201103第三章灭弧原理
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。
3-第三讲-交流电弧的过零熄灭和重燃理论和自能式灭弧室的开断原理
第三讲交流电弧的过零熄灭和重燃理论和自能式灭弧室的开断原理1.交流电流过零熄弧工业交流电每半周电流要过零一次，交流电流总是在电流过零时熄灭的，这与直流电弧不同，熄灭交流电弧比熄灭直流电弧要容易得多。
交流电弧过零的详细过程分下列两种情况来说明：1.1用图1(a)所示的电阻电路来分析。
由于电弧电压远低于电源电压，也就是说电源电压足以维持电弧燃烧而不致发生强制熄弧，因此电弧电流i与电源电压u同时过零，见图1(b)，t o是产弧时刻，此时断口间产生电弧电压U a。
由于电源电压U远远地大于电弧电压U a，电弧电流i仍近似于为正弦波，因此它与电弧电压U a同时过零。
电流过零详细情况见图2。
R(a)图2实际电弧电流i h与电弧电压u h同时过零1.2 用图3所示的电感电路来分析。
图中，u 是电源电压，令u E m COSWt , （ E m 是电源电压的幅值）,L 是分析电路中的电感，QF 表示断口，R n 表示电弧电阻，电弧电压U h i h R h （ u h 随i h 改变正负号）。
i h 是电 路电流（即电弧电流）图4表示此时电弧电流的变化曲线。
图 4中e 表示电源电压随时间变图4电感分析电路中电弧电流的变化曲线化的曲线（瞬时值），i h 是电弧电流的瞬时值。
i h 可分解为两个分量组成:个分量是滞后于电源电压 e 90。
的的正弦电源分量i量是随时间线性（假设电弧电阻是恒定值）变化的分量 E m wLi sin wt ;另一个分比(wt )， wL表示起始燃烧时刻的相位角，冗和 2 n 表示一个半波和一个周波的相位角由电路数学分析得出i h i i o实际电弧电流i h 比其正弦电流分量i 过零提前过零wt !相位角，这是由于 在电感电路中，由于有电弧压降存在而导致了实际电弧电流i h 比电弧电压U h 提前过零，其提前过零的相位角是E, E 的数值为若干卩s 至数十卩s 数量级。
电流过零详细情况见图5o图5电感分析电路中实际电弧电流i h比电弧电压u h提前过零断路器短路开断时，既有负荷电阻，又有负荷电感，负荷的功率因数是0.2左右，因此电弧电流过零的情况介于上述两种情况之间。
3.开关电器中的灭弧的原理解析
4.采用多断口灭弧 ——拉长迅速↑，行程↓， 灭弧时间↓提 高了灭弧能力 ——为使两断口电压分部均匀，装设均 27
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
5.提高断路器（开关）触头的分离速度 ——迅速拉长电弧，冷却与扩散↑
6.采用栅片灭弧装置 ——近阴极效应：交流电路电流自然过零时， 每一短弧阴极附近有150～250v介质强度。 ——将电弧吸入栅片间，分割成一串短弧，作 用于触头间的电压小于各短弧阴极介质强度 之和时，电弧熄灭。
5
3.1.3 电弧产生的条件：
1.断开电路时，触头间电压大于10～20V；电流大于80～ 100mA 2、具有大量带电质点
①电极发射大量自由电子 强电场发射——强电场力 热电子发射——高温
②电极间弧柱气体游离，产生大量的电子和离子 碰撞游离——电场力的作用，由高速运动的电子作用产生 热游离——高温（起弧），由中性质点热运动碰撞产生
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3.3.2 弧隙介质强度Uj的恢复
过程： ➢ 电流过零前——电弧的温度高，热游离强烈，弧隙
的导电性能好 ➢ 电流过零时——弧隙温度剧降，热游离减弱，弧隙
失去导电性能而恢复为绝缘介质。 ➢ 电流过零后——温度继续下降，弧隙介质电强度逐
渐回升。 （电流极性改变后的0.1～1.0秒瞬间, 有Uj=150～250V）
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3.1.5 电弧中的去游离
