1、电弧及灭弧装置,指导老师：杨旭丽 制作人：邓如意2012.04.14,电弧及灭弧装置,目录第一章 电接触与电弧理论第二节 电弧及其产生过程第三节 触头的接触电阻第四节 闭合状态下的触头第五节 触头接通过程及其熔焊第六节 触头分断过程与其电侵蚀第七节 触头材料,第一节电接触与电弧理论,电路的通断和转换是通过电器中的执行部件、主要是其触头和灭弧装置来实现的。触头接通和分断电流的过程伴随着气体放电现象、电弧的产生及熄灭。 电弧对电器有害。例如，电弧出现会延缓电路的分断过程、烧伤触头、缩短触头乃至整个电器的寿命，甚至还会引起火灾和人身伤亡事故。 电弧又是电路所储电磁能量泄放的主要途径，非此难以降低电路
2、分断时出现的过电压。触头既是一切有触点电器的执行元件，同时又是其中最薄弱的环节。其工作优劣不仅直接影响到整个电器的性能，还将影响到一个系统的工作可靠与否。 触头的工作与电弧密切相关，它在工作过程中将被高温电弧所灼伤，并因之而发生质量转移和电侵蚀。 因此，本章将讨论电弧的产生原因、性质、熄灭方法以及电器中常用的灭弧装置，同时还要讨论电接触现象的本质、触头在各种工作状态下的行为、以及延长触头寿命和改善触头工作性能的技术措施。,第一节 电接触与触头,任何电工装置皆由彼此间以任意方式联系着的单元构成，其中赖以保证电流流通的导体间的联系称为电接触 通过互相接触以实现导电的具体物件称为电触头(简称触头)
3、，它是接触时接通电路、操作时因其相对运动而断开或闭合电路的两个或两个以上的导体。,一、触头的分类,(一)连接触头连接触头是以机械方式一焊接、铆接和栓接来连接电路的不同环节，使电流得以自一环节流向另一环节。这种触头在工作过程中无相对运动，永远闭合。连接触头除栓接式为可卸式外，其余为不可卸式。,连接触头的基本要求,是在其所在装置的使用期限内，应能完整无损地长期通过正常工作电流和短时通过规定的故障电流。为此，它的电阻应当不大而且稳定。这就要求它能耐受周围介质的作用，又能耐受温度变化引起的形变和通过短路电流时所产生的电动力。,二、换接触头,(二)换接触头换接触头是电器中用以接通、分断、转换电路的执行部
4、件，并且总是以动触头和静触头的形式成对地出现。它具有多种形式，诸如楔形触头、刷形触头、指形触头、桥式触头和瓣式触头等。,换接触头的基本要求,是电阻小而稳定，并且耐电弧、抗熔焊和电侵蚀。有触点电器的故障很大一部分是触头工作不良所致，且后果严重。,三、换接触头的工作状态和基本参数,四个基本参数:开距、超程、初压力和终压力： 开距是触头处于断开状态时其动静触头间的最短距离，其值是由它能否耐受电路中可能出现的过电压以及能否保证顺利熄灭电弧来决定的。 超程是触头运动到闭合位置后、将静触头移开时动触头还能移动的距离，其值取决于触头在期限内遭受的电侵蚀。 初压力是触头刚闭合时作用于它的正压力。 终压力是触头
5、闭合终止位置的压力，其值由许多因素，诸如温升、熔焊等所决定。,第二节 电弧及其产生过程,一、载流电路的开断过程 动静触头的接触原本是许多个点在接触，而接触压力一般是由弹簧产生的。由于超程的存在，触头开始分断时，电路并没开断，仅仅是动触头朝着与静触头分离的方向运动。这时，超程和接触压力都逐渐减小，接触点也减少。及至极限状态、即仅剩一个点接触时，接触面积减至最小，电流密度非常巨大，故电阻和温升剧增。以致触头虽仍闭合，但接触处的金属已处于熔融状态。 此后，动触头继续运动，终于脱离，但动静触头间并未形成间隙，而由熔融的液态金属桥所维系着。液态金属的电阻率远大于固体金属的，故金属桥内热量高度集中，使其温
