3章-灭弧原理及开关电器

3. 游离：电弧的产生及维持是触头绝缘介质的中性质点（分 子和原子）被游离的结果，游离就是中性质点转换为带 电质点。电弧的形成过程就是气态介质或固态、液态介 质高温气化后向等离子体态转化过程。 电弧是一种游离的气体放电现象。
能量集中，温度很高，亮度很强
＋
静触头
电弧由三部分组成： 阴极区、阳极区和弧柱区
加装均压电容，来解决各断口的电压分配不均衡的问题：
（1）不装均压电容时 断口等效电抗： X Q 1 /(CQ ) 两断口连接处对地的 等效电抗： X 0 1 /(C 0 )
分配在两断口上的电压为(CQ ≈ C0 ) ：
XQ CQ C 0 2 U1 U U U X Q X Q // X 0 2CQ C 0 3 X Q // X 0 CQ 1 U2 U U U X Q X Q // X 0 2CQ C 0 3
电弧形成小结
①自由电子的来源 (即游离方式)
电极发射大量自由电子：热电子+强电场发射 弧柱区的气体游离：碰撞游离+热游离
②电弧的形成
阴极发射 热电子、强电场发射
加速 磁撞游离 温度 热游离 电弧
其中：阴极发射（起因）→碰撞游离（重要因素）→击穿 （量变到质变）→热游离（主要因素）→维持发展
断路器加装并联电阻
通常断路器触头间通过辅助触头接入几欧到几十欧 的低值并联电阻，使主触头间产生的电弧电流被分流或 限制，使电弧容易熄灭，而且使恢复电压的数值及上升 速度都降低，同时使可能的振荡过程变为非周期振荡， 从而抑制了过电压的产生。
二、不同短路类型对断路器开断能力的影响 1. 开断中性点直接接地系统中的单相短路电路
1-真空；2-SF6；3-空气；4-油
近阴极效应:在电流过零 瞬间，介质强度突然升高
2）弧隙电压恢复过程：
是指电弧电压自然过零后，电源施加于弧隙的电压， 将从不大的电弧熄灭电压逐渐增长，一直恢复到电源电 压的过程，这一过程的弧隙电压称为恢复电压，以Ur(t) 表示。 电压恢复过程主要取决于系统电路的参数，即线路 参数、负荷性质等，可能是周期性的或非周期性的变化 过程。
可以看出，第一个断口的工作条件比第二个要恶劣，如其 电弧不能熄灭，电压将全部加在第二断口上，它也将被击穿。
（2）在断口上并联均压电容C 时 C=2000pF，远大于C0 (几十pF)，则
U1
(C Q C ) C 0 2(C Q C ) C 0
U
CQ C 2(C Q C )
U
1 U 2
U2
CQ C 2(C Q C ) C 0
U
CQ C 2(C Q C )
U
1 U 2
可见并联均压电 容后，断口上的电 压分布均匀，在 i 过 零后，两断口上的 电弧可以同时熄灭。
5. 提高断路器触头的分离速度。迅速拉长电弧，可使弧隙的电 场强度骤降；同时，使电弧的表面积突然增大，有利于电弧 的冷却和带电质点向周围介质中扩散和离子复合。为此，在 高压断路器中都装有强有力的分闸机构。 6. 断路器复过程分析
u
U0
Ur
非周期性
Ur0
t
u
2U0 U0 1 2
周期性
Ur0
t
结论：
1）当触头间并联电阻r<rcr时，电压恢复过程为非周期性； 当r>rcr时，电压恢复过程为周期性。
1 L rcr 2 C
2）弧隙电压恢复过程，取决于电路的参数，而触头两端的并 联电阻可以改变恢复电压的特性。当并联电阻的数值低于 临界电阻时，将把具有周期振荡特性的恢复电压过程转变 为非周期性恢复过程，从而，大大降低恢复电压的幅值和 恢复速度，相应的可增加断路器的开断能力。
而对中性点不接地系统，一般以三相短路故障（接 地或不接地都相同）为最高，即首先开断相开断系数为 1.5 。若计及在中性点不接地系统中的异地两相接地故 障，则计算短路电流开断相的工频恢复电压最大值， K1=1.73 。该异地两相接地故障，通常是单相接地故障 的继发故障，且接地故障发生在断路器的不同侧的两相 处。
第三章
灭弧原理及主要开关电器
本章主要内容
• • • • • • 电弧的形成和熄灭 切断交流电路时电压的恢复过程 交流电弧熄灭的基本方法 高压断路器原理及主要结构 特高压断路器和智能断路器 高压断路器操动机构
第一节 电弧的形成与熄灭
一、电弧的形成和弧隙介质的
游离过程
1. 普遍现象 2. 电弧的性质：物质的第四种状态——等离子体
电弧是一束游离的气体，质量极轻，容易 变形。在气体或液体的流动作用下，或在 电动力的作用下，电弧能迅速移动、伸长 或弯曲。
阳极区
弧柱区 阴极区 － 动触头
产生原因就在于在绝缘介质中出现了大量的自由电子 大量自由电子由阴极向阳极的定向运动就形成了电弧。
4. 电弧的形成（游离过程）
