3章-灭弧原理及开关电器
第三章灭弧原理及主要开关电器x
提高灭弧效率的方法包 括优化开关电器的结构 设计、采用新型灭弧材 料和加强电场控制等
定义：一种能够接通、承载和分断正常电路条件下的电流，也能在规定的非正常 电路条件下接通、承载一定时间和分断电流的开关电器。
作用：主要用于控制和保护线路、电动机等电气设备，防止短路和过载电流对设 备造成损坏。
工作原理：断路器内部装有触头，当电路发生短路或过载时，触头会断开，切断 电流，从而保护电路和设备。
狭缝灭弧装置：利用狭缝对电弧的冷却和去游离作用，使电弧迅速熄灭。
适用性：根据使用环境和需求选择合适的开关电器
可靠性：确保开关电器能够稳定、可靠地工作
经济性：在满足使用和安全要求的前提下，选择性价比高的开关电器
安全性：选择符合安全标准的开关电器，确保使用过程中不会发生电击、火灾等安全事 故
熄灭
快速切断电流： 通过快速切断 电源来迅速熄
灭电弧
触头在分断过程中产生电弧 电弧在介质中传播，产生热量 触头附近的介质被加热，产生高压气体 高压气体将电弧吹离触头，使电弧熄灭
灭弧效率与开关电 器的性能密切相关
灭弧效率的提高有 助于减小电弧对开 关电器的损害
灭弧效率的评估指 标包括灭弧时间、 灭弧能量和电弧电 压等
主要特点：具有控制容 量大、可频繁操作、寿 命长等优点，但也有噪 音大、体积大等缺点。
应用场合：广泛应 用于电动机的控制 和保护，以及其他 各种电气控制系统。
熔断器是一种用于电路保护的开关电器 当电流超过规定值时，熔断器会因发热而熔断 熔断器具有短路保护功能，可以快速切断故障电路 熔断器的选择应考虑电路的额定电流和短路电流
灭弧原理：断路器在分断电路时会产生电弧，为了熄灭电弧，断路器内部装有灭 弧室或灭弧装置，通过拉长电弧并增加介质强度来熄灭电弧。
灭弧原理及主要开关电器
交流电弧电流在每一个半周内都通过零值，此时电弧的自然暂时熄灭，与电弧间 隙的去游离程度无关。此后，由于电流反向，电弧又重新点燃。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，都可以促使电弧熄灭。
在几千伏或几万伏的高压断路器中灭弧，近阴极效应是无足轻重的。 有决定意 义的是电弧间隙即弧柱中的去游离过程，同时降低恢复电压上升的速度、幅度，抑制 恢复电压可能产生的高频振荡。
广泛采用的灭弧方法：
1.利用灭弧介质 电弧中的去游离程度，在很大程度上取决于电弧周围介质的特性，如介质的传热
能力、介电强度、热游温度和热容量。这些参数的数值越大，则去游离作用越强，电 弧就越容易熄灭。
空气的灭弧性能是各类气体中最差的，氢的灭弧能力是空气的7.5倍。用变压器 油作灭弧介质，使绝缘油在电弧的高温作用下分解出氢气和其他气体来灭弧。六氟化 硫（SF6）气体的灭弧能力比空气约强100倍。真空的介质强度比空气约大15倍。
采用不同灭弧介质可以制成不同类型的断路器，如空气断路器、油断路器、SF6 断路器、真空断路器等。由于空气灭弧性能差，而变压器油灭弧性能是依赖电弧电流 产生的高温分解出氢气灭弧，有易燃易爆危险。因此，当前高压断路器主要采用真空 介质及SF6气体介质，尤其是SF6气体具有无毒、不可燃、绝缘性能高和灭弧能力远 超过一般介质的特点，因而SF6断路器几乎独占了110kV及以上电压等级的断路器份 额。 2.采用特殊金属材料作灭弧触头
采用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属作触头材料，可以减少热电子发 射和电弧中的金属蒸气，抑制弧隙介质的游离作用。同时，触头材料还要求有较高的 抗电弧、抗熔焊能力。常用的触头材料有铜、钨合金和银、钨合金等。
开关电器典型灭弧装置的工作原理
开关电器典型灭弧装置的工作原理开关电器作为现代电力系统中不可或缺的设备，在电力传输、配电和控制等方面扮演着重要的角色。
然而，在开关电器操作过程中，由于电流突然中断导致的电弧现象给电气设备和人身安全带来了巨大威胁。
为了解决这一问题，开关电器通常配备典型的灭弧装置，本文将介绍几种常见的灭弧装置及其工作原理。
一、消弧室消弧室是一种常见的灭弧装置，其结构特点在于采用开合时间大于或等于交流电流的零电压时长的方式实现电流零交流时消弧。
消弧室通常由两个可移动式电极、一定形状的可移动式活动触头和一定的灭弧介质组成。
当开关电器需要切断电流时，电极分开，触头与电极之间产生电弧。
随后，活动触头以合适的速度向电极移动，当电流通过零时，电极再次接近，最终将电弧排除在灭弧室中，从而实现消弧的目的。
二、磁增强器磁增强器是一种常用的灭弧装置，其原理基于磁场的作用。
