(整理)分合闸,断路器灭弧机械特性

1高压电路中电弧的特性及形成过程随着我国经济发展和电力工业需求的增长,对高压开关性能要求也越来越高,它能否正常工作直接关系电力系统的安全与稳定。

断路器起着控制和保护电力系统的双重作用,能在有载、无载及各种短路工况下完成规定的合分或操作循环任务,特别是在高压强电流的条件下开断电路并不是件容易的事,开断过程产生的电弧不熄灭,电路就不能被开断。

由于电力系统发生故障时,产生的电流比正常负载电流要大得多,这时开断电路的断路器在触头分离后,触点之间将会出现电弧,电弧的存在对高压电路来说是一个不可忽视的安全隐患,因此高压电路上明确规定,只有电弧熄灭,电路的断开任务才算完成,而断开的时间很短,因此要求很高。

电弧快速熄灭能及时根除安全隐患,为将财产损失减到最小赢得时间。

断路器的开断要快速、可靠、稳定。

在运行中,开断能力是标志性能的基本指标。

所谓开断能力,就是指断路器在切断电流时熄灭电弧,顺利地切、分电流的任务的能力。

在电力系统中,开断能力的参数通常是以额定短路开断电流为标志的,符号为Ib,单位kA。

电弧是一种能量集中、温度高、亮度大的气体放电现象,是一种电离的气体,质量极轻,发出耀眼的光芒,在外力作用下迅速移动、卷缩和伸长。

在操作电力开关分断电路的过程中,当开关的触头即将分离时,由于触头的接触面突然减小,使得触头接触处的电阻猛增,同时电路上被消耗的电能将产生上千度的高温,使触头产生热电子发射,这与人们在电子管中观察到的热电子发射情况类似,只不过这时触头表面的温度比电子管内灯丝的温度要高得多,发射的热电子强度也大得多。

同时在开关触头分离的瞬间,电路加在触头上的电压将在触头间极小的间隙内形成很强的电场,它将在高温作用下触头发射的热电子迅速加速,这些高速运动的热电子碰撞其周围的气体分子而产生自由电子和正离子,被电离出来的自由电子在高温和强电场的作用下继续加速,又碰撞其附近的其它气体分子,如此继续,形成连锁反应,使开关触头间的气体在极短的时间发生雪崩似的电离,接通电路,发出耀眼的亮光,这就是人们看到的电弧。

电弧产生以后,触头间隙周围的温度随之升高到4 000℃以上,大量的金属蒸气和气体原子在高温下继续电离为自由电子和正离子,以维持电弧的稳定和电路的导通。

电子学理论认为[6~8],在电弧的形成过程中,高温和电场不仅使气体分子、原子和炽热的金属蒸气发生电离,同时还使已电离的自由电子和正离子重新复合成中性原子、分子。

电弧形成过程示意图见图1。

电弧形成机制包括两种[6 ~10 ],场致电子发射和热电子发射。

场致电子发射机理:当材料表面外加很强的电场时,势垒的高度显著降低,同时势垒的宽度变窄,这时电子不需要额外获得能量就会由于隧道效应而有一定穿越势垒的几率,产生场致电子发射。

有文献表明[8~10], Fowler和Nordheim于1928年计算了这种场致发射的电流密度与外加电场的关系得出在0 K时发射的电流密度为:式中,E为电场强度;Φ为材料的逸出功,v(y)和t(y)可通过查表得到。

