发电厂电气分 1 第三章灭弧原理及主要开关电器 山东理工大学教案 第4次课教学课型：理论课√实验课口习题课口实践课口技能课口其它口 主要教学内容（注明：*重点#难点）： 电弧的形成与熄灭 熄灭交流电弧的基本方法 高压断路器原理及基本结构 重点： 电弧的形成与熄灭 熄灭交流电弧的基本方法 难点： 熄灭交流电弧的基本方法 课程目标及要求 课程目标：课程目标1 要求， 能分析电弧的产生和熄灭的过程和原理，并能计算弧隙电压恢复过程的数值： 能分析高压断路器、隔离开关等电气设备的结构和工作原理。 教学方法和教学手段： 多媒体教学，问题导向教学。 讨论、思考题 利用电弧理论分析熄灭电弧的措施 结合典型断路器结构分析其性能 作业：1,4,11 参考资料： [1]姚春球，发电厂电气部分（第二版），中国电力出版社，2013.4 [2]郭琳，发电厂电气部分课程设计，中国电力出版社，2009.8
发电厂电气部分 第三章 灭弧原理及主要开关电器 1 山 东 理 工 大 学 教 案 第 4 次课 教学课型：理论课√ 实验课□ 习题课□ 实践课□ 技能课□ 其它□ 主要教学内容（注明：* 重点 # 难点 ）： 电弧的形成与熄灭 熄灭交流电弧的基本方法 高压断路器原理及基本结构 重点： 电弧的形成与熄灭 熄灭交流电弧的基本方法 难点： 熄灭交流电弧的基本方法 课程目标及要求 课程目标：课程目标 1 要求： 能分析电弧的产生和熄灭的过程和原理，并能计算弧隙电压恢复过程的数值； 能分析高压断路器、隔离开关等电气设备的结构和工作原理。 教学方法和教学手段： 多媒体教学，问题导向教学。 讨论、思考题 利用电弧理论分析熄灭电弧的措施 结合典型断路器结构分析其性能 作业：1,4,11 参考资料： [1] 姚春球，发电厂电气部分（第二版），中国电力出版社 ，2013.4 [2] 郭琳，发电厂电气部分课程设计，中国电力出版社，2009.8
发电电气语分 第三章灭弧原理及主要开关电器】 第三章灭弧原理及主要开关电器 电弧是开关电器操作过程中经常发生的一种物理现象。电弧的温度很高，很容易烧毁触 头，或使触头周围的绝缘材料遭受破坏，甚而使电气设备发生爆炸事故。因此，当开关触头 间出现电弧时，必须尽快予以熄灭。为了研究各种开关电器的结构和工作原理，并正确地选 用与维护，熟悉电弧产生与炮灭的基本规律是十分必要的。 3.1电弧的形成与熄灭 用开关电器切晰通有电流的电路时，只要电源电压大于10~20V,电流大于80~100m4 在开关电器的动、静触头分离解间，触头间就会产生电弧，如图51所示。电弧是一种气体 游离放电现象，其主要特征是： (1)电弧由阴极区、弧柱区和阳极区3部分组成。 (2)电弧温度很高。电弧放电时，能量高度集中，弧柱中心区温度可达10000℃左右， 电弧表面温度也会达到300( (3)电弧是一种自持放电现象。即电弧 入静触头阴极区 弧柱区 用极区动触头 旦形成，维持电弧稳定燃烧所需的电压很低。 + 例如，大气中1cm长的直流电弧的弧柱电压只 “三三三三三 有15~30V,在变压器油中也不过100-200V。 (4)电弧是一束游离气体。质量很轻，在 图三1电弧 电动力、热力和其他外力作用下能迅速移动 伸长、弯曲和变形。 如果电弧长久不熄灭，就会对电力系统和电气设备造成危害。电弧的高温，可能烧坏电 器触头和触头周围的其他部件，对充油设备还可能引起者火甚至爆炸等危险：在开关电器触 头间只要有电弧的存在，电路就没有断开，电流仍然存在，电弧的存在延长了开关电器断开 故障电路的时间， 加重了电力 的危害：很容易道 飞孤短路、伤人或引起事故 扩大。因此，要保证开关电器正常工作就必须迅速可靠的熄灭电弧。 1电弧的产生与维持 电弧之所以能形成导电通道，是因为弧柱中出现大量自由电子的缘故，这些自由电子的 定向运动形成电弧。 触头刚分离时，由于触头间的间隙很小，触头间会形成很高的电场强度，当电场强度超 过3×10VWm时，阴极触头的表面在强电场的作用下发生高电场发射（由于电场的作用把 金属表面中的自由电 子从阴极 立出来 成为自 由电子存在 从阴极表面发 射出来的自由电子在电场力的作用下向阳极作加速运动，它们在奔向阳极的途中碰撞介质的 中性质点（原子或分子），只要电子的运动速度足够高，使其自身动能大于中性质点的游离 能（能使电子释放出来的能量）时，便产生碰撞游离，原中性质点即游离为正离子和自由电 子。新产生的电子将和原有的电子一起以极高的速度向阳极运动，当他们和其他中性质点相 碰撞时又再一次发生碰撞游离，如图5-2所示