磁增强器由线圈和磁芯组成，线圈连接在控制回路中。
当开关电器需要断开电流时，线圈中的电流流过，产生磁场。
磁场的作用使得电弧的移动受到约束，由于磁场的强大作用，电弧失去能量，电流被迫中断。
磁增强器通过这种方式有效地灭弧，确保了设备的安全和可靠性。
三、灭弧腔灭弧腔是一种常见的灭弧装置，其工作原理基于高速喷射气流。
灭弧腔通常由喷口、喷嘴和气体压力调节装置组成。
当开关电器需要切断电流时，喷射装置快速喷射高压气流，形成高速气流。
电弧在高速气流的作用下，受到气流的冷却和扩散，导致电弧能量不断减弱，最终熄灭。
灭弧腔通过喷射气流的方式实现灭弧，有效地保护了开关电器和附近设备的安全。
四、真空灭弧室真空灭弧室是一种高效的灭弧装置，其工作原理基于在真空环境中切断电流。
真空灭弧室由真空室、固定触头和活动触头以及灭弧介质组成。
当开关电器需要中断电流时，固定触头和活动触头分离并产生电弧。
在真空环境中，电弧的扩散速度受到限制，由于缺乏物质传递热量，电弧能量迅速耗散，最终中断电流。
真空灭弧室通过创造真空环境实现高效的灭弧效果，广泛应用于高压开关设备中。
开关电器灭弧原理
开关电器灭弧原理开关电器灭弧原理是保证开关电器能够安全可靠地切断或接通电路的重要机制。
在开关电器切断或接通电路时，由于断开或接触的两个电极中断电弧的产生，这种电弧如果不得到有效的控制，就会给电器设备和人身安全带来严重威胁。
因此，灭弧原理是开关电器设计和运行的重要内容。
一、灭弧原理概述灭弧，即将电弧在安全且稳定的条件下熄灭或压制到一定程度，使其不再对开断或接通电路产生影响。
灭弧原理的基本要求是要求电弧的能量得到控制，从而确保电弧不会破坏电器设备和导线绝缘，并且不会对操作人员造成伤害。
二、灭弧原理分类按照灭弧原理的不同机制，可以将灭弧分为以下几类：1.空气灭弧原理：通过空气的强制流动或拉长电弧长度的方式，使电弧能量耗散，达到灭弧的目的。
常见的空气灭弧原理有磁吹灭弧和液压灭弧等。
2.气体灭弧原理：通过在电弧周围加入特定气体以改变电弧特性，从而控制电弧的能量耗散和熄灭。
常见的气体灭弧原理有气体断流器和充气式断路器等。
3.真空灭弧原理：通过将开关装置内的气体抽空，形成真空环境，从而提高电弧阻断能力和灭弧效果。
真空灭弧原理的例子包括真空断路器和真空开关等。
4.粉末灭弧原理：将特定的灭弧粉末投入到电弧中，通过灭弧粉末的物理、化学反应来降低电弧能量和灭弧。
粉末灭弧原理的代表有高压直流断路器。
1.磁吹灭弧原理：磁吹灭弧原理是通过在电弧产生后在电弧路径上施加强制的磁场，使电弧弯曲和膨胀，从而扩大电弧长度。
这样电弧中的等离子体能量耗散迅速，达到灭弧的效果。
磁吹灭弧原理广泛应用于空气断路器和真空断路器中。
2.液压灭弧原理：液压灭弧原理是通过将液体介质射入电弧中，使电弧弯曲和冷却，从而压制和灭弧。
液压灭弧器在高压直流断路器和气体断流器等开关电器中得到应用。
3.充气式断路器：充气式断路器是通过在电弧路径中注入高压气体，使电弧得到压制和灭弧。
充气式断路器通过调节注气量和压力来控制灭弧效果。
这种原理用于高压开关设备。
4.真空断路器和真空开关：真空断路器和真空开关是通过在开关装置内部建立真空环境来实现灭弧的。
开关电器典型灭弧装置的工作原理
开关电器典型灭弧装置的工作原理开关电器典型灭弧装置主要包括灭弧室、灭弧冲击器、灭弧剂和触头等组成。
当高压开关进行断电操作时，由于断开电源电流的存在，会在断口中产生电弧。
电弧是一种具有高温、高能量的气体导体，它的存在会导致电弧残压和电弧残流产生，严重影响开关电器的正常运行。
因此，通过灭弧装置来迅速灭除电弧是很重要的。
灭弧室是灭弧装置的关键组成部分，它是一个密闭的空间，其内的气体是由开关电器冷却系统提供的。
当电弧被引起时，其能量迅速传递到灭弧室中。
灭弧室内的气体经过一个精确设计的通道，使气体得以迅速冷却和扩散，在瞬间将电弧的温度降低到无法维持的程度，从而将电弧熄灭。
灭弧冲击器是灭弧室的核心部分，它通过产生机械冲击来灭除电弧。
灭弧冲击器的工作原理主要有两种方式：压缩气体方式和磁场作用方式。
压缩气体方式中，灭弧冲击器利用高压气体或压缩空气来产生机械冲击，将电弧的能量转化为机械能。
具体而言，当电弧被引起时，压缩气体或气体爆炸会产生冲击波，使电弧受到冲击而熄灭。
这种方式具有动作迅速、可靠性高的特点。
磁场作用方式中，灭弧冲击器利用电磁场的作用来灭除电弧。
具体而言，当电弧被引起时，灭弧冲击器中的线圈会产生磁场，在磁力的作用下，电弧受到磁力的挤压，电弧道被迅速拉长，电弧温度急剧降低，进而熄灭。
