交流电弧的灭弧原理
第三章灭弧原理及主要开关电器x
提高灭弧效率的方法包 括优化开关电器的结构 设计、采用新型灭弧材 料和加强电场控制等
定义：一种能够接通、承载和分断正常电路条件下的电流，也能在规定的非正常 电路条件下接通、承载一定时间和分断电流的开关电器。
作用：主要用于控制和保护线路、电动机等电气设备，防止短路和过载电流对设 备造成损坏。
工作原理：断路器内部装有触头，当电路发生短路或过载时，触头会断开，切断 电流，从而保护电路和设备。
狭缝灭弧装置：利用狭缝对电弧的冷却和去游离作用，使电弧迅速熄灭。
适用性：根据使用环境和需求选择合适的开关电器
可靠性：确保开关电器能够稳定、可靠地工作
经济性：在满足使用和安全要求的前提下，选择性价比高的开关电器
安全性：选择符合安全标准的开关电器，确保使用过程中不会发生电击、火灾等安全事 故
熄灭
快速切断电流： 通过快速切断 电源来迅速熄
灭电弧
触头在分断过程中产生电弧 电弧在介质中传播，产生热量 触头附近的介质被加热，产生高压气体 高压气体将电弧吹离触头，使电弧熄灭
灭弧效率与开关电 器的性能密切相关
灭弧效率的提高有 助于减小电弧对开 关电器的损害
灭弧效率的评估指 标包括灭弧时间、 灭弧能量和电弧电 压等
主要特点：具有控制容 量大、可频繁操作、寿 命长等优点，但也有噪 音大、体积大等缺点。
应用场合：广泛应 用于电动机的控制 和保护，以及其他 各种电气控制系统。
熔断器是一种用于电路保护的开关电器 当电流超过规定值时，熔断器会因发热而熔断 熔断器具有短路保护功能，可以快速切断故障电路 熔断器的选择应考虑电路的额定电流和短路电流
灭弧原理：断路器在分断电路时会产生电弧，为了熄灭电弧，断路器内部装有灭 弧室或灭弧装置，通过拉长电弧并增加介质强度来熄灭电弧。
开关电器中熄灭交流电弧的基本方法
电弧的危害
• 1.电弧的高温烧坏开关触头及部件； • 2.电弧长久不熄灭引起电气设备烧毁或爆 炸； • 3.电弧的存在使故障长时间不能切除，使 事故范围扩大，危及电力系统安全； • 4.电弧会危及人身安全。
交流电弧的特性
• 动态伏安特性曲线：电弧电压和电流随时间不断 变化，每一周期，电流过零2次
匡一娜， 韩旭文
• Uh
•ABiblioteka 马鞍形状。燃烧电压
A
>
B
B
熄灭电压
• 电弧在自然过零时将自动熄灭，但下 半周期随着电压的升高，电弧会重燃。 • 若电流过零时，电弧不再重燃，电弧 就此熄灭。 • 交流电弧的熄灭主要是阻止电弧重燃， 比直流电弧较易于熄灭。
弧隙介质强度Uj的恢复
• 过程： 电流过零前—— 电弧的温度高，热游 离强烈，弧隙的导电性能好。 电流过零时—— 弧隙温度剧降，热游 离减弱，弧隙失去导电性能而恢复为绝缘 介质。 电流过零后——温度继续下降，弧隙介 质电强度逐渐回升。 (电流极性改变后的0.1~1.0秒瞬间、有Uj=150
击 维
电弧产生的过程
• 1.热电子、强电场发射电子。 • 2.碰撞游离产生电弧。 • 3.热游离维持电弧稳定燃烧。
电弧中的去游离
• 1.去游离：气隙中带电离子消失的过程。 • 2.去游离的形式 （1）复合：正、负质点相互吸引复合为中性质 点。 （2）扩散：将正、负质点扩散移出。
开关电器中的灭弧过程就是 去游离的过程。
电弧的产生
• 热电子发射——高温 • 强电场发射——强电场力 • 碰撞游离——电场力的作用，由高速运动的电子 作用产生 • 热游离——高温（起弧），由中性质点运动碰撞 产生