1.去游离：气隙中带电离子消失的过程。 2.去游离的形式 （1）复合：正、负质点相互吸引复和为中性质点 （2）扩散：将正、负质点扩散移出
开关电器中的灭弧过程就是去游离的 过程。
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电弧的特点：
➢ 电弧的放电现象是一种气体自持放电。 ➢ 电弧是一种离子通道（载流通道）：只有触头间的电弧熄灭
断路器灭弧原理
高压断路器的灭弧原理1. 油断路器的灭弧这类断路器用油作灭弧介质，电弧在油中燃烧时，油受电弧的高温作用而迅速分解、蒸发，并在电弧周围形成气泡。
能有效地冷却电弧，降低弧隙电导率，促使电弧熄灭。
在油断路器中设置了灭弧装置(室)，使油和电弧的接触紧密，气泡压力得到提高。
当灭弧室喷口打开后，气体、油和油蒸气本身形成一股气流和液流，按照具体的灭弧装置结构，可垂直于电弧横向吹弧，平行于电弧纵向吹弧或纵横结合等方式吹向电弧，对电弧实行强力有效的吹弧，这样，就加速去游离过程，缩短燃弧时间，从而提高了断路器的开断能力，电流过零时灭弧。
2. SF6断路器的灭弧SF6断路器用SF6气体作为灭弧介质。
SF6气体是理想的灭弧介质，它具有良好的热化学性与强负电性。
(1) 热化学性即SF6气体有良好的热传导特性。
由于SF6气体有较高的导热率，电弧燃烧时，弧心表面具有很高的温度梯度，冷却效果显著，所以电弧直径比较小，有利于灭弧。
同时SF6在电弧中热游离作用强烈，热分解充分，弧心存在着大量单体的S、F 及其离子等，电弧燃烧过程中，电网注入弧隙的能量比空气和油等作灭弧介质的断路器低得多。
因此，触头材料烧损较少，电弧也就比较容易熄灭。
(2) SF6气体的强负电性就是这种气体分子或原子生成负离子的倾向性强。
由电弧电离所产生的电子，被SF6气体和由它分解产生的卤族分子和原子强烈的吸附，因而带电粒子的移动性显著降低，并由于负离子与正离子极易复合还原为中性分子和原子。
因此，弧隙空间导电性的消失过程非常迅速。
弧隙电导率很快降低，从而促使电弧熄灭。
(3) 真空断路器的灭弧真空断路器应用真空作为绝缘和灭弧介质。
断路器开断时，电弧在真空灭弧室触头材料所产生的金属蒸气中燃烧，简称为真空电弧。
当开断真空电弧时，由于弧柱内外的压力与密度差别都很大，所以弧柱内的金属蒸气与带电质点会不断向外扩散。
弧柱内部处在一面向外扩散，一面处于电极不断蒸发出新质点的动态平衡中。
直流断路器的灭弧原理和灭弧过程
直流断路器的灭弧原理和灭弧过程直流断路器的灭弧原理和灭弧过程一、PRB系列直流断路器的灭弧原理PRB系列直流断路器的燃弧及熄弧过程与交流断路器是不同的，交流断路器分断时产生的交流电弧每秒钟有2f（f为电网频率）次经过零点。
通过近极效应，使电弧熄灭。
交流继电器只要解决电弧重燃问题，即解决由导电状态恢复到介质绝缘状态的介质强度恢复过程，这里不再详述。
PRB系列直流断路器分断时产生的直流电弧恒定不变，电流愈大，时间常数俞大，电弧就愈难熄灭。
PRB系列直流断路器的触头接通和长期承载电流的性能与一般交流断路器相似，无特殊要求。
但直流断路器与交流断路器分断电流的差异较大，PRB系列直流断路器的触头分断时要熄灭直流电弧，现将直流电弧的特性和熄灭直流电弧的措施简介如下：断路器的触头分断时，在动静触头间立即产生电弧，这不仅有碍于电路的及时分断，还会使触头烧损，此时的主要问题是触头的电烧损，这对交直流回路的情况是一样的。
为了解直流断路器的切断电弧性能，首先要分析电弧的产生过程和灭弧能力。
当分断时，触头刚开始分离时，其间隙很小，电场强度极大，易产生高热和强场，金属内部的自由电子从阴极表面逸出，奔向阳极。
同时这自由电子在电场种撞击中性气体分子，使之激励和游离，产生正离子和电子，电子在强电场作用下继续向阳极移动时，还要撞击其他中性分子，因此，在触头间隙中产生大量的正离子和电子的带点粒子。
使气体导电形成炽热的电子流，即电弧。
PRB系列直流断路器的电弧产生后，有游离与去游离因素，游离作用是由于在弧隙中产生大量的热能，主要是使气体热游离，特别是当触头表面的金属蒸汽进入弧隙后，气体热游离作用更为显著。