这种方式具有无须压缩气体的优点，但需要较大的电流来产生足够强的磁场。
除了灭弧冲击器，灭弧装置中的灭弧剂也起到重要作用。
灭弧剂是一种特殊的介质，能够吸收电弧的能量，并将其转化为其他形式的能量，如光能、声能和热能等。
常用的灭弧剂有光弧熄灭剂、喷雾熄弧剂等。
灭弧剂的作用是在灭弧过程中将电弧的能量迅速消耗掉，从而使电弧迅速熄灭，确保高压开关电器正常断路。
除了上述灭弧装置的主要组成部分外，还有一些辅助设备，如触头等。
触头主要用于控制开关电器的通断操作，通常是由导电材料制成，具有较好的导电性能和机械强度。
通过以上介绍可知，开关电器典型灭弧装置的工作原理是通过将电弧能量迅速转化为其他形式的能量，达到灭除电弧的目的。
开关的灭弧原理
开关的灭弧原理
开关的灭弧原理是通过特定的构造和材料选择来消除或减小断开电流时产生的电弧。
灭弧过程中有以下几个主要的原理：
1. 空气扩散灭弧原理：在断开电路时，电流导体间的间隙会产生弧光。
通过增大电流间的间隙，例如使用均匀分布和绝缘性能较好的材料，可以提高空气在间隙中的自然对流和扩散效果，使电弧能够自然扩散并熄灭。
2. 磁场强制灭弧原理：在开关内部有特定的电磁线圈或磁场辅助装置，当电流降至断开值时，磁场会产生一个恒定的力，将弧光强制移动到较长的电弧室或电弧盘中。
这样可以减少弧光对金属接点的烧蚀，提高开关的寿命。
3. 中性点过零灭弧原理：某些开关设计中，电流降至零时，可使电弧在金属接点之间熄灭。
这一原理适用于交流开关，通过合理设置断开点的位置和结构，可以在电流过零时破坏电弧形成的电路并实现快速灭弧。
4. 高速断开灭弧原理：快速断开电路可以减小电弧的持续时间和能量，从而减小对开关和电气设备的损伤。
高速断开可以通过设计断开部件的特殊构造和预压机构来实现，确保迅速分离接触器，同时限制电弧的能量传播。
上述原理的应用可以减小电弧的产生和影响，保持开关的正常运行，提高开关的安全性和可靠性。
但具体的设计和实施方式会因不同类型的开关而有所不同。
开关电器灭弧原理
开关电器灭弧原理开关电器主要用于控制电力系统中的电流，常用于开断电路中的负载电流。
在开关操作时，由于电流的存在，容易产生电弧，电弧会造成电器设备的损坏和短路等严重后果。
为了有效地避免电弧的产生和减小其对电器设备的危害，开关电器要具备灭弧功能。
灭弧原理主要包括了以下几个方面：1.快速分离快速分离是灭弧过程中的重要步骤，通过迅速分离开关触点，使得电弧路径拉长并被截断，从而有效地控制和消除电弧。
2.电磁吹弧电磁吹弧是一种常用的灭弧原理，通过电磁力将电弧移动到一个特定的区域，使其失去能量进而熄灭。
电磁吹弧装置一般由电磁线圈和吹气装置组成，电磁线圈产生磁场，吹气装置将气流送到电弧区域，通过电磁力和气流的共同作用，将电弧吹灭。
3.喷雾灭弧喷雾灭弧原理是利用高压喷射的液体或气体来吹灭电弧。
当电弧产生时，喷雾装置会将喷雾剂喷射到电弧区域，喷雾剂会瞬间蒸发，生成高压气体或液体冷却电弧，使其熄灭。
4.空气灭弧空气灭弧原理是利用高速流动的空气将电弧吹灭。
当开关触点分离时，电弧产生，同时启动空气灭弧装置，通过高速流动的空气将电弧吹灭。
5.液体灭弧液体灭弧原理是利用液体对电弧进行冷却和吸收能量，使其失去运动能量而熄灭。
液体灭弧主要使用矿油或硅油等绝缘材料进行灭弧。
6.气体灭弧气体灭弧原理是利用高纯度的惰性气体对电弧进行灭弧。
当电弧产生时，气体灭弧装置将惰性气体喷入电弧区域，气体会吸收电弧能量并抑制电弧继续燃烧，从而实现灭弧。
综上所述，灭弧原理主要包括快速分离、电磁吹弧、喷雾灭弧、空气灭弧、液体灭弧和气体灭弧等。
不同的灭弧原理适用于不同的开关电器和工作环境，通过选择合适的灭弧原理可以有效地控制和消除电弧，确保电器设备的安全运行。
开关电器典型灭弧装置的工作原理
开关电器典型灭弧装置的工作原理开关电器是现代电力系统中常见的重要设备，用于控制和保护电路的正常运行。
然而，当开关电器断开电路时，由于电流的存在，会产生电弧。
电弧是一种高温、高能量的放电现象，可能导致开关电器和周围设备的损坏，甚至引发火灾。
为了解决这一问题，开关电器通常配备了灭弧装置，用于有效地灭除电弧。
本文将介绍几种典型的灭弧装置，并详细阐述它们的工作原理。
1.磁场励磁式灭弧装置磁场励磁式灭弧装置是早期开关电器常用的一种灭弧装置。
其工作原理基于利用磁场力使电弧受到扰动和削弱，最终断开电路。
该装置由励磁线圈和灭弧室组成。
当电流突然改变时，励磁线圈产生瞬时磁场，使电弧受到力的作用被迫向上或向下偏离电弧通道，产生较大的接触电阻。
随着电弧接触电阻的增加，电流逐渐减小，直到达到灭弧的程度，电弧熄灭，断开电路。