电弧的形成：
热电子发射 强电场发射 离 电弧 加速 碰撞游离 温度 热游
灭弧电路原理
直流开关灭弧应用原理：直流断路器的燃弧及熄弧过程与交流断路器是不同的。
交流断路器分断时产生的交流电弧每秒钟有2f（f为电网频率）次经过零点。
通过近极效应，使电弧熄灭。
交流断路器只要解决电弧重燃问题，即解决由导电状态恢复到介质绝缘状态的介质强度恢复过程。
电动机的灭弧原理是在发电机真空断路器分断瞬间，由于两触头间的电容存在，使触头间绝缘击穿，产生真空电弧。
由于触头形状和结构的原因，使得真空电弧柱迅速向弧柱体外的真空区域扩散。
当被分断的电流接近零时，触头间电弧的温度和压力急剧下降，使电弧不能继续维持而熄灭。
电弧熄灭后的几μs 内，两触头间的真空间隙耐压水平迅速恢复。
同时，触头间也达到了一定距离，能承受很高的恢复电压。
所以，一般电流在过零后，不会发生电弧重燃而被分断。
这就是其灭弧的原理。
刀开关灭弧的原理刀开关在分断有负载的电路时，在触刀与静插座之间会产生电弧，而且电压等级越高，分断电流越大，产生的电弧越严重。
这种极高温度的电弧，轻则将触刀或静插座灼伤或烧毁，重则会产生相间短路，造成重大事故。
在刀开关分断过程中，触刀和静插座之间的电弧，一方面沿切线方向被机械地拉长，另一方面还要受到经过触刀和它本身的所谓电弧电流产生的磁场（电弧电流上方磁场进入纸面，电弧电流下方磁场穿出纸面）的影响，在该磁场所产生的电动力的作用下，沿法线运动，这两种运动都有利于电弧的熄灭。
高压断路器的任务就是保证将断路器分闸时产生的电弧,能尽快地熄灭,使其不再重燃。
油断路器的灭弧方式大体分为：横吹灭弧,纵吹灭弧,横纵吹灭弧以及去离子栅灭弧等。
横吹灭弧：分闸时动静触头分开,产生电弧,电弧热量将油气化并分解,使消弧室中的压力急剧增高,此时气体收缩储存压力,当动触头继续运行喷口打开时,高压油和气喷出,横吹电弧,使电弧拉长、冷却熄灭。
纵吹灭弧：分闸时中间触头、定触头先分断,中间触头、动触头后分断。
前者分断时形成激发弧,使灭弧上半室的活塞压紧,当动触头继续向下移动形成被吹弧时,室内由于激发弧的压力油以很高的速度自管中喷出,把被吹弧劈裂成很多细弧,从而使之冷却熄灭。
6.5.交流电弧熄灭原理
第四章 交流电弧的熄灭原理
5
第四章 交流电弧的熄灭原理
§ 4-0 序 § 4-1 弧隙中的介质恢复过程 § 4-2 弧隙中的电压恢复过程 § 4-3 交流电弧的熄灭条件
2008年 4月 17日
第四章 交流电弧的熄灭原理
6
§ 4-1 弧隙中的介质恢复过程
介质恢复过程的概念
弧柱区 的介质恢复过程
间隙电压高
第四章 交流电弧的熄灭原理
64
§ 4-2 弧隙中的电压恢复过程
理想弧隙的电压恢复过程
开断 单频电路 时弧隙上的电压恢复过程
实际 开断单频电路短路电流时， uhf 多为振荡衰减的波形
这种恢复电压常用 两参数 来表征
在 低压电器 中
振幅因数
γ =U hfm
U gm
描述恢复电压幅值的大小
振荡频率
f= 1 2tm
2008年 4月 17日
第四章 交流电弧的熄灭原理
32
第四章 交流电弧的熄灭原理
§ 4-0 序 § 4-1 弧隙中的介质恢复过程 § 4-2 弧隙中的电压恢复过程 § 4-3 交流电弧的熄灭条件
2008年 4月 17日
第四章 交流电弧的熄灭原理
33
§ 4-2 弧隙中的电压恢复过程
电压恢复过程
电流过零后， 弧隙两端 的电压由 零 或 反向电弧电压 上升到 电源电压 的过程称为 电压恢复过程 恢复电压（ recovery voltage） ：电压恢复过程中弧隙上的 电压
