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
第三章灭弧原理及主要开关电器这一部分，我们将介绍以下内容：电弧的形成和熄灭电弧的基本理论切断交流电路时电压的恢复过程交流电弧熄灭的基本方法高压断路器原理及主要结构断路器原理结构特高压断路器和智能断路器◆高压断路器操动机构
第三章 灭弧原理及主要开关电器 ◆ 电弧的形成和熄灭 ◆ 切断交流电路时电压的恢复过程 ◆ 交流电弧熄灭的基本方法 ◆ 高压断路器原理及主要结构 ◆ 特高压断路器和智能断路器 ◆ 高压断路器操动机构 这一部分，我们将介绍以下内容： 电弧的基本理论 断路器原理结构
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问题的引入开关电器是电力系统的重要设备之一，其中又以断路器的地位最重要，结构也最复杂。因为断路器不仅可以在正常情况下接通和断开电路，且在故障情况下能自动迅速开断故障电流。不过开关电器在断开电路时，只要电源电压大于10~20V电流大于80~100mA，触头间就会出现电弧。此时触头虽上分开，但电路中的电流还在继续流通。只有电弧熄灭，电路才被真正断开。因此我们先讨论电弧形成和熄灭的物理过程电弧是一种气体游离放电现象。质量极轻，容易变形。在气体或液体的流动作用下，或在电动力的作用下，电弧能迅速移动、伸长或弯曲
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 问题的引入 开关电器是电力系统的重要设备之一，其中又以断路器的地位最重要，结构也最复杂。因为断 路器不仅可以在正常情况下接通和断开电路，且在故障情况下能自动迅速开断故障电流。 不过开关电器在断开电路时，只要电源电压大于10~20V， 电流大于80~100mA，触头间就会出现电弧。此时触头虽已 分开，但电路中的电流还在继续流通。只有电弧熄灭，电路 才被真正断开。因此我们先讨论电弧形成和熄灭的物理过程。 电弧是一种气体游离放电现象。质量极轻，容易变形。在气 体或液体的流动作用下，或在电动力的作用下，电弧能迅速 移动、伸长或弯曲
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问题的引入电弧的本质气态介质或固态、液态介质高温气化后向等离子体态的转化。电弧的特点：能量集中，温度很高，亮度很强静触头阳极区阳极区弧柱区弧柱区电弧的组成：阴极区阴极区动触头
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 问题的引入 电弧的本质：气态介质或固态、液态介质高温气化后向等离子体态的转化。 电弧的特点：能量集中，温度很高，亮度很强 电弧的组成： 阳极区 弧柱区 阴极区
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一、电弧的形成和弧隙中介质的游离过程触头的周围原本是空气或其它绝缘介质，为什么在动静触头分离瞬间会变成导电的电弧呢？在绝缘介质中出现了大量的自由电子，大量自由电子由阴极向阳极的定向运动就形成了电弧。静触头阳极区为什么会出现自由电子？弧柱区自由电子为什么会定向运动阴极区为什么大量且持续？动触头
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 一、电弧的形成和弧隙中介质的游离过程 触头的周围原本是空气或其它绝缘介质，为什么在动静触头分离瞬间会变成导电的电弧呢？ 为什么会出现自由电子？ 在绝缘介质中出现了大量的自由电子，大量自由电子由阴极向 阳极的定向运动就形成了电弧。 自由电子为什么会定向运动？ 为什么大量且持续？
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电子发射游离碰撞热游离一、电弧的形成和弧隙中介质的游离过程1.电子发射：对电弧的产生起决定作用静触头（1）热电子发射：动静触头分离时，触头间接触电阻增大，接触处大量发热，使阴极表面温度升高而发射电子。其数量取决阳极区于触头材料和表面温度。弧柱区（2）强电场发射（冷电子发射）：动静触头分离时，触头间的间隙阴极区很小，触头间会形成很高的电场强度，将阴极触头金属表面中的自由电子从中拉出来。其数量取决于电场强度的大小。动触头
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 一、电弧的形成和弧隙中介质的游离过程 1.电子发射：对电弧的产生起决定作用 （1）热电子发射：动静触头分离时，触头间接触电阻增大，接 触处大量发热，使阴极表面温度升高而发射电子。其数量取决 于触头材料和表面温度。 （2）强电场发射(冷电子发射)：动静触头分离时，触头间的间隙 很小，触头间会形成很高的电场强度，将阴极触头金属表面中的 自由电子从中拉出来。其数量取决于电场强度的大小。 电子发射 游离碰撞 热游离