2.气体灭弧装置气体灭弧装置是当前开关电器中常用的一种灭弧装置。
常见的气体灭弧装置有二氧化硫灭弧室和空气灭弧室等。
其工作原理都是基于将电弧引导到灭弧室中，通过气体的快速喷射和冷却来灭除电弧。
当电弧产生时，灭弧室内的气流会迅速形成一个狭窄的通道，将电弧束约束在其中。
气体喷射的速度和方向可以使电弧冷却和消散，从而使电弧的能量逐渐减小，最终使电弧熄灭。
3.油膜灭弧装置油膜灭弧装置是一种利用油膜扩散和冷却电弧的灭弧装置。
常见的油膜灭弧装置有油膜式断路器等。
其工作原理是通过在电弧通道上形成一层均匀的油膜，使电弧受到冷却和扩散。
电弧通道中的电流和电弧能量会将润滑油加热并将其蒸发，蒸汽进一步冷却和吸收电弧能量，使电弧迅速衰减。
油膜的扩散和吸热过程使电弧通道的电阻迅速增加，从而阻止了电流的进一步流动，实现了灭弧的效果。
4.固体灭弧装置固体灭弧装置是一种利用特殊的材料来抑制电弧的灭弧装置。
常见的固体灭弧装置有石英灭弧室和陶瓷灭弧室等。
其工作原理是电弧通过灭弧室时，固体材料产生的热量和气体使电弧温度骤然升高，从而使电弧失去能量。
4 电弧的产生和熄灭
一、电弧的危害和特点 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。 现象：开关电器开断电路时，触头间产生耀眼的白光。 电弧的存在说明电路中有电流，只有当电弧熄灭，触头 间隙成为绝缘介质时，电路才算断开。
一、电弧的危害和特点
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
谢谢
温度较低，亮度明显减弱的部分叫弧焰，电流几乎都从弧柱内
部流过。
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
3、吹弧 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。
开关电弧的基本知识与各种灭弧方法的原理断路器
开关电弧的基本学问与各种灭弧方法的原理 - 断路器断路器切断通有电流的回路时，只要电源电压大于10～20V，电流大于80～100mA，在动、静触头分开瞬间，触头间隙就会消灭电弧。
此时，触头虽然已分开，但是电路中的电流还在连续流通，只有熄灭电弧，电路才真正断开。
本节介绍开关电弧的基本学问与各种灭弧方法的原理。
电弧的产生和维持是触头间隙的绝缘介质的中性质点(分子和原子)被游离的结果，游离是指中性质点转化为带电质点。
电弧的形成过程就是气态介质或液态介质高温气化后的气态介质向等离子体态的转化过程。
因此，电弧是一种游离气体的放电现象。
强电场放射是触头间隙最初产生电子的主要缘由。
在触头刚分开的瞬间，间隙很小，间隙的电场强度很大，阴极表面的电子被电场力拉出而进入触头间隙成为自由电子。
电弧的产生是碰撞游离所致。
阴极表面放射的电子和触头间隙原有的少数电子在强电场作用下，加速向阳极移动，并积累动能，当具有足够大动能的电子与介质的中性质点相碰撞时，产生正离子与新的自由电子，这种现象不断发生的结果，使触头间隙中的电子与正离子大量增加，它们定向移动形成电流，介质强度急剧下降，间隙被击穿，电流急剧增大，消灭光效应和热效应而形成电弧。
热游离维持电弧的燃烧。
电弧形成后，弧隙温度剧增，可达6000℃～在中性质点发生游离的同时，还存在着使带电质点不断削减的去游离。
去游离的主要形式是复合与集中。
复合是异性带电质点彼此的中和。
复合速率与下列因素有关：1)带电质点浓度越大，复合机率越高。
当电弧电流肯定时，弧截面越小或介质压力越大，带电质点浓度也越大，复合就强。
故断路器接受小直径的灭弧室，可以提高弧隙带电质点的浓度，增加灭弧性能；2)电弧温度越低，带电质点运动速度越慢，复合就简洁。
故加强电弧冷却，能促进复合。
在沟通电弧中，当电流接近零时，弧隙温度骤降，此时复合特殊猛烈；3)弧隙电场强度小，带电质点运动速度慢，复合的可能性就增大。
所以提高断路器的开断速度，对复合有利。
章 灭弧原理及开关电器
结论
通常，对中性点直接接地系统，两相接地断路及单 相接地故障时的工频恢复电压均较三相接地故障为低， 且认为三相直接短路的机会较少，故根据三相接地短路 时的故障，取首先开断相开断系数为1.3；
而对中性点不接地系统，一般以三相短路故障（接 地或不接地都相同）为最高，即首先开断相开断系数为 1.5。若计及在中性点不接地系统中的异地两相接地故 障，则计算短路电流开断相的工频恢复电压最大值， K1=1.73。该异地两相接地故障，通常是单相接地故障 的继发故障，且接地故障发生在断路器的不同侧的两相 处。
