开关电器典型灭弧装置讲解

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．磁吹灭弧装置；
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，
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概述
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。
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工程上获得实际应用的是带灭弧装置的同步开关，即在现有的开关电器 灭弧装置上加装同步装置，使触头在电流过零前一极短时刻(例如lms左右)分 开，同时提高触头运动速度，使触头从分开到电流过零这段时间内动、静触 头能分开到足够距离。
这样做的好处： (1) 触头分开时刻的稳定性要求降低；
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(2) 有较长的时间让动触头在 电流过零时达到一定的开距，从而 可以减小动触头的运动速度。这时， 虽然在弧隙中流过一定的电流，但 因数值较小，而且持续时间较短， 弧隙中气体电离情况不太严重，所 以在电流过零后弧隙的介质恢复强 度数值较高，从而使现有的灭弧装 置能够开断更大的电流。
绝缘栅片灭弧装置
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。
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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
• 油气作紊乱运动，易于灭弧
缺点：
• 有临界电流、极限开断电流
• 结构复杂，维护麻烦
变压器油灭弧装置
分类： （1）自能式：利用电弧自身的能量将油蒸发分解而成 油气，提高灭弧室中的压力以驱动油或油气进行吹弧。 （2）外能式：用外界能量(通常是储存在弹簧中的能量) 推动活塞，提高灭弧室中的压力以驱动油或油气进行灭弧。 （3）混合式：兼用上述两种能量，提高灭弧室中的压 力以驱动油或油气进行吹弧。
十. 六氟化硫（SF6）灭弧 正八面体分子结构，强负电性 • 即对电子有极大的亲和力，而粘合形成负离子——负离子质量为电 子的几千倍，在电场中移动缓慢，极大提高介质的恢复强度速度
常温下稳定：150度不易起化学反应 无色、无臭、无味、无毒、不燃、无腐蚀性 密度大，热容量高（易于灭弧） 高温会分解，但低温下极易恢复 击穿电压高（约为空气的2～3倍） 简单开断时，开断能力比空气强约100倍；而简单的辅助手段即可大幅
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4.1 灭弧装置
八. 油吹灭弧装置
变压器油分解、气化
• 气泡的气体中
– 油蒸汽40％，其他气体60％
– 其他气体：氢气(70%以上)、乙、乙烯。
• 气泡体积关系：
易于灭弧：
V kWh
• 气体中：氢导热系数最大，粘度最小，加强弧柱冷却
• 气泡压力大——油限制其体积，且油在电弧作用下分解和 气化
B
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。
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理
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。
提高开断能力
缺点： • 易液化 • 不均匀电场中的击穿电压下降明显 • 电弧可以拉很长而很难截断
采用SF6作 为绝缘介质可以 大大减小绝缘间 隙的尺寸和缩小 电器的体积。
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一个突出优点是它有很强的灭弧能力。
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4.1 灭弧装置
十一.真空灭弧 真空度：在1.33×10-3Pa以下时
• 电子自由行程很大，达43m ，不易碰撞 • 空气分子自由行程达7.6m • 介质击穿条件：
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4.1 灭弧装置
一. 灭火花电路 图2－19 用于继电器 本质：放电回路 图2-19中L、C、R的选择请参看P50.
二. 简单灭弧 拉长电弧：弧压增大，特性上移 空气冷却：介质恢复
F I2
例一：刀开关拉长电弧。
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例二：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。图b）还增加了引弧角。
第四讲 开关电器典型灭弧装置的 工作原理
教学目的与要求：
掌握在当今开关电器中所使用的灭弧装置的灭弧原理，熟悉提高 灭弧装置开断能力的辅助方法。
教学重点与难点：
金属栅片灭弧装置、真空灭弧装置、SF6灭弧装置、石英砂灭弧装 置
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教学基本内容
1．开关电器典型灭弧装置的工作 2．提高灭弧装置开断能力的的灭弧辅助方法 ：并联低值电阻、附 加同步装置、附加晶闸管装置。
– 电子碰撞粒子时期电离（电场电离）以产生更多的电子
• 击穿电压比空气高很多
电弧构成：金属蒸汽 金属蒸汽不多且易扩散
• 介质强度恢复快 • 灭弧能力强（无足够介质）
– 灭弧室尺寸可以较小
• 其它优点请参看P53 • 容易形成截流而形成高的过电压(缺点)
图5-29是带圆柱状触头真空灭弧装置的原理结构图。
固体产气灭弧装置 图5-13是利用串联短弧和高气压两种 方式灭弧。其中，钢纸管在电弧的高 温作用下分解，产生气体，使压力提 高。
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图5-15是利用产气原理提高气压，再利用气压进行灭弧的高压跌落 式熔断器熔管的原理结构图。
23Fra Baidu bibliotek
4.1 灭弧装置
七. 石英砂灭弧装置 应用: 熔断器 石英砂来限制弧柱的扩展并冷却电弧
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§4-2 开关电器典型灭弧装置的工作原理 （2）图解：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。
——极限开断电流
在开断电路对，将预先储备好的压缩空气用管道引向燃弧区，利用 压缩空气猛烈吹弧和提高燃弧区的压力，使电弧熄灭的装置叫做压缩空 气灭弧装置。
按照气流吹弧的方向分横吹式和纵吹式两类。 横吹式缺点较多，已淘汰，现主要介绍纵吹式。
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§4-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理
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4.1 灭弧装置
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原理 混合式开关
优点：具有较高 的电寿命；
缺点：结构较复 杂，价格较昂贵. 示例：混合式交流接 触器，请参看教材 P54和图2-24.
