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

教学基本内容：

➢开关电器典型灭弧装置的工作原理

➢提高灭弧装置开断能力的辅助方法

概述

当电源电压超过数十伏、开断电流在数十安以上时，为减少电弧对触头的烧损和限制电弧扩展的空间，通常需要采取加强灭弧能力的措施，为此而采用的装置称为灭弧装置。

这些灭弧装置的灭弧原理主要有下列十几种：

1．简单开断； 2．磁吹线圈；

3．纵缝灭弧装置； 4．绝缘栅片灭弧装置；

5．金属栅片灭弧装置； 6．固体产气灭弧装置，

7．石英砂灭弧装置； 8．变压器油灭弧装置；

9．压缩空气灭弧装置； 10．SF6灭弧装置； 11．真空灭弧装置。

此外，为了增加灭弧装置的开断能力，通常可以采用下列辅助方法：

1．在弧隙两瑞并联电阻；

2. 附加同步开断装置；

3．附加晶闸管装置。

上述灭弧装置的灭弧原理是：

(1) 在大气中依靠触头分开时的机械拉长，使L增大；

(2) 利用流过导电回路或特制线圈的电流在燃弧区产生磁场，使电弧迅速移动和拉长；

（3）依靠磁场的作用，将电弧驱入用耐弧材料制成的狭缝中，以加强电弧的冷却和消电离；

(4) 用金属板将电弧分隔成许多串联的短弧；

(5) 在封闭的灭弧室中，利用电弧自身能量分解固体材料，产生气体，以提高灭弧室中的压力，或者利用产生的气体进行吹弧；

(6) 利用电弧自身能量，使变压器油分解成含有大量氢气的气体并建立起很高的压力，再利用此压力推动冷油和气体去吹弧；

(7) 利用压缩空气吹弧；

(8) 利用SF6气体吹弧；

(9) 在高真空中开断触头，利用弧隙中由电极金属蒸汽形成的弧柱在电流过零时迅速扩散的原理进行灭弧；

(10) 利用石英砂等固体颗粒介质，限制电弧直径的扩展和加强冷却。

开关电器典型灭弧装置的工作原理

一、拉长电弧

（1）大气中，利用机械拉长电弧方式的原理与图例。

电弧放长后，电弧电压就增大，其静态伏——安特性向上移动。

如下图示，除依靠触头分开拉长电弧以外，还可依靠导电回路的电流产生的磁场使电弧弯曲来拉长电弧。前者沿电弧的轴向(亦称切向)拉长电弧，后者是沿着垂直于弧轴的方向(亦称法向)拉长电弧。

依靠拉长电弧使之恰好熄灭的最短长度，称为临界长度，记为L lj。刀开关拉长电弧的例子。

(2) 利用流过导电回路的特制线圈的电流在燃弧期间产生磁场，使电弧迅速移动和拉长。

下图的b还增加了引弧角。

二、磁吹灭弧：

可用于低压直流和交流接触器中。对后者，为减少涡流损耗和避免由于钢夹板中磁通与电弧电流相位不同而产生反向电动力，铁心2上可开一槽8(如图5-4所示)或者用硅钢片叠成。

当铁心不饱和时，如果磁吹线圈的开断大电流时产生的磁场适当，则在开断小电流时将因电动力过小而引起吹弧困难。当然，也可以设计成磁吹线圈在开断小电流时产生的磁场适当。

但这样做，一方面将使磁吹线圈的匝数增加，增大了线圈体积和多用有色金属；另一方面将使开断大电流时产生的磁场过强，过强的磁场不仅会使燃弧区扩展过大和容易产生不能允许的过电压，而且因为因为在触头刚分瞬间，触头间形成的熔化金属桥可能被过大的电动力驱赶到接触区以外去，使得触头的电磨损大大增加。

为缓和上述矛盾，可以通过适当选择磁吹线圈的匝数以及铁心和钢夹板的截而积，使得开断小电流时磁场加强，在开断大电流时则由于磁路饱和而磁场不致过强。这样，电弧所受到的电动力将不再随开断电流成平方倍数地增加。

三、纵缝灭弧装置

所谓纵缝就是灭弧室的缝隙方向与电弧的轴线平行。

此灭弧装置的工作原理是利用磁吹线圈产生的磁场将电弧驱入耐弧绝缘材料(石棉、水泥、陶土等)制成的具有纵缝的灭弧室中进行灭弧。它既可用于熄灭直流电弧，也可用于熄灭交流电弧。

按缝隙的尺寸和形式，它们又分两种，如图5-5所示。图5-5a 表示一单纵缝灭弧装置的原理结构。图中，1为用耐弧绝缘材料制成的灭弧室壁，2为磁吹线圈的钢夹板，3为电弧。

通常上部缝宽小于熄灭电弧的直径。

由图5-6可见，当电流增大（横坐标向右）时，纵缝灭弧装

置中电弧的“伏—安特性”随电弧电流增加而下降的程度比自由燃弧时的“伏—安特性”下降程度要缓得多；特别当电流很大时，E可以认为是常数。

随着缝宽的减小和电弧横向运动速度的提高，电弧的“伏—安特性”也将升高，这表明灭弧能力也随之增强。

采用多纵缝可以减小电弧进入上部窄缝的阻力，在驱动电弧运动的电磁力给定时，可以采用比单纵缝灭弧室更小的缝隙。这使灭弧空壁对电弧的冷却和消电离作用更强。

多纵缝灭弧装置广泛用于低压接触器中。

四、绝缘栅片灭弧装置

灭弧装置如图5-8所示。

其中，灭弧室l中装有用耐弧绝缘材料制成的几片绝缘栅片2，栅片的边缘和电弧3的轴线垂直。

当开断电流时，在触头4和5之间产生的电弧在导电回路的磁场作用下向上运动。

由于受到绝缘栅片的阻挡，电弧弯曲成如图5-9中A~G曲线所示的形状。

当磁场的方向为垂直于纸面向里时，电弧AB、BC和CD段所受的电动力都使电弧压向绝缘栅片顶部，增大与栅片表面的接触面积，从而加强了电弧的冷却和消电离作用；而DE段所受的电动力使电弧向上拉长，更加深入栅片间隙和增加电弧与绝缘栅片的接被面积。

除此以外，电弧AB段和CD段相互作用产生一相吸电动力、CD段和EF段相互作用产生一相斥电动力，使AB、CD和EF 段压向绝缘册片；CD段和EF段对DE段相互作用也产生一相斥电动力，使DE段向上运动。

这种灭弧装置充分利用了电弧自身磁场产生的电动力。

在电弧进入栅片之后，电弧电压变高。

图5-11表示厚为2mm、片距5mm的平板形栅片的灭弧装置开断350A电流时，介质初始恢复强度U jf0和K jf与n变化的关系是不成比例。其原因，是电弧进入栅片分成很多短弧后，它们在灭弧室中的运动速度不同、运动方向也不同。

五、金属栅片(又称去离子栅)灭弧装置：

这种灭弧装置的原理构造如图5-10 a所示。

灭弧室1内部有许多由厚度为2~3mm钢板冲成的横向栅片2。栅片外表面镀铜以增大传热能力和防止钢片生锈。每一栅片冲有三角形的缺口。栅片缺口错开的作用为减少电弧初始碰到的