开关电器典型灭弧装置的工作原理

5
概
述
8．变压器油灭弧装置； 10．SF6灭弧装置；
7．石英砂灭弧装置； 9．压缩空气灭弧装置； 11．真空灭弧装置。
此外，为了增加灭弧装置的开断能力，通常可以采用 下列辅助方法： 1．在弧隙两瑞并联电阻； 2. 附加同步开断装置； 3．附加晶闸管装置。
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概
上述灭弧装置的灭弧原理是：
述
(1) 在大气中依靠触头分开时的机械拉长，使L增大； (2) 利用流过导电回路或特制线圈的电流在燃弧区产生磁场，使电 弧迅速移动和拉长； （3）依靠磁场的作用，将电弧驱入用耐弧材料制成的狭缝中，以加 强电弧的冷却和消电离； (4) 用金属板将电弧分隔成许多串联的短弧；
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理 (3) 在熄灭交流电弧过程中，当电流增大时，电弧的功 率增大，油气的形成加剧，气泡中油气温度增高和压力上升。 在压力较高的情况下，气泡壁处油的沸点升高，处于过热状 态。当电流减小到过零附近时，由于电弧功率减小，油气产 生的速度下降，但气泡在压力作用下仍继续膨胀，结果引起 气泡中油气的温度和压力迅速降低。此时气泡壁处油的沸点 下降，处于过热状态的油猛烈气化。由于气泡壁各处油的气 化速度不一致，在气泡内就形成了压力差。此压力差促使油 气产生混乱的运动，使刚刚形成的温度较低的油气进入弧柱 中，加强了弧柱的冷却。
llj＝KI0.6 0
0
式中
K——常数，当电源电压为500V时，K=0.75；250V时，
K=0.15； I 0 ——开断电流的起始值（有效值），单位为A。
0
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理
（3）示例： 例一：刀开关拉长电弧。
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理
例二：利用流过导电回路的特制线圈的电流在燃弧期间产生磁场，使 电弧迅速移动和拉长。图b）还增加了引弧角。
电器学
中南大学信息学院电气工程系
第五章
开关电器典型灭弧装置当今开关电器中所使用的灭弧装置的灭弧原理，熟悉提 高灭弧装置开断能力的辅助方法。
教学重点与难点： 教学重点与难点：
金属栅片灭弧装置、真空灭弧装置、SF6灭弧装置、石英砂灭 弧装置
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第五章
开关电器典型灭弧装置的工作原理
图中 熔管1用瓷制成，2和3分别为端盖和接线板。
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理
石英砂熔断器釆用了多断口串联、提高弧隙中气压以加强电离气体 的扩散作用，以及利用狭缝冷却电弧共三种灭弧原理，所以它的灭弧能力 强，限流作用非常显著。
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理
八、变压器油灭弧装置
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理
由图5-6可见，当电流增大（横坐标向右）时，纵缝灭弧装置中电 弧的“伏—安特性”随电弧电流增加而下降的程度比自由燃弧时的“伏— 安特性”下降程度要缓得多，特别当电流很大时，E可以认为是常数。 随着缝宽的减小和电弧横向运动速度的提高，电弧的“伏—安特 性”也将升高，这表明灭弧能力也随之增强。 采用多纵缝可以减小电弧进入上部窄缝的阻力，在驱动电弧运动 的电磁力给定时，可以采用比单纵缝灭弧室更小的缝隙。这使灭弧空壁对 电弧的冷却和消电离作用更强。
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理
五、金属栅片(又称去离子栅)灭弧装置：
这种灭弧装置的原理构造如图5-10 a所示。
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理 灭弧室1内部有许多由厚度为2~3mm钢板冲成的横向栅片2。 栅片外表面镀铜以增大传热能力和防止钢片生锈。 每一栅片冲有三角形的缺口。栅片缺口错开的作用为减 少电弧初始碰到的栅片数，从而减少进入的阻力。
1、分类： （1）自能式：利用电弧自身的能量将油蒸发分解而成 油气，提高灭弧室中的压力以驱动油或油气进行吹弧。 （2）外能式：用外界能量(通常是储存在弹簧中的能量) 推动活塞，提高灭弧室中的压力以驱动油或油气进行灭弧。 （3）混合式：兼用上述两种能量，提高灭弧室中的压 力以驱动油或油气进行吹弧。
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基本内容
概 述 §5-1 §5-2 小 结 开关电器典型灭弧装置的工作原理 提高灭弧装置开断能力的辅助方法
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概
述
当电源电压超过数十伏、开断电流在数十安以上时，为 减少电弧对触头的烧损和限制电弧扩展的空间，通常需要采 取加强灭弧能力的措施，为此而采用的装置称为灭弧装置。 这些灭弧装置的灭弧原理主要有下列十几种： 1．简单开断； 3．纵缝灭弧装置； 5．金属栅片灭弧装置； 2．磁吹灭弧装置； 4．绝缘栅片灭弧装置； 6．固体产气灭弧装置，
§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理 2、即使在油中简单地位长电弧，其灭弧能力也比在大气 中拉长电弧高得多。这是因为： (1) 油气的主要成分是氢，它在所有气体中具有最高
的导热系数和最小的粘度，这就使弧柱的热量容易散发。 (2) 在电弧的高温作用下，油的气化和分解过程非常