Ur(t)
Ur(t)
Ur(t)
o t1
to
to
t
介质强度和弧隙电压的恢复过程
(a)在t1时刻发生 击穿，电弧重燃
(b)电弧熄灭
(c)电弧熄灭
第二节 切断交流电路时电压的恢复过程
一、弧隙电压恢复过程分析 u
U0
Ur 非周期性
Ur0
t
u
2U0
1
U0
2 周期性
Ur0
t
结论：
1）当触头间并联电阻r<rcr时，电压恢复过程为非周期性； 当r>rcr时，电压恢复过程为周期性。
3. 利用灭弧介质或电流磁场吹动电弧。吹弧使带电离子扩散和强烈地冷 却而复合。在高压断路器中利用各种结构形式的灭弧室，使气体或油 产生巨大的压力并有力的吹向弧隙。有纵吹，横吹，纵、横混合吹弧 或环吹方式。
4. 采用多断口熄弧（1）多断口将电弧分割成多段，在相同触头行程下， 增加了电弧的总长度，弧隙电阻迅速增大，介质强度恢复速度加快。
第三节 交流电弧熄灭的基本方法
1. 利用灭弧介质。介质的传热能力、介电强度、热游温度和热容量等参 数的数值越大，则去游离作用越强，电弧就越容易熄灭。采用不同介 质可以制成不同类型的断路器，如空气断路器，油断路器、SF6断路器， 真空断路器等。
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
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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
第三章灭弧原理
（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， 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 电子在电场力的作用下高速向阳极运动 过程中不断地与中性质点（原子或分子）发生碰撞。 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 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， 游离，这一过程称为碰撞游离 碰撞游离。 游离，这一过程称为碰撞游离。
第三章 电弧及电气触头的基本理论
第一节 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， 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 触头之间就会产生强烈的白光，称为电弧。 后，触头之间就会产生强烈的白光，称为电弧。电弧是一种气体游离放 带电质点）现象。电弧的存在说明电路中有电流，只有当电弧熄灭， 电（带电质点）现象。电弧的存在说明电路中有电流，只有当电弧熄灭， 触头间隙成为绝缘介质时，电路才算断开。开关触点间的电压为10~20V， 触头间隙成为绝缘介质时，电路才算断开。开关触点间的电压为 ， 电流为80~100mA断开电路时，即可产生电弧。例如：断路器要开断 断开电路时， 电流为 断开电路时 即可产生电弧。例如： 1500V，电流为 的电路时， ，电流为1500-2000A的电路时，产生电弧，这些电弧可拉长至 的电路时 产生电弧，这些电弧可拉长至2m 仍然继续燃烧不熄灭，对人员及设备都可能产生重大危害和损失。 仍然继续燃烧不熄灭，对人员及设备都可能产生重大危害和损失。故灭 弧是高压断路器必须解决的问题。 弧是高压断路器必须解决的问题。 灭弧的原理主要是冷却电弧减弱热游离，另一方面通过吹弧拉长电 灭弧的原理主要是冷却电弧减弱热游离， 弧加强带电粒子的复合和扩散，同时把弧隙中的带电粒子吹散， 弧加强带电粒子的复合和扩散，同时把弧隙中的带电粒子吹散，迅速恢 复介质的绝缘强度。 复介质的绝缘强度。
开关电器典型灭弧装置的工作原理
开关电器典型灭弧装置的工作原理
灭弧装置，又称回路接地装置，是电器开关和控制设备配套使用的继
电器，准确地说，它是一种高压开关，具有自动接地保护功能的开关装置，用于控制和保护电力系统。
它能够自动检测系统发生异常，然后将系统的
回路接地，从而消除系统中的火花和灼热，以起到保护和控制的作用。
灭弧装置的工作原理是：当电器发生故障抬开跳闸时，会产生电弧，
引起电力系统失流，电弧所产生的热量会将电气设备的绝缘介质变质，可
能造成短路，致使电器回路发生短暂的失火现象，从而引起大量的无功功
率及谐波。
为了防止电器发生短暂失火现象，必须将系统的回路接地，及
