第3章电弧及电气触头的基本理论 教学要求:掌握电弧的形成及熄灭条件,熟悉电弧形成的物理过程、特性:掌握直流电弧 及交流电弧的特性及熄灭条件;掌握开关电器常用的熄弧方法;了解电气触头的类型、工作 条件:掌握接触电阻的形成、发展、后果及降低措施。 3.1电弧的形成和熄灭 概述 电弧—为一种气体游离放电现象 现象:开关电器开断电路时,触关间产生的耀眼的白光。 Δ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。 特征 ①电弧的能量集中,温度报高,亮度很强 例:10kvQF断开20kv的电流,电弧功率达到一万kw以上 EMBED AutoCAD Drawing. 14 ②电弧由阴级区,阳极区和弧柱区组成弧柱处温度最高,可达6-7k0C到1万度以上在弧柱 周围温度较低,亮度明显减弱的部分叫弧焰,电流几手都人人弧柱内部流过。 ③电弧的气体放电是自持放电,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15~30v,在变压器油中,1cm长的直流电弧的弧柱 电压仅100~220v ④电弧是一東游离的气体,质量极轻,极易变形 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。 电弧的形成 1、带电质点的来源①电极发射大量自由电子:热电子+强电场发射 ②弧柱区的气体游离,产生大量的电子和离子:碰撞游离+热游离 2、电弧的形成 EMBED Equation. 3 eq lolac(o -) EMBED Equation. 3 电弧的熄灭 去游离 介质的游离作用→电弧产生介质的去游离作用→电弧熄灭 游离>去游离——电弧电流↑ 游离去游离游离=去游离——电弧电流不变(稳定燃烧) 游离<去游离——电弧电流↓→(熄灭) 复合:正负离子相互吸引,彼此中和 去游离扩散:弧柱中的带电质点由于热运动逸出弧柱外 影响游离和去游离的因素 ①电弧温度: EMBED Equation3 热游离↓→Q↓ 速度↓→复合加强→Q↓ 使温度降低的方法有:吹弧、拉长电弧、或与冷却介质表面接触。 ②电场强度:E↓ 动速度↓→复合 h↓→Q↓→热游离↓ ③气体介质的压力:F↓→自由行程缩短→离子浓度↑→复合↑ 真空数目少→磁撞游离↓→扩散↑
第3章 电弧及电气触头的基本理论 教学要求:掌握电弧的形成及熄灭条件，熟悉电弧形成的物理过程、特性；掌握直流电弧 及交流电弧的特性及熄灭条件；掌握开关电器常用的熄弧方法；了解电气触头的类型、工作 条件；掌握接触电阻的形成、发展、后果及降低措施。 3.1 电弧的形成和熄灭 概述 电弧——为一种气体游离放电现象 现象：开关电器开断电路时，触关间产生的耀眼的白光。 △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。 特征： ①电弧的能量集中，温度报高，亮度很强 例：10kvQF 断开 20kv 的电流，电弧功率达到一万 kw 以上 EMBED AutoCAD.Drawing.14 ②电弧由阴级区，阳极区和弧柱区组成弧柱处温度最高，可达 6~7k0C 到 1 万度以上在弧柱 周围温度较低，亮度明显减弱的部分叫弧焰，电流几手都人人弧柱内部流过。 ③电弧的气体放电是自持放电，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 15~30v，在变压器油中，1cm 长的直流电弧的弧柱 电压仅 100~220v ④电弧是一束游离的气体，质量极轻，极易变形 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。 电弧的形成 1、带电质点的来源 ①电极发射大量自由电子：热电子+强电场发射 ②弧柱区的气体游离，产生大量的电子和离子：碰撞游离+热游离 2、电弧的形成 EMBED Equation.3 eq \o\ac(○,—) EMBED Equation.3 电弧的熄灭 去游离 介质的游离作用→电弧产生 介质的去游离作用→电弧熄灭 游离>去游离——电弧电流↑ 游离 去游离 游离=去游离——电弧电流不变（稳定燃烧） 游离<去游离——电弧电流↓→（熄灭） 复合：正负离子相互吸引，彼此中和 去游离 扩散：弧柱中的带电质点由于热运动逸出弧柱外。 