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      新聞中心

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      開關電器中的滅弧原理

      一、電弧現象

      1.電弧是一種能量集中、溫度很高、亮度很強的放電現象。如10kV少油斷路器開斷20kA的電流時,電弧功率高達10000kW以上,造成電弧及其附近區域的介質及其強烈的物理化學變化,可能燒壞觸頭及觸頭附近的其他部件。如果電弧長期不滅,將會引起電器被燒毀甚至爆炸,危機電力系統的安全運行,造成重大損失。所以,切斷電路時,必須盡快熄滅電弧。

      2.電弧是導體。開關電器的觸頭雖然已經分開,但是觸頭間如有電弧存在,電路就還沒有斷開,電流仍然存在。

      3.電弧是一種自持放電現象,即電弧一旦形成,維持電弧穩定燃燒所需的電壓很低。如,大氣中1cm長的直流電弧的弧柱電壓只有15-30V,在變壓器油中也不過100-200V。

      4.電弧是一束游離氣體,質量很輕,容易變形,在外力作用下(如氣體、液體的流動或電動力作用)會迅速移動、伸長或彎曲,對敞露在大氣中的電弧尤為明顯。如,在大氣中開斷交流110kV、5A的電流時,電弧長度超過7m。電弧移動速度可達每秒幾十米至幾百米。

       

      二、電弧的產生與維持

      1.強電場發射開關電器的觸頭分離時,動靜觸頭間的壓力不斷下降,接觸面積減小,因而接觸電阻增大,溫度劇升。另一方面,觸頭開始分離時,觸頭間距很小,即使電壓很低,只有幾百伏甚至幾十伏,但是電場強度卻很大。由于上述原因,陰極表面可能向外發射電子,這種現象稱為強電場發射。

      2.熱電子發射觸頭是由金屬材料制成的,在常溫下,金屬內部就存在大量的自由電子,當開關開斷電路時,在觸頭分離的瞬間,由于大電流被切斷,在陰極上出現強烈的熾熱點,從而有電子從陰極表面向四周發射,這種現象稱為熱電子發射。發射電子的多少與陰極材料及表面溫度有關。

      3.碰撞游離從陰極表面發射出來的電子,在電場力的作用下向陽極作加速運動。并不斷與中性質點碰撞,如果電場足夠強,電子所受的力足夠大,且兩次碰撞間的自由行程足夠大,電子積累的能量足夠多,則發生碰撞時就可能使中性質點發生游離,產生新的自由電子和正離子,這種現象稱為碰撞游離。新產生的自由電子在電場中作加速運動又可能與中性質點發生碰撞而產生碰撞游離。結果使觸頭間充滿大量自由電子和正離子。使觸頭間電阻很小,在外加電壓作用下,帶電粒子作定向運動形成電流,使介質擊穿而形成電弧。

      4.熱游離處于高溫下的中性質點由于高溫而產生強烈的熱運動。相互碰撞的結果而發生的游離稱為熱游離。作用:維持電弧的燃燒。一般氣體發生熱游離的溫度為9000~10000℃,而金屬蒸汽約為4000~5000℃。因為電弧中總有一些金屬蒸汽,而弧柱溫度在5000℃以上,所以,熱游離足以維持電弧的燃燒。

       

      三、電弧的去游離

      去游離:在電弧中,介質因游離而產生大量帶電粒子的同時,還會發生帶電粒子消失的相反過程,稱為去游離。

      1.復合:異號帶電粒子相互吸引而中和成中性質點的現象。在電弧中,電子的運動速度遠大于正離子,所以電子與正離子直接復合的可能性很小,復合是借助于中性質點進行的,即電子在運動過程中,先附著在中性質點上,形成負離子,然后質量和運動速度大致相等的正、負離子復合成中性質點。既然復合過程只有在離子運動的相對速度不大時才有可能,若利用液體或氣體吹弧,或將電弧擠入絕緣冷壁做成的狹縫中,都能迅速冷卻電弧,減小離子的運動速度,加強復合過程,此外增加氣體壓力,使氣體密度增加,也是加強復合過程的措施。

      2.擴散:弧柱內帶電粒子逸出弧柱以外進入周圍介質的一種現象。擴散是由于帶電粒子不規則的運行,以及電弧內帶電粒子的密度大于電弧外,電弧中的溫度遠高于周圍介質的溫度造成的。電弧和周圍介質溫差愈大,以及帶電粒子密度差越大,擴散作用愈強。在高壓斷路器中,常采用氣體吹弧,帶走大量帶電粒子,以加強擴散作用,擴散出來的正負離子,因冷卻而加強復合,成為中性質點。若游離作用大于去游離作用,則電弧電流增大,電弧愈加強烈燃燒;若游離作用等于去游離作用,則電弧電流不變,電弧穩定燃燒;若游離作用小于去游離作用,則電弧電流減小,電弧最終熄滅。所以,要熄滅電弧,必須采取措施加強去游離作用而削弱游離作用。

       

      四、電弧特性

      1.電弧電壓沿弧長的分布電弧形成后,電弧電壓沿弧長的分布可分為三個部分。如圖4-1所示,電弧電壓降由陰極電壓降U1、弧柱電壓降U2、陽極電壓降U3三部分組成,即電弧電壓Uh=U1+U2+U3。