剧烈。油气形成后由于受到周围冷油的阻碍，体积不能迅速膨 胀，因而气泡中压力很高，通常可达（0.5~1）MP。
述
(9) 在高真空中开断触头，利用弧隙中由电极金属蒸汽形成的弧柱 在电流过零时迅速扩散的原理进行灭弧； (10) 利用石英砂等固体颗粒介质，限制电弧直径的扩展和加强冷却。
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理 一、拉长电弧
在大气中利用机械方式拉长 电弧进行灭弧的原理与图例。 （1）原理：电弧放长后，电 弧电压就增大，其静态伏-安特性 向上移动。
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概
述
(5) 在封闭的灭弧室中，利用电弧自身能量分解固体材料，产生气体， 以提高灭弧室中的压力，或者利用产生的气体进行吹弧； (6) 利用电弧自身能量，使变压器油分解成含有大量氢气的气体并建 立起很高的压力，再利用此压力推动冷油和气体去吹弧；
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概
(7) 利用压缩空气吹弧； (8) 利用SF6气体吹弧；
所谓纵缝就是灭弧室的缝隙方向与电弧的轴线平行。 灭弧装置的工作原理：利用磁吹线圈产生的磁场将电弧驱入耐弧绝 缘材料(石棉、水泥、陶土等)制成的具有纵缝的灭弧室中进行灭弧。它 既可用于熄灭直流电弧，也可用于熄灭交流电弧。
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理
按缝隙的尺寸和形式，它们又分两 种，如图5-5所示。 图5-5a表示一单纵缝灭弧装置的原 理结构。图中，1为用耐弧绝缘材料制成 的灭弧室壁，2为磁吹线圈的钢夹板，3 为电弧。 通常上部缝宽小于熄灭电弧的直径。
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理 （2）图解：如下图示，除依靠触头分开拉长电弧以外， 还可依靠导电回路的电流产生的磁场使电弧弯曲来拉长电弧。 前者沿电弧的轴向(亦称切向)拉长电弧，后者是沿着垂直于 弧轴的方向(亦称法向)拉长电弧。
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理
依靠拉长电弧使之恰好熄灭的最短长度，称为临界长度，记为Llj。 其计算公式为：
§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理 由于受到绝缘栅片的阻挡，电弧弯曲成如图5-9中A~G曲 线所示的形状。 当磁场的方向为垂直于纸面
B
向里时，电弧AB、BC和CD段所受 的电动力都使电弧压向绝缘栅片 顶部，增大与栅片表面的接触面 积，从而加强了电弧的冷却和消 电离作用；而DE段所受的电动力 使电弧向上拉长，更加深入栅片 间隙和增加电弧与绝缘栅片的接 被面积。
本章教学基本内容
1．开关电器典型灭弧装置的工作 2．提高灭弧装置开断能力的的灭弧辅助方法 ：并联低值电阻、附 加同步装置、附加晶闸管装置。 通过本章的学习，学生掌握当今开关电器中所使用的灭弧装 置的灭弧原理，熟悉提高灭弧装置开断能力的辅助方法，便于在以 后的工程实践中灵活运用。
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第五章
开关电器典型灭弧装置的工作原理
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理
为缓和上述矛盾，可以通过适当选择磁吹线圈的匝数以及铁心和 钢夹板的截而积，使得开断小电流时磁场加强，在开断大电流时则由于 磁路饱和而磁场不致过强。这样，电弧所受到的电动力将不再随开断电 流成平方倍数地增加。
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理 三、 纵缝灭弧装置
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理 多纵缝灭弧装置广泛用于低压接触器中。 四、绝缘栅片灭弧装置
灭弧装置如图5-8所示。
其中，灭弧室l中装有用耐弧 绝缘材料制成的几片绝缘栅片2， 栅片的边缘和电弧3的轴线垂直。 当开断电流时，在触头4和5之 间产生的电弧在导电回路的磁场 作用下向上运动。
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理 (4) 在某些情况 下，还可利用被开断 电流产生的电动力使 电弧弯曲和靠近气泡 壁，加强对弧柱的冷 却作用。 按照油或油气与 电弧作用的方式，自 能吹弧灭弧装置又可 分为横吹、纵吹、纵 横吹和环吹四种。
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理
二、磁吹线圈：
可用于低压直流和交流接 触器中。对后者，为减少涡流 损耗和避免由于钢夹板中磁通 与电弧电流相位不同而产生反 向电动力，铁心2上可开一槽 或者用硅钢片叠成。
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理
当铁心不饱和时，如果磁吹线圈开断大电流时产生的磁场适当， 则在开断小电流时将因电动力过小而引起吹弧困难。当然，通过设计 也能使磁吹线圈在开断小电流时产生的磁场适当。 但这样做，一方面将使磁吹线圈的匝数增加，增大了线圈体积 和多用有色金属；另一方面将使开断大电流时产生的磁场过强，使得 触头的电磨损大大增加。
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§5-1 开关电器典型灭弧装置的工作原理 七、石英砂灭弧装置：
利用石英砂限制弧柱的扩展并冷却电弧使之熄灭的装置，叫做 石英砂灭弧装置。