3章-灭弧原理及开关电器

4. 开断两相短路电路
两相短路发生在中性点直接接地系统中最为严重，工频 恢复电压可达相电压的1.3倍，其余情况均为0.866倍的相电压。
可见，断路器开断短路故障时的工频恢复电压除与 电力系统中性点接地方式、短路故障种类有关外，还因 三相开断的顺序而异，其中首先开断相的工频恢复电压 最高。 断路器首先开断相开断时工频恢复电压最大值Uprm1为
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
2. 交流电弧的熄灭条件
1）弧隙介质强度恢复过程：
是指在电弧电流过零时电弧熄灭，而弧隙的绝缘能力 要经过一定的时间恢复到绝缘的正常状态的过程，以耐受 电压Ud(t)表示。 介质强度的恢复过程与下列因素有关：
电弧电流的大小 弧隙的冷却条件（灭弧装置的结构） 灭弧介质的特性 触头分离的速度
介质强度恢复过程曲线
ห้องสมุดไป่ตู้
3. 开断中性点直接接地系统的三相接地短路电路
当系统零序阻抗与正序阻抗之比不大于 3 时，其首先开 断相恢复电压的工频分量为相电压的1.3倍。第二开断相恢复 电压的工频分量可为相电压的 1.25倍。最后开断相就变为单 相情况，恢复电压的工频分量也就是相电压。 中性点直接接地系统中，由于额定电压高，相间距离大， 一般不会出现三相直接短路，如果出现，则各相工频恢复电 压与中性点不直接接地系统中的三相短路分析结果相同，即 首先开断相开断系数仍为1.5。
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；
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
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。
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 )
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
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。
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。
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；
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 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。
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. 断路器加装并联电阻
（2）碰撞游离：电弧的形成主要是碰撞游离所致。阴极表面发 射出的电子向阳极方向运动，并不断地与其它粒子（如气体 原子、分子）发生碰撞，将中性粒子中的电子击出，游离成 正粒子和新的自由电子，碰撞游离连续进行就可能导致介质 被击穿，电流急剧增大出现光效应和热效应而形成电弧。
（3）热游离：维持电弧燃烧。由于在电弧燃烧过程中，弧柱中 的电导很大，则电位梯度很小，电子不能获得必需的位能， 于是碰撞游离已不可能。然而电弧产生之后，弧隙的温度很 高，中性质点不规则热运动速度增加，具有足够动能的相互 碰撞游离出电子和正离子。
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
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
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。
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。
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
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。
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。