影响游离和去游离的因素 ①电弧温度： EMBED Equation.3 热游离↓→Q↓ 速度↓→复合加强→Q↓ 使温度降低的方法有：吹弧、拉长电弧、或与冷却介质表面接触。 ②电场强度：E↓ →运动速度↓→复合↑ →Ih↓→Q↓→热游离↓ ③气体介质的压力：F↓→自由行程缩短→离子浓度↑→复合↑ 真空数目少→磁撞游离↓→扩散↑
④介质特性:包括气体的介电强度、导热系数、热量量、电负荷等 ⑤电极材料」铜、银、铜、银钨合金 具有熔点高、导热能力强、热容量大的特点,可减少热电子发射和弧柱中的金属蒸气。 3.2直流电弧的特性及熄灭 特性 1、静态伏安特性曲线: EMBED Equation.3 EMBED AutoCAD Drawing. 14 EMBED Equation 3 为发弧电压、即产生电 弧的最小电压值 当 EMBED Equation.3 时,热游离↑, EMBED Equation3 ↓故 EMBED EMBED 的变化与 EMBED Equation3 成 反比 2、电弧电压分布图 EMBED AutoCAD Drawing. 14 EMBED Equation. 3 =阴极区电压( EMBED Equation3 )+弧柱区( EMBED Equation. 3 )+阳极区 EMBED Equation.3 EMBED Equation. 3 大小与 EMBED Equation.3 无关,在空气中 EMBED Equation 3 EMBED Equation. 3 EMBED Equation 3 且 EMBED Equation.3 而减小甚至为零 EMBED Equation 3 :与 EMBED Equation3 呈线性关系,在空气中 EMBED Equation. 3 短弧:几个mm长、主要由 EMBED Equation.3 组成 长弧:几个cm~几个m长,主要由 EMBED Equation3 组成 △近阴极效应(短弧原理) 将长弧沿垂直方向切割成多段电弧串联,每一段即构成一个短弧,获得一个 阴极区压降。如果加在触头间的电压小于各段短弧的阴极电压之和,则电弧就不 能维持而熄灭。 直流电弧的工作点 EMBED AutoCAD Drawing. 14 ①开关闭全时, EMBED Equation.3 ②K刚分: EMBED Equation.3 EMBED Equation. 3 ③电弧燃烧稳定量: EMBED Equation.3 EMBED Equation. 3 有:△ EMBED Equation3 当 EMBED Equation3 时,△ EMBED Equation3 时,△ EMBED Equation.3 由弧稳定燃烧时,有 EMBED Equation. 3 EMBED Equation. 3 EMBED Auto CAD Drawing. 14 EMBED Equation. 3 EMBED Equation. 3 在上, EMBED Equation 3 在下,△ EMBED Equation.3 EMBED Equation. 3 2点 EMBED Equation.3 EMBED Equation 3 在下, EMBED