热电子发射需将阴极加热到约2 500 K以上,这时便在热作用下发射电子。

电子经施加在两极间的电场加速,向阳极运动。

由于热电子发射需要的温度高,故只有少数几种难熔金属(如W、Zr、Hf等)才可能产生热电子发射。

热电子发射符合Richardson_Dushman 方程:式中,js为电流密度;A为常数;K为Boltzmann常数;T为电极温度;Φ是逸出功。

式(2)表明热电子发射与发射体温度、电子逸出功有密切关系。

比较式(1)、(2)可知,对弧触头,无论是场致电子发射还是热电子发射,其发射电流都直接依赖于触头材料的逸出功。

提高材料的逸出功可显著降低动静弧触头间的电子发射能力。

同时,在热电子发射工作状态下,提高逸出功可使电极在较高的温度下达到所需要的电流,能有效改善弧触头材料的抗烧蚀能力。

2熄灭电弧的方法电弧的产生直接影响着电力系统的安全运行,快速、可靠、稳定地熄灭电弧对高压电路起着举足轻重的作用。

必须要指出的是,很多场合熄灭电弧,工作人员错误的单纯采用体积大的断路器或闸刀,人为拉长电弧的长度和电弧存在的时间,这对于熄灭小电弧是可行的。

但电弧是一种自持放电现象,采用体积大的断路器或闸刀控制,拉长电弧,仅仅是熄灭这类电弧的充分条件。

众所周知，我们所讨论的电弧现象大多是基于交流电流的情况。

随着正弦交流电流的周期性变化,交流电弧也将随之每半周要过零一次。

电弧能否熄灭,决定于电弧电流过零时,弧隙的介质强度恢复速度和系统恢复电压上升速度的竞争。

加强弧隙的去游离或减小弧隙电压的恢复速度,都可以促进电弧熄灭。

前已指出，交流电弧的熄灭条件是在零休期间不发生热击穿，同时在此之后弧隙介质恢复过程总是胜过电压恢复过程，也即不发生击穿。

但从灭弧效果来看，零休期间是最好的灭弧时机：一则这时弧隙的输入功率近乎等于零，只要采取适当措施加速电弧能量的散发以抑制热电离，即可防止因热击穿引起电弧重燃；二则这时线路所储能量很小，需借电弧散发的能量不大，不易因出现较高的过电压而引起电击穿。

反之，若灭弧非常强烈，在电流自然过零前就“截流”，强迫电弧熄灭，则将产生很高的过电压，即使不致影响灭弧，对线路及其中的设备也很不利。

因此，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，使电弧是在零休期间，而且是在电流首次自然过零时熄灭实际上交流电弧未必均能于电流首次自然过零时熄，有时需经2～3个半周才熄灭。

如图2所示，触头刚分（t＝t0）时，弧隙甚小，uh也不大。

故电流在首次过零t＝t1）前，其波形基本上仍属正弦波，且在电流过零处电源电压滞后约为δ≈90°。

这时，介质强度ujf不大，恢复电压uhf于不久后上升到大于燃弧电压ub1时，弧隙击穿，电弧重燃。

图2在第二个半周，弧隙增大，弧隙增大了，uh和ujf均增大，电流再过零（t ＝t2）时的滞后角δ2＜δ1。

由于ujf仍不够大，在uhf＞ujf2时，弧隙再次被击穿，电弧仍重燃。

此后，因弧隙更大，当t＝t3、即电流第三次过零时，δ3＜δ2，且ujf始终大于uhf，电弧不再重燃，电弧终被熄灭，交流电路也完全切断了。

在现代高压开关电器中,以下几种方法是被广泛采用的。

2.1采用不同的灭弧介质熄灭电弧实验得知,电弧的去游离强度,在很大程度上取决于电弧周围介质的传热能力、介电强度、热游离温度和热容量,它们的数值越大,则去游离作用越强,电弧就越容易熄灭。

一类是利用减少碰撞游离的可能性来灭弧,如经常采用的真空灭弧法;另类是增强介质的灭弧能力来灭弧,如利用灭弧能力约为空气的100倍的SF6,采用可产生灭弧能力是空气7.5倍的H2的灭弧介质,如变压器油或断路器油。

2.2采用特殊的金属材料制作灭弧触头触头材料在很大程度上决定着电弧中的去游离强度。

从前文可知金属蒸气热游离可以维持电弧燃烧,因此采用熔点高、导热系数大、热容量大、抗电弧能力较强的耐高温金属作为触头的材料,可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸气,能更好地抑制游离作用。

