断路器灭弧

断路器灭弧原理和灭弧室一．电弧：电弧或弧光放电是一种物理现象，也是气体放电的一种形式。

开关设备在分断时，会在触头间产生电弧，此时电路中的电流继续流通，直到电弧熄灭，触头间隙成为绝缘介质后，电流才被断开。

发生在开关设备中的电弧简称为开关电弧。

所谓开关作用，就是在具有一定电位的导体电路的一部分上进行导体与绝缘体的相互迅速变化。

1．电弧的组成除正负两极外，整个电弧可以分成三个区域：阴极位降区域、弧柱和阳极位降区域。

2．电弧柱的游离过程在外界能量的作用下，使大量的电子从围绕原子核的轨道上脱离出来，并成为自由电子。

这种从气体中性粒子（原子或分子）中分离出自由电子和正离子的现象称为游离。

游离的结果就变成一个带负电荷的电子和一个带正电荷的离子。

由于自由电子不断碰撞形成游离，碰撞游离不断进行，使得介质中带电质点大量增加，呈现很高的导电，于是在在外加电压作用下，触头间介质被击穿开始导电，形成电流，同时也因发热而发光，这就产生了电弧；由于电弧弧柱温度很高可达5000～13000℃，就产生了热游离和光游离。

游离方式有碰撞游离；热游离；光游离。

影响游离的因素主要有温度；介质的游离电位——游离所需的能量；气体压力。

3、电弧的的去游离（消游离）使弧柱中的游离程度减小，直至电弧熄灭、间隙恢复成绝缘介质的过程，称为去游离（消游离）。

消游离的方式主要有：复合和扩散。

两种带异性电荷的质点互相接触而形成中心质点，称为复合（正负电荷中和）。

在电极表面发生的称表面复合，在间隙空间中发生的称空间复合，空间复合一般在离子间进行称间接空间复合。

复合最主要因素为温度，温度下降时，复合速度就迅速增快。

带电粒子从电弧间隙中散出到周围介质中去，称为扩散，扩散是双极性的，弧柱的直径对扩散影响最大，弧柱直径越小，扩散越强烈。

4、开关电弧的产生强电场发射——热电子发射——碰撞游离——热游离——形成电弧电流。

最终靠热游离维持电弧。

5、交流电弧电弧电流有过零现象，有电压恢复过程和介质强度恢复过程。

交流电弧过零熄灭，电压恢复而重燃。

介质绝缘强度恢复过程快于弧隙的电压恢复过程，并介质强度始终大于弧隙上的恢复电压，电弧就熄灭；反之电弧就重燃。

U j＞U hf要使电弧不重燃，可加快介质强度U j的恢复，提高介质强度的主要措施有：①采用介质强度高的灭弧介质；②采用各种结构的灭弧装置，来加强电弧的冷却；③加速拉长电弧，提高介质强度恢复速度，降低恢复电压。

a 并联电阻；b 采用多断口。

二、断路器灭弧原理1、油短路器灭弧原理①自能式灭弧——利用电弧自身能量所产生的油气，以熄灭电弧。

基本原理：利用电弧燃烧产生的气体压力把油气吹向弧隙，使电弧受到冷却或拉长而熄灭。

按照油气冲击电弧的方向不同，油吹式灭弧室有：a 纵吹灭弧室外面是高强度的圆形绝缘筒1，筒内有多只绝缘隔弧片2和衬环3，分割成若干油囊。

分闸时，动触头5与定触头6分开，在期间产生电弧，使绝缘油气化和分解，灭弧室内的压力迅速增高，沿着动触头移动所打开的纵吹口形成强烈的油气流，迫使电弧熄灭。

切断大电流时，燃弧时间很短；切断小电流时，电弧拉倒下部油囊内熄灭。

（35kV以上）b 横吹灭弧室吹弧方向与动触头运动方向垂直。

灭弧室的外面是高强度的圆形绝缘筒1，筒内是灭弧腔2，由形状不同的绝缘板4堆叠而成，用绝缘螺栓或压圈压紧。

形成高低不同的横向油道，分别与灭弧室上部的垂直油道相通。

分闸时，动触头6与定触头7分开，在期间产生电弧，使绝缘油气化和分解，灭弧室内的压力迅速增高，沿着动触头移动所打开的横向油道和垂直油道所构成的横吹口形成强烈的油气流，把电弧横向吹出灭弧腔而熄灭。

