第十三章 电弧及灭弧装置
第一节 电弧的物理基础
? 一, 电弧现象及特点
电弧属于气体放电的一种形式 。 对于
有触点电器而言, 由于它主要产生于触
头断开电路时, 高温将烧损触头及绝缘,
严重情况下甚至引起相间短路, 电器爆
炸, 酿成火灾, 危及人员及设备的安全 。
所以从电器的角度来研究电弧, 目的在
于了解它的基本规律, 找出相应的办法,
让电弧在电器中尽快熄灭 。
? 可分为三个区域,即近阴极区、近阳极
区及弧柱区。
? 阴极压降与阳极压降的数值几乎与电流大小
无关, 在材料及介质确定后可以认为是常数 。
? 弧柱区的长度几乎与电极间的距离相同。是
电弧中温度最高、亮 电弧三个区及电位度最强
的区域。因在自由状态下近似圆柱形,故称弧
柱区。在此区域 降、电位梯度的分布中正、
负带电粒子数相同,亦称等离子区。由于不存
在空间电荷,整个弧柱区的特性类似于一金属
导体。每单位弧柱长度电压降相等。其电位梯
度尼也为一常数,电位梯度与电极材料、电流
大小、气体介质种类和气压等因素有关。
? 电弧按其外形可分为长弧与短弧 。
? 电弧还可按其电流的性质分为直流电弧和交
流电弧。
二、开断电路时电弧产生的物理过程
从物质原子的结构而言, 是由原子核与若干
电子构成的 。 电子沿一定的轨道绕原子核运动 。
电子可能运行的轨道由于能量级的不同有许多
条, 越靠近原子核, 轨道的能量级越低 。 在正
常情况下, 电子是按一定数量规律分布在不同
的能量级轨道上运动 。 但当原子受到外界能量
( 热, 光, 碰撞等 ) 作用时, 其状态就会有所
变化, 电子吸收这些能量后, 会改变自己的运
行轨道 。 如果加到电子上的能量不够大, 只能
使电子从低能量级轨道跳到高能量级轨道, 从
而使原子的内能增加, 这种现象称为激励 。 激
励所需能量称激励能 。
如果外界加到电子上的能量足够大, 能使电
子克服原子核的吸引力作用而成为自由电子,
这种现象称为游离 。 游离所需的能量, 叫做游
离能 。 不同的物质其游离能不同 。
气体物质若是由于碰撞或热运动而获得能量
发生游离则称为碰撞游离, 热游离 。
1,碰撞游离
2.热游离
金属材料的表面发射根据其原因可分为以下几种。
1,热发射电子
2,强电场发射电子
? 电器工作时,如果触头开断电路的电压和电流
大于其生弧电压和生弧电流(产生电弧的最小
电压、电流值),就会产生电弧。触头间产生
电弧的物理过程如下:
触头刚开始分离时,接触面积逐渐减小,接
触处的电阻越来越大,电流密度也逐渐增大,
触头表面的温度剧增。触头表面形成热发射电
子。在触头刚刚分开发生热发射的同时,由于
触头之间的距离很小,线路电压在这很小的间
隙内形成很高的电场。阴极表面形成强电场发
射电子。由于这两种发射的作用,大量电子从
阴极表面进入弧隙,它们在电场的作用下,随
着触头的分开就会不断地撞击中性气体分子,
形成碰撞游离,产生自由电子与正离子。
? 被游离的自由电子在电场作用下又会发
生新的撞击和游离。孤隙中的中性气体
就变为导电的自由电子与正离子。在电
场作用下,它们向阴极、阳极运动,电
弧形成,电路并未断开。随着电弧形成
产生的高温,弧隙间的热游离作用越来
越强,气体中带电粒子越来越多,电弧
则完全形成了。应该注意的是,在整个
过程中几种物理作用并不是截然分开的,
而是交叉进行或同时存在的。
从能量的角度来看,电弧燃烧时要从电
源不断向电弧内部输入能量,而这个能
量又不断转变为电弧的热量通过传导、
对流及辐射三种方式散失。
三, 电弧熄灭的物理过程
当电弧稳定燃烧时是处在热动平衡状态,
此时不可能有电子和离子的积累。这说
明电弧中气体游离现象的同时还存在一
个相反的过程,我们称之为消游离。消
游离就是正、负带电粒子中和而变成中
性粒子的过程。消游离的方式分两类:
复合和扩散。
? 1,复合
? 带异性电荷的粒子相遇后相互作用中和而
变成中性粒子称为复合 。 复合按其地点可分为:
? (1) 表面复合 带正, 负电荷的粒子附在金
属或绝缘材料表面上, 相互吸引而中和电荷,
变成中性粒子 。
? ( 2) 空间复合
? 带电粒子运动速度是直接影响复合作用大小的
重要因素 。 降底温度, 减小电场强度可使粒子
运动速度减小, 易于复合 。 此外, 带电粒子浓
度增大时, 复合机会增多, 复合作用也可以加
强 。 在电弧电流不变的条件下, 设法缩小电弧
直径, 则粒子浓度可增大 。
? 复合过程总是伴随着能量的释放。释放出来的
能量成为加热电极、绝缘物及气体的热源,同
时也向四周散发。
2.扩散
加速电弧的冷却是提高扩散作用的有效方法。
电弧中存在着游离与消游离两方面的作用。当游
离作用占优势时电弧就会产生和扩大,当消游
离作用占优势时,电弧就趋于熄灭。游离与消
游离作用与许多物理因素有关,如电场强度、
温度、浓度、气体压力等。那末,我们可以根
据这些物理因素的变化影响情况,找出一些切
实可行的方法,减小游离,增加消游离,使触
头断开电路时产生的电弧尽快地熄灭。
第二节 直流电弧及其熄灭
一、直流电弧的伏安特性
电弧的伏安特性说明电弧电压与电流的关系,
是电弧重要特性之一。它实质上是反映电弧内
的物理过程。直流电弧是指产生电弧的电路电
源为直流。直流电弧的伏安特性可用实验方法
求得。
如电路图所示,在两极中有一稳定燃烧的电
弧。我们若是通过调节可变电阻 R的值非常缓
慢地调节回路电流,在这个过程中分别测量电
弧电流 IDH和电弧两端电压 UDH,可绘出其伏安特
性,此伏安特性称为直流电弧的静伏安特性
(简称静特性)。
静特性是指在电弧稳定燃烧条件下, 电弧不
受热惯性影响时, 电弧电流与电弧压降的关系 。
从静特性曲线 1中可以看出, 当电弧电流上升
时, 电弧电压下降, 这是和一般金属导体不同
的 。 其原因是因为随着电流的增大, 电弧内的
游离作用加强, 离子浓度增加, 导电性越好,
其对外所显示的电阻值就愈小 。
若调节可变电阻 R来调节回路电流,让回路电
流以一定速度增加或减少,则可得曲线 3和 2。
这时所得的伏安特性称直流电弧的动伏安特性
(简称动特性)。动特性是指在电弧不稳定燃
