电弧的形成和熄灭.ppt
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2.12.1电弧的形成及灭弧电弧的形成及灭弧一、电弧的特点和危害:
一、电弧的特点和危害:
11、电弧概念、电弧概念电弧:
电弧:
是一种气体游离放电现象是一种气体游离放电现象游离:
游离:
是指中性质点转化为是指中性质点转化为带电质点的过程。
带电质点的过程。
2、电弧特点v电弧是开关电器接通或开断负荷电路时不可避免的现象;v电弧是一种气体自持放电现象,触头间只要有电弧存在,电路就没有断开;v电弧温度极高,可能烧坏触头及触头附近的其它部件;v维持电弧稳定燃烧的电压很低,在大气中一厘米长直流电弧的弧柱电压只有1530V;v电弧是一束游离的电子(和带电质点)流,质量极轻,容易变形。
不依赖外界电离条件,仅由外施电压作用即可维持的一种气体放电33、电弧的危害、电弧的危害
(1)、电弧的存在延长了开关电器(尤其指断)、电弧的存在延长了开关电器(尤其指断路器)开断故障电路的时间,加重了电力系统短路故路器)开断故障电路的时间,加重了电力系统短路故障的危害。
障的危害。
(2)、)、电弧产生的高温,将使触头表面熔化和电弧产生的高温,将使触头表面熔化和蒸化,烧坏绝缘材料。
对充油电气设备还可能引起蒸化,烧坏绝缘材料。
对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。
着火、爆炸等危险。
(3)、)、由于电弧在电动力、热力作用下能移动,由于电弧在电动力、热力作用下能移动,很容易造成飞弧短路和伤人,或引起事故的扩大。
很容易造成飞弧短路和伤人,或引起事故的扩大。
二、电弧的形成二、电弧的形成11、强电场发射、强电场发射开关电器分闸的瞬间,由于动、静触头的开关电器分闸的瞬间,由于动、静触头的距离很小,触头间的电场强度就非常大,当距离很小,触头间的电场强度就非常大,当EE33101066V/cmV/cm时,触头内部的电子在强电场时,触头内部的电子在强电场作用下被拉出来作用下被拉出来,就形成强电场发射。
,就形成强电场发射。
强电强电场发射是最初产生电子的主要原因场发射是最初产生电子的主要原因阳极阳极U阴极阴极自由电子强电场强电场强电场发射强电场发射2.热电子发射热电子发射当触头分开瞬间,由于触头间的的接触当触头分开瞬间,由于触头间的的接触压力及接触面积逐渐缩小,接触电阻增大,使接触部位剧压力及接触面积逐渐缩小,接触电阻增大,使接触部位剧烈发热,导致阴极表面温度急剧升高而发射电子烈发热,导致阴极表面温度急剧升高而发射电子阴极阴极阳极阳极自由电子强电场强电场阴极阴极阳极阳极U自由电子中性质点正离子3.碰撞游离碰撞游离从阴极表面发射出的电子在电场力从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极运动,在运动过程中电子和中性的作用下高速向阳极运动,在运动过程中电子和中性质点相碰撞而使中性质点分裂为带电离子和自由电子质点相碰撞而使中性质点分裂为带电离子和自由电子的现象。
电弧的形成主要是碰撞游离所致。
的现象。
电弧的形成主要是碰撞游离所致。
阴极阴极阳极阳极电弧开始燃烧电弧开始燃烧雪崩击穿雪崩击穿阴极阴极阳极阳极自由电子中性质点正离子4.4.热热游游离离由由于于温温度度增增加加,质质点点运运动动加加速速,动动能能增增加加,质质点点相相互互碰碰撞撞将将被被游游离离而而形形成成电电子子和和正正离离子子。
电电弧弧形形成成之之后后,维维持持电电弧弧燃燃烧烧所所需需的的游游离离过过程程是是热热游离。
游离。
结结论论:
v电电弧弧的的形形成成实实际际上上是是一一个个连连续续的的过过程程。
最最初初,由由阴阴极极借借强强电电场场和和热热电电子子发发射射提提供供起起始始自自由由电电子子,然然后后,由由碰碰撞撞游游离离而而导导致致介介质质击击穿穿,产产生生电电弧弧,最后靠热游离来维持。
最后靠热游离来维持。
三、游离和去游离三、游离和去游离在电弧中,介质产生游离的同时还产生在电弧中,介质产生游离的同时还产生去去游离游离的相反过程。