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§4-2 开关电器典型灭弧装置的工作原理
一、拉长电弧
在大气中利用机械方式拉长 电弧进行灭弧的原理与图例。
（1）原理：电弧放长后，电 弧电压就增大，其静态伏-安特性 向上移动。
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4.1 灭弧装置
四. 弧罩与纵缝灭弧装置 图2－21 为限制弧区扩展并加速冷却以削弱热电离，常
采用陶土或耐弧塑料制造的灭弧室。 纵缝：灭弧室缝隙方向与电弧轴线平行 目的：冷却电弧以灭弧 多缝：比单缝的阻力小； 纵向曲缝：
• 显著增大接触面积，提高弧柱的冷却和消电离作用 • 电弧受到的阻力较大（需要较大的外加磁场）
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4.1 灭弧装置
优点：
• 免维修；防爆 • 耐压强度高 • 分断能力高
– mm级别开距
• 介质强度恢复快 • 操作频率高 • 结构简单，体积小，重量轻，操作噪声小
缺点：
• 过电压高，截流 • 击穿电压受电极表面粗糙度和污染程度影响很大
– 电弧使电极，特别是阴极光洁度影响极大
4.1 灭弧装置
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概述 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；
通过本章的学习，掌握当今开关电器中所使用的灭弧装置的灭 弧原理，熟悉提高灭弧装置开断能力的辅助方法，便于在以后的工 程实践中灵活运用。
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基本内容
概述 §4-1 灭弧装置 §4-2 开关电器典型灭弧装置的工作原理 §4-3 提高灭弧装置开断能力的辅助方法 小结
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概述
当电源电压超过数十伏、开断电流在数十安以上时，为
同时，由于弧隙是未电离的，只需较小的极间距离，就可承受较高的 恢复电压。这种开断电路的方法叫做同步开断，而相应的开关电器叫做同 步开关。
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由上述可见，这种理想的同步开关可以无需采用灭弧装置。然而， 事实上，实现这一方案非常困难。
其原因主要是： (1） 技术上还不能保证开关电器的触头稳定地每次恰在电流过 零时分开； (2)还没有比较简便的方法使开关电器的动触头获得所需的高速 度。
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。
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4.1 灭弧装置
五. 栅片灭弧装置 绝缘栅片
• 利用电弧段之间的电磁力使电弧与栅片紧密接触 来增强熄弧能力
金属栅片
• 切割成短弧 • 利用近极区效应增强熄弧能力
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2、附加晶闸管装置
晶闸管具有可控单向导电的性质。如图5-38a所示， 如果将它和开关电器S并联，并且当交流电流i的流向如图 中的方向时，将开关S的触头分开，同时使晶闸管V触发导 通，于是开断电流将从V中流过。
由于V的电压降大大低于生弧电压，弧隙中将无电弧。 此后，当晶闸管V中交流电流过零时它将自动闭锁，于是 电路被开断。这种综合有触头开关电器和晶闸管而成的开 关称为混合式开关。
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概述
(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；
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概述
(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。
十二.无弧分断 交流电流过零点分断，并使介质强度以足够快的速 度恢复
• 同步开关，图2－23
给触头并联晶体管,并使之承担电路的通断，而触头 仅在稳态下工作
• 混合开关，图2－24
固体开关
• 新型材料的阻抗特性
1、附加同步开断装置
由于交流电流每秒要通过零点2f(f是电源频率)次。如果我们能使开 关电器的触头在电流过零瞬时分开，并以极高的速度拉开到足以承受恢复 电压而不发生间隙击穿的距离，则此时弧隙中将不产生电弧，也不存在所 谓热击穿阶段。
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按照油或油气与 电弧作用的方式，自 能吹弧灭弧装置又可 分为横吹、纵吹、纵 横吹和环吹四种。
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4.1 灭弧装置
九. 压缩空气灭弧装置 利用压缩空气增强灭弧
• 结构
– 棒－棒，管－管，棒－管
缺点：
• 结构复杂 • 灭弧能力过强，常引起电流截断导致高过电压 • 喷口堵塞可能导致弧柱冷却不够，导致电弧重燃
• 1、短弧（多断口串联） • 2、高压气体（石英砂限值气体扩散） • 3、狭缝冷却
缺点：石英砂的熔解导致稳定燃弧现象出现
利用石英砂限制弧柱的扩展并冷却电弧使之熄灭的装 置，叫做石英砂灭弧装置。
图中 熔管1用瓷制成，2和3分别为端盖和接线板。
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石英砂熔断器釆用了多断口串联、提高弧隙中气压以加强电离气体 的扩散作用，以及利用狭缝冷却电弧共三种灭弧原理，所以它的灭弧能力 强，限流作用非常显著。
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4.1 灭弧装置
六. 固体产气灭弧装置 某些固体绝缘材料如钢纸(亦称反白)、有机玻璃等，
在电弧的高温作用下能迅速气化，产生大量主要成分为 氢及其化合物的气体。
利用这些材料的产气性质进行灭弧的灭弧装置称为 固体产气灭弧装置。
原理：
• 1、熔体熔化和汽化，形成短弧 • 2、绝缘管产生高压气体
应用：熔断器
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4.1 灭弧装置
三. 磁吹灭弧装置 图2－20 电流：6——>8——>1； 铁心和夹板：减小磁路增大磁通； 考虑结构、磁通与灭弧等的优化
F I2
磁吹线圈：
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 或者用硅钢片叠成。