电压越高，电流越大，即电弧功率越大，弧区温度越高，电弧的游离因素就越强，去游离是因为已游离的正离子和电子在空间相遇时要复合，重新形成中性的气体分子，而高密集的高温离子电子，也要向其周围密度小和温度低的介质方面扩散，其结果弧隙内离子和自由电子的浓度降低，电弧电阻增大，电弧电流减少，从而消弱热游离。
接触器灭弧原理
接触器灭弧原理接触器灭弧原理是指通过合理设计和安装接触器的结构及电气原理，以确保在分断电路时能够安全有效地熄弧，避免产生电弧后果。
以下将详细介绍接触器灭弧原理的相关内容。
在电路中，接触器是一种用于控制开关设备的电器元件。
当电路需要打开或关闭时，接触器会建立或中断电流的传输。
在分断电流时，由于电流的存在，接触器之间的接触点会产生电弧现象。
电弧具有高温、高能量的特点，当电弧不受控制时，会造成电路中的设备受损，甚至引发火灾等严重后果。
为了避免电弧的产生和后果，接触器采用了灭弧原理。
其主要包括以下几个方面：1. 增加可靠的灭弧介质：在设计接触器时，会使用一种具有较高绝缘性能的材料作为灭弧介质。
该材料的主要作用是在电弧形成时，能够迅速吸收电弧的能量，降低电压和电流值，从而灭弧。
常用的灭弧介质包括纸质、石棉、陶瓷等。
2. 采用灭弧结构：接触器内部的结构设计非常重要，通过合理的结构设计可以帮助灭弧。
例如，接触点的形状和材料选择、电弧旁路结构等，都会对灭弧效果产生影响。
3. 控制电弧形成的时间：接触器在分断电流时，必须控制电弧形成的时间。
通过电弧延时原理，利用合适的延时装置，可以在电弧形成后的适当时机对电路进行分断，从而有效地灭弧。
常见的延时装置有电弧熄灭器、灭弧线圈等。
4. 增加电弧熄灭设备：为了确保灭弧效果更加可靠，有时会增加电弧熄灭设备。
电弧熄灭设备一般由电感、电容、阻抗等元件组成。
通过合理地选择和安装这些元件，可以产生适当的抑制电弧的作用。
总之，接触器灭弧原理通过合适的设计和装置，利用灭弧介质、灭弧结构、电弧延时和电弧熄灭设备等多种手段，可以有效地防止电弧的产生和扩大，确保电路的安全稳定运行。
断路器灭弧原理
断路器灭弧原理断路器是电力系统中常用的一种电器设备，用于在电路中断开或者接通电流。
在电路中，由于电流的存在，会产生电弧现象，而断路器的一个重要功能就是灭弧。
那么，断路器是如何实现灭弧的呢？接下来，我们将深入探讨断路器灭弧原理。
首先，我们需要了解电弧的形成原理。
当断路器分断电路中的电流时，由于电流的存在，会在断路器的触点间产生电弧。
电弧是一种电流通过气体时产生的等离子体现象，具有高温、高能量、高亮度等特点。
如果电弧不能及时被灭掉，将对设备和人员造成严重危害。
为了灭除电弧，断路器采用了多种灭弧原理。
其中，最常见的包括，冷却灭弧、压缩空气灭弧、真空灭弧和 SF6 气体灭弧等。
冷却灭弧是指通过将电弧通入冷却装置中，使电弧能量迅速散失，从而达到灭弧的目的。
而压缩空气灭弧则是通过高速喷射压缩空气，将电弧吹断。
真空灭弧则是将电弧通入真空室中，使电弧迅速熄灭。
SF6 气体灭弧则是利用 SF6 气体的优良绝缘性能和灭弧能力，将电弧迅速熄灭。
除了以上几种常见的灭弧原理外，还有一些新型的灭弧原理不断涌现，如等离子灭弧、磁控灭弧等。
这些新型的灭弧原理在提高断路器灭弧性能和可靠性方面发挥着重要作用。
总的来说，断路器的灭弧原理是多种多样的，各种原理都有其适用的场合和特点。
在实际应用中，根据电路的特点和要求，选择合适的断路器及其灭弧原理至关重要。
在现代电力系统中，断路器作为一种重要的电器设备，其灭弧原理的研究和应用将继续得到重视。
通过不断创新和技术改进，断路器的灭弧性能和可靠性将得到进一步提升，为电力系统的安全稳定运行提供更加可靠的保障。
通过对断路器灭弧原理的深入了解，我们可以更好地理解断路器在电力系统中的作用和重要性。
同时，也为我们在选择和使用断路器时提供了更多的参考依据。
希望本文能够对大家有所帮助，谢谢阅读！。
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。
精品工程类本科大三课件《发电厂电气》第三讲 灭弧原理及主要开关电器
3）电弧产生的物理过程
• 电弧的产生和维持是触头间中性质点（分子和原子）被游离的结果。 是一种游离的气体放电现象
