1、电弧及灭弧装置,指导老师：杨旭丽制作人：宋小虎 2012.04.14,电弧现象,1.定义 两个触头行将接触或开始分离时，只要它们之间的电压达12 20V、电流达0.25 lA,触头间隙内就会产生高温弧光，这就是电弧。,图1-1电弧构造和电弧温度分布,a电弧构造,b电弧温度分布,电弧现象,电弧分类1流种类可分为：交流电弧、直流电弧和脉冲电弧。2按电弧的状态可分为：自由电弧和压缩电弧（如等离子弧）。3按电极材料可分为：熔化极电弧和不熔化极电弧。,电弧的作用,坏处：因为其温度达成千上万K足以烧伤触头、使之迅速损坏;它也能使触头熔焊、破坏电器的正常工作，甚或酿成火灾刀人员伤亡等严重事故; 它还会产生干
2、扰附近的通信设施的高次谐波益处：电弧焊、电弧熔炼和弧光灯等是专门利用电弧的设备，电器本身可借助电弧以防止产生过高的过电压和限制故障电流。,电弧产生的原理,原理 当用开关电器断开电流时，如果电路电压不低于1020伏，电流不小于80100mA，电器的触头间便会产生电弧。 电弧的形成是触头间中性质子(分子和原子)被游离的过程。开关触头分离时，触头间距离很小，电场强度E很高(E = U/d)。,电离形式,表面发射,空间电离,场致发射,光发射,二次电子发射,热发射,光电离,碰撞电离,热电离,发生于金属电极表面,发生于触头间隙内,电弧产生的原理,电弧产生的原理,从阴极表面发射出来的自由电子和触头间原有的少
3、数电子，在电场力的作用下向阳极作加速运动，途中不断地和中性质点相碰撞。只要电子的运动速度v足够高，电子的动能A=1/2mv2足够大，就可能从中性质子中打出电子，形成自由电子和正离子。这种现象称为碰撞游离。,电弧产生的原理,触头间电弧燃烧的间隙称为弧隙。电弧形成后，弧隙间的高温使阴极表面的电子获得足够的能量而向外发射，形成热电场发射。同时在高温的作用下(电弧中心部分维持的温度可达10000以上)，气体中性质点的不规则热运动速度增加。当具有足够动能的中性质点相互碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。 随着触头分开的距离增大，触头间的电场强度E逐渐减小，这时电弧的燃烧主要是依靠热游
4、离维持的。,电弧放电,两个电极在一定电压下由气态带电粒子，如电子或离子，维持导电的现象。激发试样产生光谱。电弧放电主要发射原子谱线，是发射光谱分析常用的激发光源。通常分为直流电弧放电和交流电弧放电两种。,电弧放电,电弧放电可分为 3个区域：阴极区、弧柱和阳极区。其导电的机理是：阴极依靠场致电子发射和热电子发射效应发射电子；弧柱依靠其中粒子热运动相互碰撞产生自由电子及正离子，呈现导电性，这种电离过程称为热电离；阳极起收集电子等作用，对电弧过程影响常较小。在弧柱中，与热电离作用相反，电子与正离子会因复合而成为中性粒子或扩散到弧柱外，这一现象称为去电离。在稳定电弧放电中，电离速度与去电离速度相同，形
5、成电离平衡。,电弧的特性和方程,一、电弧的电压方程 电弧电压包括近阴极区电压降Uc、近阳极区电压降Ua和弧柱电压降Up，即 UA= Uc+ Ua+ Up 两近极区压降基本不变，故以Uo = Uc+ Ua表示，称为近极区压降；,图2-1电弧的电压及场强分布,电弧的特性和方程,弧柱区内的电场强度E又近乎恒值，约(1 5)103V/m，在特殊介质内还可达(10 20)103V/m，故电弧电压 UA= U0+ El 式中：l为弧柱区长度，可近似地取它为整个电弧的长度。,电弧的特性和方程,二、直流电弧的伏安特性 伏安特性为电弧的重要特性之一，它表示电弧电压与电弧电流间的关系。当外施电压达到燃弧(击穿)电
