3 第三讲 交流电弧的过零熄灭和重燃理论和自能式灭弧室的开断原理
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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。
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。
提供图3-1、3-2、3-9~3-13的动画,提供电弧产生和熄灭过程的动画过程;提供图3-14~3-16的相关实物图片; 其余各图可绘制彩图。
第三章 电弧及电气触头的基本知识第一节 电弧的基本知识一、电弧的特点和危害电弧是电力系统及电能利用过程中常见的物理现象,它实际上是一种能量集中、温度很高、亮度很大的气体放电现象。
电弧对电力系统和电气设备会造成很大的危害。
1.电弧的主要特点(1)电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成,如图3-1所示。
阴极和阳极附近的区域分别称为阴极区和阳极区,在阴极和阳极间的明亮光柱称为弧柱。
弧柱中心部位温度最高、电流密度最大,称为弧心;弧柱周围温度较低、亮度明显减弱的部分称为弧焰。
二、电弧的产生电弧的产生过程,实际上是气体介质在某些因素作用下,发生强烈游离,产生很多带电质点,由绝缘变为导通的过程。
电弧能成为导电通道,是由于电弧的弧柱内存在大量的带电粒子,这些带电粒子的定向运动形成电弧。
1.自由电子的产生触头开断的瞬间由阴极通过热电子发射或强电场发射产生少量的自由电子。
触头刚分离时,触头间的接触压力和接触面积不断减小,接触电阻迅速增大,使接触处剧烈发热,局部高温使此处电子获得动能,就可能发射出来成为自由电子,这种现象称为热电子发射。
另一方面,触头刚分离时,由于触头间的间隙很小,在电压作用下间隙形成很高的电场强度,当电场强度超过3×106V /m 时,阴极触头表面的电子就可能在强电场力的作用下,被拉出金属表面成为自由电子,这种现象称为强电场发射。
2.碰撞游离形成电弧图3-1 电弧的组成从阴极表面发射出来的自由电子,在触Array头间电场力的作用下加速运动,不断与间隙中的中性气体质点(原子或分子)撞击,如果电场足够强,自由电子的动能足够大,碰撞时就能将中性原子外层轨道上的电子撞击出来,脱离原子核内正电荷吸引力的束缚,成为新的自由电子。
失去自由电子的原子则带正电,称为正离子。
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第三讲 交流电弧的过零熄灭和重燃理论和自能式灭弧室的开断原理
1. 交流电流过零熄弧
工业交流电每半周电流要过零一次,交流电流总是在电流过零时熄灭的,
这与直流电弧不同,熄灭交流电弧比熄灭直流电弧要容易得多。交流电弧过
零的详细过程分下列两种情况来说明:
1.1 用图1(a)所示的电阻电路来分析。由于电弧电压远低于电源电压,
也就是说电源电压足以维持电弧燃烧而不致发生强制熄弧,因此电弧电流i与
电源电压u同时过零,见图1(b),0t是产弧时刻,此时断口间产生电弧电压
au。由于电源电压u远远地大于电弧电压a
u
,电弧电流i仍近似于为正弦波,
因此它与电弧电压au同时过零。电流过零详细情况见图2。
图1 电阻分析电路的电弧电流过零
图2 实际电弧电流hi与电弧电压hu同时过零
2
1.2 用图3所示的电感电路来分析。图中,u是电源电压,令
wtEumcos
,(mE是电源电压的幅值),L是分析电路中的电感,QF表示
断口,nR表示电弧电阻,电弧电压hhhRiu(hu随hi改变正负号)。hi是电
路电流(即电弧电流)
