1、1第第3 3章章 電弧及電氣觸頭的基本理論電弧及電氣觸頭的基本理論高壓電奇觀2教學要求：掌握電弧的特征 了解電弧形成的原因及電弧熄滅的基本方法 影響觸頭電阻的因素。重 點：電弧熄滅的基本方法。影響觸頭電阻的因素。難 點：電弧形成的原因3 一、電弧放電的一、電弧放電的特征特征和和危害危害 弧柱中自由電子的弧柱中自由電子的主要來源主要來源 電弧形成的過程電弧形成的過程 電弧的去游離形式電弧的去游離形式 影響去游離的因素影響去游離的因素第一節第一節 電弧的形成與熄滅電弧的形成與熄滅43-1 3-1 電弧的形成和熄滅電弧的形成和熄滅. .電弧產生的條件：電弧產生的條件： 斷開電路時，觸頭間電壓大于10

2、20V；電流大于80100mA 2.2.帶電質點的來源：帶電質點的來源：電極發射大量自由電子 強電場發射強電場力 熱電子發射高溫電極間弧柱氣體游，產生大量的電子和離子 碰撞游離電場力的作用，由高速運動的電子作用產生 熱游離高溫（起弧），由中性質點熱運動碰撞產生3.1.電弧的形成：大量帶電質點在電場力的作用定向運動5 電弧放電的電弧放電的特征特征和危害和危害 1. 電弧的概念電弧的概念 當開關電器開斷電路時，電壓和電流達到一定值時，觸頭剛剛分離后，觸頭之間就會產生強烈的白光，稱為電弧。 2.電弧的本質電弧的本質 電弧的實質是一種氣體放電現象。 3. 電弧放電的特征電弧放電的特征 （1）電弧由三部

3、分組成。包括陰極區、陽極區和弧柱區。 （2）電弧溫度很高。 （3）電弧是一種自持放電現象。 （4）電弧是一束游離的的氣體。6 電弧放電的特征和電弧放電的特征和危害危害 4. 電弧的危害電弧的危害 （1）電弧的存在延長了開關電器開斷故障電路的時間，加重了電力系統短路故障的危害。 （2）電弧產生的高溫，將使觸頭表面熔化和蒸化，燒壞絕緣材料。對充油電氣設備還可能引起著火、爆炸等危險。 （3）由于電弧在電動力、熱力作用下能移動，很容易造成飛弧短路和傷人，或引起事故的擴大。7 電弧的形成電弧的形成弧柱中自由電子弧柱中自由電子的主要來源的主要來源（1） （1）熱電子發射 當斷路器的動、靜觸頭分離時，觸頭間

4、的接觸壓力及接觸面積逐漸縮小，接觸電阻增大，使接觸部位劇烈發熱，導致陰極表面溫度急劇升高而發射電子 ，形成熱電子發射。 （2）強電場發射 開關電器分閘的瞬間，由于動、靜觸頭的距離很小，觸頭間的電場強度就非常大 ，使觸頭內部的電子在強電場作用下被拉出來 ，就形成強電場發射。8 電弧的形成電弧的形成 弧柱中自由電子的主要來源弧柱中自由電子的主要來源（2） （3）碰撞游離 從陰極表面發射出的電子在電場力的作用下高速向陽極運動，在運動過程中不斷地與中性質點（原子或分子）發生碰撞。當高速運動的電子積聚足夠大的動能時，就會從中性質點中打出一個或多個電子，使中性質點游離，這一過程稱為碰撞游離。 （4）熱游離

5、 弧柱中氣體分子在高溫作用下產生劇烈熱運動，動能很大的中性質點互相碰撞時，將被游離而形成電子和正離子，這種現象稱為熱游離。弧柱導電就是靠熱游離來維持的。 9 電弧的形成電弧的形成 電弧形成的過程電弧形成的過程 斷路器斷開過程中電弧是這樣形成的。觸頭剛分離時突然解除接觸壓力，陰極表面立即出現高溫熾熱點，產生熱電子發射；同時，由于觸頭的間隙很小，使得電壓強度很高，產生強電場發射。從陰極表面逸出的電子在強電場作用下，加速向陽極運動，發生碰撞游離，導致觸頭間隙中帶電質點急劇增加，溫度驟然升高，產生熱游離并且成為游離的的主要因素，此時，在外加電壓作用下，間隙被擊穿，形成電弧。10電弧的形成總結電弧的形成

