第三章 电弧及电气触头的基本理论(A)

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。 经过对图2-2的分析，可见交流电弧在交流电流自然过零 时将自动熄灭，但在下半周随着电压的增高，电弧又重燃。 如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就此熄灭。
（3）电弧是一种自持放电现象。
（4）电弧是一束游离的的气体。
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▉ 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
•
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§3.2 直流电弧的特性及熄灭
弧柱 阴 极 区
阴 极 区 Un
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3.2.1
特 性
1.静态伏安特性曲线
Uh a
Uf b ih
U h f (ih )
U h (ih 0)
为发弧电压、即产生电弧的最小电压值
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2.电弧电压分布图
U h =阴极区电压+弧柱区电压+阳极区电压
弧柱 阴 极 区
电子直接与正离子复合的几率很小。一般情况下，先是电子碰
撞中性质点时，被中性质点捕获变成负离子，然后再与质量和 运动速度相当的正离子互相吸引而接近，交换电荷后成为中性 质点。还有一种情况就是电子先被固体介质表面吸附后，再被 正离子捕获成为中性质点。
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▉ 电弧的熄灭—
电弧的去游离形式…（2）
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。
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▉ 交流电弧的特性…（2）
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3.3.2 交流电弧的熄灭 1.弧隙介质电强度的恢复过程Uj
Uj——弧隙介质能够承受而致使弧隙击穿的最小电压
过程：
电流过零前——电弧的温度高，热游离强烈，弧隙 的导电性能好 电流过零时——弧隙温度剧降，热游离减弱，弧隙 失去导电性能而恢复为绝缘介质。 电流过零后——温度继续下降，弧隙介质电强度逐 渐回升。这种现象称为交流电路的近阴极效应。
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▉ 电弧的熄灭— 电弧的去游离形式…（1）
电弧的去游离过程包括复合和扩散两种形式。 • ①复合 • ②扩散 异性质点靠近而相互中和的现象。 冷却 带电质点逸出弧柱外的现象。 吹弧
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1. 复合
复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。 由于弧柱中电子的运动速度很快，约为正离子的1000倍，所以
Uh A B
t B A
Uh——马鞍形状。A > B
A——燃弧电压
B——熄弧电压
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3.3.1 特 性
电弧在自然过零时将自动熄灭，但下半周期随着 电压的升高，电弧会重燃。 若电流过零时，电弧不再重燃，电弧就此熄灭。
2.热惯性：电弧温度的变化滞后于电流的变化
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▉ 交流电弧的特性…（1）
在交流电路中，电流瞬时值随时间变化，因而电弧的温
第3章 电弧及电气触头的基本理论
高压电奇观
1
教学要求：掌握电弧的特征
了解电弧形成的原因及电弧熄灭的基本方法
影响触头电阻的因素。
重 点：电弧熄灭的基本方法。影响触头电阻的因素。
难
点：电弧形成的原因
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第一节 电弧的形成与熄灭
一、电弧放电的特征和危害 二、电弧的形成
■ 弧柱中自由电子的主要来源 ■ 电弧形成的过程
阴 极 区 Un
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2.电弧电压分布图
Uh=阴极区电压U阴极区+弧柱区UH+阳极区U阳极区 或：
U1
U h U1 U 2 U 3
—— U阴极区，大小与ih无关，在空气中U=8～11V
U 2 —— UH与ih呈线性关系
U 3 —— U阳极区< U阴极区、且随ih增大而减小甚至为零
短弧：几个mm长、主要由 U阴极区+ U阳极区 组成,UH近似 于零
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4.电弧的特点
电弧的放电现象是一种气体自持放电。 电弧是一种离子通道（载流通道）：只有触头 间的电弧熄灭后，电流才真正切断。 电弧的温度很高、能量大：容易烧坏触头，或 使触头周围的绝缘材料遭受破坏。 电弧燃烧时间过长，压力过高，有可能使电器 发生爆炸事故然升高，产生热游离并且成为游离的的主要因素，此时，
在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧。
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电弧的形成总结
热电子发射 强电场发射
磁撞游离 温度 热游离 电弧
阴极区 阳极区
加速
弧柱
阴极发射（起因）→碰撞游离（重要因素）→击穿 （量变到质变）→热游离（主要因素）→维持发展
（电流极性改变后的0.1～1.0秒瞬间, 有Uj=150～250V）
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弧隙介质能够承受外加
电压作用而不致使弧隙击穿 的电压称为弧隙的介质强度。 当电弧电流过零时电弧熄灭， 而弧隙的介质强度要恢复到 正常状态值还需一定的时间， 此恢复过程称之为弧隙介质
强度的恢复过程，以耐受的
电压Uj（t）表示。
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• 使温度降低的方法有：吹弧、拉长电弧、或与冷却介质表面 接触。
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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。
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▉ 电弧的熄灭—
影响去游离的因素…（2）
成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。
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▉ 电弧的形成—弧柱中自由电子的主要来源（1）
（1）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）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
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。
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• 气体介质的压力：F↓→自由行程缩短→离子浓度↑→复合↑ 真空数目少→磁撞游离↓→扩散↑
长弧：几个cm～几个m长，主要由UH组成
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近阴极效应（短弧原理）
• 将长弧沿垂直方向切割成多段电弧串联，每一 段即构成一个短弧，获得一个阴极区压降。 • 如果加在触头间的电压小于各段短弧的阴极电 压之和，则电弧就不能维持而熄灭。
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3.2.2 直流电弧的工作点
R
L
U
Un
k
具有直流电弧的R——L电路
热电子发射——高温
②电极间弧柱气体游，产生大量的电子和离子 碰撞游离——电场力的作用，由高速运动的电子作用产生 热游离——高温（起弧），由中性质点热运动碰撞产生
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▉ 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。
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▉ 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。
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• 电弧温度：热游离↓→Q↓→速度↓→复合加强→Q↓
1.拉长电弧
2.开断电路时在电路中逐级串人电阻
3.在断口上装灭弧栅
4.冷却电弧 直流电弧的熄灭注意事项 在直流电路中不能采用灭弧能力太强 的开关电器，避免产生过电压。
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§3．3 交流电弧的特性及熄灭
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3.3.1 特 性
1.动态伏安特性曲线： 电弧电压和电流随时 间不断变化，每一周期，电流过零2次
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1.电压方程式
di E U R U L U h iR L u h dt
E——电源电压。 iR——电阻电压。
di U L L ——电感电阻电压 dt
E iR uh
Uh——电弧电压 2.直流电弧的熄灭条件
( E iR) uh
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3.2.3 直流电弧的熄灭方法
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。
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▉ 电弧的形成—
（3）碰撞游离
弧柱中自由电子的主要来源（2）
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，