• 游离：就是中性质点转化为带电质点。 • 游离的过程有四种形式：
• 最初瞬间，阴极区发射电子
• 热电子发射：接触电阻增加，高温 • 强电场发射：电场强度很大 E=U/d
• 电弧形成，碰撞游离（强电场力作用） • 维持电弧燃烧，热游离
• 断路器加并联电容：使每个断口上的电压分布接近相
等
——均压
3）断路器开断交流电路时熄灭电弧的条件
• 电弧过零后，弧隙介质强度恢复速度和系统恢复电压上升速度的 竞争，决定了电弧是否熄灭。
• 断路器开断交流电路时熄灭电弧的条件为 Ud(t)>Ur(t)
4）短路类型对断路器开断能力影响
• 首先开断相：三相电路，各相电流过零时间不同，首先过零电弧 熄灭的一相
其他标志
额定电压（KV） 设计序号
安装场所
产品名称：G—隔离开关
产品名称
安装场所：N—户内型，W—户外型
其他标志：D—带有接地刀；K—快分型
GN-10 、GW2-110、 GW2-110D
1-1 电弧产生的条件：电源电压大于10~20V，电流大于80~100mA，
动静触头分离瞬间，触头间产生电弧。 触头分开后，电路中有电流，电弧导电，电弧中有大量自由电子。
1-2 电弧的危害
电弧的温度很高，可达5000～7000度以上，常超过金属的汽化点，可能烧 坏开关电器的金属触头。 烧坏开关电器的绝缘。如，烧坏瓷绝缘的表面，或者使有机绝缘材料炭化， 以致失去绝缘性能。 若电弧长时间不熄灭，不仅烧坏开关电器，而且造成系统事故，威胁电力系 统安全运行。
4）去游离的形式
第三章 开关电器中的灭弧原理
三、电弧的去游离
去游离：在电弧中，介质因游离而产生大量带电粒子的同时，还会发 去游离：在电弧中，介质因游离而产生大量带电粒子的同时， 生带电粒子消失的相反过程，称为去游离。 生带电粒子消失的相反过程，称为去游离。
1.复合：异号带电粒子相互吸引而中和成中性质点的现象。 复合：异号带电粒子相互吸引而中和成中性质点的现象。 复合
第三章 开关电器中的灭弧原理
一、电弧现象
1．电弧是一种能量集中、温度很高、亮度很强的放电 ．电弧是一种能量集中、温度很高、 现象。如10kV少油断路器开断 现象。 少油断路器开断20kA的电流时，电弧 的电流时， 少油断路器开断 的电流时 功率高达10000kW以上，造成电弧及其附近区域的 以上， 功率高达 以上 介质及其强烈的物理化学变化， 介质及其强烈的物理化学变化，可能烧坏触头及触头 附近的其他部件。如果电弧长期不灭， 附近的其他部件。如果电弧长期不灭，将会引起电器 被烧毁甚至爆炸，危机电力系统的安全运行， 被烧毁甚至爆炸，危机电力系统的安全运行，造成重 大损失。所以，切断电路时，必须尽快熄灭电弧。 大损失。所以，切断电路时，必须尽快熄灭电弧。 2．电弧是导体。开关电器的触头虽然已经分开，但是 ．电弧是导体。开关电器的触头虽然已经分开， 触头间如有电弧存在，电路就还没有断开， 触头间如有电弧存在，电路就还没有断开，电流仍然 存在。 存在。
五、直流电弧的熄灭方法
1. 增大回路电阻 2. 将长电弧分割为多个短电弧 3. 增大电弧长度 4. 使电弧与耐弧度绝缘材料紧密接触
六、交流电弧的熄灭条件
1．弧隙介质强度的恢复过程 2．弧隙电压的恢复过程 3．交流电弧的熄灭条件 ud(t)>ur(t)
（一）弧隙介质强度的恢复
1．弧隙介质强度的恢复过程 在电弧电流过零之前，弧隙中的空间充满了电子和正离子。 在电弧电流过零之前，弧隙中的空间充满了电子和正离子。当电 弧电流流过零熄灭后，电极极性发生改变， 弧电流流过零熄灭后，电极极性发生改变，弧隙中的电子迅速奔向新 阳极，比电子质量大一千多倍的正离子，相对电子而言则基本未动， 阳极，比电子质量大一千多倍的正离子，相对电子而言则基本未动， 所以在新阴极附近形成正空间电荷。 所以在新阴极附近形成正空间电荷。 电流过零后电荷和电压沿短弧隙的分布情况。如图所示， 2．电流过零后电荷和电压沿短弧隙的分布情况。如图所示，电压主要 降落在阴极附近的薄层空间。此薄层空间的耐压约为150 250V的介质 150～ 降落在阴极附近的薄层空间。此薄层空间的耐压约为150～250V的介质 强度。 强度。 近阴极效应：阴极附近电介质强度出现突然升高的现象。 近阴极效应：阴极附近电介质强度出现突然升高的现象。