烧条件下,电弧电流变化快,其热惯性对电弧
有影响时,电弧电流与电弧压降的关系。
根据电流变化速度不一样, 动特性曲线有许
多条 。 伏安特性曲线 1,2,3并不重合, 而且
是电流增加过程的伏安特性 3位于静伏安特性 1
之上方, 电流减小过程的伏安特性 2位于静伏
安特性 1的下方 。 其原因是因为当回路电流以
一定速度变化时, 电弧内部有保持原来热状态
( 游离和消游离状态 ) 的热惯性作用, 致使电
弧内部状态的变化总是滞后于回路电流的变化 。
当回路电流变化速度愈高时, 这种热惯性作用
就愈明显 。 电弧的电阻值也就不同于相应点应
有的电阻值, 电弧的压降同样就和相应点的压
降不同 。
静特性曲线 1与纵轴交点的电压值称为
燃弧电压,所谓燃弧电压,就是产生电
弧所必须的最低电压,电压低于此值,
就不足以点燃电弧。伏安特性曲线 2与纵
轴交点的电压值称为熄弧电压,所谓熄
弧电压,就是指熄灭电弧的最高电压,
电压高于此值,电弧将不能熄灭。熄弧
电压总是小于燃弧电压的,其原因是燃
弧前弧隙中介质强度高,即游离程度小,
要形成电弧就必须具有较高的电压。
? 燃弧电压应比维持电弧所需的最低电压要高 。
电弧在燃烧过程中游离程度高, 介质强度低,
维持其燃烧的最低电压就低, 而熄弧电压应比
这个电压还要低, 所以熄弧电压总是小于燃弧
电压 。
? 电弧的静伏安特性与弧长有关。在其它条件相
同时,弧长 L愈长,静伏安特性愈向上移。其
原因如下;在同一电流情况下,电弧单位长度
的电阻值不变,电弧拉长后的总电阻值增加,
因而电弧的电压就增大了。由于静伏安特性向
上平移,燃弧电压和熄弧电压也都要增加。从
这个角度来说,拉长电弧,可以加速电弧的熄
灭。
二、直流电弧的熄灭
设有典型的直流电弧电路, E为电源电势 L和 R
分别为电路中和电弧串联的电感和电阻 。 根据
克希荷夫第二定律, 可写出电压平衡方程式 。
由于电弧的电阻呈非线性的特点,以采用图解
法为便。
从分析可以看出,若因外界的原因使 A,B两
点的电流发生变化,进入左、右两区中,那末
B点的电流将不会再回到 iB,而 A点的电流仍可
回到 iA。 故我们称 B点为视在稳定燃烧点,A点
为真正的稳定燃烧点。
要想使直流电弧熄灭,就应该作到消除
稳定燃烧点。从图形来看就应该是曲线 1
与直线 2没有交点且曲线 1位于直线 2的上
方。要想达到这个目的,图形上的变化
可有很多种,但结合实际来考虑,将曲
线 1向上平移至 3的作法最为可行。从其
代表的物理意义上来讲,就是将电弧拉
长。所以拉长电弧对熄灭直流电弧是最
常用的方法,而且拉长的方式也有很多
种。
? 还有一种方法也能使直流电弧熄灭,那
就是在电弧两端并联电阻。从图形上看,
由于 I=iH十 iRB,使得电弧两端的伏安特性
发生了变化,满足了直流电弧熄灭的条
件,电弧将熄灭。这种方法有一定的缺
陷,那就是电弧虽熄灭了,但电路并未
断开。所以要利用这种方法,还必须装
置附加开关以分断并联电阻电路。
三、断开感性电路的过电压
为了减小电弧对触头及电器的烧损,通常
希望熄弧时间越短越好。但是在断开感性
电路时,若熄弧时间过短,电感中将产生
很大的自感电势的值很大。其数位常比电
源电压大好多倍,通常称之为过电压。为
了区别于大气过电压,称之为内部过电压
(或操作过电压)。过电压产生后,一方
面可能将电气设备的绝缘击穿,引起破坏
性故障;另一方面,可能击穿弧隙,使电弧
重燃。为此必须要加以防止和限制。
断开感性电路产生过电压的根本原因,在于贮存
在电感中的磁场能量要在非常短暂的时间内释放
出来并消耗掉。如果能将磁场能量逐渐地消耗在
电阻上,就可以控制此时的过电压。
书上几种方法均能将电感中的磁场能量逐渐地消
耗在电阻上或者延长电路电流变化的时间,起到
抑制过电压的作用。图( a) 中所表示方法其缺点
是在正常工作时,附加电阻有功率损耗。图( b)
中的情况在正常工作时电容充电达到电源电势,
在附加电阻上没有功率消耗。图( C) 所示情况在
正常工作时二极管的反向电流很小,其上的功率
损耗亦很小。
到 A点时电弧点燃,再随着电流的增大,电弧电阻
减小,电弧压降也下降直到 B点,此时弧电流达到峰
值。在 B点后随着电流的减小,弧电阻增加,电弧压
降上升。变化到 C点时,电弧电流趋近于零,电压
达到熄弧电压,电弧熄灭。当电流过零点后,在第
三象限重复上述变化规律。显然,由于热惯性作用,
电弧电阻的变化总是滞后于电流的变化,因此,交
流电弧的伏安特性为动特性。
二、交流电弧过零后的物理过程
交流电弧电流过零时,由于电源停止供给能量,故
电弧自然熄灭,这也是交流电弧比直流电弧容易熄
灭的原因。但是交流电弧过零自然熄灭后,还会重
新燃烧。所以怎样防止电弧重燃就是研究交流电弧
的重点。哪些因素能使电弧重新点燃,哪些因素抑
制电弧重燃,就要分析一下交流电弧过零熄灭后,
在弧隙间存在着哪些物理过程。
交流电弧过零后,弧隙间存在两个对立的
基本过程,一是由于弧电流值下降至零,弧
隙温度迅速下降,使得原来导电的粒子要转
变为不导电的中性粒子,此过程称弧隙间介
质强度恢复过程,这是阻止电弧重燃的因素。
另一方面是交流电弧过零后,加在弧隙上的
电压逐渐增高的过程,称为弧隙电压恢复过
程,此过程可能将弧隙击穿重新点燃电弧,
所以这是使电弧重燃的因素。
1.介质强度恢复过程
交流电弧过零熄灭后,由于外部条件的变化,弧
隙内消游离作用加强,使得原来的导电状态要向绝
缘介质状态转变,这就是介质强度恢复过程。这个
过程的快慢与许多因素有关,例如温度、散热情况、
空间位置等。在靠近两极的区域,由于金属材料的
传热性好,所以此区域的温度要比弧柱区的温度低,
故此处的介质强度恢复要比弧柱区的快。
电流过零后,两电极改变极性,原来的阴极改变
为新的阳极,而原来的阳极改变为新的阴极。电场
方向的改变,弧隙中剩余电子和离子的运动方向也
应随之改变。
但是由于电子的质量远比正离子质量小得多,
因而电子的运动方向改变要远比正离子灵敏得
多,形成电子很快向新阳极运动,而正离子在
此瞬间几乎停止在原地,来不及向新阴极运动。