电击穿 ：电弧电流过零后， Rh →∞， 但由于介质温度较高，
弧隙耐压强度低，而引起的击穿 温度仍然较高
复合
扩散
耐压强度低 弧柱温度
过零时
Ph = 0
各种电弧灭弧原理
各种电弧灭弧原理、条件及措施的比较1. 开关电弧灭弧的基本原理：首先使触头间的介质成为良好电导率的电弧，进而使电弧冷却，迅速降低其电导率，最终使其转变为良好的绝缘体。
单位体积内的能量平衡： 电源提供的能量=电弧的能量增量— v ٠gradp （由对流引起的散热功率）—s (T) （由辐射引起的散热功率）— div Χ٠gradT （由广义热传导引起的散热功率）应根据不同条件、不同场合，提高后三项的散热功率。
2.直流电弧灭弧条件：稳态电路方程与电弧伏安特性无交点灭弧措施：（1）拉长电弧→Ua ↗；（2）冷却电弧→Ua ↗（加装灭弧室，选用好的介质）；（3）制造电流过零点3.交流电弧交流电弧的熄灭措施：实质上是防止电弧重燃：利用电流过零点的有利时机，使U d >Utr措施：提高U d 及其上升率，同时降低Utr 及其上升率具体措施：（略）4.SF 6电弧灭弧原理：使大量SF 6分子与电弧接触而分解吸热，冷却电弧。
散热方式：以弧柱的热传导和对流换热为主，散热条件良好。
实际上防止重燃的方法：利用电流过零点的有利时机，使U d >Utr 。
gradT div T s gradp v dtdh E ⋅--⋅-=χρσ)(25.真空电弧散热方式：以辐射和经电极与屏蔽罩的热传导为主，散热条件较差。
只要保持为扩散型电弧，电流过零后，在微秒级内带电粒子即可消散而恢复间隙的绝缘强度。
实际上防止重燃的方法：利用电流过零点的有利时机，使U d >Utr，纵向磁场的特点：（1）延缓离子贫乏现象、阳极斑点的产生，使集聚电流值提高；（2）降低了电弧电压：一方面：不利于增大电弧电压的灭弧措施；另一方面，降低了电弧能量，电极的温度可降低，不易形成阳极斑点。
（3）不能使阳极斑点在阳极表面快速移动，局部熔融严重。
不同形式横向磁场的特点：（1）纵向电流自身产生的角向磁场（自箍缩磁场）：有助于形成集聚型电弧。
（2）径向磁场：使电弧在电极表面快速移动，避免局部温度过高；且可在工频后半周使集聚型电弧转变为扩散型电弧。
交流接触器的灭弧器原理
交流接触器的灭弧器原理
接触器是一种常用的电动机控制元件，用于控制电动机的开关、断电和正反转等功能。
在正常使用和控制过程中，接触器内部会产生电弧现象，为了防止电弧对设备和电路的损坏，接触器通常会配备灭弧器。
灭弧器的原理是通过将可燃的灭弧材料（如陶瓷、石英等）置于接触器的开断口上方，当接触器断开电路时，电弧在灭弧材料表面上形成。
灭弧材料可以吸收和散射电弧能量，减慢电弧传播速度，使电弧迅速熄灭。
灭弧器还可以通过灭弧材料的特殊结构将电弧分散，使其不易烧蚀金属接触件，延长接触器的使用寿命。
另外，灭弧器还可以通过引入气体（如空气、惰性气体等）来加速电弧的冷却和熄灭。
在接触器断开电路时，灭弧器会排出压缩空气或氮气等气体，在弧道上形成高速气流，将电弧迅速吹灭。
综上所述，灭弧器通过灭弧材料的特殊结构和/或气体的引入，有效地减慢和熄灭电弧，保护接触器和电路。
灭弧器在接触器的设计中起到至关重要的作用，提高了设备的安全性和可靠性。
交流接触器的灭弧原理
交流接触器的灭弧原理交流接触器是一种常见的电气设备，广泛应用于电力系统中。
它是一种电器开关，用于控制电流的通断。