6、度达到材料的沸点，并随即发生爆炸形式的金属桥断裂过程，触头间隙也形成了。金属桥刚断裂时，间隙内充满着空气或其他介质及金属蒸气，它们均具有绝缘性质。于是，电流被瞬时截断，并产生过电压，将介质和金属蒸气击穿，使电流以火花放电乃至电弧的形式重新在间隙中流通。 随着动触头不断离开静触头以及各种熄弧因素作用，电弧终将转化为非自持放电并最终熄灭，使整个触头间隙成为绝缘体，触头分断过程亦告终结至此，触头已处于断开状态。,一、电弧的形成过程,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。坏处：因为其温度达成千上万K足以烧伤触头、使
7、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。,第三节 触头的接触电阻,一试验表明，导体接触处的整个面积只是个视在面积，真正接触着的是离散性的若于个被称为a斑点的小点(图2-25)。这种斑点的面积仅为视在接触面的很小一部分。就是a斑点本身也只有一小部分是纯金属接触区，其余部分是受污染的准金属接触区和覆盖着绝缘膜的不导电接触区因此，实际的金属导体接触面非常小。实际接触面缩小到局限于少量的斑点，引起束流现象,图3
8、-1,一、影响接触电阻的因素,主要是: (1)接触形式表面上看似乎面接触的接触电阻最小，但也不尽然。若接触压力不大，面接触时a斑点多，每个斑点上的压力反而很小，以致接触电阻增大很多。因此，继电器和小容量电器的触头普遍采用点-点及点-面接触形式，大中容量电器触头才采用线和面接触形式。表2-4中关于铜触头的实验数据便是实证,接触电阻,(3)表面状况接触面越粗糙，越易污染和氧化，Rj也越大。其后果不仅是发热损耗增大，还会妨碍电路正常接通，特别是当电压和电流均甚小时。 (4)材料性能影响Rj值的材料性能主要是电阻率和屈服点。屈服点越小，即材料越软，越易发生塑性形变，Rj值也越小。,二、接触压力,它是确
9、定接触电阻的决定性因素。接触面受压后总有弹性及塑性形变，使接触面积增大。压力还能抑制表面膜层的影响。但从黄铜质球-平面接触触头通过20A电流时的试验结果来看(图2-27)，接触压力越小，Rj越大，且分散性很大，可是过分增大接触压力也并不佳。弱电继电器接触压力甚小，为使接触电阻值稳定，压力不得小于表2-5中的数值。,接触电阻与压力的关系,第四节 闭合状态下的触头,触头闭合后，由于通过电流，其温度将升高，并在动静触头间产生电动斥力。这些现象均将影响触头的工作。 一、触头的发热触头的发热与一般导体不同，它分本体发热和触点发热两部分。触点处有接触电阻，产生的热量很大，同时其表面积很小，热量只能通过热传
10、导传给触头本体。因此，触点的温度照例要比触头本体的高。触点相对本体的温升可按下式估算:式中 Uj接触电压降;I通过触点的电流;、触头材料的热导率和电阻率。,一、接触电阻与接触电压降,二、接触电阻与接触电压降触头接触面温度上升时，由于接触电阻Rj增大，接触电压降Uj也会增大。反之亦然。但实验所得,“Ri - Ui”特性并非全然如此(图2-28)。 Rj由图可见，当Uj增大时，Rj开始是增大的，但当Uj增大到Us时,触点温度已高达能令触点金属材料机械性质发生变化-软化的地步，故Us称为软化电压。这时，在接触压力作用下，接触面积增大，使Rj骤减。此后， Rj仍将随Uj而逐渐增大，并于Uj增至Um时再
11、度猛降,因为此时接触面积因温度已达熔点而增大很多。电压降Um称为熔化电压。软化电压和熔化电压均为触点材料的特性参数。,二、触头间的电动力,触头间的电动力相当于变截面载流导体受到的电动力。当导体截面变化时，电力线会弯曲，而电动力dF是与电力线垂直的，故它恒指向截面变大的一侧(图2-30)。短路时，巨大的电动力可能将触点斥开。此电动力有二分量:径向分量dFx和轴向分量dFy。前者是径向压力，后者是趋于在截面变化处将导体拉断的电动收缩斥力。,第五节 触头接通过程及其熔焊,触头的接通过程常伴随着机械振动，并因之在间隙内产生电弧。由于接通时负载电流往往较大，故接通电弧危害有时颇严重，其中最危险的便是触头