图4表示此时电弧电流的变化曲线。图4中e表示电源电压随时间变
化的曲线(瞬时值),hi是电弧电流的瞬时值。hi可分解为两个分量组成:一
个分量是滞后于电源电压e 90°的的正弦电源分量wtwLEimsin;另一个分
量是随时间线性(假设电弧电阻是恒定值)变化的分量 )(wtwLuih,
表示起始燃烧时刻的相位角,π和2π表示一个半波和一个周波的相位角。
由电路数学分析得出iiih。
实际电弧电流hi比其正弦电流分量i过零提前过零1wt相位角,这是由于
在电感电路中,由于有电弧压降存在而导致了实际电弧电流hi比电弧电压
h
u
提前过零,其提前过零的相位角是ξ,ξ的数值为若干μs至数十μs数量级。
电流过零详细情况见图5。
图3 电感分析电路
图4 电感分析电路中电弧电流的变化曲线
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图5 电感分析电路中实际电弧电流hi比电弧电压hu提前过零
断路器短路开断时,既有负荷电阻,又有负荷电感,负荷的功率因数是
0.2左右,因此电弧电流过零的情况介于上述两种情况之间。
对频率为50Hz的交流电路,电流每秒有100次零值,因此不管开关的熄
弧能力如何差,电流都要过零,至少是暂时地熄灭。如电流过零后,弧隙未
复燃,电弧就熄灭;反之,如发生复燃,则电弧此次过零时不能熄灭,至少
需燃烧至电弧电流下次过零时再熄灭。
2. 交流电弧的熄灭与重燃理论
交流电弧电流过零这一段时间中,弧隙从导体逐渐变成介质,交流电弧
的熄灭主要决定于这一过程。对于交流电弧的熄灭和重燃过程存在着两种理
论:弧隙介质恢复理论(电击穿理论)和能量平衡理论(热击穿理论)。
弧隙介质强度恢复理论是斯列宾提出的,认为电弧的重燃是由于外加电
场将间隙击穿的结果。这个理论认为:电弧电流过零后,弧隙已是介质,不
存在电导。因此在弧隙上发生的电压恢复过程和介质强度恢复过程是互不影
响和制约的。而电弧过零后的熄灭和重燃取决于这两个过程哪一个恢复得快。
如果介质强度始终大于弧隙上的恢复电压,就不再发生击穿,电弧最终熄灭。
因此,交流电弧的熄灭条件是:电流过零后,弧隙介质恢复强度在任何时刻
始终高于弧隙上的恢复电压。
而实际上,从电流过零时刻开始,在弧隙上发生两个作用相反而又有联
系的过程:即电压恢复过程和介质强度恢复过程。
当交流电弧最后熄灭时,在弧隙上的电压应当等于电源电势。因此,当
电流过零电弧熄灭时,弧隙上电压从熄弧电压上升变化到相应于电源电动势
的瞬时值,这一变化过程就称为弧隙上电压恢复过程。
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在电压恢复过程中,恢复电压由两个分量组成:即工频恢复电压和暂态
恢复电压。在电弧熄灭时刻,在首先灭弧的一相触头上出现的工频电压有效
值称为弧隙上(或为断路器触头上)的工频恢复电压。
暂态恢复电压是指电弧熄灭后,断路器一相触头上的暂态电压,它可以
是周期性的(单频或几个频率)或非周期性的,这决定于电路的特性、断路
器的特性(它的电导和电容)及电弧熄灭时立即出现在断路器触头上的工频
恢复电压瞬态值。周期性暂态恢复电压的振荡是以工频恢复电压作为轴心而
进行的。
在电流过零电弧熄灭时。弧隙有或大或小的介质强度,并随着去游离程
度而继续上升。这就是间隙介质强度恢复过程。介质强度恢复过程能说明电
弧熄灭过程和开断电器熄灭能力的特性。介质强度恢复过程决定于电弧间隙
的内部过程,如间隙中能量的变化、灭弧介质的种类和状态、触头的状态和
运动等:并且也与线路参数有关,电弧电流过零前的状态对它也有影响。电
弧的开断过程主要是将弧隙中的能量移去,使去游离加强。开关电器灭弧装
置的主要作用就在于将电弧开断,移去电弧的产物,将热的导电气体变成能