发电厂电气部分 第三章 灭弧原理及主要开关电器 2 第三章 灭弧原理及主要开关电器 电弧是开关电器操作过程中经常发生的一种物理现象。电弧的温度很高，很容易烧毁触 头，或使触头周围的绝缘材料遭受破坏，甚而使电气设备发生爆炸事故。因此，当开关触头 间出现电弧时，必须尽快予以熄灭。为了研究各种开关电器的结构和工作原理，并正确地选 用与维护，熟悉电弧产生与熄灭的基本规律是十分必要的。 3.1 电弧的形成与熄灭 用开关电器切断通有电流的电路时，只要电源电压大于 10～20V，电流大于 80～100mA， 在开关电器的动、静触头分离瞬间，触头间就会产生电弧，如图 5-1 所示。电弧是一种气体 游离放电现象，其主要特征是： （1）电弧由阴极区、弧柱区和阳极区 3 部分组成。 （2）电弧温度很高。电弧放电时，能量高度集中，弧柱中心区温度可达 10000 C 左右， 电弧表面温度也会达到 3000～4000 C 。 （3）电弧是一种自持放电现象。即电弧一 旦形成，维持电弧稳定燃烧所需的电压很低。 例如，大气中 1cm 长的直流电弧的弧柱电压只 有 15～30V，在变压器油中也不过 100～200V。 （4）电弧是一束游离气体。质量很轻，在 电动力、热力和其他外力作用下能迅速移动、 伸长、弯曲和变形。 如果电弧长久不熄灭，就会对电力系统和电气设备造成危害。电弧的高温，可能烧坏电 器触头和触头周围的其他部件，对充油设备还可能引起着火甚至爆炸等危险；在开关电器触 头间只要有电弧的存在，电路就没有断开，电流仍然存在，电弧的存在延长了开关电器断开 故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害；很容易造成飞弧短路、伤人或引起事故 扩大。因此，要保证开关电器正常工作就必须迅速可靠的熄灭电弧。 1 电弧的产生与维持 电弧之所以能形成导电通道，是因为弧柱中出现大量自由电子的缘故，这些自由电子的 定向运动形成电弧。 触头刚分离时，由于触头间的间隙很小，触头间会形成很高的电场强度，当电场强度超 过 6 3 10 V/ m 时，阴极触头的表面在强电场的作用下发生高电场发射（由于电场的作用把 金属表面中的自由电子从阴极表面拉出来，成为自由电子存在于触头间隙）。从阴极表面发 射出来的自由电子在电场力的作用下向阳极作加速运动，它们在奔向阳极的途中碰撞介质的 中性质点（原子或分子），只要电子的运动速度足够高，使其自身动能大于中性质点的游离 能（能使电子释放出来的能量）时，便产生碰撞游离，原中性质点即游离为正离子和自由电 子。新产生的电子将和原有的电子一起以极高的速度向阳极运动，当他们和其他中性质点相 碰撞时又再一次发生碰撞游离，如图 5-2 所示。 图三-1 电弧
发电厂电气分 3 第三章灭弧原理及主要开关电器 日+ ,日+电 + 4+ 图三2碰撞游离过程示意图 碰撞游离连续进行，触头间隙便充满了电子和正离子，介质中带电质点就会大量副增， 使触头间隙具有很大的电导。在外加电压的作用下，大量的电子向阳极运动，形成电流，这 就是介质被击穿而产生的电弧。此时，电流密度很大，触头电压降很小 电弧产生后，弧隙的温度很高，弧柱温度可达5000℃以上。此时处于高温下的介质分 子和原子产生强烈运动，它们之间不断发生碰撞，又可游离出电子和正离子，这便是热游离 过程。在电弧稳定燃烧的情况下，弧柱的温度很高，电弧电压的弧柱的电场强度很低，因此， 弧柱的游离作用就由热游离维持和发展。当电弧温度很高时，一方面阴极表面将发生热发射 方面会引起金属触头熔化、蒸发， 使弧隙的电导增加，电弧将继续炽热燃烧 从 上分析可知，阴杨 在强电场作用下发射电子，发射的电子在触头电压作用下产生碰撞游离，就形成了电弧，在 高温的作用下，阴极发生热发射，并在介质中发生热游离，使电弧维持和发展。这就是电弧 产生的过程。 2电弧中的去游离 在电弧中，发生游离过程的同时还进行着带电质点减少的去游离过程。在稳定燃烧的电 弧中，这两个过程处于平衡状态，如果游离过程大于去游离过程，电弧将继续炽热燃烧：如 果去游离过程大于游离过程，电弧便愈来愈小，直至最后熄灭。 去游离的主要方式是复合和扩散。 复合去游离是异号带电质点的电荷彼此中和的现象。电子运动速度远大于离子，电子对 于正离子的相对速度较大，所以复合的可能性很小。但是电子在碰撞时，如果附者在中性质 点上形成负离子，则速度会大大减慢，而正负离子间的复合比电子和正离子间的复合要容易 得多 既然复合过程只有在离子速度不大时才有可能发生，若利用液体或气体吹弧，或将电弧 挤入绝缘冷壁做成的窄缝中，都能迅速冷却电弧，诚小离子的运动速度，加强复合过程。此 外，增加气体压力，使离子间自由行程缩短，气体分子密度加大，使复合的几率增加，这些 均是加强复合过程的措施 扩散去游离是弧柱内自由电子与正离子从弧柱逸出而进入周围冷介质中去的现象。扩 是由于带质点的不规则热运动以及空间电荷的不均匀分布，使电弧中的高温离子由密集的空 间向密度小、温度低的介质周围方向扩散。电弧和周围介质的温度差以及离子浓度差愈大， 扩散作用也愈强。在断路器中还采用高速气体吹拂电弧，带走弧柱中的大量电子和正离子， 以加强扩散作用。扩散出米的离子因冷却而互相结合，成为中性质点