新的阴极此时还不能形成强电场发射电子与热
发射。因此,在新的阴极附近就存在一层没有
电子而只有正离子的空间,相当于形成了一薄
层绝缘介质。从电路的角度来看,必需加一定
的电压才能将此绝缘薄层击穿,电弧才会重燃,
弧隙重新导电。。这个击穿电压值称为弧隙的
起始介质强度。这种在交流电流过零后弧隙形
成一定的介质恢复强度的效应,称为交流电弧
的近阴极效应。
? 实验证明:近阴极效应所产生的起始介
质强度与电极材料, 温度, 特别是所通
过的电流有关 。 其数值在 40~ 250V之间 。
电流越大, 其值越低 。 近阴极效应是交
流短弧熄弧的主要因素, 是低压交流电
器中主要熄弧方法 。
? 通常把弧隙间介质强度恢复随时间
变化的关系称做弧隙介质恢复强度特性 。
此特性可通过实验测出并用图形表示 。
? 2,弧隙电压恢复过程
? 在交流电路中, 电流过零电弧熄灭后,
触头两端电压从熄弧电压恢复到电源电压
的过程称电压恢复过程 。 这个过程根据线
路参数情况的不同形成较为复杂的情况 。
总的来说, 可分为两类;一类叫非周期
( 非振荡 ) 电压恢复过程, 另一类叫周期
( 振荡 ) 电压恢复过程 。 因为电压恢复过
程是使电弧重燃的因素, 很显然, 周期电
压恢复过程中有较高的电压峰值, 对电弧
不再重燃是十分不利的, 所以也是应该尽
量避免的 。
第三节 交流电弧及其熄灭
一, 交流电弧的伏安特性
交流电弧与直流电弧有所不同,交流电流
的瞬时值随时间变化,每周期内有两次过零
点。电流经过零点时,弧隙的输入能量等于
零,电弧温度下降,电弧自然熄灭。而后随
着电压和电流的变化,电弧重新燃烧。因此,
交流电弧的燃烧,实际上就是电弧的点燃、
熄灭周而复始的过程。这个特点也反映在它
的伏安特性中。
交流电弧在一周内的伏安特性。从 O点开
始,因电弧还未产生,所以随着电压的增加
只有小量的由阴极发射产生的电流。
到 A点时电弧点燃, 再随着电流的增大, 电
弧电阻减小, 电弧压降也下降直到 B点, 此
时弧电流达到峰值 。 在 B点后随着电流的减
小, 弧电阻增加, 电弧压降上升 。 变化到 C
点时, 电弧电流趋近于零, 电压达到熄弧电
压, 电弧熄灭 。 当电流过零点后, 在第三象
限重复上述变化规律 。 显然, 由于热惯性作
用, 电弧电阻的变化总是滞后于电流的变化,
因此, 交流电弧的伏安特性为动特性 。
二, 交流电弧过零后的物理过程
交流电弧电流过零时, 由于电源停止供给能量,
故电弧自然熄灭, 这也是交流电弧比直流电
弧容易熄灭的原因 。
但是交流电弧过零自然熄灭后,还会重新燃烧。
所以怎样防止电弧重燃就是研究交流电弧的重
点。哪些因素能使电弧重新点燃,哪些因素抑
制电弧重燃,就要分析一下交流电弧过零熄灭
后,在弧隙间存在着哪些物理过程。
交流电弧过零后,弧隙间存在两个对立的基本
过程,一是由于弧电流值下降至零,弧隙温度
迅速下降,使得原来导电的粒子要转变为不导
电的中性粒子,此过程称弧隙间介质强度恢复
过程,这是阻止电弧重燃的因素。另一方面是
交流电弧过零后,加在弧隙上的电压逐渐增高
的过程,称为弧隙电压恢复过程,此过程可能
将弧隙击穿重新点燃电弧,所以这是使电弧重
燃的因素。
1.介质强度恢复过程
交流电弧过零熄灭后,由于外部条件的变化,
弧隙内消游离作用加强,使得原来的导电状态
要向绝缘介质状态转变,这就是介质强度恢复
过程。这个过程的快慢与许多因素有关,例如
温度、散热情况、空间位置等。在靠近两极的
区域,由于金属材料的传热性好,所以此区域
的温度要比弧柱区的温度低,故此处的介质强
度恢复要比弧柱区的快。
电流过零后,两电极改变极性,原来的阴极
改变为新的阳极,而原来的阳极改变为新的阴
极。电场方向的改变,弧隙中剩余电子和离子
的运动方向也应随之改变。
但是由于电子的质量远比正离子质量小得多,
因而电子的运动方向改变要远比正离子灵敏得
多, 形成电子很快向新阳极运动, 而正离子在
此瞬间几乎停止在原地, 来不及向新阴极运动 。
新的阴极此时还不能形成强电场发射电子与热
发射 。 因此, 在新的阴极附近就存在一层没有
电子而只有正离子的空间, 相当于形成了一薄
层绝缘介质 。 从电路的角度来看, 必需加一定
的电压才能将此绝缘薄层击穿, 电弧才会重燃,
弧隙重新导电 。。 这个击穿电压值称为弧隙的
起始介质强度 。 这种在交流电流过零后弧隙形
成一定的介质恢复强度的效应, 称为交流电弧
的近阴极效应 。
实验证明:近阴极效应所产生的起始介
质强度与电极材料, 温度, 特别是所通
过的电流有关 。 其数值在 40~ 250V之间 。
电流越大, 其值越低 。 近阴极效应是交
流短弧熄弧的主要因素, 是低压交流电
器中主要熄弧方法 。
通常把弧隙间介质强度恢复随时间变化的
关系称做弧隙介质恢复强度特性 。 此特
性可通过实验测出并用图形表示 。
2,弧隙电压恢复过程
在交流电路中, 电流过零电弧熄灭后,
触头两端电压从熄弧电压恢复到电源电
压的过程称电压恢复过程 。 这个过程根
据线路参数情况的不同形成较为复杂的
情况 。 总的来说, 可分为两类;一类叫
非周期 ( 非振荡 ) 电压恢复过程, 另一
类叫周期 ( 振荡 ) 电压恢复过程 。 因为
电压恢复过程是使电弧重燃的因素, 很
显然, 周期电压恢复过程中有较高的电
压峰值, 对电弧不再重燃是十分不利的,
所以也是应该尽量避免的 。
? 我们把恢复过程中的电压称为恢复电压。恢复
电压可由两部分组成;稳态分量和暂态分量。
稳态分量一般称工频恢复电压,暂态分量则根
据线路负载情况不同呈较复杂情况。在交流电
弧开断过程中,对于不同性质的负载,触头上
电压变化过程不同。
? 开断电阻性负载时,由于电压与电流同相,两
者同时过零。电弧自行熄灭后按工频恢复电压
变化,没有暂态分量,故电弧容易熄灭 开断纯
电容性负载时,电流超前电源电压 90” 。电流
过零电弧自行熄灭时,电源电压达到幅值,电
容充电电压的大小与电源电压幅值相等,但极
性相反。加在弧隙两端的电压为电容充电电压
与电源电压的代数和。当电源电压为反向幅值
时,恢复电压可达两倍工频恢复电压。此过程