承受线路电压的绝缘介质。
按照斯列宾的理论。电弧的熄灭或重燃决定于这两个过程中哪一个过程
恢复得快。如图6中曲线1ju与曲线hfu所示,介质强度始终大于弧隙上的恢
复电压,就不再发生击穿,电弧最终熄灭。反之,若在某一时刻恢复电压大
于介质强度,如图6中2ju与曲线hfu,它们相交于A点,则弧隙将击穿而重
燃,加在弧隙上的电压又转变为电弧电压hu。这种理论只能用来解释电弧电
流超前过零,弧隙电导预先消失的重燃现象,并不能普遍适用。
图6 弧隙介质强度ju与恢复电压hfu曲线
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必须指出,在斯列宾提出介质强度恢复理论时,认为电压恢复过程与介
质恢复过程是彼此无关的。但事实上由于弧隙剩余电流的作用,这两个过程
是相互联系的。
弧隙能量平衡理论是克西提出的,认为电弧重燃不是电流过零后简单的
电压击穿,而是电路和弧隙之间的能量平衡的性质。当弧隙中所产生的热能
大于散出的热能时,弧隙就会因热击穿而使电弧重燃。这个理论认为在交流
电流过零电弧暂时熄灭时,弧隙温度较高,热游离还未停止,弧隙仍是一个
具有一定电导的通道,尚未恢复为真正的介质。因此在恢复电压作用下,就
出现弧后电流,电源继续向弧隙输送能量,因而可能引起电弧的重燃。他们
认为所有紧接于电流过零点后的重燃现象均是由于有显著的弧后电流而发生
的,只有经过一定延时后的重燃才是没有先期的弧后电流,而由电击穿引起
的重燃。
热击穿的观点考虑了电弧的热过程,并且指出弧隙上的电压恢复过程和
介质强度恢复过程并不是相互独立的,而是通过弧隙的残余电阻而相互联系
和影响的。这种观点使对交流电弧的熄灭和重燃有了进一步的了解。然而这
个理论也有局限性,它对于那些弧隙电导预先消失和因电击穿而发生重燃并
不能做出确切的解释。
两种理论的根本不同点在于:电弧电流过零前后是否有剩余电流。在斯
列宾提出理论时,尚不知有剩余电流,而克西则是剩余电流的基础上提出其
理论。
在理想的开关电器中,在电弧燃炽时,弧隙电阻等于零,而在电弧熄灭
后,弧隙电阻就立刻等于无限大。事实上,在交流电流自然过零前的几百s,
电流已接近于零,弧隙上已有相当的电阻,而在电流过零电弧熄灭时,弧隙
还是有个相当大电阻的导体。正因为熄弧后间隙有剩余电导的存在,在恢复
电压的影响下,弧隙中有电流通过,这一电流叫做剩余电流,或称弧后电流。
剩余电流就等于恢复电压与剩余电导的乘积关系。通常用两个参数来表示剩
余电流的特性,及剩余“热”的作用;而且还存在着可以由弧隙电击穿后转
变成热击穿而引起重燃,或在弧后电流消失后再发生电击穿而重燃,它们的
转化条件就是弧隙中能量的大小。
能量平衡理论不仅是对电弧的熄灭过程,还是对电弧的燃炽过程,都能
够比较全面地解释电弧的现象。它对电弧理论的发展和应用有重大的意义。
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但并不是所有开断过程都出现剩余电流,所以电流过零后能量平衡理论不是
各种情况都适用的。
3 自能式灭弧室的开断原理
自能式灭弧室在开断大电流时利用电弧本身产生的能量,将电弧产生的
高压高温的六氟化硫气体引入热膨胀室,在大喷口打开后利用它来吹弧,从而熄
灭电弧,此时辅助压气室中的六氟化硫被排放,从而减小了操作功。而在开断小电
流时,由于电弧本身产生的能量不足不能熄弧,此时利用辅助压气室中产生的较
高压力的六氟化硫气体来吹弧并熄灭电弧。自能式灭弧室的优点是可以使断路器
配用弹簧操动机构。
自能式灭弧室的工作原理见附图7至图11。
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