在实际应用中，交流接触器往往需要在负载开断时产生电弧，因此灭弧原理是交流接触器设计中的重要考虑因素之一。
灭弧原理是指在交流接触器中，当接触点分离时，由于电流的存在，会产生电弧。
电弧是由电流通过空气或其他介质中的电离粒子产生的等离子体，具有高温、高能量的特点。
在灭弧过程中，灭弧装置必须迅速将电弧能量吸收并熄灭，以保证接触点能够完全分离，从而实现电流的断开。
交流接触器的灭弧原理可以通过以下几个方面来解释。
灭弧原理可以通过增加电阻来实现。
在交流接触器的设计中，可以在电路中引入合适的电阻，通过电阻消耗电弧的能量，使其逐渐衰减并熄灭。
这种方式可以有效地降低电弧的能量，减少对接触器的损伤。
灭弧原理还可以通过利用磁场效应来实现。
在交流接触器中，通过合理设计线圈和铁芯结构，可以产生强大的磁场。
当接触点分离时，电弧会受到磁场的作用，电弧路径会发生偏转，并受到磁力的作用而熄灭。
这种方式可以有效地改变电弧的运动轨迹，使其远离接触点，从而实现灭弧的效果。
灭弧原理还可以通过利用电磁力来实现。
在交流接触器的设计中，可以通过合理布置线圈和铁芯结构，产生电磁力。
当接触点分离时，电弧会受到电磁力的作用，电弧路径会发生偏转，并受到电磁力的作用而熄灭。
这种方式可以通过调节电磁力的大小和方向，精确控制电弧的运动轨迹，实现灭弧的效果。
灭弧原理还可以通过利用气体的特性来实现。
在交流接触器的设计中，可以在接触器内部填充合适的灭弧气体，如二氧化硫、氟化氮等。
当接触点分离时，电弧会在灭弧气体中形成，气体会对电弧产生压力和冷却作用，使电弧迅速衰减并熄灭。
这种方式可以通过选择合适的灭弧气体，优化灭弧效果，并减少对接触器的损伤。
交流接触器的灭弧原理是通过各种方式来消除电弧能量，实现电流的断开。
灭弧原理的选择和设计对于交流接触器的性能和可靠性至关重要。
低压电器常见四种交流电弧灭弧方法
低压电器常见四种交流电弧灭弧方法电弧的本质是触头间隙中的气体在强电场作用下的放电现象。
电弧会产生高温，并发出强光。
电弧的消失使得电路连续保持导通状态，其高温烧蚀触头金属材料，减低电器的使用寿命，严峻时会引起触头材料的熔焊，并引起电气火灾。
电工学习网我在本文介绍常见四种沟通电弧灭弧方法。
灭弧方法之一：拉长电弧拉长电弧，降低电场强度或者将电弧分为很多短弧，使得电场强度无法维持电弧持续存在。
图1所示为沟通接触器的桥式一次触头，下部的是定触头，上部的是动触头，触头中流过的电流是I。
当触头打开后，动静触头之间消失了电弧。
我们用右手螺旋定则可以推断出磁力线方向是从外部进入纸面的;再用左手定则可推断出电流I对电弧产生的电磁力F方向向外，如图1中的F所示。
图1 桥式触头中的电弧及消散方向电弧在力F的吹弧作用力下被拉长降温，同时还降低了电弧内部单位长度的电场强度，最终电弧被熄灭。
灭弧方法之二：利用冷却介质对电弧降温图2所示为低压熔断器熔芯内的灭弧细沙，它利用细沙将电弧冷却降温直至熄灭。
图2 熔断器熔芯内填充细沙进行灭弧灭弧方法之三：利用灭弧栅使得电弧降温灭弧利用电磁力使得电弧进入到绝缘材料制作的灭弧窄缝中，让电弧强制降温，减小离子运动速度，加速等离子体中离子的复合作用。
图3所示为灭弧栅灭弧示意图。
图3 灭弧栅灭弧示意图灭弧栅是一系列间距为2-2.5mm的钢片，它们被安放在低压开关电器的灭弧室中，彼此之间相互绝缘。
当动、静触头分开后产生了原始电弧。
由于灭弧栅片的磁阻比空气小得多，因此电弧下部磁通密度远大于电弧上部的磁通密度，这种上下不对称的磁阻将电弧拉入灭弧栅中，随即电弧被灭弧栅分成很多相互连接的短电弧段。