（35kV以下）c 纵横吹灭弧室同时具有纵吹和横吹两种吹弧方式的灭弧室。

灭弧室的外面是高强度的圆形绝缘筒1，筒里有多只绝缘隔弧片8和衬环10，组成若干油囊。

在第一块隔弧片上面的油囊四周均匀分布着横吹口13。

上部是灭弧室的高压区，上纵吹口位于静触头（指）5的两侧；下部是喇叭形的下纵吹口。

分闸时，动触头12与定触头5分开，在期间产生电弧，使绝缘油气化和分解，灭弧室内的压力迅速增高，高压油气汇成一股猛烈的气流从上纵吹口和横吹口吹出。

当动触头移动出灭弧室的高压区以后，高压油气又从下纵吹口吹出。

纵吹和横吹的作用迫使电弧强烈冷却和弯曲拉长而熄灭。

②去离子栅式灭弧室利用电弧电流此时的磁场与电弧之间的相互作用力把电弧吸进充满绝缘油的去离子栅狭槽中，使电弧受到冷却和拉长而熄灭。

多油量断路器，现在已经不用了。

③机械油冲式灭弧室属于外力式灭弧。

基本原理是：利用操作油断路器的能量推动油活塞，把绝缘油喷向弧隙，形成辐射状的油冲效应，使电弧受到冷却和拉长而熄灭。

在油吹式灭弧室内装设压油活塞，不仅改善了油断路器切断小电流和自动重合闸的特性，而且还可保护定触头，减轻电弧对触头的灼伤。

SW4、SW6开关都有压油活塞，安装调试结束，压油活塞尾部上的M16螺栓一定要装上。

2、真空断路器灭弧原理①真空电弧“真空”是一种特定的气体状态，它与一般的大气状态不同。

在高真空中其单位体积的气体分子数量减少，气体分子之间以及与其他质点之间相互碰撞的几率减少。

碰撞游离现象基本不起重要作用，绝缘强度很高，在真空断路器中“真空”是作为绝缘和灭弧的介质。

真空间隙击穿的机理，目前比较普遍的有二种： a 场发射引起击穿，b 微粒引起击穿。

金属表面在足够强的电场作用下，会产生电子发射，随着温度和表面外加电场的增加，发射电子电流密度也增大，当阴极电子流达到一定临界值时，真空间隙就击穿。

在真空间隙中，电极表面有微质点存在，在电场作用下，微质点附着电荷产生运动，具有动能，当运动撞到对方电极上时，就会引起局部加热、金属气化发展以致击穿。

真空电弧——仅依靠触头产生的金属蒸汽维持燃烧。

当真空间隙击穿后，从阴极上许多高温的小面积（阴极斑点）上发射出金属蒸汽、电子、离子，提供弧柱区导电的基本粒子。

阴极斑点是一个温度很高，电流密度很大的小面积。

阴极表面存在电子的热发射和场发射，同时还有金属蒸汽射出。

发射的电子和金属原子碰撞产生游离。

游离产生的离子与电子流大部分靠动能向阳极运动，运动到达阳极的电子流，把动能传给阳极，在电流很大时可能使阳极的局部的小面积温度升高，在阳极形成斑点，提供新的电粒子源和产生金属蒸汽称为阳极斑点现象。

阳极斑点的出现，标志着弧后介质恢复条件的恶化，严重的就会使开断失败。

因此灭弧的唯一方法是将电弧电流减小到不足于维持燃烧，降低金属蒸汽的密度。

当电弧电流过零时，由于扩散形或集聚形电弧的热斑点面积小，时间常数小，使触头周围的金属蒸汽密度下降快，而弧隙的介质强度上升恢复快，此时真空电弧就熄灭。

②真空灭弧室结构真空间隙的绝缘强度很高，开断后介质恢复很快，因此灭弧室的触头开具很小；开距小，操作能量小，电弧能量小，真空灭弧室的机械寿命和电气寿命都很高。

真空断路器触头开距增大对绝缘耐压的提高不显著，因此真空灭弧室的额定电压不高，在35kV以下。

a 绝缘外壳有陶瓷和玻璃两种构造。

b 动触头焊在动导电杆上；c 静触头换接在静导电杆上；d 金属波纹管对动导电杆的密封，有足够高的机械寿命；e 金属屏蔽罩——装于触头周围，起到冷凝吸收金属蒸汽、均匀电场分布保护外壳内表面均匀等作用。