不含哲态分量。
开断纯电感性负载时, 电流滞后于电源电压
900电流过零时, 电源电压正处于幅值 。 电弧两
端恢复电压常含有暂态分量, 先按一振荡过程
上升, 然后再按工频恢复电压变化 。 所以, 此
情况电弧较难熄灭 。
对于一个电阻为 R,电感为 L,集中电容为 C、
电弧电阻为 r的交流电路而言, 只要适当调整
线路参数, 就可以避免周期电压恢复过程的出
现 。 另外, 还可以增大 r的值, 也就是用增大
消游离的方法来达到 。
从触头的结构型式来说, 由于双断点结构时
恢复电压是作用在两个断口上, 使每个断口的
电压值比一个断口时的要低 。 所以电弧容易熄
灭 。
? 三、交流电弧熄灭的条件
交流电弧过零后弧隙间介质强度的恢复
和电压的恢复是两个对立的过程。因为
介质强度恢复过程主要是弧隙内部带电
粒子不断减少的过程,而电压恢复过程
恰相反,它使弧隙中的气体产生新的游
离而使带电粒子不断增加用 B末可以简单
地确定交流电弧熄灭条件为:交流电弧
电流过零后,如果弧隙介质强度恢复的
速度超过了弧隙电压恢复的速度,则电
弧熄灭。反之,电弧重燃。
在实际中,由于介质恢复过程与电压恢复过
程是相互联系又相互影响的,所以情况较为复
杂。如果恢复电压上升得快,弧隙游离加强,
使得介质强度恢复速度减慢。如果介质强度增
长的速度慢,它又对恢复电压上升起阻尼作用。
因此,在交流电弧熄灭过程中有两个方面的因
素要加以考虑:
( 1) 交流电弧电流过零是最有利的灭弧时机,
这时输入弧隙的功率趋近于零, 如电弧散失的
功率大于此时由电源输入的功率, 电弧就会熄
灭 。 如果熄弧措施太强, 使电弧电流提前强制
过零, 这时交流电弧的熄灭与直流电弧相同,
会造成熄弧困难 。
? ( 2)对交流电弧的电路参数而言,电源
电压越高,恢复电压峰值也愈高,熄弧
困难。电弧熄灭前电路的电流越大,电
弧功率越大,熄弧困难。电路中电感比
例越大,熄弧越困难。
第四节 电弧熄灭的方法及装置
一、拉长电弧
电弧拉长以后,电弧电压增大,改变了电
弧的伏安特性。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)和
沿垂直于电弧轴向(横向)拉长。
1.机械拉长
2.回路电动力拉长
3.磁吹灭弧
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。
1.纵缝灭弧罩
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,
这对熄弧不利。所以此种形式适用于操
作频率不高的场合。
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。
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。
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。
2.横缝灭弧罩
为了加强冷却效果,横缝灭弧罩往往以多缝
的结构型式使用,也就是称为横向绝缘栅片,
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。
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 。
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。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。式灭弧罩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
中灭弧能力比在大气中拉长电弧大得多,所
以这种方法一般用于高压电器中,如油开关。
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。图 2— 20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、内孔向大气爿出,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。由于气吹灭弧的灭弧能力较强,故一
般运用在高压电器中,例如韶山型机车的主断路
器。
五、横向全属栅片灭弧
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。
横向金属栅片灭弧装置主要用于交流电器, 因为
它可将起始介质强度成倍的增长 。 对于直流电弧
而言, 因无近阴极效应, 只能靠成倍提高极旁压
降来进行灭弧 。 由于极旁压降值较小, 要想达到
较好的灭弧效果, 金属栅片的数量太大, 会造成
灭弧装置体积庞大 。 所以直流电弧中很少采用真
空灭弧装置
六、真空灭弧装置
在真空中气体很稀薄, 电子的自由行程远大
于触头间的距离 。 自由电子在弧隙中作走向
运动时几乎不会和气体分子或原子相碰撞,
不会产生碰撞游离 。 所以将触头置于真空中
断开时产生的电弧则是由于阴极发射电子和
产生的金属蒸气被电离而形成的 。 当电弧电
流接近零时, 阴极发射的电子和金属蒸气减
少, 弧隙中残留的金属蒸气和等离子体向周
围真空迅速扩散 。 这样, 弧隙可以在数微秒
之内由导电状态恢复到真空间隙的绝缘水平 。
因此, 在真空中触头有很高的介质恢复速度,
绝缘能力和分断电流的能力 。
真空电弧按其电流的大小可分为扩散弧和收缩
弧两种 。 扩散弧的电流较小 ( 几百至几千安培 ),
此时电弧分裂为许多并联的支弧 。 当真空灭弧装
置中出现收缩弧后, 就不能再开断电路 。 电弧由
扩散弧转变为收缩弧的电流, 也就是该真空灭弧
装置的极限开断电流, 它随触头材料和直径大小
而不同 。
在开断交流电路时,当被开断的电流减小到某
一数值时,扩散弧会发生电流突然被截断的现象,
称之为截流。这样,在开断感性负载电流时,弧
隙上将产生很高的过电压,这是使用真空灭弧装
