面就此进行一些分析。
金属材料表面在某些情况下能发射出自由电子，这种现象叫表面发射。
自由电子的产生是由于金属内的电子得到能量，克服内部的吸引力而逸出金属。
一个电子逸出金属所需能量叫逸出功，其单位用电子伏(eV)表示。
不同金属材料逸出功的大小不一样。
从物质原子的结构而言，是由原子核与若干电子构成的。
如果外界加到电子上的能量足够大，能使电子克服原子核的吸引力作用而成为自由电子，这种现象称为游离。
游离所需的能量叫游离能。
不同的物质其游离能不同。
触头开断电路时，产生电弧的原因主要有：阴极热发射电子；阴极冷发射电子；碰撞游离和热游离等。
1.阴极热发射电子触头开断过程中，触头间的接触面积逐渐减小，接触处的电阻越来越大，电流密度也逐渐增大，触头表面的温度剧增，金属内由于热运动急剧活跃的自由电子就克服内部的吸力而从阴极表面发射出来，这种主要是由于热作用所引起的发射称为热发射。
温度越低、逸出的功越大时，热发射的电流密度越小。
2.阴极冷发射电子在触头刚刚分开发生热发射的同时，由于触头之间的距离很小，线路电压在这很小的间隙内形成很高的电场，此电场将电子从阴极表面拉出，形成强电场发射。
电弧的产生及熄灭
▉ 交流电弧的特性…（2）
▉交流电弧的熄灭条件—弧隙介质介电强度的恢复
▉ 电弧的熄灭—
1. 电弧温度
影响去游离的因素…（1）
电弧是由热游离维持的，降低电弧温度就可以减弱热游离， 减少新的带电质点的的产生。同时，也减小了带电质点的运动 速度，加强了复合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动 电弧，或使电弧与固体介质表面接触等，都可以降低电弧的温 度。 2.介质的特性 电弧燃烧时所在介质的特性在很大程度上决定了电弧中去 游离的强度，这些特性包括：导热系数、热容量、热游离温 度、介电强度等。若这些参数值大，则去游离过程就越强，电 弧就越容易熄灭。
▉ 采用多断口
每一相有两个或多个断口相串联。在熄弧时，多断口把电
弧分割成多个相串联的小电弧段。多断口使电弧的总长度加 长，导致弧隙的电阻增加；在触头行程、分闸速度相同的情况 下，电弧被拉长的速度成倍增加，使弧隙电阻加速增大，提高 了介质强度的恢复速度，缩短了灭弧时间。
采用多断口时，加在每一断口上的电压成倍减少，降低了
▉ 电弧放电的特征和危害
1. 电弧的概念
当开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头 刚刚分离后，触头之间就会产生强烈的白光，称为电弧。 2.电弧的本质 电弧的实质是一种气体放电现象。 3. 电弧放电的特征 （1）电弧由三部分组成。包括阴极区、阳极区和弧柱区。 （2）电弧温度很高。
（3）电弧是一种自持放电现象。
弧隙介质能够承受外加
电弧的产生和熄灭解析
二、电弧的形成
1、强电场发射 开关电器分闸的瞬间，由于动、静触头的距离很小，触头
间的电场强度就非常大 ，使触头内部的电子在强电场作用下 被拉出来 ，就形成强电场发射。 2、热电子发射
当断路器的动、静触头分离时，触头间的接触压力及接触 面积逐渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致 阴极表面温度急剧升高而发射电子 ，形成热电子发射。
2. 扩散 扩散是弧柱中的带电质点逸出弧柱以外，进入周围介质 的现象。扩散有三种形式： （1）温度扩散，由于电弧和周围介质间存在很大温差， 使得电弧中的高温带电质点向温度低的周围介质中扩散， 减少了电弧中的带电质点； （2）浓度扩散，这是因为电弧和周围介质存在浓度差， 带电质点就从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使电弧 中的带电质点减少； （3）利用吹弧扩散，在断路器中采用高速气体吹弧，带 走电弧中的大量带电质点，以加强扩散作用。
直流电弧的熄灭方法
1.拉长电弧
2.开断电路时在电路中逐级串入电阻
u
l2
l1
E
A
l2 l1 0
u
E
A
R1 R0
uh
B
i1
i2
E R
i
拉长电弧灭弧
uh
B
i1 E i2
R1
E R0
i
引入电阻灭弧
3.在断口上装灭弧栅 4.冷却电弧
六、交流电弧的特性
在交流电路中，电流瞬时值随时间变化，因而电弧的温 度、直径以及电弧电压也随时间变化，电弧的这种特性称为 动特性。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟 不上快速变化的电流，所以电弧温度的变化总滞后于电流的 变化，这种现象称为电弧的热惯性。