铜、钨合金等都是常用的触头材料。

2.3利用气体或油的吹动灭弧让电弧柱拉长变细,可以使得电弧在气流或油流中迅速地冷却,再加上吹弧,将更快地促使电弧变细和带电离子的扩散。

灭弧过程中,气体或油的流速越大,其冷却作用越强。

在高压断路器中利用各种结构形式的灭弧室,使气体产生巨大的压力并有力地吹向弧隙,使电弧熄灭。

如空气断路器利用充入压力约2.3MPa(20atm)的干燥压缩空气作为吹动电弧的灭弧介质。

2.4采用多断口灭弧在高压断路器中,经常是一相采用两个以上的断口串联,在灭弧时,串联的多个断口把电弧分割成多段小电弧,相当于多断口拉长了等行程的单断口的电弧,既增大了弧隙电阻(相当于弧隙电阻值增大加速),又加快了电弧被拉长的速度(相当于触头分离的速度增加),这样,也增大了介质强度的恢复速度,使得断路器更可靠、快速的灭弧。

况且,加在每个断口的电压降低,使弧隙恢复电压降低,也有利于灭弧。

在低压开关电器中,广泛采用灭弧栅装置,也就是应用把长弧变成短弧的多断口灭弧装置。

2.5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,使电弧的表面突然增大,有利于电弧的冷却和带电质点向周围介质中扩散,使热游离作用削弱,加强离子的复合速度,加速电弧的熄灭。

为此,经常在高压断路器中装设强有力的断路弹簧,以加快触头的分离速度。

我们经常将这种方法与其它灭弧方法结合使用。

2.6截流灭弧包含电弧在内的电路,在一定条件下是动态不稳定系统,在外界的干扰下,电弧燃烧不稳定,出现自激的高频振荡,最后使得电弧电流降到零导致灭弧。

通常,电弧中振荡的频率很高,可达几百千赫兹,在频率响应较差的示波器显示的示波图(如图3)中我们可发现,电流会出现突然被截断的现象,使电弧因不稳定而熄灭。

图32.7强迫灭弧使电源电压不能维持很高的电弧电压,电弧电流很快减小到零而熄灭,所以这种方法又被称为过零灭弧。

它通常要求使用特殊材料制成的高压断路器,如在开断交流短路电流时会出现强迫灭弧现象的石英砂熔断器。

这种熔断器熔丝很长,熔丝周围填充石英砂,利用石英砂很强的散热能力和熔丝很细的特点,当电弧电压超过电源电压,电弧电流不能维持而急剧减小导致灭弧。

3 断路器的分类按照不同的标准，高压断路器有不同的分类方法，这里只按照断路器灭弧介质进行分类。

（1）油断路器：触头在变压器油（断路器油）中开断，利用变压器油（断路器油）作为灭弧介质的断路器。

（2）压缩空气断路器：以压缩空气作为灭弧介质和绝缘介质的断路器，吹弧所用的空气压力一般在1013~4052kPa （10~40atm ）的范围内。

（3）6SF 断路器：以6SF 气体作为灭弧介质或兼作绝缘介质的断路器。

（4）真空断路器：触头在真空中开断，利用真空作为绝缘介质和灭弧介质的断路器，真空断路器需求的真空度在410 Pa 以上。

还有磁吹断路器，固体产气断路器等类型。

4 高压断路器的灭弧特性4.1六氟化硫断路器SF6断路器是以SF6气体作为电器绝缘和灭弧介质的电气设备，它具有油断路器，压缩空气断路器不可比拟的灭弧能力。

由于SF6断路器具有优异的灭弧能力，使其燃弧时间很短，电流开断能力大，触头的烧损腐蚀轻微，触头能在比较高的温度下运行而不劣化。

此外，SF6气体优越的绝缘特性，使电气绝缘距离可以大幅度下降，结构更为紧凑，节省空间，而且操作功率小，噪音小。

SF6高压断路器以良好的绝缘性能及优越的灭弧介质而被广泛的应用于电力系统的各类电压等级的开断设备中。

正是因为SF6断路器具有以上优点，所以其发展速度非常之快，已成为目前最有发展前途的电力控制设备。

4.1 SF6断路器的结构及其发展由于SF6气体具有优异的灭弧和绝缘性能，从二十世纪60年代起，SF6成功地用作高压开关及其设备的绝缘和灭弧介质。