6、總結強電場發射熱電子發射電弧熱游離溫度磁撞游離加速 弧柱陽極區陰極區陰極發射（起因）陰極發射（起因）碰撞游離（重要因素）碰撞游離（重要因素）擊穿擊穿（量變到質變）（量變到質變）熱游離（主要因素）熱游離（主要因素）維持發展維持發展11 電弧的放電現象是一種氣體自持放電。 電弧是一種離子通道（載流通道）：只有觸頭間的電弧熄滅后，電流才真正切斷。 電弧的溫度很高、能量大：容易燒壞觸頭，或使觸頭周圍的絕緣材料遭受破壞。 電弧燃燒時間過長，壓力過高，有可能使電器發生爆炸事故。 質量輕，在外力的作用下易變形4.4.電弧的特點電弧的特點12 電弧的放電現象是一種氣體自持放電。 電弧是一種離子通道（載流通道）

7、：只有觸頭間的電弧熄滅后，電流才真正切斷。 電弧的溫度很高、能量大：容易燒壞觸頭，或使觸頭周圍的絕緣材料遭受破壞。 電弧燃燒時間過長，壓力過高，有可能使電器發生爆炸事故。 質量輕，在外力的作用下易變形4.4.電弧的特點電弧的特點13關鍵是加強去游離作用 介質的游離作用電弧產生 介質的去游離作用電弧熄滅1去游離：正、負質點相互吸引中和為中性質點。2熄弧條件 游離與去游離誰主導？當游離去游離電弧電流（劇烈燃燒）當游離=去游離電弧電流不變（穩定燃燒）當游離去游離電弧電流（熄滅）帶電質點不斷消失帶電質點不斷消失 3.1.2 3.1.2 電弧的熄滅電弧的熄滅 14 電弧的去游離過程包括復合和擴散兩種形式

8、。 復合復合 異性質點靠近而相互中和的現象。異性質點靠近而相互中和的現象。 冷卻冷卻 擴散擴散 帶電質點逸出弧柱外的現象。帶電質點逸出弧柱外的現象。 吹弧吹弧151. 1. 復合復合 復合是正、負帶電質點相互結合變成不帶電質點的現象。由于弧柱中電子的運動速度很快，約為正離子的1000倍，所以電子直接與正離子復合的幾率很小。一般情況下，先是電子碰撞中性質點時，被中性質點捕獲變成負離子，然后再與質量和運動速度相當的正離子互相吸引而接近，交換電荷后成為中性質點。還有一種情況就是電子先被固體介質表面吸附后，再被正離子捕獲成為中性質點。16 電弧的熄滅電弧的熄滅 電弧的去游離形式電弧的去游離形式（2）2

9、. 擴散擴散 擴散是弧柱中的帶電質點逸出弧柱以外，進入周圍介質的現象。擴散有三種形式： （1）溫度擴散，由于電弧和周圍介質間存在很大溫差，使得電弧中的高溫帶電質點向溫度低的周圍介質中擴散，減少了電弧中的帶電質點； （2）濃度擴散，這是因為電弧和周圍介質存在濃度差，帶電質點就從濃度高的地方向濃度低的地方擴散，使電弧中的帶電質點減少； （3）利用吹弧擴散，在斷路器中采用高速氣體吹弧，帶走電弧中的大量帶電質點，以加強擴散作用。17 電弧的熄滅電弧的熄滅 影響去游離的因素影響去游離的因素（1） 1. 電弧溫度電弧溫度 電弧是由熱游離維持的，降低電弧溫度就可以減弱熱游離，減少新的帶電質點的的產生。同時，

10、也減小了帶電質點的運動速度，加強了復合作用。通過快速拉長電弧，用氣體或油吹動電弧，或使電弧與固體介質表面接觸等，都可以降低電弧的溫度。18 電弧溫度電弧溫度：熱游離Q速度復合加強Q 使溫度降低的方法有：吹弧、拉長電弧、或與冷卻介質表面接觸。19 2.介質的特性介質的特性 電弧燃燒時所在介質的特性在很大程度上決定了電弧中去游離的強度，這些特性包括：導熱系數、熱容量、熱游離溫度、介電強度等。若這些參數值大，則去游離過程就越強，電弧就越容易熄滅。20 電弧的熄滅電弧的熄滅 影響去游離的因素影響去游離的因素（2） 3. 氣體介質的壓力氣體介質的壓力 氣體介質的壓力對電弧去游離的影響很大。因為，氣體的壓