发电厂电气部分 第三章 灭弧原理及主要开关电器 3 碰撞游离连续进行，触头间隙便充满了电子和正离子，介质中带电质点就会大量剧增， 使触头间隙具有很大的电导。在外加电压的作用下，大量的电子向阳极运动，形成电流，这 就是介质被击穿而产生的电弧。此时，电流密度很大，触头电压降很小。 电弧产生后，弧隙的温度很高，弧柱温度可达 5000℃以上。此时处于高温下的介质分 子和原子产生强烈运动，它们之间不断发生碰撞，又可游离出电子和正离子，这便是热游离 过程。在电弧稳定燃烧的情况下，弧柱的温度很高，电弧电压的弧柱的电场强度很低，因此， 弧柱的游离作用就由热游离维持和发展。当电弧温度很高时，一方面阴极表面将发生热发射 电子（高温的阴极表面能够向四周空间发射电子），另一方面会引起金属触头熔化、蒸发， 以致在介质中混有蒸汽，使弧隙的电导增加，电弧将继续炽热燃烧。从以上分析可知，阴极 在强电场作用下发射电子，发射的电子在触头电压作用下产生碰撞游离，就形成了电弧，在 高温的作用下，阴极发生热发射，并在介质中发生热游离，使电弧维持和发展。这就是电弧 产生的过程。 2 电弧中的去游离 在电弧中，发生游离过程的同时还进行着带电质点减少的去游离过程。在稳定燃烧的电 弧中，这两个过程处于平衡状态，如果游离过程大于去游离过程，电弧将继续炽热燃烧；如 果去游离过程大于游离过程，电弧便愈来愈小，直至最后熄灭。 去游离的主要方式是复合和扩散。 复合去游离是异号带电质点的电荷彼此中和的现象。电子运动速度远大于离子，电子对 于正离子的相对速度较大，所以复合的可能性很小。但是电子在碰撞时，如果附着在中性质 点上形成负离子，则速度会大大减慢，而正负离子间的复合比电子和正离子间的复合要容易 得多。 既然复合过程只有在离子速度不大时才有可能发生，若利用液体或气体吹弧，或将电弧 挤入绝缘冷壁做成的窄缝中，都能迅速冷却电弧，减小离子的运动速度，加强复合过程。此 外，增加气体压力，使离子间自由行程缩短，气体分子密度加大，使复合的几率增加，这些 均是加强复合过程的措施。 扩散去游离是弧柱内自由电子与正离子从弧柱逸出而进入周围冷介质中去的现象。扩散 是由于带质点的不规则热运动以及空间电荷的不均匀分布，使电弧中的高温离子由密集的空 间向密度小、温度低的介质周围方向扩散。电弧和周围介质的温度差以及离子浓度差愈大， 扩散作用也愈强。在断路器中还采用高速气体吹拂电弧，带走弧柱中的大量电子和正离子， 以加强扩散作用。扩散出来的离子因冷却而互相结合，成为中性质点。 图三-2 碰撞游离过程示意图
发电电气语分 4 第三章灭现原理及主要开关电器 在稳定燃烧的电弧中，新增加的带电质点数量与中和的数量相等，游离作用等于去游离 作用。如果游离作用大于去游离作用，电弧燃烧加剧：如果游离作用小于去游离作用，则电 弧中的带电质点数量减少，最终导致电弧熄灭。因此，要熄灭电弧，必须采取措施加强去游 离作用而削弱游离作用。 (6) 图三，3交流电弧伏安特性和电弧电压波形 a伏安特性：创电弧电压波形 3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 热惯性使得交流电弧的伏安特性为动态特性，如图53()所示。 电弧电压，的波形呈马鞍形变化，如图5-3b)所示，其中A点为电弧产生时的电压， 称为燃弧电压：B点为电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压 电流每半周过零一次，电弧会暂时自动熄灭：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 4交流电弧的熄灭条件 交流电那每半周自然熄灭是熄灭交流电弧的最住时机，实际上，在电流过零后，弧隙中 存在着两个恢复过程。 一个是由于去游离作用的加强，弧隙间的介质逐渐恢复其绝缘性能， 称为介质强度恢复过程，以耐受的电压U,()表示：另一个是电源电压要重新作用在触头上， 弧隙电压将从熄弧电压逐渐恢复到电源电压，称为弧隙电压恢复过程，用U,()表示。电弧 能否熄灭取决于这两个过程竞争的结果 1、 1R 零后的0.1~μs的短暂时间内，阴极附近出现150~250V 的起始介质强度，称为近阴极效应。这是因为在电流过零的瞬间，弧隙 电压的极性发生变化，弧隙中的自由电子立即向新阳极运动，而质量比 图三，4电流过零后弧隙电荷 重新分布
发电厂电气部分 第三章 灭弧原理及主要开关电器 4 在稳定燃烧的电弧中，新增加的带电质点数量与中和的数量相等，游离作用等于去游离 作用。如果游离作用大于去游离作用，电弧燃烧加剧；如果游离作用小于去游离作用，则电 弧中的带电质点数量减少，最终导致电弧熄灭。因此，要熄灭电弧，必须采取措施加强去游 离作用而削弱游离作用。 3 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。 热惯性使得交流电弧的伏安特性为动态特性，如图 5-3(a)所示。 电弧电压 a u 的波形呈马鞍形变化，如图 5-3(b)所示，其中 A 点为电弧产生时的电压， 称为燃弧电压；B 点为电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压。 电流每半周过零一次，电弧会暂时自动熄灭；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。 4 交流电弧的熄灭条件 交流电弧每半周自然熄灭是熄灭交流电弧的最佳时机，实际上，在电流过零后，弧隙中 存在着两个恢复过程。一个是由于去游离作用的加强，弧隙间的介质逐渐恢复其绝缘性能， 称为介质强度恢复过程，以耐受的电压 U t d ( ) 表示；另一个是电源电压要重新作用在触头上， 弧隙电压将从熄弧电压逐渐恢复到电源电压，称为弧隙电压恢复过程，用 ( ) U t r 表示。电弧 能否熄灭取决于这两个过程竞争的结果。 1、 弧隙介质强度恢复过程 在电流过零后的 0.1~1μs 的短暂时间内，阴极附近出现 150 ~ 250V 的起始介质强度，称为近阴极效应。这是因为在电流过零的瞬间，弧隙 电压的极性发生变化，弧隙中的自由电子立即向新阳极运动，而质量比 图三-3 交流电弧伏安特性和电弧电压波形 (a)伏安特性；(b)电弧电压波形 图三-4 电流过零后弧隙电荷 重新分布