6、压Ub、电流亦达到燃弧电流Ib后，电弧便产生了，而且随着电流的增大，电弧电压反而降低。这是因为电流增大会使弧柱内热电离掷剧、离子浓度加大，故维持稳定燃弧所需电压反而减小。,图2-2直流电弧伏安特性,电弧的特性和方程,三、交流电弧的伏安特性和时间特性 交流电弧的伏安特性不同于直流的伏安特性，因为交变电流总是随着时间变化，所以伏安特性只能是动态的。值得注意的是交变电流每个周期有两次自然通过零值，而电弧也通常在电流过零时自行熄灭。,图2-3交流电弧伏安特性,电弧的特性和方程,四、电弧的能量平衡 电弧的功率为 PA= UAIA= U0lA+ E I lA 按UO和El在UA中所占比例，电弧有长弧与短弧
7、之分。若UO在UA中占主要地位，电弧就是短弧;反之，则是长弧。短弧的能量损耗是转化为热能、并经电极和与之连接的金属件散往周围介质。长弧的能量损耗可近似地认为是转化为热能、并经弧柱散往周围介质。就一般工业电器而论，弧柱的散热具有重要意义。,电弧的特性和方程,弧柱是高温等离子体。燃弧时的弧柱温度通常为(420)103K，熄弧时则仅有(3 4) )103K。弧柱温度与电极材料、灭弧介质种类和压力以及其冷却作用的强烈程度等有关。 若以QA表示电弧能量、以Pd表示电弧散出的功率，电弧的动态热平衡方程便是 dQA/dt=PA-Pd,电弧的特性和方程,若dQA/dt 0，即PA Pd，说明电弧能量在增大，使
8、燃弧更加炽烈; 若dQA/dt0，即PAPd，说明电弧能量在减小，电弧将趋于熄灭; 若dQA/dt=0，即PA= Pd，电弧能量达到平衡，并且稳定地燃弧。,电弧熄灭的方法及装置,电弧熄灭的方法及装置 拉长电弧、降低温度、将长弧变为短弧、将电弧放置于特殊介质中，增大电弧周围气体介质的压力等。为了减少电弧对触头的烧损和限制电弧扩展的空间，通常要将这些方法加以应用，为此而采用的装置称为灭弧装置。一个灭弧装置可以采用某一种方法进行熄弧。但在大多数情况下，则是综合采用几种方法，以增加灭弧效果。例如拉长和冷却电弧往往是一起运用的。,电弧熄灭的方法及装置,一、拉长电弧电弧拉长以后，电弧电压就增大，改变了电弧
9、的伏安特性。在直流电弧中，其静伏安特性上移，电弧可以熄灭。在交流电弧中，由于燃弧电压的提高，电弧重燃困难。电弧的拉长可以沿电弧的轴向(纵向)拉长，也可以沿垂直于电弧轴向(横向)拉长，如3-1图所示。,图3-1,电弧熄灭的方法及装置,1机械力拉长电弧沿轴向拉长的情况是很多的，电器触头分断过程实际上就是将电弧不断地拉长。刀开关中闸刀的拉开也拉长电弧，电焊过程中将焊钳提高可使电弧拉长并熄灭。2回路电动力拉长,电弧熄灭的方法及装置,图3-2触头回路电动力吹弧（a）常用触头回路电动力吹弧；（b）增磁型触头回路电动力吹弧1触头桥；2动触头；3电弧；4静触头；5静触头座；6磁性片。,电弧熄灭的方法及装置,载
10、流导体之间会产生电动力，如果把电弧看作为一根软导体，那么受到电动力它就会发生变形，即拉长。如图3-2所示，在一对桥式双断点结构型式的触头断开时，电弧受回路电动力F的作用被横向拉长，也就是图3-1中受F2作用力的情况。横向拉长时电弧与周围介质发生相对运动而加强了冷却，这样就加速了电弧的熄灭。有时为了使磁场集中，在触头上添加磁性片6，以增大吹弧力，如图3-2（b）所示。,电弧熄灭的方法及装置,因利用回路本身灭弧的电动力不够大，电弧拉长和运动的速度都较小，所以这种方法一般仅用于小容量的电器中。开断大电流时，为了有较大的电动力而专门设置了一个产生磁场的吹弧线圈，这种利用磁场力使电弧运动而熄灭的方法称为