11、力越大，電弧中質點的濃度就越大，質點間的距離就越小，復合作用越強，電弧就越容易熄滅。在高度的真空中，由于發生碰撞的幾率減小，抑制了碰撞游離，而擴散作用卻很強。因此，真空是很好的滅弧介質。 21 氣體介質的壓力氣體介質的壓力：F自由行程縮短離子濃度復合 真空數目少磁撞游離擴散22 4. 觸頭材料觸頭材料 觸頭材料也影響去游離的過程。當觸頭采用熔點高、導熱能力強和熱容量大的耐高溫金屬時，減少了熱電子發射和電弧中的金屬蒸汽，有利于電弧熄滅。 銅、銀、銅鎢、銀鎢合金具有熔點高、導熱能力強、熱容量大的特點，可減少熱電子發射和弧柱中的金屬蒸氣。5.電場強度電場強度： E運動速度復合Q熱游離233.2 直流

12、電弧的特性及熄滅弧柱陰極區區極陰Un243.2.1 3.2.1 特特 性性1.靜態伏安特性曲線 為發弧電壓、即產生電弧的最小電壓值)(hhifU UfUhabih)0(hhiU25=陰極區電壓+弧柱區電壓+陽極區電壓 弧柱陰極區區極陰UnhU2.2.電弧電壓分布圖電弧電壓分布圖26Uh=陰極區電壓U陰極區+弧柱區UH+陽極區U陽極區或： U陰極區，大小與ih無關，在空氣中U=811V UH與ih呈線性關系 U陽極區 BA燃弧電壓 B熄弧電壓BAtU hAB3.3.1 3.3.1 特特 性性1.動態伏安特性曲線： 電弧電壓和電流隨時間不斷變化，每一周期，電流過零2次33電弧在自然過零時將自動熄滅

13、，但下半周期隨著電弧在自然過零時將自動熄滅，但下半周期隨著電壓的升高，電弧會重燃。電壓的升高，電弧會重燃。若電流過零時，電弧不再重燃，電弧就此熄滅。若電流過零時，電弧不再重燃，電弧就此熄滅。2.2.熱慣性：電弧溫度的變化滯后于電流的變化熱慣性：電弧溫度的變化滯后于電流的變化3.3.1 3.3.1 特特 性性34 交流電弧的交流電弧的特性特性（1 1） 在交流電路中，電流瞬時值隨時間變化，因而電弧的溫度、直徑以及電弧電壓也隨時間變化，電弧的這種特性稱為動特性。由于弧柱的受熱升溫或散熱降溫都有一定過程，跟不上快速變化的電流，所以電弧溫度的變化總滯后于電流的變化，這種現象稱為電弧的熱慣性。 經過對圖

14、2-2的分析，可見交流電弧在交流電流自然過零時將自動熄滅，但在下半周隨著電壓的增高，電弧又重燃。如果電弧過零后，電弧不發生重燃，電弧就此熄滅。35 交流電弧的特性交流電弧的特性（2 2）363.3.2 3.3.2 交流電弧的熄滅交流電弧的熄滅1.1.弧隙介質電強度的恢復過程弧隙介質電強度的恢復過程U Uj jUj弧隙介質能夠承受而致使弧隙擊穿的最小電壓 過程：過程：電流過零前電弧的溫度高，熱游離強烈，弧隙的導電性能好電流過零時弧隙溫度劇降，熱游離減弱，弧隙失去導電性能而恢復為絕緣介質。電流過零后溫度繼續下降，弧隙介質電強度逐漸回升。這種現象稱為交流電路的這種現象稱為交流電路的近陰極效應近陰極效

15、應。（電流極性改變后的0.11.0秒瞬間, 有Uj=150250V）37 弧隙介質能夠承受外加電壓作用而不致使弧隙擊穿的電壓稱為弧隙的介質強度。當電弧電流過零時電弧熄滅，而弧隙的介質強度要恢復到正常狀態值還需一定的時間，此恢復過程稱之為弧隙介質強度的恢復過程，以耐受的電壓Uj（t）表示。 38 2. 2.弧隙電壓的恢復過程弧隙電壓的恢復過程U UhfhfU Uhfhf電壓由熄弧電壓恢復到電源電壓的過程。 過程1、電流過零前，電弧電阻很小，電源電壓大部分降落在線路或負載的阻抗上。2、電流過零時，電弧熄滅，最后變為絕緣介質，電源電壓全部加在弧隙上。393.3.交流電弧的熄滅條件交流電弧的熄滅條件0