三、带点质点的复合与扩散
电弧的产生和熄灭
2. 按吹弧的方向分为： （1）纵吹 吹弧的介质（气流或油流）沿电弧方向的吹拂称为纵吹， 纵吹能增强弧柱中的带电质点向外扩散，使新鲜介质更好地与 炽热电弧接触，加强电弧的冷却，有利于迅速灭弧。 （2）横吹 横吹时气流或油流的方向与触头运动方向是垂直的，或者 说与电弧轴线方向垂直。横吹不但能加强冷却和增强扩散，还 能将电弧迅速吹弯吹长。有介质灭弧栅的横吹灭弧室，栅片能 更充分地冷却和吸附电弧，加强去游离。在相同的工作条件下， 横吹比纵吹效果要好。
五、直流电弧的特性 定义：在直流电路中产生的电弧叫直流电弧
1.电弧电压分布图
阴 极 区 弧柱区 阳 极 区
U2 U1
+
U3 Uh
电弧电压＝阴极区压降＋弧柱压降＋阳极区压降
U h U1 U 2 U 3
2.电弧的伏安特性
u
1
u
di 0 dt
E
1
' uh
2
A
di 0 dt
uh
B
i
i1
直流电弧的伏安特性
3. 气体介质的压力 气体介质的压力对电弧去游离的影响很大。因为，气体的 压力越大，电弧中质点的浓度就越大，质点间的距离就越小， 复合作用越强，电弧就越容易熄灭。在高度的真空中，由于发 生碰撞的几率减小，抑制了碰撞游离，而扩散作用却很强。因 此，真空是很好的灭弧介质。 4. 触头材料 触头材料也影响去游离的过程。当触头采用熔点高、导热 能力强和热容量大的耐高温金属时，减少了热电子发射和电弧 中的金属蒸汽，有利于电弧熄灭。 除了上述因素以外，去游离还受电场电压等因素的影响。
谢谢
迅速拉长电弧，有利于迅速减小弧柱中的电位梯度，增加
电弧与周围介质的接触面积，加强冷却和扩散的作用。因此， 现代高压开关中都采取了迅速拉长电弧的措施灭弧，如采用强
电弧的形成与熄灭基本知识讲解
▉ 电弧放电的特征和危害
4. 电弧的危害 （1）电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间， 加重了电力系统短路故障的危害。 （2）电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏 绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。 （3）由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造 成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。
1. 吹弧气流产生的方法有： （1）用油气吹弧 用油气作吹弧介质的断路器称为油断路器。在这种断路器 中，有用专用材料制成的灭弧室，其中充满了绝缘油。当断路 器触头分离产生电弧后，电弧的高温使一部分绝缘油迅速分解 为氢气、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳等气体，其中氢的灭弧 能力是空气的7.5倍。这些油气体在灭弧室中积蓄能量，一旦 打开吹口，即形成高压气流吹弧。
▉吹弧 —吹弧气流产生法...（2）
（2）用压缩空气或六氟化硫气体吹弧 将20个左右大气压的压缩空气或5个大气压左右的六氟化 硫气体（SF6）先储存在专门的储气罐中，断路器分闸时产生 电弧，随后打开喷口，用具有一定压力的气体吹弧。 （3）产气管吹弧 产气管由纤维、塑料等有机固体材料制成，电弧燃烧时与 管的内壁紧密接触，在高温作用下，一部分管壁材料迅速分解 为氢气、二氧化碳等，这些气体在管内受热膨胀，增高压力， 向管的端部形成吹弧。
▉ 电弧的形成— 弧柱中自由电子的主要来源（2）
（3）碰撞游离 从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极 运动，在运动过程中不断地与中性质点（原子或分子）发生 碰撞。当高速运动的电子积聚足够大的动能时，就会从中性 质点中打出一个或多个电子，使中性质点游离，这一过程称 为碰撞游离。 （4）热游离 弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很 大的中性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子， 这种现象称为热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。
电弧的形成及灭弧措施