发电厂电气分 5 第三章灭弧原理及主要开关电器 电子大1000倍的正离子基本未动，在新阴极附近就形成了只有正电荷的不导电薄层，阻 阴极发射电子，呈现出一定的介质强度，如图54所示。起始介质强度出现后的介质强度恢 复是一个复杂的过程，它与电弧电流、介质特性、冷却条件和触头分断速度有关。 2、弧隙电压恢复过程 弧隙电压恢复过程与电路参数、负荷性质等有关。在实际电 路中，发电机和变压器都是感性元件，输电线路对地有分布电容， 故电流与电源电压相位不同 ,腰态续复电压 电弧为纯电阻性质 电弧电流与弧隙电压同相位，电弧电流 工期复电压 过零时，弧隙电压接近零，而电源电压不等于零，由于电路参数 L、C的存在，弧隙电压U,()不可能立刻由熄弧电压上升到电源 电压， 般弧隙恢复电压是一个过渡过程，它由电源决定的工频 恢复电压和由电路参数决定的振荡衰减分量叠加而成，称为瞬态 恢复电压，它的存在时间很短，一般只有几十微秒至几毫秒，如 果电弧不重燃，弧隙电压逐渐恢复到电源电压，即由瞬态（振荡） 图三5恢复电压的组成 恢复电压逐渐过渡到工频恢复电压，如图5-5所示。短路时电路 电阻很小，电路呈感性，电弧电流与电源电压相位差约为90°，因此在电弧电流过零时，弧 隙电压U,约等于电源电压的幅值U。 3、交流电弧熄灭的条件 从以上分析可知，电流过零后，电弧能否熄灭取决于这两个恢复过程作用的结果： (1)如果弧隙电压恢复过程上升速度较快，幅值较大，弧隙电压恢复过程大于弧隙介 质强度恢复过程，介质被击穿，电弧重燃，如图5-6a所示。 2)如果弧隙介质强度恢复过程始终大于弧隙电压恢复过程，则电弧熄灭，如图5-6b 和图5-6c所示 故交流电弧熄灭的条件应为 U)>U,0 c 图三6介质强度和弧隙电压的恢复过程 (a》在时刻。族复电压高于介质强度，电重燃：(b)介质强度高于恢复电压，电弧熄灭： 《c)介质强度高于非周期性族复电压。电弧您灭 如果能够采取措施，防止U,()振荡，将周期振荡性的恢复电压转变为非周期性恢复过
发电厂电气部分 第三章 灭弧原理及主要开关电器 5 电子大 1000 倍的正离子基本未动，在新阴极附近就形成了只有正电荷的不导电薄层，阻碍 阴极发射电子，呈现出一定的介质强度，如图 5-4 所示。起始介质强度出现后的介质强度恢 复是一个复杂的过程，它与电弧电流、介质特性、冷却条件和触头分断速度有关。 2、 弧隙电压恢复过程 弧隙电压恢复过程与电路参数、负荷性质等有关。在实际电 路中，发电机和变压器都是感性元件，输电线路对地有分布电容， 故电流与电源电压相位不同。 电弧为纯电阻性质，电弧电流与弧隙电压同相位，电弧电流 过零时，弧隙电压接近零，而电源电压不等于零，由于电路参数 L、C 的存在，弧隙电压 ( ) U t r 不可能立刻由熄弧电压上升到电源 电压，一般弧隙恢复电压是一个过渡过程，它由电源决定的工频 恢复电压和由电路参数决定的振荡衰减分量叠加而成，称为瞬态 恢复电压，它的存在时间很短，一般只有几十微秒至几毫秒，如 果电弧不重燃，弧隙电压逐渐恢复到电源电压，即由瞬态（振荡） 恢复电压逐渐过渡到工频恢复电压，如图 5-5 所示。短路时电路 电阻很小，电路呈感性，电弧电流与电源电压相位差约为 90 ，因此在电弧电流过零时，弧 隙电压 U0 约等于电源电压的幅值 Um 。 3、 交流电弧熄灭的条件 从以上分析可知，电流过零后，电弧能否熄灭取决于这两个恢复过程作用的结果： （1）如果弧隙电压恢复过程上升速度较快，幅值较大，弧隙电压恢复过程大于弧隙介 质强度恢复过程，介质被击穿，电弧重燃，如图 5-6a 所示。 （2）如果弧隙介质强度恢复过程始终大于弧隙电压恢复过程，则电弧熄灭，如图 5-6b 和图 5-6c 所示。 故交流电弧熄灭的条件应为 U t U t d r ( ) ( ) 如果能够采取措施，防止 ( ) U t r 振荡，将周期振荡性的恢复电压转变为非周期性恢复过 图三-6 介质强度和弧隙电压的恢复过程 （a）在 t1 时刻，恢复电压高于介质强度，电弧重燃；（b）介质强度高于恢复电压，电弧熄灭； （c）介质强度高于非周期性恢复电压，电弧熄灭 图三-5 恢复电压的组成