④介质特性：包括气体的介电强度、导热系数、热量量、电负荷等 ⑤电极材料：铜、银、铜钨、银钨合金 具有熔点高、导热能力强、热容量大的特点，可减少热电子发射和弧柱中的金属蒸气。 3.2 直流电弧的特性及熄灭 一、特性： 1、静态伏安特性曲线： EMBED Equation.3 EMBED AutoCAD.Drawing.14 EMBED Equation.3 为发弧电压、即产生电 弧的最小电压值 当 EMBED Equation.3 ↑时，热游离↑， EMBED Equation.3 ↓故 EMBED Equation.3 ↓， EMBED Equation.3 的变化与 EMBED Equation.3 成 反比。 2、电弧电压分布图： EMBED AutoCAD.Drawing.14 EMBED Equation.3 =阴极区电压（ EMBED Equation.3 ）+弧柱区（ EMBED Equation.3 ）+阳极区 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 ：大小与 EMBED Equation.3 无关，在空气中 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 ：< EMBED Equation.3 、且 EMBED Equation.3 而减小甚至为零 EMBED Equation.3 ：与 EMBED Equation.3 呈线性关系，在空气中 EMBED Equation.3 短弧：几个 mm 长、主要由 EMBED Equation.3 组成 长弧：几个 cm~几个 m 长，主要由 EMBED Equation.3 组成 △近阴极效应（短弧原理） 将长弧沿垂直方向切割成多段电弧串联，每一段即构成一个短弧，获得一个 阴极区压降。如果加在触头间的电压小于各段短弧的阴极电压之和，则电弧就不 能维持而熄灭。 直流电弧的工作点 EMBED AutoCAD.Drawing.14 ①开关闭全时， EMBED Equation.3 ②K 刚分： EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 ③电弧燃烧稳定量： EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 有：△ EMBED Equation.3 当 EMBED Equation.3 时，△ EMBED Equation.3 ；当 EMBED Equation.3 时，△ EMBED Equation.3 由弧稳定燃烧时，有： EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED AutoCAD.Drawing.14 EMBED Equation.3 ， EMBED Equation.3 在上， EMBED Equation.3 在下，△ EMBED Equation.3 ， EMBED Equation.3 2 点 EMBED Equation.3 ， EMBED Equation.3 在下， EMBED
E 在上,△ EMBED Equation.3 EMBED Equation. 3 熄灭 EMBED Equation. 3 ,△ EMBED Equation3 EMBED Eq 1点 稳定工作点 EMBED Equation. 3 △ EMBED Equation.3 EMBED 若增大电弧长度,其静态伏安特性网线上够,稳定工作点也应向直上方移动 三、直流电弧的熄灭条件: EMBED Equation3 途径:① EMBED Equation3 加大触头的分断距离、将长弧切割为短弧,拉长电 弧加强冷却 ② EMBED Equation3:减小电源电压 3.3交流电弧的特性及熄灭 交流电弧:在交流电路中产生的电弧 特性 1、动态状安特性曲线: EMBED Equation3 随t,不断变化,每一周期,电流过零 2次 EMBED Auto CAD Drawing. 14 EMBED Equation. 3 正弦变化 EMBED Equation. 3 -马鞍形状。A>B 燃弧电压B—熄弧电压 △电弧在 EMBED Equation3 自然过零时将自动熄灭,但下丰周期随着电压的升高, 电弧远会燃。 若电流过零时,电弧不再重燃,电弧就此熄灭 2、热惯性:电弧温度的变化滞后于电流的变化 二、交流电弧的熄灭 1、弧隙介质电强度的恢复过程 EMBED Equation3 弧隙介质电强度——弧隙介质能够承受而不改使弧隙去穿的最小电压 过程:电流 EMBED Equation3 过零前, EMBED Equation3 很高, EMBED Equation. 