电弧的形成及灭弧措施电弧的热效应在实际生产中应用很充分，比如：电焊机、电弧炼钢炉等，都是利用电弧产生的巨大热量使金属熔化。
但在电器中，电弧的存在却是百害而无一利。
电弧产生的高温会使触头熔化、变形，进而影响其接通能力，大大降低电器工作的可靠性和使用寿命，因而在电器中，必须采取适当的灭弧措施。
1、电弧的产生电弧的产生实际上是弧光放电到气体游离放电的一个演变过程。
触头分离时，触头导电截面由面到点发生变化，在触头即将分离的瞬间，全部负载电流集中于未断开的一个点，从而形成极高的电流密度，产生大量热量，使触头的自由电子处于活跃状态。
触头分离后的那一刻，两触头间间隙极小，形成了极高的电场强度。
活跃的电子在强电场力的作用下，由阴极表面逸出，向阳极发射，这个过程产生了弧光放电。
高速运动的电子撞击间隙中的气体分子，使之激励和游离，形成新的带电粒子和自由电子，使运动电子的数量进一步增加。
这个过程如同滚雪球一般，会在触头间隙中形成大量的带电粒子，使气体导电而形成了炽热的电子流即电弧。
后面的过程就是气体游离放电过程。
电弧一经产生，便在弧隙中产生大量的热量，使气体的游离作用占主导地位，特别是当高温产生的金属蒸气进入弧隙后，气体热游离作用更为显著。
所以电压越高、电流越大，电弧区的温度就越高，电弧的游离因素也就越强。
与此同时，也存在抑制气体游离的因素。
一方面，已经处于游离状态的正离子和电子会重新复合，形成新的中性气体分子；另一方面，高度密集的高温离子和电子，要向周围密度小、温度低的介质扩散，使弧隙内离子和自由电子的浓度降低，电弧电阻增加、电弧电流减小，热游离减弱。
当以上去游离过程与气体热游离过程平衡时，电弧将处于稳定燃烧状态。
电弧的应用就是保持这种状态。
2、灭弧措施对电器来讲，尽快熄灭电弧，防止电弧对触头系统造成损害是必需的。
那么，如何熄灭电弧呢？先看维持电弧燃烧的条件。
维持电弧燃烧的条件主要有两点，一是保持电弧的燃烧温度，从而保持足够的自由电子浓度；二是保持维持整个弧柱的电动势，从而保持电子的高速运动。
开关电器中电弧产生原因及灭弧方法
开关电器中电弧产生原因及灭弧方法集团企业公司编码：（LL3698-KKI1269-TM2483-LUI12689-ITT289-开关电器中电弧产生原因及灭弧方法开关电器中电弧是如何产生的电孤是一种气体放电现象，它有两个特点：一是电弧中有大量的电子、离子，因而是导电的，电孤不熄灭电路继续导通，要电弧熄灭后电路才正式断开;二是电弧的温度很高，弧心温度达4000～5000摄氏度以上，高温电弧会烧坏设备造成严重事故，所以必须采取措施，迅速熄灭电弧。
电弧产生和熄灭的物理过程简述如下：在开关断开过程中，由于动触头的运动，使动、静触头间的接触面不断减小，电流密度就不断增大，接触电阻随接触面的减小就越来越大，因而触头温度升高，产生热电子发射。
当触头刚分离时，由于动、静触头间的间隙极小，出现的电场强度很高，在电场作用下金属表面电子不断从金属表面飞逸出来，成为自由电子在触头间运动，这种现象称为场致发射。
热电子发射、场致发射产生的自由电子在电场力作用下加速飞向阳极，途中不断碰撞中性质点，将中性质点中的电子又碰撞出来，这种现象称作碰撞游离。
由于碰撞游离的连锁反应，自由电子成倍地增加(正离子亦随之增加)，大量的电子奔向阳极，大量的正离子向负极运动，开关触头间隙便成了电流的通道，触头间隙间介质被击穿就形成电弧。
由于电弧温度很高，在高温的作用下，处在高温下的中性质点由于高温而产生强烈不规则的热运动，在中性质点互相碰撞时，又将被游离而形成电子和离子，这种因热运动而引起的游离称为热游离。
热游离产生大量电子和离子维持触头间隙间电弧。
产生电弧主要由碰撞游离，维持电弧主要依靠热游离。
开关电器中电弧熄灭常用哪些方法开关电器中电弧熄灭常用的方法如下：(1)利用气体或油熄灭电弧。
在开关电器中利用各种形式的灭弧室使气体或油产生巨大的压力并有力地吹向弧隙，电弧在气流或油流中被强烈地冷却和去游离，并且其中的游离物质被未游离物质所代替，电弧便迅速熄灭。
电弧产生与熄灭的物理过程
电弧产生与熄灭的物理过程
电弧的产生与熄灭是一个非常复杂的物理过程，它属于一种可以在电路中发生的稳定间接火花现象，其中参与的物理过程都很复杂。
当电压降低到一定程度时，在接触间隙内放置的气体就会被电场线性加热，而气体温度上升会使其能量不断累积，当温度达到一定值时，气体中的离子便会在电场的作用下产生离子化，这使气体内的电子略有减少，当电子数量不足以维持一个稳定的电子电压时，电法线就会从接触件处向外放射，从而形成一条通路，这时就会产生电弧。