发电电气语分 6 第三章灭弧原理及主要开关电器】 程，电弧就会更容易熄灭，如图5-6c所示。 3.2熄灭交流电弧的基本方法 如前所述，交流电弧能否熄灭取决于电流过零时弧隙的介质强度和恢复电压两种过程的 竞争结果。加强弧隙的去游离或降低弧隙恢复电压的幅值和恢复速度均可促使电弧熄灭。断 路器中采用的灭弧方法归纳起来有下述几种。 1采用灭弧能力强的灭弧介质 电弧中的去游离强度在很大程度上取决于电弧周围介质的特性。高压断路器中广泛采用 以下几种灭弧介质 (1)变压器油。变压器油在电弧高温的作用下，可分解出大量氢气和油蒸汽（约占 70%一80%)，氢气的绝缘和灭弧能力是空气的7.5倍。 (2)压缩空气。压缩空气的压力约20×10Pa,由于其分子密度大，质点的自由行程 小，能量不易积累，不易发生游离，所以有良好的绝缘和灭弧能力。 (3)S气体。S,是良好的电负性气体，其氟原子具有很强的吸附电子的能力，能迅 速捕捉自由电子而形成稳定的负离子，为复合创造了有利条件，因而具有很强的灭弧能力， 其灭弧能力比空气强100倍。 (4)真空。真空气体压力低于133.3×10Pa 与体稀藏那隙中的白由由子和中性 点都很少，碰撞游离 的可能性大 ,而且弧柱与真空的带电质点的浓度 和温度差很大 有利于扩散。其绝缘能力比变压器油、1个大气压下的、空气都大（比空气大15倍）。 2利用气体或油吹弧 高压断路器中利用各种预先设计好的灭弧室，使气体或油在电弧高温下产生巨大压力 并利用喷口形成强烈吹弧。这个方法既起到对流换热、强烈冷却弧隙的作用，又起到部分取 代原弧隙中游离气体或高温气体的作用。电弧被拉长、冷却变细，复合加强，同时吹弧也有 利于扩散，最终使电弧熄灭。 吹弧方式有纵吹和横吹两种，如图5-7所示。吹动方 向与电弧弧柱轴线平行称纵吹， 纵吹主要是使电弧冷却 变细，最终熄灭。吹动方向与电弧弧柱轴线垂直称横吹 横吹则是把电弧拉长，表面积增大，冷却加强，熄弧效果 较好。在高压断路器中常采用纵、横吹混合吹弧方式，炮 效果更好。 3采用特殊金属材料作灭弧触头 (a) 6 电弧中的去游离强度在很大程度上与触头材料有关。 图三7吹弧方式 常用的触头材料有铜、钨合金和银、钨合金等，它们在电 a吹：横吹 弧高温下不易熔化和蒸发，有较高的抗电弧、抗熔焊能力， 可以减少热电子发射和金属蒸气，抑制游离作用。 4在断路器的主触头两端加装低值并联电阻
发电厂电气部分 第三章 灭弧原理及主要开关电器 6 程，电弧就会更容易熄灭，如图 5-6c 所示。 3.2 熄灭交流电弧的基本方法 如前所述，交流电弧能否熄灭取决于电流过零时弧隙的介质强度和恢复电压两种过程的 竞争结果。加强弧隙的去游离或降低弧隙恢复电压的幅值和恢复速度均可促使电弧熄灭。断 路器中采用的灭弧方法归纳起来有下述几种。 1 采用灭弧能力强的灭弧介质 电弧中的去游离强度在很大程度上取决于电弧周围介质的特性。高压断路器中广泛采用 以下几种灭弧介质。 （1）变压器油。变压器油在电弧高温的作用下，可分解出大量氢气和油蒸汽（ 约占 70%～80%），氢气的绝缘和灭弧能力是空气的 7.5 倍。 （2）压缩空气。压缩空气的压力约 5 20 10 Pa ，由于其分子密度大，质点的自由行程 小，能量不易积累，不易发生游离，所以有良好的绝缘和灭弧能力。 （3） 6 SF 气体。 6 SF 是良好的电负性气体，其氟原子具有很强的吸附电子的能力，能迅 速捕捉自由电子而形成稳定的负离子，为复合创造了有利条件，因而具有很强的灭弧能力， 其灭弧能力比空气强 100 倍。 （4）真空。真空气体压力低于 4 133.3 10 Pa − ，气体稀薄，弧隙中的自由电子和中性质 点都很少，碰撞游离的可能性大大减少，而且弧柱与真空的带电质点的浓度差和温度差很大， 有利于扩散。其绝缘能力比变压器油、1 个大气压下的 、空气都大（比空气大 15 倍）。 2 利用气体或油吹弧 高压断路器中利用各种预先设计好的灭弧室，使气体或油在电弧高温下产生巨大压力， 并利用喷口形成强烈吹弧。这个方法既起到对流换热、强烈冷却弧隙的作用，又起到部分取 代原弧隙中游离气体或高温气体的作用。电弧被拉长、冷却变细，复合加强，同时吹弧也有 利于扩散，最终使电弧熄灭。 吹弧方式有纵吹和横吹两种，如图 5-7 所示。吹动方 向与电弧弧柱轴线平行称纵吹，纵吹主要是使电弧冷却、 变细，最终熄灭。吹动方向与电弧弧柱轴线垂直称横吹， 横吹则是把电弧拉长，表面积增大，冷却加强，熄弧效果 较好。在高压断路器中常采用纵、横吹混合吹弧方式，熄 弧效果更好。 3 采用特殊金属材料作灭弧触头 电弧中的去游离强度在很大程度上与触头材料有关。 常用的触头材料有铜、钨合金和银、钨合金等，它们在电 弧高温下不易熔化和蒸发，有较高的抗电弧、抭熔焊能力， 可以减少热电子发射和金属蒸气，抑制游离作用。 4 在断路器的主触头两端加装低值并联电阻 图三-7 吹弧方式 (a)纵吹; (b)横吹