时排出谐波，这就是灭弧装置的机理。
灭弧装置的主要由熔断器、射灯、熔丝、调整器、变压器、接触器、
电阻器等组成。
当故障发生时，由于电弧的出现，熔丝瞬间熔断，射灯受
到弧光刺激，向开关本身发出信号，接触器被触动，使开关本身发出的开
关命令无效，从而消除电弧，从而起到保护和控制的作用。
熔断器是灭弧装置的一个重要部件，它在发生异常时，可以瞬间熔断，阻断回路中电流的流动，产生保护功能，防止回路出现过载、短路的情况。
3章-灭弧原理及开关电器
三、电弧的特性及灭弧的基本原理
1. 交流电弧的特点
过零自然熄灭：在电弧电流自然过零时，电弧向弧隙输送 能量减少，电弧温度和热游离下降，电弧将自动熄灭。
动态伏安特性
当电流过零，工频恢复电压瞬时值为U0=Umsinφ。通常 短路时，功率因数很低，一般cosφ<0.15，所以sinφ≈1。
U0=Umsinφ≈Um 即起始工频恢复电压，近似地等于电源电压最大值。
2. 开断中性点不直接接地系统中的三相短路电路
三相交流电路中，各相电流过零时间不同，因此，断 路器在开断三相电路时，电弧电流过零便有先后。先过零 的一相电弧熄灭，此相称为首先开断相。
介质强度恢复过程曲线
1-真空；2-SF6；3-空气；4-油
近阴极效应:在电流过零 瞬间，介质强度突然升高
2）弧隙电压恢复过程：
是指电弧电压自然过零后，电源施加于弧隙的电压， 将从不大的电弧熄灭电压逐渐增长，一直恢复到电源电 压的过程，这一过程的弧隙电压称为恢复电压，以Ur(t) 表示。
电压恢复过程主要取决于系统电路的参数，即线路 参数、负荷性质等，可能是周期性的或非周期性的变化 过程。
熄灭电弧的条件应为耐受电压Ud（t）大于恢复电压Ur（t）。
Ud(t)>Ur(t)
如果电源恢复电压高于介质强度耐受电压，弧隙就被 电击穿，电弧重燃；反之，电弧便熄灭。
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Ud(t)
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Ud(t)
Ur(t)
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Ur(t)
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totΒιβλιοθήκη 介质强度和弧隙电压的恢复过程
第三章 灭弧原理及主要开关电器 3 5
射和电弧中的金属蒸气，抑制弧隙介质的游离作用。同时，触头材料还要求有较高的 抗电弧、抗熔焊能力。常用的触头材料有铜、钨合金和银、钨合金等。
3.采用灭弧介质或电流磁场吹动拉长与冷却电弧
在高压断路器中利用各种结构形式的灭弧室，使气体或油产生巨大的压力并有力 地吹向弧隙，将使带电离子扩散和强烈地冷却而复合。空气断路器利用充入压力约为 2.3MPa的干燥压缩空气作为吹动电弧的灭弧介质。SF6断路器利用压力为0.3～ 0.7MPa的纯净SF6气体作为灭弧介质在灭弧室吹动电弧，油断路器利用油和油在电弧
熄弧时的过电压，通常在大容量发电机出口断路器及110kV以上的高压断路器，特别
是特高压断路器上的断口处加装并联电阻，如图3-11所示。
图3-11 分、合闸并联电阻滞后分断和提前关合的动作原理
分闸时，主触头先打开，由于有并联电阻接入，不仅使主触头间产生的电弧容易 熄灭，而且使恢复电压的数值及上升速度都降低，并联电阻对电路的振荡过程起阻尼 作用，可能使振荡过程变成非周期振荡过程，从而抑制了过电压，当主触头间电弧熄 灭后，辅助触点打开，完全开断电路。合闸时，顺序相反，辅助触点先合，让其预合 在电阻性负荷上，然后合上主触头，避免合闸过电压。
图3-25 混合压气式灭弧室原理示意图 （a）开断初期；（b）开断过程中
4.配置大功率高性能的操动机构
由于特高压断路器灭弧室运动质量大，且要求分闸速度高，操作过程中传动及支 撑部分都受到较大冲击力，并且要满足5000次机械寿命要求。因而，操动机构必须大 功率、平稳可靠。为满足特高压电网对开断的系统稳定性及操作过电压水平的要求， 操动机构还必须能快速响应，同时分、合闸速度具有可调性能。
特高压断路器首先要求应能满足特高压电网大容量短路电流的开断能力，保证能
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3. 游离：电弧的产生及维持是触头绝缘介质的中性质点（分 子和原子）被游离的结果，游离就是中性质点转换为带 电质点。电弧的形成过程就是气态介质或固态、液态介 质高温气化后向等离子体态转化过程。 电弧是一种游离的气体放电现象。