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。
u
Ud(t)
u
Ud(t)
u
Ud(t)
Ur(t)
Ur(t)
Ur(t)
o t1
to
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
第三章 灭弧原理及主要开关电器 3 5
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。
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
SF6气体中加入少量的N2气体，SF6/N2的配比如不低于50%/50%，其混合气体的
绝缘强度与纯SF6气体相差很小，但可以降低GIS在较高的气体压力下的液化浓度，适 用于高寒地区。此外，SF6/N2混合气体还能降低纯SF6气体放电电压对电场均衡的影 响，降低金属微粒及电极表面的粗糙度，同时可降低SF6排放量，符合全球对环保的关 注，具有良好的应用前景。
作用下分解出的气体吹动电弧，真空断路器利用电弧电流产生的横向或纵向磁场吹动
电弧使之冷却。 吹动方向与弧柱轴线平行的称为纵吹，它使电弧冷却变细；吹动方向与弧柱轴线 垂直的称为横吹，它使电弧拉长，表面积增大并加强冷却。在断路器更多地采用纵、 横混合吹弧或环吹方式，其熄弧效果更好。
4.采用多断口熄弧 每相采用两个或更多的断口串联，在断路器分闸时，由操动机构将断路器各个串 联断口同时拉开，断口把电弧分割成多个小电弧段，把长弧变成短弧。在相等的触头 行程下，多断口比单断口的电弧拉得长，而且电弧被拉长的速度也增加，加速了弧隙 电阻的增大。同时，由于加在每个断口的电压降低，使弧隙恢复电压降低，亦有利于 熄灭电弧。 多个灭弧装置串联的积木式结构的断路器在开断位置及开断过程中，由于灭弧装
电弧形成原理及灭弧理论(精)
电弧形成原理及灭弧理论
二、直流电弧及其熄灭
直流电弧的伏安特性、燃弧电压、熄弧电压
电弧形成原理及灭弧理论
二、直流电及其熄灭
影响电弧的伏安特性的因素：
电弧长度、周围介质、气体压力、灭弧方法等。
电弧形成原理及灭弧理论
直流电弧熄灭的条件：
L di 0 dt
i i B
直流电弧熄灭常用的方法 ：拉长电弧
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电弧形成原理及灭弧理论 颗粒知识点
陈首原 XXX
电弧形成原理及灭弧理论
一、电弧形成原理
1. 电弧现象：当在大气中开断或闭合电压超 过10V、电流超过0.5A的电路时，在触头间 隙（或称弧隙）中会产生一团温度极高、 亮度极强并能导电的气体。其本质是气体 中的一股强烈电子流。 2. 电弧电位在整个电弧长度上的分布是不均 匀的,它分为近阴极区、弧柱区、近阳极区。
电弧形成原理及灭弧理论
二、直流电弧及其熄灭
熄灭电弧时的过电压及其减少方法
di dt 过电压产生的原因： L
过大
减少过电压的方法：并联电阻、电容或半导体 整流二极管。
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2.4 触头材料 触头材料也影响去游离的过程。当触头采用熔点高、导热能力强 和热容量大的耐高温金属时，减少了热电子发射和电弧中的金属蒸汽， 有利于电弧熄灭。
除了上述因素以外，去游离还受电场电压等因素的影响。
第四节 交流电弧的特性及熄灭
4.1 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。 经过对图2-2的分析，可 见交流电弧在交流电流自然 过零时将自动熄灭，但在下 半周随着电压的增高，电弧 又重燃。如果电弧过零后， 电弧不发生重燃，电弧就此 熄灭。