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电子发射游离碰撞热游离一、电弧的形成和弧隙中介质的游离过程2.游离碰撞：对电弧的形成起决定作用静触头游离是指中性质点变成自由电子和正离子的过程。阳极区碰撞游离（电场游离）：在电场作用下，电子加速向阳极运动，途弧柱区中与介质中的中性质点发生碰撞。若自由电子具有足够动能，就能与中性质点产生碰撞游离，使其游离为正离子和自由电子。这阴极区样的过程连续进行导致雪崩式碰撞，使触头间充满了自由电子。在外加电压作用下形成电子流，介质被击穿而形成电弧。动触头
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 一、电弧的形成和弧隙中介质的游离过程 2.游离碰撞：对电弧的形成起决定作用 游离是指中性质点变成自由电子和正离子的过程。 碰撞游离(电场游离)：在电场作用下，电子加速向阳极运动，途 中与介质中的中性质点发生碰撞。若自由电子具有足够动能，就 能与中性质点产生碰撞游离，使其游离为正离子和自由电子。这 样的过程连续进行导致雪崩式碰撞，使触头间充满了自由电子。 在外加电压作用下形成电子流，介质被击穿而形成电弧。 电子发射 游离碰撞 热游离
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电子发射游离碰撞热游离一、电弧的形成和弧隙中介质的游离过程3.热游离：是电弧维持的关键电弧形成后，触头间电压立刻降低，但弧柱的温度很高。处于高温下的介质分子和原子产生剧烈运动，不断发生碰撞，也会游离出自由电子和离子（这就是热游离过程），可以维持电弧的燃烧。断路器断开过程中电弧的形成过程：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，使得电场强度很高，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
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 一、电弧的形成和弧隙中介质的游离过程 3.热游离：是电弧维持的关键 电弧形成后，触头间电压立刻降低，但弧柱的温度很高。处于高温下的介质分子和原子产生剧 烈运动，不断发生碰撞，也会游离出自由电子和离子(这就是热游离过程)，可以维持电弧的燃烧。 电子发射 游离碰撞 热游离 断路器断开过程中电弧的形成过程：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，使得电场强度很高，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
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二、电弧间隙的去游离在电弧中，发生游离过程的同时还进行着使带电质点减少的去游离过程。-游离过程>去游离过程：电弧电流增大，炽热燃烧-游离过程=去游离过程：电弧电流不变，稳定燃烧-游离过程<去游离过程：电弧电流减小，最终熄灭因此，要想使电弧熄灭，就必须设法加强去游离过程，使其大于游离过程复合扩散
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 二、电弧间隙的去游离 在电弧中，发生游离过程的同时还进行着使带电质点减少的去游离过程。 - 游离过程＞去游离过程：电弧电流增大，炽热燃烧 - 游离过程＝去游离过程：电弧电流不变，稳定燃烧 - 游离过程＜去游离过程：电弧电流减小，最终熄灭 因此，要想使电弧熄灭，就必须设法加强去游离过程，使其大于游离过程。 复合 扩散
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二、电弧间隙的去游离1.复合去游离复合是正、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。电子碰撞中性质点一速度慢的负离子一与正离子中和2.扩散去游离浓度扩散弧柱中的自由电子和正离子由于热运动而从弧柱内部逸出进入周围冷介质的现象。温度扩散
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 二、电弧间隙的去游离 1.复合去游离 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。 电子碰撞中性质点→速度慢的负离子→与正离子中和 2.扩散去游离 弧柱中的自由电子和正离子由于热运动而从弧柱内部逸出进入周围冷介质的现象。 浓度扩散 温度扩散