发电厂电气分 第三章灭弧原理及主要开关电器 如图5-8所示，在灭弧室主触头Q,两端加装低值 并联电阻（几欧至几十欧）时，为了最终切断电流， 必须另加装一对辅助触头Q,并联电阻，与辅助触头 Q串联后再与主触头并联。 图三8在图路器主触头两端加装低值并联电阻 分闸时，主触头Q,先打开，并联电阻r接入电路， 在断开过程中起分流作用，同时降低恢复电压的幅值和上升速度，使触头间产生的电弧容易 熄灭：当主触头Q,间的电弧熄灭后，辅助触头Q,接着断开，切断通过并联电阻的电流，使 电路最终断开。 合闸时，顺序相反，即辅助触头Q,先合上，然后主触头Q,合上。 5采用多断口熄弧 高压断路器常制成每相有两个或两个以上的串联断口，以利于灭 弧。图5-9所示为双断口断路器示意图。采用多断口串联，可把电弧 分割成多段，在相同的触头行程下电弧拉长速度和长度比单断口大 从而弧隙电阻增大，同时增大介质强度的恢复速度：加在每个断口上 的电压降低，使弧隙恢复电压降低，因而有利于灭弧。 11OkV及以上的高压断路器常采用多个相同型式的灭弧室（每室 一个断口)串联的积木式结构。由于连接两断口的导电部分对地分布 电容的影响，这种多断口结构在开断过程中的恢复电压和开断位置的 电压在每个断口上的分配有不均匀现象，从而影响断路器的灭弧。 图三.9双断口断路器 S-110型户外少油断路器在开断接地故障后的一相电路图如图 1一静触头：之一动触头：3一电弧 5-10所示。其中U为电源电压，U、U,分别为两断口电压，Ce为电 4一马由精担。气一根开杆 弧熄灭后每个断口等值电容（约几十皮法），C。为连接两斯口的导电部分对大地之间的等值 电容。 假定C。=C,由图510(b)可得 X。 (∈-1) 6xG- X。1/X。 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
发电厂电气部分 第三章 灭弧原理及主要开关电器 7 如图 5-8 所示，在灭弧室主触头 Q1 两端加装低值 并联电阻（几欧至几十欧）时，为了最终切断电流， 必须另加装一对辅助触头 Q2 ，并联电阻 r 与辅助触头 Q2 串联后再与主触头并联。 分闸时，主触头 Q1 先打开，并联电阻 r 接入电路， 在断开过程中起分流作用，同时降低恢复电压的幅值和上升速度，使触头间产生的电弧容易 熄灭；当主触头 Q1 间的电弧熄灭后，辅助触头 Q2 接着断开，切断通过并联电阻的电流，使 电路最终断开。 合闸时，顺序相反，即辅助触头 Q2 先合上，然后主触头 Q1 合上。 5 采用多断口熄弧 高压断路器常制成每相有两个或两个以上的串联断口，以利于灭 弧。图 5-9 所示为双断口断路器示意图。采用多断口串联，可把电弧 分割成多段，在相同的触头行程下电弧拉长速度和长度比单断口大， 从而弧隙电阻增大，同时增大介质强度的恢复速度；加在每个断口上 的电压降低，使弧隙恢复电压降低，因而有利于灭弧。 110kV 及以上的高压断路器常采用多个相同型式的灭弧室（每室 一个断口）串联的积木式结构。由于连接两断口的导电部分对地分布 电容的影响，这种多断口结构在开断过程中的恢复电压和开断位置的 电压在每个断口上的分配有不均匀现象，从而影响断路器的灭弧。 SW-110 型户外少油断路器在开断接地故障后的一相电路图如图 5-10 所示。其中 U 为电源电压， U1、U2 分别为两断口电压， CQ 为电 弧熄灭后每个断口等值电容（约几十皮法）， C0 为连接两断口的导电部分对大地之间的等值 电容。 假定 C C Q = 0 ，由图 5-10（b）可得 Q Q 0 1 0 Q 0 Q 0 Q 0 Q 2 0 Q 0 Q 0 2 / / 2 3 / / 1 / / 2 3 X C C U U U U X X X C C X X C U U U U X X X C C + = = + + = = = + + (三-1) 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。 图三-8 在断路器主触头两端加装低值并联电阻 图三-9 双断口断路器 1—静触头；2—动触头；3—电弧； 4—导电横担；5—提升杆
发电电气语分 8 第三章灭现原理及主要开关电器 为解决各断口的电压分配不均衡的问题，通常在每个断口上并联一个比C。C。大得多 的电容C,(一般为1000-2000pF),称为均压电容，如图5-11所示。则并联均压电容后的 电压分布为 (a) 名 图三-10双断口断路器开断接地故障 (a)斯路器的电容分布：(6》等值电路 -%282u260- C。+C 可见，并联均压电容后，断口上的电压分布均匀，在电流过零后，两断口上的电弧可以 同时熄灭。 6 提高断路器触头的分离速度 在高压断路器中都装有强力断路机构，以加快触头的分离速度，迅速拉长电弧，使弧除 的电场强度骤降，同时使电弧的表面积突然增大，有利于电弧的冷却及带电质点的扩散和复 合，削弱游离而加强去游离，从而加速电弧的熄灭。 T00 图三11并有均压电容 的断口电压分布等值电路
发电厂电气部分 第三章 灭弧原理及主要开关电器 8 为解决各断口的电压分配不均衡的问题，通常在每个断口上并联一个比 C C Q、 0 大得多 的电容 C ，（一般为 1000 2000pF ），称为均压电容，如图 5-11 所示。则并联均压电容后的 电压分布为 Q 0 Q 1 Q 0 Q ( ) 1 2( ) 2( ) 2 C C C C C U U U U C C C C C + + + = = + + + 可见，并联均压电容后，断口上的电压分布均匀，在电流过零后，两断口上的电弧可以 同时熄灭。 6 提高断路器触头的分离速度 在高压断路器中都装有强力断路机构，以加快触头的分离速度，迅速拉长电弧，使弧隙 的电场强度骤降，同时使电弧的表面积突然增大，有利于电弧的冷却及带电质点的扩散和复 合，削弱游离而加强去游离，从而加速电弧的熄灭。 图三-11 并有均压电容 的断口电压分布等值电路 图三-10 双断口断路器开断接地故障 （a）断路器的电容分布；（b）等值电路