虽然每两片灭弧栅片可以看作是一对电极，由于灭弧栅电极之间是相互绝缘的，故其绝缘效果极强，使得这些短电弧段在受到灭弧栅的绝缘和冷却作用下强制降温熄灭。
灭弧栅不但能对电弧冷却降温，还能对电弧产生近阴极效应作用。
我们知道空气分子被电离后形成带正电的正离子和带负电的电子，正离子的质量远大于电子；我们还知道沟通电流每周期有两次过零。
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（2）电弧参数：电弧电压，剩余电弧电阻等 。
HOME
§5.2 弧隙中的电压恢复过程
2）物理模型： （1）实际电网中发生短路故障时，线路呈感性负载特性，即电流 滞后电压90°，电流过零瞬间弧隙间的工频电压
Ug0 Ugm 2KxU
（2）电压恢复时间作常短，此期间内电源电压变化很小，故可以 认为电源电压 u ＝Ugm＝常数。
uhf uhfm
恢复电压产生初始时刻，其上升速度最快。
Ugm
0
tm
t
HOME
§5.2 弧隙中的电压恢复过程
（2）当
R1 2
L
时，
C
1,2 0 0
0
( 1 )2 1 2RC LC
可得：
设电流 i 过零瞬间，工频恢复电压的瞬时值 Ug0 ，则
Ug0 Ugm sin 2KxU sin
式中： Ugm —工频恢复电压的幅值； Uφ — 电源相电压的有效值； φ — 被开断线路的电流和电源电压的相角差； Kx — 线路因数，用以考虑不同的开断情况，其定义为
Kx
U gp U
式中 Ugp —电源开断后加在弧隙上的工频电压有效值。
等效电路：
L
R
i
uL uR
u~
uC
C
uhf
根据基尔霍夫定律，可得电弧过零后电路电压平衡方程式：
u u u u
L
R
C
HOME
§5.2 弧隙中的电压恢复过程
已知： i i C
u u
C
hf
u L di L dt
iC
C
duC dt
得：
d2u LC hf
RC
du hf
u
u U
sin(t )
dt 2
dt
HOME
§5.2 弧隙中的电பைடு நூலகம்恢复过程
10开断单相电弧： Kx 1.0
A
KA
Z
uA
~ uA
uAhf
uC
0
uB
~ ~B
0
C
HOME
§5.2 弧隙中的电压恢复过程
2)开断两相两弧隙电路（中性点不接地）：
Kx
3 2
A
KA
Z
~ uA
uAhf
uC
0
uB
~
~B
KB
Z
C
uBhf
uA
0
uAB
uB
HOME
§5.2 弧隙中的电压恢复过程
A相电弧首先熄灭
阻大小有关。
A
~ uA
KA
Z
uAhf
uA uAhf
uC
0
uB
~
~B
KB
C
uBh KC
Z
m’
Z
0
uC
m’
uB
uBC
uCh HOME
§5.2 弧隙中的电压恢复过程
4. 理想弧隙上的电压恢复过程
1）理想弧隙：电流过零之前， Rh 0;
电流过零后， Rh
交流电弧电流过零后很短时间内，弧隙上恢复电压的数值和 波形与两方面的参数有关：
0 t0
在开断电感性负载时， 通常 含有暂态分量，其上升速度要比开 断电阻性负载时要快得多。
此刻触头分离
u i
uh
tf
此刻电弧熄灭
ωt uhf
HOME
§5.2 弧隙中的电压恢复过程
3）电容性负载：
u，i
电流 i 超前于电压 u 90°。
当t＝T/2时， i 过零，此刻电容C被
充电到 u 的幅值。若电弧熄灭，则电容
将无放电回路，故保持该电压值。