12、的熔焊。,一、接通过程中的机械振动,接通时动触头以一定速度朝静触头运动，它们接触时就发生了机械碰撞。结果，动触头被弹开，然后再朝静触头运动，多次重复发、碰撞。由于每碰撞一次都要损失部分能量，故振动幅度将逐渐减小(图2-31）。除触头本身的碰撞外，电磁机构中衔铁与铁心接触时的撞击以及短路电流通过触头时生的巨大的巨大电动斥力，均可能引起触头振动。,二、触头的熔焊,动静触头因被加热而熔化、以致焊在一起无法正常分开的现象称为触头的熔焊。 它有静熔焊与之分。静熔焊：是连接触头或闭合状态下的转换触头于通过大电流时、因热效应和正压力的作用使a斑点及其邻域内的金属熔化并焊为一体的现象，其发生过程一般无电弧产生
13、;动熔焊： 是转换触头在接通过程中因电弧的高温作用使接触区局部熔化发生的熔焊现象。若触头接通过程伴随有机械振动，由于电弧和金属桥的出现，发生动熔焊的可能性更大。闭合状态的转换触头为短路电流产生的巨大电动力斥开时，同样有可能发生动熔焊。,三、影响熔焊的因素,(1)电参数 它包括流过触头的电流、电路电压和触头的电流产生的热量。触头开始熔焊时的电流称为最小熔焊电流Imin。，它与触头材料、接触形式和压力、通电时间等许多因素有关。对静熔焊的影响是电流，对动熔焊影响的是电压和电流，电压越高越易燃弧，且电弧能量越大。电路参数的影响是指电感和电容的影响。接通电感性电路时，若负载无源，电感有抑制电流增长的作用
14、;若负载有源，则因起动电流甚大而易发生熔焊。接通 容性负载时，涌流的出现也易导致触头熔焊。,影响熔焊的因素,(2)机械参数 主要是接触压力，其增大可降低接触电阻，提高抗熔焊能力。触头闭合速度也对熔焊有影响，速度大，易发生振动，因而也易发生熔焊,影响熔焊的因素,(3)表面状况 接触面越粗糙，接触电阻就越大，也越易发生熔焊。但接触面的氧化膜虽对导电不利，但其分解温度高，对提高抗熔焊能力却是有利的。,影响熔焊的因素,(4)材料影响 熔焊的是材料品种、比热容、电导率和热导率。粉末冶金材料的抗熔焊能力一般较强。当动静触头采用不同材料时，就静熔焊而论，抗熔焊能力仅相对弱的一方有所提高;就动熔焊而论，不仅未
15、必能提高抗熔焊能力，有时甚或会降低,四、触头的冷焊,继电器所用贵金属触头当接触面上的氧化膜(它本来就不易生匙成)被破坏、因而纯金属接触面扩大时，因金属受压力作用致使连接处的原子或分子结合在一起的现象称为冷焊。它一旦发生就很难处理，因为金属间的内聚力往往非微小的接触压力所能克服，况且弱电触头又暂密封于外壳内，很难以其他手段使之分离。目前，为防止发生冷焊，一般是通过实验、在触头及其镀层材料的选择方面采取适当的措施。,第六节 触头分断过程与其电侵蚀,触头接通过程, 虽伴随着电火花或电弧的产生，但只要振动是无害的，而且是在非故障状态下闭合，电弧对触头危害就很小。触头分断过程，因为它历时较长，在此期间由
16、于金属在触头间的转移和液态金属的溅射以及金属蒸气的扩散将使触点材料有明显的损失。结果是触头和整个电器的使用期限都缩短了。,侵蚀,触头材料在工作过程中的损失称为侵蚀，按产生原因区分有机械的、化学的和电的三种。 机械侵蚀由触头在通断过程中的机械摩擦引起，侵蚀量不大 化学腐蚀由触头表面的氧化膜破碎所致，侵蚀量不大； 电侵蚀是通断过程中因电火花和电弧而产生的，是触头损坏的主要原因。,一、电侵蚀的类型,桥蚀：如前所述，若分断电流足够大，最后分断点的电流密度可高达(107 1012)A/m2。于是，该点及其附近的触头表面金属材料将熔化，并在动触头继续分离时形成液态金属桥。当动静触头相隔到一定程度时，金属桥