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，触头刚刚分离 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 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， 电流为80~100mA断开电路时，即可产生电弧。例如：断路器要开断 1500V，电流为1500-2000A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。故灭 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 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。
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。
（2）用压缩空气或六氟化硫气体吹弧 将20个左右大气压的压缩空气或5个大气压左右的六氟化硫气
体（SF6）先储存在专门的储气罐中，断路器分闸时产生电弧，随 后打开喷口，用具有一定压力的气体吹弧。
热电子发射 强电场发射
磁撞游离 温度 热游离 电弧
加速
第三节
1. 电弧的去游离形式
电弧的熄灭
弧隙间的电子和正离子在电场力的作用下，运行方向相反。运动 中的自由电子和正离子相互吸引也会发生复合．使弧隙间的自由电子 减少——去游离。
电子的运动速度远大于正离子，二者相遇时快速碰撞很难复合。 游离和去游离过程同时存在于弧隙中。当两者达到动态平衡时，电弧 能够稳定燃烧。由于弧隙中温度高，离子浓度大，所以离子将向温度 低浓度小的周围介质中扩散。扩散使弧隙中的电子、离子数减少．有 利于熄灭电弧、扩散出去的离子，因冷却而更易复合。
5.3 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。
5.3.1 吹弧气流产生的方法
（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
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。
断时，在石英砂的狭沟中产生
电弧。由于受到石英砂的冷却 和表面吸附作用，使电弧迅速
熄灭。同时，熔丝气化时产生
的金属蒸汽渗入石英砂中遇冷 而迅速凝结，大大减少了弧隙
中的金属蒸汽，使得电弧容易
熄灭。原理图如右图所示。
5.4.2 用耐高温金属材料作触头、优质灭弧介质
触头材料对电弧中的去游离也有一定影响，用熔点高、导热
2. 电弧的本质 电弧的实质是一种气体放电现象。 3. 电弧放电的特征
阴极区 阳极区
（1）电弧由三部分组成。包括阴极 区、阳极区和弧柱区。弧柱处温度最 高，可达6~7千到1万度以上。弧柱周 围温度较低，亮度明显减弱的部分叫 弧焰，电流几乎都从弧柱内部流过。
弧柱
（2）电弧温度很高。（例：10kvQF断开20kv的电流，电弧功率达到一 万kw以上） （3）电弧是一种自持放电现象，维持电弧燃烧的电压很低。在大气中， 1cm长的直流电弧的弧柱电压仅15~30v，在变压器油中，1cm长的直流电 弧的弧柱电压仅100~220v
4.2 交流电弧的熄灭条件
4.2. 1 弧隙介质介电强度的恢复
弧隙介质能够承受外 加电压作用而不致使弧隙 击穿的电压称为弧隙的介 质强度。当电弧电流过零 时电弧熄灭，而弧隙的介 质强度要恢复到正常状态 值还需一定的时间，此恢 复过程称之为弧隙介质强
度的恢复过程，以耐受的
电压Uj（t）表示。
4.2. 2 弧隙电压的恢复过程 电流过零前，弧隙电压呈马鞍形变化，电压值很低，电源电压的绝大部 分降落在线路和负载阻抗上。电流过零时，弧隙电压正处于马鞍形的后蜂值 处。电流过零后，弧隙电压从后蜂值逐渐增长，一直恢复到电源电压，这一 过程中的弧隙电压称为恢复电压，其电压恢复过程以Uhf（t）表示。 电压恢复过程与线路参数、负荷性质等有关。受线路参数等因素的影响， 电压恢复过程可能是周期性的变化过程，也可能是非周期性的变化过程。
（3）由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧 短路和伤人，或引起事故的扩大。