置应注意的问题。
第一节 电弧的物理基础
? 一, 电弧现象及特点
电弧属于气体放电的一种形式 。 对于
有触点电器而言, 由于它主要产生于触
头断开电路时, 高温将烧损触头及绝缘,
严重情况下甚至引起相间短路, 电器爆
炸, 酿成火灾, 危及人员及设备的安全 。
所以从电器的角度来研究电弧, 目的在
于了解它的基本规律, 找出相应的办法,
让电弧在电器中尽快熄灭 。
? 可分为三个区域,即近阴极区、近阳极
区及弧柱区。
? 阴极压降与阳极压降的数值几乎与电流大小
无关, 在材料及介质确定后可以认为是常数 。
? 弧柱区的长度几乎与电极间的距离相同。是
电弧中温度最高、亮 电弧三个区及电位度最强
的区域。因在自由状态下近似圆柱形,故称弧
柱区。在此区域 降、电位梯度的分布中正、
负带电粒子数相同,亦称等离子区。由于不存
在空间电荷,整个弧柱区的特性类似于一金属
导体。每单位弧柱长度电压降相等。其电位梯
度尼也为一常数,电位梯度与电极材料、电流
大小、气体介质种类和气压等因素有关。
? 电弧按其外形可分为长弧与短弧 。
? 电弧还可按其电流的性质分为直流电弧和交
流电弧。
二、开断电路时电弧产生的物理过程
从物质原子的结构而言, 是由原子核与若干
电子构成的 。 电子沿一定的轨道绕原子核运动 。
电子可能运行的轨道由于能量级的不同有许多
条, 越靠近原子核, 轨道的能量级越低 。 在正
常情况下, 电子是按一定数量规律分布在不同
的能量级轨道上运动 。 但当原子受到外界能量
( 热, 光, 碰撞等 ) 作用时, 其状态就会有所
变化, 电子吸收这些能量后, 会改变自己的运
行轨道 。 如果加到电子上的能量不够大, 只能
使电子从低能量级轨道跳到高能量级轨道, 从
而使原子的内能增加, 这种现象称为激励 。 激
励所需能量称激励能 。
如果外界加到电子上的能量足够大, 能使电
子克服原子核的吸引力作用而成为自由电子,
这种现象称为游离 。 游离所需的能量, 叫做游
离能 。 不同的物质其游离能不同 。
气体物质若是由于碰撞或热运动而获得能量
发生游离则称为碰撞游离, 热游离 。
1,碰撞游离
2.热游离
金属材料的表面发射根据其原因可分为以下几种。
1,热发射电子
2,强电场发射电子
? 电器工作时,如果触头开断电路的电压和电流
大于其生弧电压和生弧电流(产生电弧的最小
电压、电流值),就会产生电弧。触头间产生
电弧的物理过程如下:
触头刚开始分离时,接触面积逐渐减小,接
触处的电阻越来越大,电流密度也逐渐增大,
触头表面的温度剧增。触头表面形成热发射电
子。在触头刚刚分开发生热发射的同时,由于
触头之间的距离很小,线路电压在这很小的间
隙内形成很高的电场。阴极表面形成强电场发
射电子。由于这两种发射的作用,大量电子从
阴极表面进入弧隙,它们在电场的作用下,随
着触头的分开就会不断地撞击中性气体分子,
形成碰撞游离,产生自由电子与正离子。
? 被游离的自由电子在电场作用下又会发
生新的撞击和游离。孤隙中的中性气体
就变为导电的自由电子与正离子。在电
场作用下,它们向阴极、阳极运动,电
弧形成,电路并未断开。随着电弧形成
产生的高温,弧隙间的热游离作用越来
越强,气体中带电粒子越来越多,电弧
则完全形成了。应该注意的是,在整个
过程中几种物理作用并不是截然分开的,
而是交叉进行或同时存在的。
从能量的角度来看,电弧燃烧时要从电
源不断向电弧内部输入能量,而这个能
量又不断转变为电弧的热量通过传导、
对流及辐射三种方式散失。
三, 电弧熄灭的物理过程
当电弧稳定燃烧时是处在热动平衡状态,
此时不可能有电子和离子的积累。这说
明电弧中气体游离现象的同时还存在一
个相反的过程,我们称之为消游离。消
游离就是正、负带电粒子中和而变成中
性粒子的过程。消游离的方式分两类:
复合和扩散。
? 1,复合
? 带异性电荷的粒子相遇后相互作用中和而
变成中性粒子称为复合 。 复合按其地点可分为:
? (1) 表面复合 带正, 负电荷的粒子附在金
属或绝缘材料表面上, 相互吸引而中和电荷,
变成中性粒子 。
? ( 2) 空间复合
? 带电粒子运动速度是直接影响复合作用大小的
重要因素 。 降底温度, 减小电场强度可使粒子
运动速度减小, 易于复合 。 此外, 带电粒子浓
度增大时, 复合机会增多, 复合作用也可以加
强 。 在电弧电流不变的条件下, 设法缩小电弧
直径, 则粒子浓度可增大 。
? 复合过程总是伴随着能量的释放。释放出来的
能量成为加热电极、绝缘物及气体的热源,同
时也向四周散发。
2.扩散
加速电弧的冷却是提高扩散作用的有效方法。
电弧中存在着游离与消游离两方面的作用。当游
离作用占优势时电弧就会产生和扩大,当消游
离作用占优势时,电弧就趋于熄灭。游离与消
游离作用与许多物理因素有关,如电场强度、
温度、浓度、气体压力等。那末,我们可以根
据这些物理因素的变化影响情况,找出一些切
实可行的方法,减小游离,增加消游离,使触
头断开电路时产生的电弧尽快地熄灭。
第二节 直流电弧及其熄灭
一、直流电弧的伏安特性
电弧的伏安特性说明电弧电压与电流的关系,
是电弧重要特性之一。它实质上是反映电弧内
的物理过程。直流电弧是指产生电弧的电路电
源为直流。直流电弧的伏安特性可用实验方法
求得。
如电路图所示,在两极中有一稳定燃烧的电
弧。我们若是通过调节可变电阻 R的值非常缓
慢地调节回路电流,在这个过程中分别测量电
弧电流 IDH和电弧两端电压 UDH,可绘出其伏安特
性,此伏安特性称为直流电弧的静伏安特性
(简称静特性)。
静特性是指在电弧稳定燃烧条件下, 电弧不
受热惯性影响时, 电弧电流与电弧压降的关系 。
从静特性曲线 1中可以看出, 当电弧电流上升
时, 电弧电压下降, 这是和一般金属导体不同
的 。 其原因是因为随着电流的增大, 电弧内的
游离作用加强, 离子浓度增加, 导电性越好,
其对外所显示的电阻值就愈小 。
若调节可变电阻 R来调节回路电流,让回路电
流以一定速度增加或减少,则可得曲线 3和 2。
这时所得的伏安特性称直流电弧的动伏安特性
(简称动特性)。动特性是指在电弧不稳定燃