此时，电弧处于放电状态，但电弧也不会一直存在，当电压降低到零值以下时，空气中的离子会不断沉积下来，从而形成一层电绝缘层，随着电磁感应的减弱和空气中离子的沉积，电路的电阻也就不断增大，这样一来，电流就会逐渐减小，最终电弧就会自然熄灭。
因此，电弧的产生与熄灭是一种复杂的物理过程，它涉及到电路中电压、气体中离子、电磁感应等物理过程，对于电气工程师来说，能够充分理解电弧的产生和熄灭是掌握电气安全知识的关键。
电弧的形成和熄灭知识讲解51页PPT
电弧的形成和熄灭知识讲解
1、战鼓一响，法律无声。——英国 2、任何法律的根本；不，不成文法本 身就是 讲道理 ……法 律，也 ----即 明示道 理。— —爱·科 克
3、法律是最保险的头盔。——爱·科 克 4、一个国家如果纲纪不正，其国风一 定颓败 。—— 塞内加 5、法律不能使人人平等，但是在法律 面前人 人是平 等的。 ——波 洛克
电弧的形成和熄灭
用油气作吹弧介质的断路器称为油断路器。在这种断路器 中，有用专用材料制成的灭弧室，其中充满了绝缘油。当断路 器触头分离产生电弧后，电弧的高温使一部分绝缘油迅速分解 为氢气、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳等气体，其中氢的灭弧 能力是空气的7.5倍。这些油气体在灭弧室中积蓄能量，一旦 打开吹口，即形成高压气流吹弧。
场发射是最初产生电子的主要原因阴极自由电子强电场强电场发射热电子发射当触头分开瞬间由于触头间的的接触压力及接触面积逐渐缩小接触电阻增大使接触部位剧烈发热导致阴极表面温度急剧升高而发射电子自由电子自由电子中性质点正离子碰撞游离从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极运动在运动过程中电子和中性质点相碰撞而使中性质点分裂为带电离子和自由电子的现象
强电场
U
阴极
自由电子
强电场发射
阳极
2. 热电子发射—当触头分开瞬间，由于触头间的的接触 压力及接触面积逐渐缩小，接触电阻增大，使接触部位 剧烈发热，导致阴极表面温度急剧升高而发射电子
阴极
自由电子
阳极
3. 碰撞游离—从阴极表面发射出的电子在电场力
的作用下高速向阳极运动，在运动过程中电子和中 性质点相碰撞而使中性质点分裂为带电离子和自由 电子的现象。电弧的形成主要是碰撞游离所致。
子发射提供起始自由电子，然后，由
碰撞游离而导致介质击穿，产生电弧，
最后靠热游离来维持。
三、游离和去游离
在电弧中，介质产生游离的同时还产生去 游离的相反过程。
去游离：带电质点相互中和为不导电的 中性质点，使带电质点减少的现象。
弧隙的去游离是靠离子的复合和扩散两种 形式进行的
1、复合
能量较小的电子附着于中性质点，形成负离 子，正、负离子相撞成为中性质点的过程。
开关电弧的产生与熄灭教学课件PPT
2. 电弧的熄灭——复合
复合就是异号带电质点彼此的中和。
是指带异性电荷的质点相互接触，交换多余电荷而形 成中性质点的现象。
☞带电质点浓度越大，复合率越高。
故断路器采用小直径的灭弧室，提高弧隙带电质点 的浓度，增强其灭弧性能。
☞电弧温度越低，复合就越容易。故加强电弧冷却，能
促进复合。在交流电弧中，当电流接近零时，弧隙温 度骤降，此时复合特别强烈。 器的开断速度，对复合有利。
☞弧隙电场强度小，复合的可能性增大。故提高断路
2. 电弧的熄灭——扩散
扩散是指带电质点逸出弧道的现象。 电弧中扩散主要原因是：
☞弧区与周围介质的温差越大，扩散越强烈。
用冷却介质吹弧，或电弧在周围介质中运动， 都可增大弧区与周围介质的温差，加强扩散作 用。
☞ 弧区与周围介质粒子的浓度相差越大，扩
散越强烈。电弧的表面积越大，扩散就越快。
5．将电弧分割成短弧（金属栅片灭弧）
6．采用多断口灭弧 7．弧隙并联电阻
8、真空灭弧装置 当真空度为5～10 mm汞柱时，自由电子在弧隙中作定 向运动时几乎不会和气体分子或原子相碰撞，也就不会发 生撞击电离或电场电离。 将触头置于真空中断开时产生的电弧只能是由阴极发 射电子和产生的金属蒸气形成的。 当电弧电流接近零时，阴极发射的电子和金属蒸气减 少，弧隙中残留的金属蒸气和等离子体向周围真空迅速扩 散，弧隙可以在数微秒之内由导电状态恢复到真空间隙的 绝缘水平。
油吹灭弧应用于各种油断路器中。
3．电磁吹弧
电弧在电磁力作用下产生运动的现象，叫电 磁 吹弧。
电动力 吹弧
磁力拉 弧
磁吹弧
当电弧需要较大的电动力吹入灭弧室时，就要采用专门 的磁吹装置 。
4．使电弧在固体介质的狭缝中运动