16、aUnfuUjta)熄 滅b)重 燃0tuUjjhfUU40熄滅交流電弧的方法熄滅交流電弧的方法一、提高觸頭的一、提高觸頭的分閘速度分閘速度二、采用二、采用多斷口多斷口三、吹弧三、吹弧 吹弧氣流產生吹弧氣流產生的方法的方法 吹弧的方向吹弧的方向四、四、短弧原理滅弧短弧原理滅弧五、利用固體介質的五、利用固體介質的狹縫狹溝滅弧狹縫狹溝滅弧六、采用耐高溫六、采用耐高溫金屬材料制作觸頭金屬材料制作觸頭七、七、采用優質滅弧介質采用優質滅弧介質41 提高觸頭的提高觸頭的分閘速度分閘速度 迅速拉長電弧，有利于迅速減小弧柱中的電位梯度，增加電弧與周圍介質的接觸面積，加強冷卻和擴散的作用。因此，現代高壓開關中都

17、采取了迅速拉長電弧的措施滅弧，如采用強力分閘彈簧，其分閘速度已達16m/s以上。42 采用多斷口采用多斷口 每一相有兩個或多個斷口相串聯。在熄弧時，多斷口把電弧分割成多個相串聯的小電弧段。多斷口使電弧的總長度加長，導致弧隙的電阻增加；在觸頭行程、分閘速度相同的情況下，電弧被拉長的速度成倍增加，使弧隙電阻加速增大，提高了介質強度的恢復速度，縮短了滅弧時間。 采用多斷口時，加在每一斷口上的電壓成倍減少，降低了弧隙的恢復電壓，亦有利于熄滅電弧。在要求將電弧拉到同樣的長度時，采用多斷口結構成倍減小了觸頭行程，也就減小了開關電器的尺寸。如圖所示： 43 采用多斷口采用多斷口44 吹弧吹弧 吹弧氣流產生法

18、吹弧氣流產生法.（1） 用新鮮而且低溫的介質吹拂電弧時，可以將帶電質點吹到弧隙以外，加強了擴散，由于電弧被拉長變細，使弧隙的電導下降。吹弧還使電弧的溫度下降，熱游離減弱，復合加快。按吹弧氣流的產生方法和吹弧方向的不同，吹弧可分為以下幾種。 1. 吹弧氣流產生的方法有：吹弧氣流產生的方法有： （1）用油氣吹弧）用油氣吹弧 用油氣作吹弧介質的斷路器稱為油斷路器。在這種斷路器中，有用專用材料制成的滅弧室，其中充滿了絕緣油。當斷路器觸頭分離產生電弧后，電弧的高溫使一部分絕緣油迅速分解為氫氣、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳等氣體，其中氫的滅弧能力是空氣的7.5倍。這些油氣體在滅弧室中積蓄能量，一旦打開吹口，

19、即形成高壓氣流吹弧。45 吹弧吹弧 吹弧氣流產生法吹弧氣流產生法.（2） （2）用壓縮空氣或六氟化硫氣體吹弧）用壓縮空氣或六氟化硫氣體吹弧 將20個左右大氣壓的壓縮空氣或5個大氣壓左右的六氟化硫氣體（SF6）先儲存在專門的儲氣罐中，斷路器分閘時產生電弧，隨后打開噴口，用具有一定壓力的氣體吹弧。 （3）產氣管吹弧）產氣管吹弧 產氣管由纖維、塑料等有機固體材料制成，電弧燃燒時與管的內壁緊密接觸，在高溫作用下，一部分管壁材料迅速分解為氫氣、二氧化碳等，這些氣體在管內受熱膨脹，增高壓力，向管的端部形成吹弧。46 吹弧吹弧 吹弧方向法吹弧方向法 （1） 2. 按吹弧的方向分為：按吹弧的方向分為： （1）

20、縱吹）縱吹 吹弧的介質（氣流或油流）沿電弧方向的吹拂稱為縱吹，縱吹能增強弧柱中的帶電質點向外擴散，使新鮮介質更好地與熾熱電弧接觸，加強電弧的冷卻，有利于迅速滅弧。 （2）橫吹）橫吹 橫吹時氣流或油流的方向與觸頭運動方向是垂直的，或者說與電弧軸線方向垂直。橫吹不但能加強冷卻和增強擴散，還能將電弧迅速吹彎吹長。有介質滅弧柵的橫吹滅弧室，柵片能更充分地冷卻和吸附電弧，加強去游離。在相同的工作條件下，橫吹比縱吹效果要好。47 吹弧吹弧 吹弧方向法吹弧方向法（2）48 吹弧吹弧 吹弧方向法吹弧方向法（3） （3）縱橫吹）縱橫吹 橫吹滅弧室在開斷小電流時因室內壓力太小，開斷性能較差。為了改善開斷小電流時的