烧条件下,电弧电流变化快,其热惯性对电弧
有影响时,电弧电流与电弧压降的关系。
根据电流变化速度不一样, 动特性曲线有许
多条 。 伏安特性曲线 1,2,3并不重合, 而且
是电流增加过程的伏安特性 3位于静伏安特性 1
之上方, 电流减小过程的伏安特性 2位于静伏
安特性 1的下方 。 其原因是因为当回路电流以
一定速度变化时, 电弧内部有保持原来热状态
( 游离和消游离状态 ) 的热惯性作用, 致使电
弧内部状态的变化总是滞后于回路电流的变化 。
当回路电流变化速度愈高时, 这种热惯性作用
就愈明显 。 电弧的电阻值也就不同于相应点应
有的电阻值, 电弧的压降同样就和相应点的压
降不同 。
静特性曲线 1与纵轴交点的电压值称为
燃弧电压,所谓燃弧电压,就是产生电
弧所必须的最低电压,电压低于此值,
就不足以点燃电弧。伏安特性曲线 2与纵
轴交点的电压值称为熄弧电压,所谓熄
弧电压,就是指熄灭电弧的最高电压,
电压高于此值,电弧将不能熄灭。熄弧
电压总是小于燃弧电压的,其原因是燃
弧前弧隙中介质强度高,即游离程度小,
要形成电弧就必须具有较高的电压。
? 燃弧电压应比维持电弧所需的最低电压要高 。
电弧在燃烧过程中游离程度高, 介质强度低,
维持其燃烧的最低电压就低, 而熄弧电压应比
这个电压还要低, 所以熄弧电压总是小于燃弧
电压 。
? 电弧的静伏安特性与弧长有关。在其它条件相
同时,弧长 L愈长,静伏安特性愈向上移。其
原因如下;在同一电流情况下,电弧单位长度
的电阻值不变,电弧拉长后的总电阻值增加,
因而电弧的电压就增大了。由于静伏安特性向
上平移,燃弧电压和熄弧电压也都要增加。从
这个角度来说,拉长电弧,可以加速电弧的熄
灭。
二、直流电弧的熄灭
设有典型的直流电弧电路, E为电源电势 L和 R
分别为电路中和电弧串联的电感和电阻 。 根据
克希荷夫第二定律, 可写出电压平衡方程式 。
由于电弧的电阻呈非线性的特点,以采用图解
法为便。
从分析可以看出,若因外界的原因使 A,B两
点的电流发生变化,进入左、右两区中,那末
B点的电流将不会再回到 iB,而 A点的电流仍可
回到 iA。 故我们称 B点为视在稳定燃烧点,A点
为真正的稳定燃烧点。
要想使直流电弧熄灭,就应该作到消除
稳定燃烧点。从图形来看就应该是曲线 1
与直线 2没有交点且曲线 1位于直线 2的上
方。要想达到这个目的,图形上的变化
可有很多种,但结合实际来考虑,将曲
线 1向上平移至 3的作法最为可行。从其
代表的物理意义上来讲,就是将电弧拉
长。所以拉长电弧对熄灭直流电弧是最
常用的方法,而且拉长的方式也有很多
种。
? 还有一种方法也能使直流电弧熄灭,那
就是在电弧两端并联电阻。从图形上看,
由于 I=iH十 iRB,使得电弧两端的伏安特性
发生了变化,满足了直流电弧熄灭的条
件,电弧将熄灭。这种方法有一定的缺
陷,那就是电弧虽熄灭了,但电路并未
断开。所以要利用这种方法,还必须装
置附加开关以分断并联电阻电路。
三、断开感性电路的过电压
为了减小电弧对触头及电器的烧损,通常
希望熄弧时间越短越好。但是在断开感性
电路时,若熄弧时间过短,电感中将产生
很大的自感电势的值很大。其数位常比电
源电压大好多倍,通常称之为过电压。为
了区别于大气过电压,称之为内部过电压
(或操作过电压)。过电压产生后,一方
面可能将电气设备的绝缘击穿,引起破坏
性故障;另一方面,可能击穿弧隙,使电弧
重燃。为此必须要加以防止和限制。
断开感性电路产生过电压的根本原因,在于贮存
在电感中的磁场能量要在非常短暂的时间内释放
出来并消耗掉。如果能将磁场能量逐渐地消耗在
电阻上,就可以控制此时的过电压。
书上几种方法均能将电感中的磁场能量逐渐地消
耗在电阻上或者延长电路电流变化的时间,起到
抑制过电压的作用。图( a) 中所表示方法其缺点
是在正常工作时,附加电阻有功率损耗。图( b)
中的情况在正常工作时电容充电达到电源电势,
在附加电阻上没有功率消耗。图( C) 所示情况在
正常工作时二极管的反向电流很小,其上的功率
损耗亦很小。
到 A点时电弧点燃,再随着电流的增大,电弧电阻
减小,电弧压降也下降直到 B点,此时弧电流达到峰
值。在 B点后随着电流的减小,弧电阻增加,电弧压
降上升。变化到 C点时,电弧电流趋近于零,电压
达到熄弧电压,电弧熄灭。当电流过零点后,在第
三象限重复上述变化规律。显然,由于热惯性作用,
电弧电阻的变化总是滞后于电流的变化,因此,交
流电弧的伏安特性为动特性。
二、交流电弧过零后的物理过程
交流电弧电流过零时,由于电源停止供给能量,故
电弧自然熄灭,这也是交流电弧比直流电弧容易熄
灭的原因。但是交流电弧过零自然熄灭后,还会重
新燃烧。所以怎样防止电弧重燃就是研究交流电弧
的重点。哪些因素能使电弧重新点燃,哪些因素抑
制电弧重燃,就要分析一下交流电弧过零熄灭后,
在弧隙间存在着哪些物理过程。
交流电弧过零后,弧隙间存在两个对立的
基本过程,一是由于弧电流值下降至零,弧
隙温度迅速下降,使得原来导电的粒子要转
变为不导电的中性粒子,此过程称弧隙间介
质强度恢复过程,这是阻止电弧重燃的因素。
另一方面是交流电弧过零后,加在弧隙上的
电压逐渐增高的过程,称为弧隙电压恢复过
程,此过程可能将弧隙击穿重新点燃电弧,
所以这是使电弧重燃的因素。
1.介质强度恢复过程
交流电弧过零熄灭后,由于外部条件的变化,弧
隙内消游离作用加强,使得原来的导电状态要向绝
缘介质状态转变,这就是介质强度恢复过程。这个
过程的快慢与许多因素有关,例如温度、散热情况、
空间位置等。在靠近两极的区域,由于金属材料的
传热性好,所以此区域的温度要比弧柱区的温度低,
故此处的介质强度恢复要比弧柱区的快。
电流过零后,两电极改变极性,原来的阴极改变
为新的阳极,而原来的阳极改变为新的阴极。电场
方向的改变,弧隙中剩余电子和离子的运动方向也
应随之改变。
但是由于电子的质量远比正离子质量小得多,
因而电子的运动方向改变要远比正离子灵敏得
多,形成电子很快向新阳极运动,而正离子在
此瞬间几乎停止在原地,来不及向新阴极运动。
新的阴极此时还不能形成强电场发射电子与热