11、磁吹灭弧。如图3-3所示。由于这个磁场力比较大，其拉长电弧的效果也较好，如图3-1中F3所示的情况。,电弧熄灭的方法及装置,1磁吹铁心；2导弧角；3灭弧罩；4磁吹线圈；5铁夹板；6静触头；7动触头；8绝缘套。,图3-3磁吹灭弧装置示意图,电弧熄灭的方法及装置,磁吹线圈4是接在引出线和静触头6之间，通过绝缘套与磁吹铁芯绝缘，导弧角2和静触头6固装在一起。磁吹线圈4中的磁吹铁芯1两端各装有一片导磁夹板5，磁夹板5同时夹于灭弧室两侧，用来加强弧区磁场。设在灭弧室中的动静触头就处在磁板之间。当触头分开有电弧燃烧时，磁吹线圈和电弧本身均在电弧周围产生磁场。由图可见，在弧柱下方一侧，磁吹线圈的磁通和电弧的
12、磁通是相叠加的，而在弧柱上方一侧，两磁通是相削弱的，因此就产生磁吹力。电弧在磁吹力的作用下发生运动，电弧被拉长，电弧的根部离开静触头而移到导弧角2上，进一步拉长电弧，使电弧迅速熄灭。,电弧熄灭的方法及装置,导弧角2是根据回路电动力原理设置的，用来引导电弧很快离开触头且按一定方向运动，以保护触头接触面免受电弧的烧伤。由于磁吹线圈与电路的连接方式不同而形成串激线圈和并激线圈之分。上述所介绍的这种磁吹线圈和触头相串联的激磁方法称为串激法。它的优点是：电流流向改变但磁吹力方向不变，即磁吹方向不随电流极性的改变而改变。具有这种磁吹的电器称为“无极性电器”。同时因为是串激，通过磁吹线圈的电流与弧电流相同，
13、因此弧电流越大则灭弧效力就越强；反之弧电流小时，灭弧效力就弱。,电弧熄灭的方法及装置,在熄灭直流电弧时，外加磁场除了串激法外，还有并激法和它激法。它们的工作原理相同。并激法的磁吹线圈不是和负载回路串联，而是直接跨接在电源上。它的优点是，可产生一个与回路电流无关的恒定磁场。这样，在一定的恒定磁场下，不论开断大电流或小电流，都可使电弧很快熄灭。但是由此产生的缺点是使电器的接线带有极性，即当触头上电流反向时，必须同时改变并激线圈的极性，否则磁吹力就会反向，所以使用中不太方便。,电弧熄灭的方法及装置,二、灭弧罩 灭弧罩是让电弧与固体介质相接触，降低电弧温度，从而加速电弧熄灭的比较常用的装置。其结构型式
14、是多种多样的，但其基本构成单元为“缝”。我们将灭弧罩壁与壁之间构成的间隙称作“缝”。根据缝的数量可分为单缝和多缝。根据缝的宽度与电弧直径之比可分为窄缝与宽缝。缝的宽度小于电弧直径的称窄缝，反之，大于电弧直径的称宽缝。根据缝的轴线与电弧轴线间的相对位置关系可分为纵缝与横缝。缝的轴线和电弧轴线相平行的称为纵缝，两者相垂直的则称为横缝。,电弧熄灭的方法及装置,1纵缝灭弧罩 图3-4所示为一纵向窄缝的灭弧情况，当电弧受力被拉入窄缝后，电弧与缝壁能紧密接触。在继续受力情况下，电弧在移动过程中能不断改变与缝壁接触的部位，因而冷却效果好，对熄弧有利。但是在频繁开断电流时，缝内残余的游离气体不易排出，这对熄弧
15、不利。所以此种形式适用于操作频率不高的场合。,电弧熄灭的方法及装置,图3-4所示为一纵向窄缝的灭弧情况，当电弧受力被拉入窄缝后，电弧与缝壁能紧密接触。,图3-4纵向窄缝式灭弧罩,电弧熄灭的方法及装置,图3-4所示为一纵向宽缝的灭弧情况，宽缝灭弧罩的特点与窄缝的正好相反，冷却效果差，但排出残余游离气体的性能好。图3-4中所示情况是将一宽缝中又设置了若干绝缘隔板，这样就形成了纵向多缝。电弧进入灭弧罩后，被隔板分成两个直径较原来小的电弧，并和缝壁接触而冷却，冷却效果加强，熄弧性能提高。此外，由于缝较宽，熄弧后残存的游离气体容易排出，所以这种结构型式适用于较频繁开断的场合。,电弧熄灭的方法及装置,图3
