5.1电弧的产生及熄灭

▉直流电弧的熄灭条件
（或稳定燃烧方程与静态伏安特性脱离）
▉直流电弧的熄灭方法
灭弧的途径：（1）增高弧隙的静态伏安特性 （2）增大回路电阻或减小电源电压 熄灭方法: 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 新课小结：1.电弧的形成和熄灭 2.直流电弧的特性和熄灭及灭弧方法 作业：
（3）电弧是一种自持放电现象。
（4）电弧是一束游离的的气体。
▉ 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
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
▉ 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
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
▉ 吹弧 — 吹弧方向法…（2）
▉ 吹弧 — 吹弧方向法…（3）
（3）纵横吹
横吹灭弧室在开断小电流
时因室内压力太小，开断性能
较差。为了改善开断小电流时 的灭弧性能，可将纵吹和横吹 结合起来。在大电流时主要靠 横吹，小电流时主要靠纵吹， 这就是纵横吹灭弧室。
▉ 短弧原理灭弧
灭弧装置是一个金属栅灭弧罩，利用将电弧分为多个串联 的短弧的方法来灭弧。由于受到电磁力的作用，电弧从金属栅 片的缺口处被引入金属栅片内，一束长弧就被多个金属片分割 成多个串联的短弧。如果所有串联短弧阴极区的起始介质强度 或阴极区的电压降的 总和永远大于触头间 的外施电压，电弧就 不再重燃而熄灭。采 用缺口铁质栅片，是 为了减少电弧进入栅 片的阻力，缩短燃弧 时间。
成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。
▉ 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
弧隙的恢复电压，亦有利于熄灭电弧。在要求将电弧拉到同样 的长度时，采用多断口结构成倍减小了触头行程，也就减小了 开关电器的尺寸。如图5-10所示：
▉ 采用多断口—图2-10
▉ 吹弧 — 吹弧气流产生法...（1）
用新鲜而且低温的介质吹拂电弧时，可以将带电质点吹到 弧隙以外，加强了扩散，由于电弧被拉长变细，使弧隙的电导 下降。吹弧还使电弧的温度下降，热游离减弱，复合加快。按 吹弧气流的产生方法和吹弧方向的不同，吹弧可分为以下几种。 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。
温度骤然升高，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。
▉ 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
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
▉ 电弧的熄灭—
影响去游离的因素…（2）
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。
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。
三、电弧的熄灭
■ 电弧的去游离形式 ■ 影响去游离的因素
▉ 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。
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。
▉ Βιβλιοθήκη Baidu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，
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，
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。
▉ 交流电弧的熄灭条件—弧隙电压的恢复过程
电流过流前，弧隙电压呈马鞍形变化，电压值很低，电源
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。
▉ 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。
▉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。
▉ 电弧的熄灭—
影响去游离的因素…（1）
1. 电弧温度 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
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。
▉ 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
▉ 利用固体介质的狭缝狭沟灭弧
灭弧装置的灭弧片是由石棉水泥或陶土制成的。触头间
产生电弧后，在磁吹装置产生的磁场作用下，将电弧吹入又 灭弧片构成的狭缝中，把电弧迅速拉长的同时，使电弧与灭
弧片内壁紧密接触，对电弧的表面进行冷却和吸附，产生强
烈的去游离。原理图如2-16所示。 石英砂熔断器中的熔丝熔断时，在石英砂的狭沟中产生 电弧。由于受到石英砂的冷却和表面吸附作用，使电弧迅速 熄灭。同时，熔丝气化时产生的金属蒸汽渗入石英砂中遇冷 而迅速凝结，大大减少了弧隙中的金属蒸汽，使得电弧容易 熄灭。原理图如2-17所示。
第二节 直流电弧的特性及熄灭
一、直流电弧的特性
二、直流电弧的熄灭条件
▉直流电弧的特性
⒈ 电弧电压沿弧长的分布 ⑴ 阴极压降区 10-4cm，正空间梯度10～20V与电弧电流无关而与阴极 及介质有关。 ⑵ 弧柱区 与电流、弧长和介质及其状态有关。 ⑶ 阳极压降区 为阴极区的几倍，负空间梯度与电弧电流有关，电流越 大压降越小。 ⑷ 沿弧长电压降 Ｕh＝Ｕ1＋Ｕ2＋Ｕ3 短弧和长弧的概念及电弧稳定的条件。 ⒉ 电弧的伏安特性 ｕh＝f(ｉh) 图3－4
能是非周期性的变化过程。
▉ 交流电弧的熄灭条件—交流电弧的熄灭条件
如果弧隙介质强度在任
何情况下都高于弧隙恢复电
压，则电弧熄灭；反之，如 果弧隙恢复电压高于弧隙介 质强度，弧隙就被击穿，电 弧重燃。因此，交流电弧的 熄灭条件为： Uj（t）> Uhf（t） Uj（t）—弧隙介质强度；
Uhf（t）—弧隙恢复电压。
▉ 吹弧 — 吹弧方向法… （1）
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。
5.1
1.
电弧与电器触头的基本知识
电弧的形成与熄灭 2.直流电流的特性及熄灭 3. 交流电弧的特征及熄灭 4. 熄灭交流电弧的基本方法 5. 电弧触头的基本知识 思考题与习题
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
电压的绝大部分降落在线路和负载阻抗上。电流过零时，弧隙 电压正处于马鞍形的后蜂值处。电流过零后，弧隙电压从后蜂 值逐渐增长，一直恢复到电源电压，这一过程中的弧隙电压称 为恢复电压，其电压恢复过程以Uhf（t）表示。 电压恢复过程与线路参数、负荷性质等有关。受线路参数 等因素的影响，电压恢复过程可能是周期性的变化过程，也可