第二节 电弧的形成
（1）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）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，故电场强度很大 (电场强度达到3x106V/m), 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。
熄灭交流电弧的关键在于电弧电流过零后，弧隙的介质强度的恢 复过程能否始终大于弧隙电压的恢复过程。为了加强冷却，抑制热游
离，增强去游离，在开关电器中装设专用的灭弧装臵或使用特殊的灭
弧介质，以提高开关的灭弧能力。 迅速拉长电弧，有利于迅速减小弧柱中的电位梯度，增加电弧与周
围介质的接触面积，加强冷却和扩散的作用。因此，现代高压开关中
度等。若这些参数值大，则去游离过程就越强，电弧就越容易熄灭。
2.3 气体介质的压力 气体介质的压力对电弧去游离的影响很大。因为，气体的压力越 大，电弧 中质点的浓度就越大，质点间的距离就越小，复合作用越强， 电弧就越容易熄灭。在高度的真空中，由于发生碰撞的几率减小，抑 制了碰撞游离，而扩散作用却很强。因此，真空是很好的灭弧介质。
（3）产气管吹弧 产气管由纤维、塑料等有机固体材料制成，电弧燃烧时与管的 内壁紧密接触，在高温作用下，一部分管壁材料迅速分解为氢气、 二氧化碳等，这些气体在管内受热膨胀，增高压力，向管的端部 形成吹弧。
5.3.2 按吹弧的方向分 （1）纵吹 吹弧的介质（气流或油流）沿电弧方向的吹拂称为纵吹，纵吹能增 强弧柱中的带电质点向外扩散，使新鲜介质更好地与炽热电弧接触， 加强电弧的冷却，有利于迅速灭弧。 （2）横吹 横吹时气流或油流的方向与触头运动方向是垂直的，或者说与电 弧轴线方向垂直。横吹不但能加强冷却和增强扩散，还能将电弧迅速 吹弯吹长。有介质灭弧栅的横吹灭弧室，栅片能更充分地冷却和吸附 电弧，加强去游离。在相同的工作条件下，横吹比纵吹效果要好。
4.2. 3 交流电弧的熄灭条件
如果弧隙介质强度在任何情况下都 高于弧隙恢复电压，则电弧熄灭；反 之，如果弧隙恢复电压高于弧隙介质 强度，弧隙就被击穿，电弧重燃。因 此，交流电弧的熄灭条件为：
Uj（t）> Uhf（t）
Uj（t）—弧隙介质强度 Uhf（t）—弧隙恢复电压
第五节 熄灭交流电弧的方法
5.1 提高触头的分闸速度
5.4.1 利用固体介质的狭缝狭沟灭弧
灭弧装臵的灭弧片是 由石棉水泥或陶土制成的。
触头间产生电弧后，在磁
吹装臵产生的磁场作用下， 将电弧吹入由灭弧片构成
的狭缝中，把电弧迅速拉
长的同时，使电弧与灭弧 片内壁紧密接触，对电弧
的表面进行冷却和吸附，
产生强烈的去游离。原理 图如右图所示。
石英砂熔断器中的熔丝熔
都采取了迅速拉长电弧的措施灭弧，如采用强力分闸弹簧，其分闸速 度已达16m/s以上。
5.2 采用多断口
每一相有两个或多个断口相串联。在熄弧时，多断口把电弧分割成 多个相串联的小电弧段。多断口使电弧的总长度加长，导致弧隙的电 阻增加；在触头行程、分闸速度相同的情况下，电弧被拉长的速度成 倍增加，使弧隙电阻加速增大，提高了介质强度的恢复速度，缩短了 灭弧时间。 采用多断口时，加在每一断口上的电压成倍减少，降低了弧隙的恢 复电压，亦有利于熄灭电弧。在要求将电弧拉到同样的长度时，采用 多断口结构成倍减小了触头行程，也就减小了开关电器的尺寸。如下 图所示：
（3）纵横吹 横吹灭弧室在开断小电
流时因室内压力太小，开
断性能较差。为了改善开 断小电流时的灭弧性能，
可将纵吹和横吹结合起来。
在大电流时主要靠横吹， 小电流时主要靠纵吹。
5.4 短弧原理灭弧
灭弧装臵是一个金属栅灭弧罩，利用将电弧分为多个串联的短弧的方
法来灭弧。由于受到电磁力的作用，电弧从金属栅片的缺口处被引入金属 栅片内，一束长弧就被多个金属片分割成多个串联的短弧。如果所有串联 短弧阴极区的起始介质强 度或阴极区的电压降的总 和永远大于触头间的外施 电压，电弧就不再重燃而 熄灭。采用缺口铁质栅片， 是为了减少电弧进入栅片 的阻力，缩短燃弧时间。