16、-5纵向宽缝式灭弧罩,图3-6纵向曲缝式灭弧罩,电弧熄灭的方法及装置,图3-5所示为纵向曲缝式灭弧罩的灭弧情况。纵向曲缝式又称迷宫式，它的缝壁制成凹凸相间的齿状，上下齿相互错开。同时，在电弧进入处齿长较短，愈往深处，齿长愈长。当电弧受到外力作用从下向上进入灭弧罩的过程中，它不仅与缝壁接触面积越来越大，而且长度也愈来愈长。这就加强了冷却作用，具有很强的灭弧能力。但是，也正因为缝隙愈往深处愈小，电弧在缝内运动时受到的阻力愈来愈大。所以，这种结构的灭弧罩，一定要配合以较大的让电弧运动的力。否则，其灭弧效果反而不好。,电弧熄灭的方法及装置,2横缝灭弧罩 为了加强冷却效果，横缝灭弧罩往往以多缝的结构型式
17、使用，也就是称为横向绝缘栅片，如图3-6所示。当电弧进入灭弧罩后，受到绝缘栅片的阻挡，电弧在外力作用下便发生弯曲，从而拉长了电弧，并加强了冷却。为了分析电弧与绝缘栅片接触时的情况，以图3-7来放大说明：设磁通方向为垂直向里，电弧AB、BC和CD段所受的电动力都使电弧压向绝缘棚片顶部，而DE段所受的电动力使电弧拉长，CD段和EF段相互作用产生斥力。这样一些力的作用，使电弧拉长并与缝壁接触面增大而且紧密，所以能收到比较好的灭弧效果。,电弧熄灭的方法及装置,由于灭弧罩要受电弧高温的作用，所以对灭弧罩的材料也有一定的要求，如：受电弧高温作用不会因热变形、绝缘性能不能下降，机械强度好且易加工制造等。灭弧
18、罩材料过去广泛采用石棉水泥和陶土材料。现在逐渐改为采用耐弧陶瓷和耐弧塑料，它们在耐弧性能与机械强度方面都有所提高。,图3-6横向绝缘栅片式灭弧罩1灭弧罩；2电弧。,电弧熄灭的方法及装置,三、油冷灭弧装置 油冷灭弧是将电弧置于液体介质(一般为变压器油)中，电弧将油汽化、分解而形成油气。油气中主要成分是氢，在油中以气泡的形式包围电弧。氢气具有很高的导热系数，这就使电弧的热量容易散发。另外，由于存在着温度差，所以气泡产生运动，又进一步加强了电弧的冷却。若再要提高其灭弧效果，可在油箱中加设一定机构，使电弧定向发生运动，这就是油吹灭弧。由于电弧在油中灭弧能力比大气中拉长电弧大得多，所以这种方法一般用于高
19、压电器中，如油开关。,电弧熄灭的方法及装置,四、气吹灭弧装置 气吹灭弧是利用压缩空气来熄灭电弧的。压缩空气作用于电弧，可以很好地冷却电弧、提高电弧区的压力、很快带走残余的游离气体，所以有较高的灭弧性能。按照气流吹弧的方向，它可以分为横吹和纵吹两类。横吹灭弧装置的绝缘件结构复杂，电流小时横吹过强会引起很高的过电压，故已被淘汰。,电弧熄灭的方法及装置,图3-7表示了纵吹(径向吹)的一种形式。压缩空气沿电弧径向吹入，然后通过动触头的喷口、内孔向大气排出，电弧的弧根能很快被吹离触头表面，因而触头接触表面不易烧损。因为压缩空气的压力与电弧本身无关，所以使用气吹灭弧时要注意熄灭小电流电弧时容易引起过电压。
20、,图3-7气吹灭弧装置1动触头；2灭弧室瓷罩；3静触头；4压缩空气；5电弧。,电弧熄灭的方法及装置,图3-8横向金属栅片灭弧罩结构、原理示意图（a）电弧在横向金属栅中状况；（b）横向金属栅对电弧的作用；（c）横向金属栅灭弧原理。1入栅片前的电弧；2金属栅；3入栅片后的电弧。,电弧熄灭的方法及装置,五、横向金属栅片灭弧 横向金属栅片又称去离子栅，它利用的是短弧灭弧原理。用磁性材料的金属片置于电弧中，将电弧分成若干短弧，利用交流电弧的近阴极效应和直流电弧的近极压降来达到熄灭电弧的目的。 横向金属栅片灭弧情况如图3-7所示。栅片的材料一般采用铁。当电弧靠近铁栅片时，由于铁片为磁性材料，所以栅片本身就具有一个把电弧拉入栅片的磁场力（当电弧移近金属栅的上沿时，铁栅片又具有把电弧拉回的特性，可防止电弧逸出栅外，烧损它物）。,敬请指导,