能量集中，温度很高，亮度很强
＋
静触头
电弧由三部分组成： 阴极区、阳极区和弧柱区
加装均压电容，来解决各断口的电压分配不均衡的问题：
（1）不装均压电容时 断口等效电抗： X Q 1 /(CQ ) 两断口连接处对地的 等效电抗： X 0 1 /(C 0 )
分配在两断口上的电压为(CQ ≈ C0 ) ：
XQ CQ C 0 2 U1 U U U X Q X Q // X 0 2CQ C 0 3 X Q // X 0 CQ 1 U2 U U U X Q X Q // X 0 2CQ C 0 3
电弧形成小结
①自由电子的来源 (即游离方式)
电极发射大量自由电子：热电子+强电场发射 弧柱区的气体游离：碰撞游离+热游离
②电弧的形成
阴极发射 热电子、强电场发射
加速 磁撞游离 温度 热游离 电弧
其中：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
断路器加装并联电阻
通常断路器触头间通过辅助触头接入几欧到几十欧 的低值并联电阻，使主触头间产生的电弧电流被分流或 限制，使电弧容易熄灭，而且使恢复电压的数值及上升 速度都降低，同时使可能的振荡过程变为非周期振荡， 从而抑制了过电压的产生。
二、不同短路类型对断路器开断能力的影响 1. 开断中性点直接接地系统中的单相短路电路
1-真空；2-SF6；3-空气；4-油
近阴极效应:在电流过零 瞬间，介质强度突然升高
2）弧隙电压恢复过程：
是指电弧电压自然过零后，电源施加于弧隙的电压， 将从不大的电弧熄灭电压逐渐增长，一直恢复到电源电 压的过程，这一过程的弧隙电压称为恢复电压，以Ur(t) 表示。 电压恢复过程主要取决于系统电路的参数，即线路 参数、负荷性质等，可能是周期性的或非周期性的变化 过程。
可以看出，第一个断口的工作条件比第二个要恶劣，如其 电弧不能熄灭，电压将全部加在第二断口上，它也将被击穿。
（2）在断口上并联均压电容C 时 C=2000pF，远大于C0 (几十pF)，则
U1
(C Q C ) C 0 2(C Q C ) C 0
U
CQ C 2(C Q C )
U
1 U 2
U2
CQ C 2(C Q C ) C 0
U
CQ C 2(C Q C )
U
1 U 2
可见并联均压电 容后，断口上的电 压分布均匀，在 i 过 零后，两断口上的 电弧可以同时熄灭。
5. 提高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，使电弧的表面积突然增大，有利于电弧 的冷却和带电质点向周围介质中扩散和离子复合。为此，在 高压断路器中都装有强有力的分闸机构。 6. 断路器复过程分析
u
U0
Ur
非周期性
Ur0
t
u
2U0 U0 1 2
周期性
Ur0
t
结论：
1）当触头间并联电阻r<rcr时，电压恢复过程为非周期性； 当r>rcr时，电压恢复过程为周期性。
1 L rcr 2 C
2）弧隙电压恢复过程，取决于电路的参数，而触头两端的并 联电阻可以改变恢复电压的特性。当并联电阻的数值低于 临界电阻时，将把具有周期振荡特性的恢复电压过程转变 为非周期性恢复过程，从而，大大降低恢复电压的幅值和 恢复速度，相应的可增加断路器的开断能力。
而对中性点不接地系统，一般以三相短路故障（接 地或不接地都相同）为最高，即首先开断相开断系数为 1.5 。若计及在中性点不接地系统中的异地两相接地故 障，则计算短路电流开断相的工频恢复电压最大值， K1=1.73 。该异地两相接地故障，通常是单相接地故障 的继发故障，且接地故障发生在断路器的不同侧的两相 处。
第三章
灭弧原理及主要开关电器
本章主要内容
• • • • • • 电弧的形成和熄灭 切断交流电路时电压的恢复过程 交流电弧熄灭的基本方法 高压断路器原理及主要结构 特高压断路器和智能断路器 高压断路器操动机构
第一节 电弧的形成与熄灭
一、电弧的形成和弧隙介质的
游离过程
1. 普遍现象 2. 电弧的性质：物质的第四种状态——等离子体
电弧是一束游离的气体，质量极轻，容易 变形。在气体或液体的流动作用下，或在 电动力的作用下，电弧能迅速移动、伸长 或弯曲。
阳极区
弧柱区 阴极区 － 动触头
产生原因就在于在绝缘介质中出现了大量的自由电子 大量自由电子由阴极向阳极的定向运动就形成了电弧。
4. 电弧的形成（游离过程）