21、滅弧性能，可將縱吹和橫吹結合起來。在大電流時主要靠在大電流時主要靠橫吹，小電流時主要靠縱吹，橫吹，小電流時主要靠縱吹，這就是縱橫吹滅弧室。49 短弧原理滅弧短弧原理滅弧 滅弧裝置是一個金屬柵滅弧罩，利用將電弧分為多個串聯的短弧的方法來滅弧。由于受到電磁力的作用，電弧從金屬柵片的缺口處被引入金屬柵片內，一束長弧就被多個金屬片分割成多個串聯的短弧。如果所有串聯短弧陰極區的起始介質強度或陰極區的電壓降的總和永遠大于觸頭間的外施電壓，電弧就不再重燃而熄滅。采用缺口鐵質柵片，是為了減少電弧進入柵片的阻力，縮短燃弧時間。 50 利用固體介質的利用固體介質的狹縫狹溝滅弧狹縫狹溝滅弧 滅弧裝置的滅弧片是由石棉

22、水泥或陶土制成的。觸頭間產生電弧后，在磁吹裝置產生的磁場作用下，將電弧吹入又滅弧片構成的狹縫中，把電弧迅速拉長的同時，使電弧與滅弧片內壁緊密接觸，對電弧的表面進行冷卻和吸附，產生強烈的去游離。原理圖如所示。 石英砂熔斷器中的熔絲熔斷時，在石英砂的狹溝中產生電弧。由于受到石英砂的冷卻和表面吸附作用，使電弧迅速熄滅。同時，熔絲氣化時產生的金屬蒸汽滲入石英砂中遇冷而迅速凝結，大大減少了弧隙中的金屬蒸汽，使得電弧容易熄滅。原理圖如所示。51 利用固體介質的利用固體介質的狹縫狹溝滅弧狹縫狹溝滅弧52 用耐高溫用耐高溫金屬材料作觸頭金屬材料作觸頭、優質滅弧介質優質滅弧介質 觸頭材料對電弧中的去游離也有一定

23、影響，用熔點高、導熱系數和熱容量大的耐高溫金屬制作觸頭，可以減少熱電子發射和電弧中的金屬蒸汽，從而減弱了游離過程，有利于熄滅電弧。 滅弧介質的特性，如導熱系數、電強度、熱游離溫度、熱容量等，對電弧的游離程度具有很大影響，這些參數值越大，去游離作用就越強。在高壓開關中，廣泛采用壓縮空氣、六氟化硫（SF6）氣體、真空等作為滅弧介質。53電氣觸頭的基本知識電氣觸頭的基本知識一、一、概述概述二、二、觸頭的接觸電阻觸頭的接觸電阻三、觸頭的三、觸頭的動穩定和熱穩定動穩定和熱穩定四、觸頭的分類和結構四、觸頭的分類和結構 按接觸面按接觸面的形式分類的形式分類 按結構按結構形式類形式類54 電氣觸頭電氣觸頭基本

24、知識概述基本知識概述 1. 觸頭的概念觸頭的概念 電氣觸頭是指兩個導體或幾個導體之間相互接觸的部分，如母線或導線的接觸連接處以及開關電器中的動、靜觸頭。 2. 對電氣觸頭的基本要求對電氣觸頭的基本要求 （1）結構可靠； （2）接觸電阻小且穩定，有良好的導電性能和接觸性能； （3）通過規定電流時，發熱穩定而且不超過允許值； （4）通過短路電流時，具有足夠的動穩定性和熱穩定性； （5）開斷規定短路電流時，觸頭不被灼傷，不發生熔焊。55 觸頭的觸頭的接觸電阻接觸電阻 觸頭在正常工作和通過短路電流時的發熱都與接觸電阻值有關，所以觸頭的質量在很大程度上取決于觸頭的接觸電阻值。正常情況下，觸頭間的接觸壓力、表面加工狀況、表面氧化程度及接觸情況等都會影響接觸電阻值。 觸頭間的壓力越大，觸頭間 的接觸電阻就越小。 觸頭一般由銅、黃銅和青銅等材料制成。為防止觸頭表面被氧化，一般需要采取鍍錫、鍍銀和涂防腐漆和凡士林油等措施加以防護。56 觸頭的觸頭的熱穩定和動穩定熱穩定和動穩定 觸頭在長期負荷電流下工作時，由于接觸電阻的存在，觸頭要發熱，使其溫度升高，同時也向周圍介質散熱，當發熱量等于散熱量時，觸頭就穩定在工作溫度下運行。這個溫度值小于觸頭材料長期允許的溫度。因此，觸頭是安全的。由于負荷電流相對于短路電流要小得多，所產生的電動力不會影響觸頭的正常工作。 當觸頭短時