发电厂电气分 9 第三章灭弧原理及主要开关电器 3.3高压断路器原理及基本结构 高压断路器是电力系统中最重要的控制和保护电器。由于它具有完善的灭弧装置，不仅 可以用来在正常情况下接通和断开正常工作电流，而且在故障情况下，能够在继电保护装置 的控制下自动切断短路电流，还能实现自动重合闸的功能。 我国目前电力系统中使用的高压断路器依据装设地点不同可分为户内和户外两种型式： 根据断路器所采用的灭弧介质及作用原理的不同，又可分为以下几种类型 (1)SF断路器：采用优良灭弧性能和绝缘性能的S厂气体作为灭弧介质和绝缘介质， 具有优良的开断性能。SF,断路器运行可靠性高，维护工作量小，适用于各个电压等级，特 别是220kV及以上系统中得到最广泛的应用。目前国内生产的SE,断路器有10~500kV电压 等级产品。 (2)真空断路器：利用压力低于1atm(标准大气压，1atm=101.325kPa)的空气作为灭 弧介质。这种断路器具有触头不易氧化，寿命长，行程短、低噪声及可频繁操作的优点，己 在35kV及以下配电装置中获得最广泛的应用 (3)油断路器：以具有绝缘能力的矿物油作为灭弧介质的断路器。断路器中的油除作 为灭弧介质外，还作为触头断开后的间隙绝缘介质和带电部分与接地外壳间的绝缘介质，这 种断路器称为多油断路器：油只作为灭弧介质和触头断开后的间隙绝缘介质，而带电部分对 接地之间采用固体绝缘（例如瓷绝缘）的断路器称为少油断路器。 由于多油断路器体积大，己基本淘汰，仅仅在35水kV电压等级中有少量应用：少油断路 器曾经在我国电力系统广泛应用，但近年来在35kV及以下系统中已被真空断路器、SE,断 路器取代，在11OkV及以上系统中有被SF断路器取代的趋势，而在500kW及以上电压等级 禁止使用。 道断元件 基座 图三12高压断路器基本结构示意图 (4)空气新路器：利用压缩空气作为灭那介质和绝缘介质，并采用压缩空气作为分 合闸的操作动力，具有大容量下开断能力强及开断时间短的特点，但结构复杂、且需配置压 缩空气装置，价格较贵，所以主要用于220kV及以上的屋外配电装置中。由于SF,断路器具 有结构简单、灭弧性能良好和电寿命长的明显优点，使得压缩空气断路器的应用范围进一步 缩小」
发电厂电气部分 第三章 灭弧原理及主要开关电器 9 3.3 高压断路器原理及基本结构 高压断路器是电力系统中最重要的控制和保护电器。由于它具有完善的灭弧装置，不仅 可以用来在正常情况下接通和断开正常工作电流，而且在故障情况下，能够在继电保护装置 的控制下自动切断短路电流，还能实现自动重合闸的功能。 我国目前电力系统中使用的高压断路器依据装设地点不同可分为户内和户外两种型式； 根据断路器所采用的灭弧介质及作用原理的不同，又可分为以下几种类型。 （1） SF6 断路器：采用优良灭弧性能和绝缘性能的 SF6 气体作为灭弧介质和绝缘介质， 具有优良的开断性能。 SF6 断路器运行可靠性高，维护工作量小，适用于各个电压等级，特 别是 220kV 及以上系统中得到最广泛的应用。目前国内生产的 SF6 断路器有 10～500kV 电压 等级产品。 （2）真空断路器：利用压力低于 1atm (标准大气压， 1atm 101.325kPa = )的空气作为灭 弧介质。这种断路器具有触头不易氧化，寿命长，行程短、低噪声及可频繁操作的优点，已 在 35kV 及以下配电装置中获得最广泛的应用。 （3）油断路器：以具有绝缘能力的矿物油作为灭弧介质的断路器。断路器中的油除作 为灭弧介质外，还作为触头断开后的间隙绝缘介质和带电部分与接地外壳间的绝缘介质，这 种断路器称为多油断路器；油只作为灭弧介质和触头断开后的间隙绝缘介质，而带电部分对 接地之间采用固体绝缘（例如瓷绝缘）的断路器称为少油断路器。 由于多油断路器体积大，已基本淘汰，仅仅在 35kV 电压等级中有少量应用；少油断路 器曾经在我国电力系统广泛应用，但近年来在 35kV 及以下系统中已被真空断路器、 SF6 断 路器取代，在 110kV 及以上系统中有被 SF6 断路器取代的趋势，而在 500kV 及以上电压等级 禁止使用。 （4）空气断路器：利用压缩空气作为灭弧介质和绝缘介质，并采用压缩空气作为分、 合闸的操作动力，具有大容量下开断能力强及开断时间短的特点，但结构复杂、且需配置压 缩空气装置，价格较贵，所以主要用于 220kV 及以上的屋外配电装置中。由于 SF6 断路器具 有结构简单、灭弧性能良好和电寿命长的明显优点，使得压缩空气断路器的应用范围进一步 缩小。 图三-12 高压断路器基本结构示意图