（1）电子发射 1）强电场电子发射：当触头刚分开时，触头间距很小，则 产生很强的电场强度（3×106V/m以上），阴极表面的电 子会被电场力拉出而形成触头空间的自由电子。 2）热电子发射：触头分离瞬间，接触电阻突然加大而产生 的高温及气体燃烧，使阴极表面出现强烈的炽热点，将阴 极金属材料内的大量电子不断逸出金属表面；
1 U NN U AB U BC 2
1.5U A
1 U NN U AB U BC 1.5U A 2
可见，A相开断后断口上的工频恢复电压为相电压的 1.5倍。在A相熄弧之后，经过0.005s（电角度90°）后， B、C 两相的短路电流同时过零，电弧同时熄灭，在B、 C 两相弧隙上，每个断口将承受线电压的一半，即0.866 倍相电压。 断路器开断三相电路时，首先开断相的恢复电压为 最大。所以，断口电弧的熄灭，关键在于首先开断相。 但是，后继开断相，燃弧时间将比首先开断相延长0.005s， 相对来讲，电弧能量又较大，因而可能使触头烧坏、喷 油、喷气等现象比首先开断相更为严重。
二、电弧间隙的去游离
1）复合去游离：是指正离子和负离子相互吸引，结合在一起， 电荷相互中和的过程。两异号电荷要在一定时间内、处在很 近的范围内才能完成复合过程，两者相对速度越大，复合可 能性就越小。 2）扩散去游离：是指带电质点从电弧内部逸出而进入周围 介质中的现象。两种形式：①浓度扩散，带电质点将会由浓 度高的弧道向浓度低的弧道周围扩散；②温度扩散，弧道中 的高温带电质点将向温度低的周围介质中扩散。 游离过程＞去游离过程：电弧电流增大，炽热燃烧 游离过程＝去游离过程：电弧电流不变，稳定燃烧
游离过程＜去游离过程：电弧电流减小，最终熄灭
三、电弧的特性及灭弧的基本原理
1. 交流电弧的特点
过零自然熄灭：在电弧电流自然过零时，电弧向弧隙输送 能量减少，电弧温度和热游离下降，电弧将自动熄灭。 动态伏安特性
ua
A
i
B
ua
A点：燃弧电压
O
i
t
B点：熄弧电压
a)
b)
电弧的热惯性 ----交流电弧温度的变化滞后于电流的变化。
主触头Q1先断开，产生电弧，因有并联电阻，恢复电压为非
周期性，降低了恢复电压的上升速度和幅值，主触头上的电弧
很快熄灭。
接着断开的辅助触头Q2，
由于r的限流和阻尼作用，辅 助触头上的电弧也容易熄灭。
第四节 高压断路器原理及主要结构
高压断路器主要功能： 正常运行时：控制作用，倒换运行方式，把设备或线路接 入电网或退出运行； 故障时：保护作用，当设备或线路发生故障时，能快速切 除故障回路，保证无故障部分正常运行。 断路器与隔离开关作用的区别： 高压断路器是开关电器中最为完善的一种，其最大特 点是能断开电器中负荷电流和短路电流。 而高压隔离开关的主要功能是保证高压电器及装置在检 修时的安全，不能用于切断、投入负荷电流或开断短路电 流，仅可允许用于不产生强大电弧的某些切换操作。
熄灭电弧的条件应为耐受电压Ud（t）大于恢复电压Ur（t）。
Ud(t)>Ur(t)
如果电源恢复电压高于介质强度耐受电压，弧隙就被 电击穿，电弧重燃；反之，电弧便熄灭。
u
Ud(t) Ur(t)
u
Ud(t)
Ur(t)
u
Ud(t)
Ur(t)
o t 1
t
o
t
o
t
介质强度和弧隙电压的恢复过程
(a)在t1时刻发生 击穿，电弧重燃 (b)电弧熄灭 (c)电弧熄灭
第三节 交流电弧熄灭的基本方法
1. 利用灭弧介质。介质的传热能力、介电强度、热游温度和热容量等参 数的数值越大，则去游离作用越强，电弧就越容易熄灭。采用不同介 质可以制成不同类型的断路器，如空气断路器，油断路器、SF6断路器， 真空断路器等。
2. 采用特殊金属材料作灭弧触头。熔点高、导热系数和热容量大的耐高 温金属做触头材料，触头材料还要求有较高的抗电弧、抗熔焊能力。 常用的触头材料有铜、钨合金和银、钨金属等。 3. 利用灭弧介质或电流磁场吹动电弧。吹弧使带电离子扩散和强烈地冷 却而复合。在高压断路器中利用各种结构形式的灭弧室，使气体或油 产生巨大的压力并有力的吹向弧隙。有纵吹，横吹，纵、横混合吹弧 或环吹方式。 4. 采用多断口熄弧（1）多断口将电弧分割成多段，在相同触头行程下， 增加了电弧的总长度，弧隙电阻迅速增大，介质强度恢复速度加快。 （2）使每个断口上的恢复电压减小，降低了恢复电压的上升速度和幅值， 提高了灭弧能力。
U prm1 K1
式中
2 U sm 0.816K1U sm 3
Usm---电网的最高运行电压； K1---首先开断相开断系数，为首先开断相的工频恢 复电压与相电压之比。
结论
通常，对中性点直接接地系统，两相接地断路及单 相接地故障时的工频恢复电压均较三相接地故障为低， 且认为三相直接短路的机会较少，故根据三相接地短路 时的故障，取首先开断相开断系数为1.3；