3 很小,弧隙为良导电通道 电流 EMBED Equation.3 过零前后, EMBED Equation3 EMBED Equation 3 具有一定抗电强度 电流 EMBED Equation.3 过零后, EMBED Equation.3 恢复不是从零开始 △近阴极效应:电流极性改善后的0.1~1.0 EMBED Equation.3 瞬间, EMBED 2、弧隙电压的恢复过程, EMBED Equation3 弧隙电压—电压由熄弧电压恢复到电源电压的过程 过程:电流 EMBED Equation3过零前, EMBED Equation3很小,电源电 压大部分降落在线路或负载的阻抗上 电流 EMBED Equation3过零时,电弧熄灭,最后变为绝缘介质,电源电压 使全部加在弧隙上 3、交流电弧的熄灭条件: EMBED Equation3 EMBED Auto CAD Drawing. 14 、交流电路的开断
Equation.3 在上，△ EMBED Equation.3 ， EMBED Equation.3 熄灭 EMBED Equation.3 ，△ EMBED Equation.3 ， EMBED Equation.3 1 点 稳定工作点 EMBED Equation.3 ， △ EMBED Equation.3 ， EMBED Equation.3 若增大电弧长度，其静态伏安特性网线上够，稳定工作点也应向直上方移动 三、直流电弧的熄灭条件： EMBED Equation.3 途径：① EMBED Equation.3 ：加大触头的分断距离、将长弧切割为短弧，拉长电 弧加强冷却 ② EMBED Equation.3 ：减小电源电压 3．3 交流电弧的特性及熄灭 交流电弧：在交流电路中产生的电弧 一、特性 1、动态状安特性曲线： EMBED Equation.3 随 t，不断变化，每一周期，电流过零 2 次 EMBED AutoCAD.Drawing.14 EMBED Equation.3 ——正弦变化 EMBED Equation.3 ——马鞍形状。A > B A——燃弧电压 B——熄弧电压 △电弧在 EMBED Equation.3 自然过零时将自动熄灭，但下丰周期随着电压的升高， 电弧远会燃。 若电流过零时，电弧不再重燃，电弧就此熄灭。 2、热惯性：电弧温度的变化滞后于电流的变化 二、交流电弧的熄灭 1、弧隙介质电强度的恢复过程 EMBED Equation.3 弧隙介质电强度——弧隙介质能够承受而不改使弧隙去穿的最小电压 过程：电流 EMBED Equation.3 过零前， EMBED Equation.3 很高， EMBED Equation.3 很小，弧隙为良导电通道 电流 EMBED Equation.3 过零前后， EMBED Equation.3 ， EMBED Equation.3 具有一定抗电强度 电流 EMBED Equation.3 过零后， EMBED Equation.3 恢复不是从零开始 △近阴极效应：电流极性改善后的 0.1~1.0 EMBED Equation.3 瞬间, EMBED Equation.3 2、弧隙电压的恢复过程， EMBED Equation.3 弧隙电压——电压由熄弧电压恢复到电源电压的过程 过程：电流 EMBED Equation.3 过零前， EMBED Equation.3 很小，电源电 压大部分降落在线路或负载的阻抗上 电流 EMBED Equation.3 过零时，电弧熄灭，最后变为绝缘介质，电源电压 使全部加在弧隙上。 3、交流电弧的熄灭条件： EMBED Equation.3 EMBED AutoCAD.Drawing.14 三、交流电路的开断