发电电气语分 10 第三章灭弧原理及主要开关电器 高压断路器的基本结构如图512所示。它的核心部件是通断元件，包括动触头、静触 头、导电部件和灭弧室等。动触头和静触头处于灭弧室中，用来开断和关合电路的，是断路 器的执行元件。断路器断口的引入载流导体和引出载流导体通过接线座连接。开断元件是带 申的，放置在绝缘支撞元件上，使外在高申位状本下的钟头和导申部分保证与接地的零电位 部分绝缘。动触头的运动（开断动作和关合动作）由操动机构提供动力。操动机构与动触》 的连接由中间传动机构来实现。操动机构使断路器合闸、分闸。当断路器合闸后，操动机构 使断路器维特在合闸状态。 各种高压断路器的结构和性能是不一样的，即使是同一种类的高压断路器也具有不同的 技术参数。为了标志断路器的型号、规格，通常用文字符号和数字写成下列形式： 额定开断能力，kA或MVA ▣☑目-4国/⑥-⑦⑧ 一特殊环境代号 一额定电流，A 一派生代号：C一手车式：G一改进式等. 额定电压，kV -设计序号 -使用环境：N一户内式：W一户外式。 产品名称：D一多油断路器：S少油断路器： 产气断路器： C磁吹断路器等 1六氟化硫(S)断路器 1955年，有国家开始用SE,气体作为断路器的灭弧介质，20世纪70年代，SE,断路器 获得迅速发展。我国于1967年开始研制sE,断路器，1979年开始引进500k及以下断路器 及SF全封闭组合电器技术。目前已成为我国11OkV及以上系统中首选的开关类型。 SE,气体的性能 )物理化学性质 (1)SE,分子是以硫原子为中心、6个氟原子对称地分布在周围形成的，呈正八面体结 构。其氟原子有很强的吸附外界电子的能力。SF,分子在捕捉电子后成为低活动性的负离子， 对去游离有利：另外，sE分子的直径较大(0.456m),使得电子的自由行程减小，从而减 少碰撞游离的发生」 (2)SE,为无色、无味、无毒、不可燃、不助燃的非金屈化合物：在常温常压下，其 密度约为空气的5倍：常温下压力不超过2P阳时仍为气态其总的热传导能力远比空气好 (3)SE的化学性质非常稳定。在干燥情况下，温度低于110℃它与铜、铝、钢等材料 都不发生作用：温度高于150℃时，与钢、硅钢开始缓慢作用：温度高于200℃时与铜、铝 才发生轻微作用：温度达500~一600℃时，与银也不发生作用。 (4)SF的热稳定性极好，但在有金属存在的情况下，热稳定性则大为降低。它开始 ~200℃，其分解随着温度升高而加剧 当温度达到1227℃时，分解物基 餐麦雷毒片在z2心时，分解物主更建s和S:温度道I2C 解为S5和sF。 在电弧或电晕放电中，SF将分解，由于金属蒸气参与反应，生成金属氟化物和硫的低
发电厂电气部分 第三章 灭弧原理及主要开关电器 10 高压断路器的基本结构如图 5-12 所示。它的核心部件是通断元件，包括动触头、静触 头、导电部件和灭弧室等。动触头和静触头处于灭弧室中，用来开断和关合电路的，是断路 器的执行元件。断路器断口的引入载流导体和引出载流导体通过接线座连接。开断元件是带 电的，放置在绝缘支撑元件上，使处在高电位状态下的触头和导电部分保证与接地的零电位 部分绝缘。动触头的运动（开断动作和关合动作）由操动机构提供动力。操动机构与动触头 的连接由中间传动机构来实现。操动机构使断路器合闸、分闸。当断路器合闸后，操动机构 使断路器维持在合闸状态。 各种高压断路器的结构和性能是不一样的，即使是同一种类的高压断路器也具有不同的 技术参数。为了标志断路器的型号、规格，通常用文字符号和数字写成下列形式： 1 六氟化硫（ SF6 ）断路器 1955 年，有国家开始用 SF6 气体作为断路器的灭弧介质，20 世纪 70 年代， SF6 断路器 获得迅速发展。我国于 1967 年开始研制 SF6 断路器，1979 年开始引进 500kV 及以下断路器 及 SF6 全封闭组合电器技术。目前已成为我国 110kV 及以上系统中首选的开关类型。 SF6 气体的性能 1）物理化学性质 （1） SF6 分子是以硫原子为中心、6 个氟原子对称地分布在周围形成的，呈正八面体结 构。其氟原子有很强的吸附外界电子的能力。 SF6 分子在捕捉电子后成为低活动性的负离子， 对去游离有利；另外， SF6 分子的直径较大（0.456nm）,使得电子的自由行程减小，从而减 少碰撞游离的发生。 （2） SF6 为无色、无味、无毒、不可燃、不助燃的非金属化合物；在常温常压下，其 密度约为空气的 5 倍；常温下压力不超过 2MPa 时仍为气态。其总的热传导能力远比空气好。 （3） SF6 的化学性质非常稳定。在干燥情况下，温度低于 110℃它与铜、铝、钢等材料 都不发生作用；温度高于 150℃时，与钢、硅钢开始缓慢作用；温度高于 200℃时与铜、铝 才发生轻微作用；温度达 500～600℃时，与银也不发生作用。 （4） SF6 的热稳定性极好，但在有金属存在的情况下，热稳定性则大为降低。它开始 分解的温度为 150～200℃，其分解随着温度升高而加剧。当温度达到 1227℃时，分解物基 本上是 SF4 （有剧毒）；在 1227～1727℃时，分解物主要是 SF4 和 SF3 ；温度超过 1727℃时分 解为 SF2 和 SF。 在电弧或电晕放电中， SF6 将分解，由于金属蒸气参与反应，生成金属氟化物和硫的低