③真空灭弧室的触头结构真空断路器触头结构有三种：圆柱形触头、横向磁场触头、纵向磁场触头。

a 圆柱形触头只适用于开断小容量（6.3kA）的真空开关和真空接触器，制造工艺简单，成本低。

b 带螺旋槽形横向磁场触头适用于开断容量在8～25kA的真空开关，这种触头能在大电流的电弧作用下此时横向磁场驱使电弧运动，从而熄灭电弧。

c 杯形横向磁场触头这种触头的最大优点是在开断电流时会增加横向磁场强度，使电弧沿着触头以极高的速度运动，大大减轻触头的烧损率提高开断能力。

d 纵向磁场触头这种触头结构在开断大电流时使电弧具有扩散型电弧的基本特性，如电弧斑点在电极触头的表面会均匀分布、触头表面不会局部熔化、电弧电压低以及能量小等。

纵向磁场触头分单极型和多极型。

④真空灭弧室灭弧原理a 横向磁场灭弧，当电弧电流流经横向磁场触头时，由磁场B产生横向作用力F来驱使真空电弧不断在触头表面运动，使电弧扩散直至灭弧。

b 纵向磁场灭弧，当电弧电流流经纵向磁场触头时，产生的真空电弧具有扩散型电弧的基本特性，然后再由扩散型电弧转变到集聚型电弧直至灭弧。

单极形纵向磁场的动静触头上的线圈完全相同，当电流流过触头及线圈时，其方向一致，电流在弧区内产生纵向磁场，在纵向磁场作用力下进行灭弧，可大大提高分断能力。

多极型纵向磁场触头电弧电流的途径、大小、方向以及纵向磁场极性如图。

4个磁力线的极性在对角的1/2区域是相同的，同时在轴中心上由于A、B或C、D磁场相互抵消而没有磁场，并不产生涡流效应，而在电流峰值到达峰值时能产生较大的纵向合力磁场，在电流为零时剩余磁场相当小，对提高真空断路器的的分断能力十分有效。

三、SF6断路器（一） SF6气体的特性：1、物理特性：分子结构由6个F原子+1个S原子SF6，分子直径（水的分子直径3.4A）。

SF6气体密度高，分子量146/m3。

（空气28/m3，O2 32/m3）SF6气体密度是空气的5.1倍。

SF6气体是无色、无味、不燃、无毒性的气体。

SF6气体很容易液化，当温度在－40℃时压力到0.5Mpa、温度在10℃时压力到2Mpa 就会液化。

2、电气特性：SF 6气体绝缘强度是空气的2.5倍，在0.3Mpa 压力时，绝缘性能可达到变压器油的水平。

SF 6气体为卤素族化合物，具有很强的负电性，能吸附自由电子，生成负离子。

负离子质量大、活泼性差，因此是很好的绝缘材料。

3、SF 6气体的导热特性：散热方式a.传导SF 6＜空气；b.对流（气体散热主要方式）SF 6＞空气，当温度达到2000℃ ~3000℃导热率很高，3000℃ ~ 6000℃导热率很差（见图1）。

由于特殊的导热性能和电弧温度分布情况相对应（电弧的导电区外围弧焰区温度2000℃ ~ 3000℃，弧芯导电区温度5000℃ ~ 6000℃），使弧隙间的弧柱直径很细，对熄弧非常有利。

因此SF 6气体具有良好的灭弧性能。

图1 SF6和空气在高温下的导热率另外SF 6气体的负电性：由于电弧作用产生游离SF 6 电压SF 6+e ， +SF 6扑捉电子产生吸附作用SF 6+e SF 6，带正、负电荷的SF 6进行复合SF 6+ SF 6 2SF 6。

因此SF 6气体具有良好的灭弧性能。

－+VSF6气体的绝缘强度在不均匀电场中将会降低很多，如果有电晕放电，将会使绝缘被击穿，因此SF6气室内不允许产生电晕。

在均匀电场中的击穿电压与SF6气体的压力成正比。

两电极的间隙只有在很小范围内间隙距离与击穿电压成正比，到一定距离后，就是加大距离也不能提高击穿电压（图2），因此SF6断路器的开距一般都不大，220KV开关定开距的只有30mm V左右，变开距的也只有80~100mm。