（1）电子发射 1）强电场电子发射：当触头刚分开时，触头间距很小，则 产生很强的电场强度（3×106V/m以上），阴极表面的电 子会被电场力拉出而形成触头空间的自由电子。 2）热电子发射：触头分离瞬间，接触电阻突然加大而产生 的高温及气体燃烧，使阴极表面出现强烈的炽热点，将阴 极金属材料内的大量电子不断逸出金属表面；
1 U NN U AB U BC 2
1.5U A
1 U NN U AB U BC 1.5U A 2
可见，A相开断后断口上的工频恢复电压为相电压的 1.5倍。在A相熄弧之后，经过0.005s（电角度90°）后， B、C 两相的短路电流同时过零，电弧同时熄灭，在B、 C 两相弧隙上，每个断口将承受线电压的一半，即0.866 倍相电压。 断路器开断三相电路时，首先开断相的恢复电压为 最大。所以，断口电弧的熄灭，关键在于首先开断相。 但是，后继开断相，燃弧时间将比首先开断相延长0.005s， 相对来讲，电弧能量又较大，因而可能使触头烧坏、喷 油、喷气等现象比首先开断相更为严重。
二、电弧间隙的去游离
1）复合去游离：是指正离子和负离子相互吸引，结合在一起， 电荷相互中和的过程。两异号电荷要在一定时间内、处在很 近的范围内才能完成复合过程，两者相对速度越大，复合可 能性就越小。 2）扩散去游离：是指带电质点从电弧内部逸出而进入周围 介质中的现象。两种形式：①浓度扩散，带电质点将会由浓 度高的弧道向浓度低的弧道周围扩散；②温度扩散，弧道中 的高温带电质点将向温度低的周围介质中扩散。 游离过程＞去游离过程：电弧电流增大，炽热燃烧 游离过程＝去游离过程：电弧电流不变，稳定燃烧
游离过程＜去游离过程：电弧电流减小，最终熄灭
三、电弧的特性及灭弧的基本原理
1. 交流电弧的特点
过零自然熄灭：在电弧电流自然过零时，电弧向弧隙输送 能量减少，电弧温度和热游离下降，电弧将自动熄灭。 动态伏安特性
ua
A
i
B
ua
A点：燃弧电压
O
i
t
B点：熄弧电压
a)
b)
电弧的热惯性 ----交流电弧温度的变化滞后于电流的变化。
主触头Q1先断开，产生电弧，因有并联电阻，恢复电压为非
周期性，降低了恢复电压的上升速度和幅值，主触头上的电弧
很快熄灭。
接着断开的辅助触头Q2，
由于r的限流和阻尼作用，辅 助触头上的电弧也容易熄灭。
第四节 高压断路器原理及主要结构
高压断路器主要功能： 正常运行时：控制作用，倒换运行方式，把设备或线路接 入电网或退出运行； 故障时：保护作用，当设备或线路发生故障时，能快速切 除故障回路，保证无故障部分正常运行。 断路器与隔离开关作用的区别： 高压断路器是开关电器中最为完善的一种，其最大特 点是能断开电器中负荷电流和短路电流。 而高压隔离开关的主要功能是保证高压电器及装置在检 修时的安全，不能用于切断、投入负荷电流或开断短路电 流，仅可允许用于不产生强大电弧的某些切换操作。
熄灭电弧的条件应为耐受电压Ud（t）大于恢复电压Ur（t）。
Ud(t)>Ur(t)
如果电源恢复电压高于介质强度耐受电压，弧隙就被 电击穿，电弧重燃；反之，电弧便熄灭。
u
Ud(t) Ur(t)
u
Ud(t)
Ur(t)
u
Ud(t)
Ur(t)
o t 1
t
o
t
o
t
介质强度和弧隙电压的恢复过程
(a)在t1时刻发生 击穿，电弧重燃 (b)电弧熄灭 (c)电弧熄灭
第三节 交流电弧熄灭的基本方法
1. 利用灭弧介质。介质的传热能力、介电强度、热游温度和热容量等参 数的数值越大，则去游离作用越强，电弧就越容易熄灭。采用不同介 质可以制成不同类型的断路器，如空气断路器，油断路器、SF6断路器， 真空断路器等。
2. 采用特殊金属材料作灭弧触头。熔点高、导热系数和热容量大的耐高 温金属做触头材料，触头材料还要求有较高的抗电弧、抗熔焊能力。 常用的触头材料有铜、钨合金和银、钨金属等。 3. 利用灭弧介质或电流磁场吹动电弧。吹弧使带电离子扩散和强烈地冷 却而复合。在高压断路器中利用各种结构形式的灭弧室，使气体或油 产生巨大的压力并有力的吹向弧隙。有纵吹，横吹，纵、横混合吹弧 或环吹方式。 4. 采用多断口熄弧（1）多断口将电弧分割成多段，在相同触头行程下， 增加了电弧的总长度，弧隙电阻迅速增大，介质强度恢复速度加快。 （2）使每个断口上的恢复电压减小，降低了恢复电压的上升速度和幅值， 提高了灭弧能力。
U prm1 K1
式中
2 U sm 0.816K1U sm 3
Usm---电网的最高运行电压； K1---首先开断相开断系数，为首先开断相的工频恢 复电压与相电压之比。
结论
通常，对中性点直接接地系统，两相接地断路及单 相接地故障时的工频恢复电压均较三相接地故障为低， 且认为三相直接短路的机会较少，故根据三相接地短路 时的故障，取首先开断相开断系数为1.3；