17、就断裂。由于其温度最高点偏于阳极一侧，故断裂亦发生在近阳极处。这就使阳极表面因金属向阴极转移而出现凹陷，阴极表面出现针状凸起物，结果阳极遭到电蚀。液态金属桥断裂以致材料自一极向另一极转移的现象称为桥蚀或桥转移。触头每分断一次都出现一次桥蚀只是转移的金属量甚小而已。,电侵蚀的类型,弧蚀液态金属桥断裂并形成触头间隙后，若触头工作电流不大，间隙内将发生火花放电。这是电压较高而功率却较小时特有的一种物理过程。较高的电压使触头间隙最薄弱处可能为强电场所击穿，较小的功率则使间隙内几乎不可能发生热电离，终于只能形成火花放电。火花放电电流产生的电压降可能使触头两端的电压下降到不足以维持气体放电所需强电场，以致
18、放电中止。此后气体又会因电压上升再度被击穿，重新发生火花放电。因此，火花放电呈间歇性，而且很不稳定。火花放电时是阴极向阳极发射电子，故将有部分触头金属材料自阴极转移到阳极，也即阴极遭受电蚀。若液态金属桥断裂时触头工作电流较大，就会产生电弧。 不论火花放电抑或电弧放电，均使触头材料逐渐耗损，这就是弧蚀。,第七节 触头材料,对触头材料通常有下列要求: 低电阻率 低电阻温度系数; 高最小燃弧电压/电流 抗化学腐蚀能力 适当的硬度 良好的工艺性能。触头材料一般有纯金属、合金和粉末合金三类,一、纯金属材料,1)银 在金属材料中它具有最高的电导率和热导率。其氧化膜电阻率较低，且易去除;其硫化膜电阻率虽较高
19、，仍易破除。因此，银触头接触电阻小，而且稳定。银的工艺性一般也优于其他材料。由于熔点和硬度均较低，故银的耐弧、耐侵蚀和抗熔焊性能均较差，所以银触头多用于中小容量开关电器。 (2)铜 铜的电导率和热导率均很高，仅次于银。其比热容大、工艺性好、价格低廉，铜易氧化，其氧化膜的电阻率非常大，又不易去除，故铜触头接触电阻大而且不稳定。目前仅动静触头的接触面之间有相对运动(摩擦)的电器才使用纯铜质触头。 (3)铝 其电导率和热导率在纯金属材料中居第三位，故亦属最常用的导电材料。铝材极易氧化，其氧化膜的电阻率极大、并且非常稳定，极难去除。然而，铝材经济电导 为铜材的二倍，价格又低廉，所以被广泛地用作母线材料
20、及其他线材。 (4)钨它具有高的熔点、沸点和硬度，故耐弧、耐电侵蚀和耐熔焊。但其电阻率大易氧化，且氧化膜几乎不导电，以致接触电阻特别大。工程上不采用纯钨触头。 (5)石墨 它是非金属材料，不易氧化和产生氧化膜。其电阻率高，机械强度低 ，但耐弧和耐熔焊。它一般只用作开关电器的灭弧触头材料。此外，继电器和弱电电器还常用金、铂等贵金属及其合金作为触头材料,二、合金材料,(1)铜钨合金 其含铜量在20% 80%。由于钨的熔点高，故此合金有非常高的耐弧、耐侵蚀及抗熔焊能力。但因电阻率高，需要高接触压力，故主要用于高压及大电流断路器。 (2)铜石墨合金 其石墨含量为4% 5%，性能与铜钨合金相近。由于它在
21、很大的冲击电流作用下也不致发生熔焊，故也常用于大中容量开关电器。总之，铜基合金虽然电阻率高，但工艺性强、价格低廉，至今仍被广泛应用。 (3)银钨合金 其含钨量为30% 80%。它耐弧、基本上不熔焊，而在工艺性及电阻率方面均优于铜钨合金。因此，它尤适用于大容量开关电器。 (4)银镍合金 其含镍量为5% 40%。镍熔点较高，加入后可提高抗硫化及抗熔焊性能。它的接触电阻稳定，耐侵蚀，易作辗压加工，但抗熔焊能力仍很低，且价格较高。此合金一般用于中小容量开关电器。 (5)银石墨合金 其含碳量与铜石墨合金相仿，具有高抗熔焊能力，但质地软，不耐摩擦，一般用于非频繁操作的大中容量电器。 (6)银碳化钨合金 碳化钨的化学稳定性优于钨，耐腐蚀性也较高，故接触电阻较稳定，能耐受大电流，适用于低电压大电流电器。含量达一半后极易氧化，使接触电阻不稳定。因此，它不宜用于接触压力小的电器。此外，继电器和弱电电器还常采用金与镍、铂、锆的合金以及铂和铱或钌的合金。,