发射。因此,在新的阴极附近就存在一层没有
电子而只有正离子的空间,相当于形成了一薄
层绝缘介质。从电路的角度来看,必需加一定
的电压才能将此绝缘薄层击穿,电弧才会重燃,
弧隙重新导电。。这个击穿电压值称为弧隙的
起始介质强度。这种在交流电流过零后弧隙形
成一定的介质恢复强度的效应,称为交流电弧
的近阴极效应。
? 实验证明:近阴极效应所产生的起始介
质强度与电极材料, 温度, 特别是所通
过的电流有关 。 其数值在 40~ 250V之间 。
电流越大, 其值越低 。 近阴极效应是交
流短弧熄弧的主要因素, 是低压交流电
器中主要熄弧方法 。
? 通常把弧隙间介质强度恢复随时间
变化的关系称做弧隙介质恢复强度特性 。
此特性可通过实验测出并用图形表示 。
? 2,弧隙电压恢复过程
? 在交流电路中, 电流过零电弧熄灭后,
触头两端电压从熄弧电压恢复到电源电压
的过程称电压恢复过程 。 这个过程根据线
路参数情况的不同形成较为复杂的情况 。
总的来说, 可分为两类;一类叫非周期
( 非振荡 ) 电压恢复过程, 另一类叫周期
( 振荡 ) 电压恢复过程 。 因为电压恢复过
程是使电弧重燃的因素, 很显然, 周期电
压恢复过程中有较高的电压峰值, 对电弧
不再重燃是十分不利的, 所以也是应该尽
量避免的 。
第三节 交流电弧及其熄灭
一, 交流电弧的伏安特性
交流电弧与直流电弧有所不同,交流电流
的瞬时值随时间变化,每周期内有两次过零
点。电流经过零点时,弧隙的输入能量等于
零,电弧温度下降,电弧自然熄灭。而后随
着电压和电流的变化,电弧重新燃烧。因此,
交流电弧的燃烧,实际上就是电弧的点燃、
熄灭周而复始的过程。这个特点也反映在它
的伏安特性中。
交流电弧在一周内的伏安特性。从 O点开
始,因电弧还未产生,所以随着电压的增加
只有小量的由阴极发射产生的电流。
到 A点时电弧点燃, 再随着电流的增大, 电
弧电阻减小, 电弧压降也下降直到 B点, 此
时弧电流达到峰值 。 在 B点后随着电流的减
小, 弧电阻增加, 电弧压降上升 。 变化到 C
点时, 电弧电流趋近于零, 电压达到熄弧电
压, 电弧熄灭 。 当电流过零点后, 在第三象
限重复上述变化规律 。 显然, 由于热惯性作
用, 电弧电阻的变化总是滞后于电流的变化,
因此, 交流电弧的伏安特性为动特性 。
二, 交流电弧过零后的物理过程
交流电弧电流过零时, 由于电源停止供给能量,
故电弧自然熄灭, 这也是交流电弧比直流电
弧容易熄灭的原因 。
但是交流电弧过零自然熄灭后,还会重新燃烧。
所以怎样防止电弧重燃就是研究交流电弧的重
点。哪些因素能使电弧重新点燃,哪些因素抑
制电弧重燃,就要分析一下交流电弧过零熄灭
后,在弧隙间存在着哪些物理过程。
交流电弧过零后,弧隙间存在两个对立的基本
过程,一是由于弧电流值下降至零,弧隙温度
迅速下降,使得原来导电的粒子要转变为不导
电的中性粒子,此过程称弧隙间介质强度恢复
过程,这是阻止电弧重燃的因素。另一方面是
交流电弧过零后,加在弧隙上的电压逐渐增高
的过程,称为弧隙电压恢复过程,此过程可能
将弧隙击穿重新点燃电弧,所以这是使电弧重
燃的因素。
1.介质强度恢复过程
交流电弧过零熄灭后,由于外部条件的变化,
弧隙内消游离作用加强,使得原来的导电状态
要向绝缘介质状态转变,这就是介质强度恢复
过程。这个过程的快慢与许多因素有关,例如
温度、散热情况、空间位置等。在靠近两极的
区域,由于金属材料的传热性好,所以此区域
的温度要比弧柱区的温度低,故此处的介质强
度恢复要比弧柱区的快。
电流过零后,两电极改变极性,原来的阴极
改变为新的阳极,而原来的阳极改变为新的阴
极。电场方向的改变,弧隙中剩余电子和离子
的运动方向也应随之改变。
但是由于电子的质量远比正离子质量小得多,
因而电子的运动方向改变要远比正离子灵敏得
多, 形成电子很快向新阳极运动, 而正离子在
此瞬间几乎停止在原地, 来不及向新阴极运动 。
新的阴极此时还不能形成强电场发射电子与热
发射 。 因此, 在新的阴极附近就存在一层没有
电子而只有正离子的空间, 相当于形成了一薄
层绝缘介质 。 从电路的角度来看, 必需加一定
的电压才能将此绝缘薄层击穿, 电弧才会重燃,
弧隙重新导电 。。 这个击穿电压值称为弧隙的
起始介质强度 。 这种在交流电流过零后弧隙形
成一定的介质恢复强度的效应, 称为交流电弧
的近阴极效应 。
实验证明:近阴极效应所产生的起始介
质强度与电极材料, 温度, 特别是所通
过的电流有关 。 其数值在 40~ 250V之间 。
电流越大, 其值越低 。 近阴极效应是交
流短弧熄弧的主要因素, 是低压交流电
器中主要熄弧方法 。
通常把弧隙间介质强度恢复随时间变化的
关系称做弧隙介质恢复强度特性 。 此特
性可通过实验测出并用图形表示 。
2,弧隙电压恢复过程
在交流电路中, 电流过零电弧熄灭后,
触头两端电压从熄弧电压恢复到电源电
压的过程称电压恢复过程 。 这个过程根
据线路参数情况的不同形成较为复杂的
情况 。 总的来说, 可分为两类;一类叫
非周期 ( 非振荡 ) 电压恢复过程, 另一
类叫周期 ( 振荡 ) 电压恢复过程 。 因为
电压恢复过程是使电弧重燃的因素, 很
显然, 周期电压恢复过程中有较高的电
压峰值, 对电弧不再重燃是十分不利的,
所以也是应该尽量避免的 。
? 我们把恢复过程中的电压称为恢复电压。恢复
电压可由两部分组成;稳态分量和暂态分量。
稳态分量一般称工频恢复电压,暂态分量则根
据线路负载情况不同呈较复杂情况。在交流电
弧开断过程中,对于不同性质的负载,触头上
电压变化过程不同。
? 开断电阻性负载时,由于电压与电流同相,两
者同时过零。电弧自行熄灭后按工频恢复电压
变化,没有暂态分量,故电弧容易熄灭 开断纯
电容性负载时,电流超前电源电压 90” 。电流
过零电弧自行熄灭时,电源电压达到幅值,电
容充电电压的大小与电源电压幅值相等,但极
性相反。加在弧隙两端的电压为电容充电电压
与电源电压的代数和。当电源电压为反向幅值
时,恢复电压可达两倍工频恢复电压。此过程
