1、第四节 电弧的形成与熄灭,课题汇报：陈文韬,一、电弧的特点及分类,电器在切断负载电流或短路电流时，只要加在动、静触点间的电压大于1012V，其间的电流大于80100mA,在动、静触点间就会出现电弧（耀眼的白光）。电弧的产生是电器在切断或接通电路过程中不可避免的不可避免的的一种客观的物理现象电弧对电器具有一定的危害，为保证电气安全可靠工作，必须采用灭弧装置使电弧熄灭,一、电弧的特点及分类,电弧电流的主要特征是：1）电弧能量集中，温度极高，亮度很强。2）电弧有阴极区、阳极区和弧柱区组成。3）电弧的气体放电是自持放电。4）电弧是一束游离的气体。分类：长弧 和 短弧。分类原则；长短之别取决于弧长与弧径
2、之比。,触点之间电弧燃烧的区域叫弧隙。触点断开后，当弧隙中有电弧燃烧时，电路仍然导通，说明此时触点弧隙气体变为导电状态。因为原来的中性气体分解为电子和离子，气体被电离，此过程被称为气体游离过程。 产生形式 1.电子热发射 3.碰撞游离 2.强电场发射 4.热游离,二、电弧产生的物理过程,三电弧熄灭的物理过程,1. 复合 复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。2. 扩散 扩散是弧柱中的带电质点逸出弧柱以外，进入周围介质的现象。扩散有三种形式： （1）温度扩散，由于电弧和周围介质间存在很大温差，使得电弧中的高温带电质点向温度低的周围介质中扩散，减少了电弧中的带电质点； （2）浓度扩散，
3、这是因为电弧和周围介质存在浓度差，带电质点就从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使电弧中的带电质点减少； （3）利用吹弧扩散，在断路器中采用高速气体吹弧，带走电弧中的大量带电质点，以加强扩散作用。,四.直流电流及其熄灭,1.定义：在直流电路中产生的电弧叫直流电弧2.伏安特性：电弧电压阴极区压降弧柱压降阳极区压降,影响电弧伏安特性的因素:,1.电弧长度的熄灭（在相同冷却条件下）2.冷却条件的影响（在电弧长度相同的条件下）,3.直流电弧的熄灭直流电弧最常见的熄灭方法是采用机械力时电弧拉长再利用磁吹、气吹或电动力等方法使电弧拉长的同时迅速冷却加强了消游离作用，从而使电弧熄灭。,五.交流电弧及其熄灭,在
4、交流电路中，电流瞬时值随时间变化，因而电弧的温度、直径以及电弧电压也随时间变化，电弧的这种特性称为动特性。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟不上快速变化的电流，所以电弧温度的变化总滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。,交流电弧熄灭条件如果电源电压恢复过程大于介质强度恢复过程， 气隙被击穿，电弧重燃。如果电源电压恢复过程低于介质强度恢复过程，电弧熄灭。,六、常见灭弧方法,1.机械力拉长2.回路电动力拉长3.磁吹灭弧4.灭弧罩 a.纵缝灭弧罩 b.横向栅片灭弧法 c.气吹灭弧装置 d.真空灭弧装置,1.机械力拉长,一、电弧的特点及分类,电弧沿轴向拉长的情况是很多的，电器触头分断过
5、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,一、电弧的特点及分类,载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213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（b）所示。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
6、。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磁吹灭弧。如图所示。由于这个磁场力比较大，其拉长电弧的效果也较好，如图中F3所示的情况。,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。,3.磁吹灭弧,一、电弧的特点及分类,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
7、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。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。,一、电弧的特点及分类,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
8、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，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。所以串激法适用于切断大电流的电器中。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
9、便。所谓它激法，就是用永久磁铁来代替并激法的磁吹线圈，它的磁吹特性和并激法相似。不同点是无需线圈和电源，因而结构更趋简单。,一、电弧的特点及分类,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。,磁吹灭弧装置示意图,4灭弧罩,一、电弧的特点及分类,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
10、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。,a.纵缝灭弧罩,一、电弧的特点及分类,纵向窄缝式灭弧罩,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，这对熄弧不利。所以此种形式适用于操作频率不高的场合。,b.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
11、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。所以直流电器中很少采用。,c.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220表示了纵吹(径向吹)的一种形式。压
12、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。由于气吹灭弧的灭弧能力较强，故一般运用在高压电器中，例如韶山系列机车的空气断路器（主断路器）。,d.真空灭弧装置,真空灭弧是使触头电弧的产生和熄灭在真空中进行，它是依据零点熄弧原理，以真空为熄弧介质工作的。,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。,在城市轨道交通车辆上，交流电器的灭弧方法主要采用金属灭弧栅灭弧，绝缘灭弧栅灭弧，吹弧灭弧和真空灭弧,