      2.電弧按照電壓分布的分類
      (1)長?。弘姌O間距離長,陰極和陽極電壓降可以忽略不計。
      (2)短?。弘姌O間距離短,弧柱電壓忽略不計。

      3.電弧的伏安特性
      (1)直流電弧的伏安特性

      曲線1是在電流變化很慢,曲線上每一點的游離與去游離都達到平衡,電弧處于穩定燃燒的狀態,故稱為靜態特性。

      曲線2為電流很快從a點增加的曲線。

      曲線3為電流很快從b點減小的曲線。

      (2)交流電弧的伏安特性

      在交流電路中,電流的瞬時值不斷地隨時間變化,因此電弧的特性應是動態特性,并且交流電流每半個周期經過一次零值。電流過零值時,電弧自動熄滅。如果電弧是穩定燃燒的,則電弧電流過零熄滅后,在另半周又會重新燃燒。

       

      五、直流電弧的熄滅方法

      1.增大回路電阻

      2. 將長電弧分割為多個短電弧

      3. 增大電弧長度

      4. 使電弧與耐弧度絕緣材料緊密接觸

       

      六、交流電弧的熄滅條件

      1.弧隙介質強度的恢復過程

      2.弧隙電壓的恢復過程

      3.交流電弧的熄滅條件 ud(t)>ur(t)

      (一)弧隙介質強度的恢復

      1.弧隙介質強度的恢復過程在電弧電流過零之前,弧隙中的空間充滿了電子和正離子。當電弧電流流過零熄滅后,電極極性發生改變,弧隙中的電子迅速奔向新陽極,比電子質量大一千多倍的正離子,相對電子而言則基本未動,所以在新陰極附近形成正空間電荷。

      2.電流過零后電荷和電壓沿短弧隙的分布情況。如圖所示,電壓主要降落在陰極附近的薄層空間。此薄層空間的耐壓約為150~250V的介質強度。近陰極效應:陰極附近電介質強度出現突然升高的現象。

      (二)、弧隙電壓的恢復弧隙電壓的恢復過程,即恢復電壓的變化過程,與電路參數、負荷性質有關。熄滅交流電弧的基本方法

      1.采用滅弧能力強的滅弧介質

      2.利用氣體或油吹弧

      3.采用特殊的金屬材料作滅弧介質

      4.采用多斷口熄弧

      5.提高斷路器觸頭的分離速度

      6.低壓開關的滅弧方法

      (1)利用金屬滅弧柵滅弧

      (2)利用固體介質狹縫滅弧

      ① 變壓器油:變壓器油在電弧高溫的作用下,分解出大量氫氣和油蒸汽,氫氣的絕緣和滅弧能力是空氣的7.5倍。

      ② 壓縮空氣:壓力:2MPa,分子密度大,質點的自由行程小,不易發生游離。

      ③ SF6氣體:良好的負電性氣體,氟原子吸附電子能力很強,能迅速捕捉自由電子形成負離子,對復合有利。 

      ④ 真空:真空氣體壓力低于133.3×10-4Pa,氣體稀薄,弧隙中的自由電子和中性質點都很少,碰撞游離的可能性大大減少,而且弧柱內與弧柱外帶電粒子的濃度差和溫差都很大,有利于擴散。其絕緣能力比變壓器油、1個大氣壓下的SF6 、空氣都大。

      高壓斷路器中利用各種預先設計好的滅弧室,使氣體或油在電弧高溫下產生巨大壓力,并利用噴口形成強烈吹弧。即起到對流換熱、強烈冷卻弧隙的作用,又起到部分取代原弧隙中游離氣體或高溫氣體的作用。電弧被拉長、冷卻變細,復合加強,同時吹弧也有利于擴散,最終使電弧熄滅。

      常有的觸頭材料有銅、鎢合金和銀、鎢合金等,在電弧高溫作用下不易熔化和蒸發,有較高的抗電弧、抗熔焊能力,可以減少熱電子發射和金屬蒸汽,抑制游離的作用。

      采用多斷口串聯,可把電弧分割成多段,在相同的觸頭行程下電弧拉長速度和長度比單斷口大,從而弧隙電阻增大,同時加在每個斷口上的電壓降低,使弧隙恢復電壓降低,因而有利于滅弧。

      加快斷路器的觸頭分離速度可以迅速拉長電弧,使弧隙的電場強度驟降,同時使電弧的表面積突然增大,有利于電弧的冷卻及帶電質點的擴散和復合,從而加速電弧的熄滅。

      電弧是一種能量集中、溫度很高、亮度很強的放電現象。如10kV少油斷路器開斷20kA的電流時,電弧功率高達10000kW以上,造成電弧及其附近區域的介質及其強烈的物理化學變化,可能燒壞觸頭及觸頭附近的其他部件。如果電弧長期不滅,將會引起電器被燒毀甚至爆炸,危機電力系統的安全運行,造成重大損失。所以,切斷電路時,必須盡快熄滅電弧。

      滅弧柵由耐高溫的絕緣材料制成,有多種形式,圖中為最簡單的直縫式,磁吹線圈與電路串聯或并聯。當觸頭斷開而產生電弧后,在磁吹線圈磁場的作用下,對電弧產生電動力,將電弧拉入滅弧片的狹縫中。狹縫限制了電弧直徑,增加了弧隙壓力,同時電弧被拉長,并與滅弧片冷壁緊密接觸,加強冷卻作用,加強電弧內的復合過程,最終使電弧熄滅。

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