第三章灭弧原理

2. 电弧的本质 电弧的实质是一种气体放电现象。 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 ）电弧由三部分组成。包括阴极 阳极区和弧柱区。 区 、 阳极区和弧柱区 。 弧柱处温度最 可达6~7千到 万度以上 。 弧柱周 千到1万度以上 高 ， 可达 千到 万度以上。 围温度较低， 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。 弧焰，电流几乎都从弧柱内部流过。
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， 气体介质的压力对电弧去游离的影响很大。因为，气体的压力越 中质点的浓度就越大，质点间的距离就越小，复合作用越强， 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， 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。 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。
（4）热游离 ） 弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动， 弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很大的中 性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子， 性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为 热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。 热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。
（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。
弧柱
（2）电弧温度很高。（例：10kvQF断开 ）电弧温度很高。 断开20kv的电流，电弧功率达到一 的电流， 断开 的电流 以上） 万kw以上） 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， ） 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 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 长的直流电弧的弧柱电压仅 ，在变压器油中， 长的直流电 弧的弧柱电压仅100~220v 弧的弧柱电压仅
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。
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、 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。 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， 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 热惯性。 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 的分析， 经过对图 的分析 见交流电弧在交流电流自然 过零时将自动熄灭， 过零时将自动熄灭 ， 但在下 半周随着电压的增高， 半周随着电压的增高 ， 电弧 又重燃。 如果电弧过零后， 又重燃 。 如果电弧过零后 ， 电弧不发生重燃， 电弧不发生重燃 ， 电弧就此 熄灭。 熄灭。
（4）电弧是一束游离的气体，质量极轻，极易变形 ）电弧是一束游离的气体，质量极轻， 电弧在气体或液体的流动作用下或电动力作用下，能迅速移动 移动、 电弧在气体或液体的流动作用下或电动力作用下 ，能迅速移动、 伸长或弯曲，这也是灭弧的必要条件。 伸长或弯曲，这也是灭弧的必要条件。
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 ）电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间， 电力系统短路故障的危害。 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 ）电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化， 对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。 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，很容易造成飞弧 ）由于电弧在电动力、热力作用下能移动， 短路和伤人，或引起事故的扩大。 短路和伤人，或引起事故的扩大。
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， 过零前， 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 过零时， 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 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， 过零后， 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U 过程中的弧隙电压称为恢复电压，其电压恢复过程以 hf（t）表示。 ）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。 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。 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； 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。 强度 ， 弧隙就被击穿 ， 电弧重燃 。 因 交流电弧的熄灭条件为： 此，交流电弧的熄灭条件为： Uj（t）> Uhf（t） ） ） Uj（t）—弧隙介质强度 ） 弧隙介质强度 Uhf（t）—弧隙恢复电压 ） 弧隙恢复电压
2.2.介质的特性 介质的特性 电弧燃烧时所在介质的特性在很大程度上决定了电弧中去游离 的强度，这些特性包括：导热系数、热容量、热游离温度、 的强度，这些特性包括：导热系数、热容量、热游离温度、介电强 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。 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。 游离过程就越强
1. 1 复合 复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。 复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。由于弧柱中 电子的运动速度很快，约为正离子的1000倍，所以电子直接与正离子复合 电子的运动速度很快，约为正离子的 倍 的几率很小。一般情况下，先是电子碰撞中性质点时， 的几率很小。一般情况下，先是电子碰撞中性质点时，被中性质点捕获变 成负离子，然后再与质量和运动速度相当的正离子互相吸引而接近， 成负离子，然后再与质量和运动速度相当的正离子互相吸引而接近，交换 电荷后成为中性质点。还有一种情况就是电子先被固体介质表面吸附后， 电荷后成为中性质点。还有一种情况就是电子先被固体介质表面吸附后， 再被正离子捕获成为中性质点。 再被正离子捕获成为中性质点。 1. 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： 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 ）温度扩散，由于电弧和周围介质间存在很大温差， 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； 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 ）浓度扩散，这是因为电弧和周围介质存在浓度差， 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； 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 ）利用吹弧扩散，在断路器中采用高速气体吹弧， 带电质点，以加强扩散作用。 带电质点，以加强扩散作用。
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、 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， 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。 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。 除了上述因素以外，去游离还受电场电压等因素的影响。
4.2 交流电弧的熄灭条件 . 4.2. 4. 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。 质强度。当电弧电流过零 时电弧熄灭， 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， 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， 度的恢复过程，以耐受的 电压U 电压 j（t）表示。 ）
热电子发射 强电场发射
→ 磁撞游离
加速
→ 温度 ↑→ 热游离 → 电弧
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。 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． 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。 去游离。 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。 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， 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， 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． 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。 利于熄灭电弧、扩散出去的离子，因冷却而更易复合。 由此可见，熄灭电孤，要减弱游离过程。 由此可见，熄灭电孤，要减弱游离过程。加强去游离过程就是实际 断路器中的灭弧装置原理。 断路器中的灭弧装置原理。
2.
电弧的影响去游离的因素
2.1 电弧温度 电弧是由热游离维持的，降低电弧温度就可以减弱热游离， 电弧是由热游离维持的，降低电弧温度就可以减弱热游离，减 电质点的的产生。同时，也减小了带电质点的运动速度， 少新的带 电质点的的产生。同时，也减小了带电质点的运动速度， 加强了复合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动电弧， 加强了复合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动电弧，或使 复合作用 电弧与固体介质表面接触等，都可以降低电弧的温度。 电弧与固体介质表面接触等，都可以降低电弧的温度。
Hale Waihona Puke Baidu 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， 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 接触电阻增大，使接触部位剧烈发热， 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 热电子发射。 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， 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 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 ， 使触头内部的电子 电子在强电场作用下被拉出来 电场强度达到 就形成强电场发射 强电场发射。 就形成强电场发射。