四、交流电弧的灭弧方法 提高触斗的分闸进度一—速拉长电弧,E!,冷却与扩散↑ 采用多口灭弧一一拉长丰速↑,行程,灭弧时间提高了灭弧能力 吹弧—加强冷却和扩散 自能式横吹——将电弧吹考吹长 ①油气纵吹一—将电弧吹细 ②外能力吹弧 ③产气管纵吹 利用固体介质的狭缝狭沟灭弧—冷令却,表面吸附电子。 如:介质栅灭弧罩 介质纵缝灭弧罩 介质填料灭弧管 利用短弧原理灭弧—交流电路:电流自然过零时,第一短弧有150~250V电压 直流电路:每一短弧的阴极区有8~1lv电压降 磁吹——利用电磁力驱动和拉长电弧至固体介质灭弧罩或金属栅灭弧罩中 高压力气体介质灭弧——磁撞游离↓,复合↑ 真空灭弧——碰撞游离↓,热游离↓,扩散↑ 3.4电气触头 、分类: 固定触头——母线的联接,采用螺柱连接和压接两种 可动触 滑环与碳刷 可断触头—QF,采用对接式和插入式 2、触头的接触电阻Rc 接触电阻——直接反映触头的工作状况 其大小决定了触头的发热触头的工作情况 三、触头的工作情况 1、在长期负载电流下的工作 负载电流Ⅰ→触头Rc→12Rc→发热 降低 EMBED Equation3及提高通流途经的方法 严防金属氧化层造成的恶性循环的方法 2、在短时大电流下的工作 在t很短的瞬间,电流很大,会在某一点集聚大热量 触头的熔焊 EMBED Equation. 3 机械强度↓ 弹力↓ 对策:规定短时发热最高温度限值 3、在大电流下的关合和分断 会出现①弹跳现象 ②可断触头 触头间电弧可能会烧坏触头 习题及思考题 31何为电弧?简述断路器触头开断时断口电弧的形成过程及由此而确定的基本灭弧方
四、交流电弧的灭弧方法 提高触头的分闸进度——迅速拉长电弧，E↓，冷却与扩散↑ 采用多断口灭弧——拉长迅速↑，行程↓，灭弧时间↓提高了灭弧能力 吹弧——加强冷却和扩散 自能式 横吹——将电弧吹考吹长 ①油气 纵吹——将电弧吹细 ②外能力吹弧 ③产气管纵吹 利用固体介质的狭缝狭沟灭弧——冷却，表面吸附电子。 如： 介质栅灭弧罩 介质纵缝灭弧罩 介质填料灭弧管 利用短弧原理灭弧—— 交流电路：电流自然过零时，第一短弧有 150~250v 电压。 直流电路：每一短弧的阴极区有 8~11v 电压降。 磁吹——利用电磁力驱动和拉长电弧至固体介质灭弧罩或金属栅灭弧罩中 高压力气体介质灭弧——磁撞游离↓，复合↑ 真空灭弧——碰撞游离↓，热游离↓，扩散↑ 3．4 电气触头 一、分类： 固定触头——母线的联接，采用螺柱连接和压接两种； 可动触头——滑环与碳刷； 可断触头——QF，采用对接式和插入式。 2、触头的接触电阻 Rc 接触电阻——直接反映触头的工作状况 其大小决定了触头的发热触头的工作情况 三、触头的工作情况 1、在长期负载电流下的工作 负载电流 I→触头 Rc→I2Rc→发热 降低 EMBED Equation.3 及提高通流途经的方法 严防金属氧化层造成的恶性循环的方法 2、在短时大电流下的工作 在 t 很短的瞬间，电流很大，会在某一点集聚大热量 触头的熔焊 EMBED Equation.3 → 机械强度↓ 弹力↓ 对策：规定短时发热最高温度限值 3、在大电流下的关合和分断 会出现①弹跳现象 ②可断触头 触头间电弧可能会烧坏触头 习题及思考题 3—1 何为电弧？简述断路器触头开断时断口电弧的形成过程及由此而确定的基本灭弧方
直流电弧稳定燃烧的条件为何?灭弧栅何灭弧室在灭弧原理上由何差别? 3一3交流电弧电流有何特点?熄灭交流电弧的条件是什么? 3-4什么叫介质强度恢复过程?什么叫电压恢复过程?它们与哪些因素有关 5在直流电弧和交流电弧中,将长电弧分割成短电弧灭弧室利用了什么原理? 3-6电气触头主要有哪几种接触形式?各有什么特点? 7如果电气触头发生振动是什么原因造成的?有什么危害?
法。 3—2 直流电弧稳定燃烧的条件为何？灭弧栅何灭弧室在灭弧原理上由何差别？ 3—3 交流电弧电流有何特点？熄灭交流电弧的条件是什么？ 3—4 什么叫介质强度恢复过程？什么叫电压恢复过程？它们与哪些因素有关？ 3—5 在直流电弧和交流电弧中，将长电弧分割成短电弧灭弧室利用了什么原理？ 3—6 电气触头主要有哪几种接触形式？各有什么特点？ 3—7 如果电气触头发生振动是什么原因造成的？有什么危害？