的相反过程。
去去游游离离:
带带电电质质点点相相互互中中和和为为不不导导电电的的中性质点,使带电质点减少的现象。
中性质点,使带电质点减少的现象。
弧隙的去游离是靠离子的弧隙的去游离是靠离子的复合和扩散复合和扩散两种两种形式进行的形式进行的1、复合、复合能量较小的电子附着于中性质点,形成负离能量较小的电子附着于中性质点,形成负离子,正、负离子相撞成为中性质点的过程。
子,正、负离子相撞成为中性质点的过程。
阴极阴极阳极阳极负离子中性质点正离子22、带电质点的扩散、带电质点的扩散:
弧柱中的自由电子及离子由于热运动从弧柱弧柱中的自由电子及离子由于热运动从弧柱内部逸出进入周围介质的一种现象内部逸出进入周围介质的一种现象。
阴极阴极阳极阳极自由电子扩散的形式有二种扩散的形式有二种:
温度扩散温度扩散,由于电弧和周围介质间存在很大,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;围介质中扩散,减少了电弧中的带电质点;浓度扩散浓度扩散,这是因为电弧和周围介质存在浓,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;方扩散,使电弧中的带电质点减少;3.去游离对电弧的影响去游离对电弧的影响去游离去游离游离游离电弧电流减小,逐渐熄灭电弧电流减小,逐渐熄灭去游离去游离游离游离电弧愈旺电弧愈旺去游离去游离=游离游离电弧稳定燃烧电弧稳定燃烧温温度度降降低低热发射、热游离作用减弱带电质点速度减慢复合加强去游离作用加强电弧温度对去游离的影响电弧温度对去游离的影响四、影响去游离的因素四、影响去游离的因素压力增大带电质点间的距离减小复合减弱去游离作用减小电弧燃烧空间的压力对去游离强弱的影响传热能力越强介电强度越大介质热容量越大去游离作用越强熄弧介质与触头材料对去游离强弱的影响触头金属熔点高定义定义:
在直流电路中产生的电弧叫直流电弧在直流电路中产生的电弧叫直流电弧1.电弧电压分布图电弧电压分布图电弧电压阴极区压降弧柱压降阳极区压降电弧电压阴极区压降弧柱压降阳极区压降五、直流电弧的特性五、直流电弧的特性触头间的电弧触头间的电弧可以分为三个区域:
可以分为三个区域:
阴极区阴极区弧柱区弧柱区阳极区阳极区UUhh=阴极区电压阴极区电压UU阴极区阴极区+弧柱区弧柱区UUHH+阳极区阳极区UU阳极区阳极区U阴极区,大小与大小与iihh无关无关,在空气中U=811VUH与ih呈线性关系U阳极区U阴极区、且随ih增大而减小甚至为零长弧:
几个长弧:
几个cmcm几个几个mm长,主要由长,主要由UUHH组成组成短短弧弧:
几几个个mmmm长长、主主要要由由UU阴阴极极区区+UU阳阳极极区区组组成成,UUHH近似于零近似于零v五、直流电弧的特性及熄灭v2.直流电弧的伏安特性v从电路角度看,直流电弧是一非线性电阻,阻值随电流及其它因素而改变。
v具有电弧的RL直流电路起弧后电压平衡方程式为:
当游离与去游离处于动态平衡,电弧稳定燃烧,则是电路伏安特性;是电路伏安特性;是电弧静伏安特性。
是电弧静伏安特性。
两条曲线交于两条曲线交于A、B两点,两点,此两点既满足了电路的要求此两点既满足了电路的要求(电弧外部条件电弧外部条件),又满足了,又满足了电弧静伏安特性的要求电弧静伏安特性的要求(电弧电弧内部条件内部条件)。
B点称为稳定燃烧点;点称为稳定燃烧点;A点称为视在稳定燃烧点。
点称为视在稳定燃烧点。
3、直流电弧的稳定燃烧点及熄灭条件、直流电弧的稳定燃烧点及熄灭条件a、直流电弧的稳定燃烧点、直流电弧的稳定燃烧点直流电弧的稳定燃烧点也称工作点。
让触头保持一定直流电弧的稳定燃烧点也称工作点。
让触头保持一定距离,电弧燃烧达到稳定状态后,电流不随时间变化。
距离,电弧燃烧达到稳定状态后,电流不随时间变化。
vb、直流电弧的熄灭条件v提高电弧静伏安特性,使它与曲线无交点,则电弧熄灭。
v可知直流电弧熄灭条件为:
v此式说明,当电源电压不足以v平衡稳态电弧电压及线路电阻v压降时,电弧电流减小直至熄灭。