不含哲态分量。
开断纯电感性负载时, 电流滞后于电源电压
900电流过零时, 电源电压正处于幅值 。 电弧两
端恢复电压常含有暂态分量, 先按一振荡过程
上升, 然后再按工频恢复电压变化 。 所以, 此
情况电弧较难熄灭 。
对于一个电阻为 R,电感为 L,集中电容为 C、
电弧电阻为 r的交流电路而言, 只要适当调整
线路参数, 就可以避免周期电压恢复过程的出
现 。 另外, 还可以增大 r的值, 也就是用增大
消游离的方法来达到 。
从触头的结构型式来说, 由于双断点结构时
恢复电压是作用在两个断口上, 使每个断口的
电压值比一个断口时的要低 。 所以电弧容易熄
灭 。
? 三、交流电弧熄灭的条件
交流电弧过零后弧隙间介质强度的恢复
和电压的恢复是两个对立的过程。因为
介质强度恢复过程主要是弧隙内部带电
粒子不断减少的过程,而电压恢复过程
恰相反,它使弧隙中的气体产生新的游
离而使带电粒子不断增加用 B末可以简单
地确定交流电弧熄灭条件为:交流电弧
电流过零后,如果弧隙介质强度恢复的
速度超过了弧隙电压恢复的速度,则电
弧熄灭。反之,电弧重燃。
在实际中,由于介质恢复过程与电压恢复过
程是相互联系又相互影响的,所以情况较为复
杂。如果恢复电压上升得快,弧隙游离加强,
使得介质强度恢复速度减慢。如果介质强度增
长的速度慢,它又对恢复电压上升起阻尼作用。
因此,在交流电弧熄灭过程中有两个方面的因
素要加以考虑:
( 1) 交流电弧电流过零是最有利的灭弧时机,
这时输入弧隙的功率趋近于零, 如电弧散失的
功率大于此时由电源输入的功率, 电弧就会熄
灭 。 如果熄弧措施太强, 使电弧电流提前强制
过零, 这时交流电弧的熄灭与直流电弧相同,
会造成熄弧困难 。
? ( 2)对交流电弧的电路参数而言,电源
电压越高,恢复电压峰值也愈高,熄弧
困难。电弧熄灭前电路的电流越大,电
弧功率越大,熄弧困难。电路中电感比
例越大,熄弧越困难。
第四节 电弧熄灭的方法及装置
一、拉长电弧
电弧拉长以后,电弧电压增大,改变了电
弧的伏安特性。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)和
沿垂直于电弧轴向(横向)拉长。
1.机械拉长
2.回路电动力拉长
3.磁吹灭弧
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。
1.纵缝灭弧罩
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,
这对熄弧不利。所以此种形式适用于操
作频率不高的场合。
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。
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。
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。
2.横缝灭弧罩
为了加强冷却效果,横缝灭弧罩往往以多缝
的结构型式使用,也就是称为横向绝缘栅片,
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。
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 。
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。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。式灭弧罩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
中灭弧能力比在大气中拉长电弧大得多,所
以这种方法一般用于高压电器中,如油开关。
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。图 2— 20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、内孔向大气爿出,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。由于气吹灭弧的灭弧能力较强,故一
般运用在高压电器中,例如韶山型机车的主断路
器。
五、横向全属栅片灭弧
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。
横向金属栅片灭弧装置主要用于交流电器, 因为
它可将起始介质强度成倍的增长 。 对于直流电弧
而言, 因无近阴极效应, 只能靠成倍提高极旁压
降来进行灭弧 。 由于极旁压降值较小, 要想达到
较好的灭弧效果, 金属栅片的数量太大, 会造成
灭弧装置体积庞大 。 所以直流电弧中很少采用真
空灭弧装置
六、真空灭弧装置
在真空中气体很稀薄, 电子的自由行程远大
于触头间的距离 。 自由电子在弧隙中作走向
运动时几乎不会和气体分子或原子相碰撞,
不会产生碰撞游离 。 所以将触头置于真空中
断开时产生的电弧则是由于阴极发射电子和
产生的金属蒸气被电离而形成的 。 当电弧电
流接近零时, 阴极发射的电子和金属蒸气减
少, 弧隙中残留的金属蒸气和等离子体向周
围真空迅速扩散 。 这样, 弧隙可以在数微秒
之内由导电状态恢复到真空间隙的绝缘水平 。
因此, 在真空中触头有很高的介质恢复速度,
绝缘能力和分断电流的能力 。
真空电弧按其电流的大小可分为扩散弧和收缩
弧两种 。 扩散弧的电流较小 ( 几百至几千安培 ),
此时电弧分裂为许多并联的支弧 。 当真空灭弧装
置中出现收缩弧后, 就不能再开断电路 。 电弧由
扩散弧转变为收缩弧的电流, 也就是该真空灭弧
装置的极限开断电流, 它随触头材料和直径大小
而不同 。
在开断交流电路时,当被开断的电流减小到某
一数值时,扩散弧会发生电流突然被截断的现象,
称之为截流。这样,在开断感性负载电流时,弧
隙上将产生很高的过电压,这是使用真空灭弧装
置应注意的问题。