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
第一节电弧的形成和熄灭 第二节切断交流电路时电压的恢复过程 第三节交流电弧熄灭的基本方法 第四节高压断路器原理及主要结构 第五节特高压断路器和智能断路器 第六节高压断路器操动机构
第一节 电弧的形成和熄灭 第二节 切断交流电路时电压的恢复过程 第三节 交流电弧熄灭的基本方法 第四节 高压断路器原理及主要结构 第五节 特高压断路器和智能断路器 第六节 高压断路器操动机构
第一节电弧的形成与熄灭 一、电弧的形成和弧隙中介质的游离过程 (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，触 头间的电场强度就非常大，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
第一节 电弧的形成与熄灭 一、电弧的形成和弧隙中介质的游离过程 （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，触 头间的电场强度就非常大 ，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
电弧的形成一孤柱中自由电子的主要来源 (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，在运动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，使中性质点游离，这一过程称 为碰撞游离。电弧的形成主要是碰撞游离所致。 (4)热游离 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， 这种现象称为热游离。电弧形成之后，维持电弧燃烧所需的 游离过程是热游离
电弧的形成— 弧柱中自由电子的主要来源 （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，在运动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，使中性质点游离，这一过程称 为碰撞游离。电弧的形成主要是碰撞游离所致。 （4）热游离 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， 这种现象称为热游离。电弧形成之后，维持电弧燃烧所需的 游离过程是热游离
电弧的形成一 电弧形成的过程 断路器断开过程中电弧是这样形成的。触头刚分离时突然 解除接触压力，阴极表面立即出现高温炽热点，产生热电子发 射；同时，由于触头的间隙很小，使得电压强度很高，产生强 电场发射。从阴极表面逸出的电子在强电场作用下，加速向阳 极运动，发生碰撞游离，导致触头间隙中带电质点急剧增加， 温度骤然升高，产生热游离并且成为游离的的主要因素，此时， 在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧
电弧的形成— 电弧形成的过程 断路器断开过程中电弧是这样形成的。触头刚分离时突然 解除接触压力，阴极表面立即出现高温炽热点，产生热电子发 射；同时，由于触头的间隙很小，使得电压强度很高，产生强 电场发射。从阴极表面逸出的电子在强电场作用下，加速向阳 极运动，发生碰撞游离，导致触头间隙中带电质点急剧增加， 温度骤然升高，产生热游离并且成为游离的的主要因素，此时， 在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧
二、电弧间隙的去游离 电弧的去游离过程包括复合和扩散两种形式。 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。 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，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，再被正离子捕获成为中性质点
二、电弧间隙的去游离 电弧的去游离过程包括复合和扩散两种形式。 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。 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，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，再被正离子捕获成为中性质点
电弧的熄灭一电孤的去游离形式 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
电弧的熄灭— 电弧的去游离形式 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
电弧的熄灭一 影响去游离的因素 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， 减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，或使电弧与固体介质表面接触等，都可以降低电弧的温 度。 2.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、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
电弧的熄灭— 影响去游离的因素 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， 减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，或使电弧与固体介质表面接触等，都可以降低电弧的温 度。 2.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、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
电弧的熄灭一 影响去游离的因素 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。 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
电弧的熄灭— 影响去游离的因素 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。 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
三、电弧的特性及灭弧的基本原理 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。 经过对下图的分析，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
三、电弧的特性及灭弧的基本原理 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。 经过对下图的分析，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