v当两曲线相切时,为电弧燃烧v与熄灭的临界状态。
1.1.拉长电弧拉长电弧2.2.开断电路时在电路中逐级串入电阻开断电路时在电路中逐级串入电阻44、流电弧的熄灭方法、流电弧的熄灭方法3.3.在断口上装灭弧栅在断口上装灭弧栅4.4.冷却电弧冷却电弧11、交流电弧的特性、交流电弧的特性动态特性动态特性热惯性热惯性六、交流电弧的特性和熄灭六、交流电弧的特性和熄灭经过分析,可见经过分析,可见交流电弧在交流电流自然过零时将交流电弧在交流电流自然过零时将自动熄灭,但在下半周随着电压的增高,电弧又重燃。
自动熄灭,但在下半周随着电压的增高,电弧又重燃。
如果电弧过零后,电弧不发生重燃,电弧就此熄灭。
如果电弧过零后,电弧不发生重燃,电弧就此熄灭。
在交流电路中,电流的大小随时间按正弦规律变化,在交流电路中,电流的大小随时间按正弦规律变化,每周期内有两次通过零点,同时交流电弧的温度和直径也随每周期内有两次通过零点,同时交流电弧的温度和直径也随时间变化时间变化。
由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程,跟不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。
变化。
对于交流电弧不存在电弧能否熄灭对于交流电弧不存在电弧能否熄灭的问题,而是电流过零后如何有效的阻的问题,而是电流过零后如何有效的阻止电弧重燃的问题止电弧重燃的问题交流电弧是否重燃与两个物理过程有交流电弧是否重燃与两个物理过程有关,即介质强度的恢复过程和弧隙电压关,即介质强度的恢复过程和弧隙电压的恢复过程。
的恢复过程。
2、交流电弧的熄灭、交流电弧的熄灭弧隙介质能够承受外加电压作用而不致使弧隙击穿的电压称为弧隙的介质强度。
当电弧电流过零时电弧熄灭,而弧隙的介质强度要恢复到正常状态值还需一定的时间,此恢复过程称之为弧隙介质强度的恢复过程。
介质强度的恢复过程介质强度的恢复过程电弧电流自然过零后,电路施加于弧隙的电压,将从不大的电弧电压逐渐增长,一直恢复到电源电压,这一过程中的弧隙电压称为恢复电压。
电压恢复过程与线路参数、负荷性质等有关。
恢复电压瞬态恢复电压工频恢复电压弧隙电压的恢复过程。
弧隙电压的恢复过程。
1.如果电源电压恢复过程大于介质强度恢复过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。
程,气隙被击穿,电弧重燃。
2.如果如果电源电压恢复过程低于介质强度恢复过电源电压恢复过程低于介质强度恢复过程程,电弧熄灭。
,电弧熄灭。
交流电弧的熄灭条件交流电弧的熄灭条件七、熄灭电弧的方法七、熄灭电弧的方法设法使电流过零后,弧隙介质强度恢设法使电流过零后,弧隙介质强度恢复速度大于弧隙恢复电压恢复速度,则复速度大于弧隙恢复电压恢复速度,则在过零后的下半周,电弧就不会重燃而在过零后的下半周,电弧就不会重燃而最终熄灭。
开关电器中的灭弧装置就是最终熄灭。
开关电器中的灭弧装置就是基于这一理论而产生的。
基于这一理论而产生的。
迅速拉长电弧,有利于迅速减小弧柱中的电位梯迅速拉长电弧,有利于迅速减小弧柱中的电位梯度,增加电弧与周围介质的接触面积,加强冷却和扩度,增加电弧与周围介质的接触面积,加强冷却和扩散的作用。
散的作用。
11、提高触头的分闸速度、提高触头的分闸速度无弹簧无弹簧有弹簧有弹簧每一相有两个或多个断口相串联。
在熄弧时,多断口把电弧分割成多个相串联的小电弧段。
多断口使电弧的总长度长,导致弧隙的电阻增加;在触头行程、分闸速度相同的情况下,电弧被拉长的速度成倍增加,使弧隙电阻加速增大,提高了介质强度的恢复速度,缩短了灭弧时间。
采用多断口时,加在每一断口上的电压成倍减少,降低了弧隙的恢复电压,亦有利于熄灭电弧。
在要求将电弧拉到同样的长度时,采用多断口结构成倍减小了触头行程,也就减小了开关电器的尺寸。
2、采用多断口、采用多断口3、吹弧吹弧用新鲜而且低温的介质吹
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- 电弧 形成 熄灭