i 过零后， u uhf uc
uhf u uc
开断容性负载电路时， uhf不含有
t0
暂态分量，其稳态分量为电容电压与工 0
频电压之和。其最大值可达工频电压的
两倍。
此刻触头分离
i
u
uhf
此刻电弧熄灭
tf ωt
uh
HOME
§5.2 弧隙中的电压恢复过程
3. 三相交流系统工频恢复电压
3)开断三相三弧隙电路（中性点不接地）： Kx 1.5
A相电弧首先熄灭
A
KA
Z
~ uA
uAhf
uC
0
uB
~
~B
KB
C
uBh KC
Z
m
Z
uA uAhf
0
uC
uB
uBC m
uCh HOME
§5.2 弧隙中的电压恢复过程
4）开断三相三弧隙电路（中性点接地）： 1 Kx 1.5
与电源中性点至负
载中性点之间的接地电
直流电压 + 工频电压
工频恢复电压
§5.2 弧隙中的电压恢复过程
2. 开断不同负载电路时的恢复电 压
u，i
1）电阻性负载： 电弧电流 与电源电压同
相。熄弧后， 由零按正弦规 律上升。此时，恢复电压不 存在暂态分量，其稳定分量 为工频电压。
0 t0
此刻触头分离
u
i
uh
此刻电弧熄灭
tf
ωt
uhf
HOME
§5.2 弧隙中的电压恢复过程
2）电感性负载：
电流 i 滞后于电压 u 90°，
当i 过零时， u 处于最大值。
若i 过零后电弧熄灭，电路断 开，则理论上 u 将从零跃升到其幅 值。
实际应用中，由于弧隙间总存 在一定的并联电容，故弧隙两端 电压将按一快速的过零过程上升， 然后再按工频电压变化。
u，i
§5.2 弧隙中的电压恢复过程
1. 恢复电压的组成 1）电压恢复过程： 交流电路中，若电流过零后电弧熄灭，则电源电压将加到弧隙
上，即弧隙两端的电压将由此刻的电弧电压最终上升到电源电压。 这一过程被称为电压恢复过程。
2）恢复电压：电流过零电弧熄灭后施加于弧隙上的电压。 3）恢复电压的组成：
稳态分量 + 暂态分量
hf
m
在瞬态恢复电压开始一段时间内，电源电压基本保持不
变，假定等于Ugm。得：
d2u
du
LC hf RC hf u U
dt 2
dt
hf
gm
HOME
§5.2 弧隙中的电压恢复过程
微分方程式的通解：
uhf (t) K1e1t K2e2t Ugm
式中：
1,2
1 2RC
( 1 )2 1 2RC LC
HOME
§5.2 弧隙中的电压恢复过程
3）开断单频电路时弧隙上的电压恢复过程
设有一容量无穷大电源系统。 当在距断路器K不远处后方发生短路时，线路中流过短路电流i 。
L
R
i
K
LZ
RZ
~
C
继电保护装置动作，断路器触头分断，触头间产生电弧。
电流过零后，电弧熄灭，故障线路被切除 。
HOME
§5.2 弧隙中的电压恢复过程
初始条件： t = 0（i 过零时瞬间）：
u u 0 hf t0
C t0
du du 1
hf
dt dt C i 0 t0
c t 0
C t 0
HOME
§5.2 弧隙中的电压恢复过程
得系数：
K1
2 1 2
U gm
K2
1 2 1
U gm
HOME
§5.2 弧隙中的电压恢复过程
（1）当 R 1 L 时， 2C
1,2 0 j0
线路固有振幅衰减系数： 1
0 2RC
线路固有震荡角频率： 1 ( 1 )2
0 LC 2RC
由欧拉公式 e jt cost j sin t
可得：
uhf Ugm Ugm
(0 0
)2
1
e
0t
sin(0t
)
式中：
tan 1
0
0
HOME
§5.2 弧隙中的电压恢复过程