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第 3章 电弧及电气触头的基本理论
高压电奇观
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第 3章 电弧及电气触头的基本理论
教学要求:掌握电弧的特征 了解电弧形成的原因及电弧熄灭的基本方法 影响触头电阻的因素。重 点:电弧熄灭的基本方法。影响触头电阻的因素。难 点:电弧形成的原因
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§3-1 电弧的形成和熄灭
弧柱
阳极区阴极区
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§3-1 电弧的形成和熄灭
1、电弧产生的条件: 断开电路时,触头间电压大于 10~ 20V ;电流大于 80~ 1
00mA 2 、带电质点的来源: ①电极发射大量自由电子 强电场发射——强电场力 热电子发射——高温 ②电极间弧柱气体游,产生大量的电子和离子 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),由中性质点热运动碰撞产生
3.1. 1电弧的形成:大量带电质点在电场力的作用定向运动
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§3-1 电弧的形成和熄灭
3 、电弧的形成:
强电场发射热电子发射
电弧热游离温度磁撞游离加速
弧柱
阳极区阴极区
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
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§3-1 电弧的形成和熄灭
4 、电弧的特点:
电弧的放电现象是一种气体自持放电。 电弧是一种离子通道(载流通道):只有触头间的电弧熄灭
后,电流才真正切断。 电弧的温度很高、能量大:容易烧坏触头,或使触头周围的
绝缘材料遭受破坏。 电弧燃烧时间过长,压力过高,有可能使电器发生爆炸事故。 质量轻,在外力的作用下易变形
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§3-1 电弧的形成和熄灭
关键是加强去游离作用 介质的游离作用→电弧产生 介质的去游离作用→电弧熄灭1.去游离:正、负质点相互吸引中和为中性质点。2.熄弧条件 游离与去游离谁主导?
当游离 >去游离——电弧电流↑(剧烈燃烧)当游离 =去游离——电弧电流不变(稳定燃烧) 当游离 <去游离——电弧电流↓→(熄灭)
3.1.2 电弧的熄灭:带电质点不断消失
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①复合 异性质点靠近而相互中和的现象。 冷却 ②扩散 带电质点逸出弧柱外的现象。 吹弧
影响游离和去游离的因素①电弧温度:热游离↓→ Q↓→速度↓→复合加强→ Q↓使温度降低的方法有:吹弧、拉长电弧、或与冷却介质表面接触。②电场强度: E↓→运动速度↓→复合↑→ Q↓→热游离↓③气体介质的压力: F↓→自由行程缩短→离子浓度↑→复合↑ 真空数目少→磁撞游离↓→扩散↑④介质特性:包括气体的介电强度、导热系数、热量量、电负荷⑤电极材料:铜、银、铜钨、银钨合金具有熔点高、导热能力强、热容量大的特点,可减少热电子发射和弧柱中的金属蒸气。
3 、去游离方式
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提高触头的开断速度(分闸弹簧) 冷却电弧(油、 SF6 、真空、压缩空气) 拉长电弧 吹弧 增大绝缘介质气体压力 将触头置于真空灭弧室中 将长弧分割成多段短弧。
4 、熄灭电弧的基本方法
§3-1 电弧的形成和熄灭
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§3.2 直流电弧的特性及熄灭
弧柱
阴极区
区极阴
Un
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3 、 2 、 1 特性:
1 、静态伏安特性曲线
为发弧电压、即产生电弧的最小电压值
)( hh ifU Uf
Uh a
b
ih
)0( hh iU
§3.2 直流电弧的特性及熄灭
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2 、电弧电压分布图: = 阴极区电压 +弧柱区电压 + 阳极区电压
弧柱
阴极区
区极阴
Un
hU
§3.2 直流电弧的特性及熄灭
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Uh= 阴极区电压 U 阴极区 +弧柱区 UH+ 阳极区 U 阳极区
或:
—— U 阴极区,大小与 ih无关,在空气中 U=8 ~ 11V
—— UH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
短弧:几个 mm 长、主要由 U 阴极区 + U 阳极区组成 ,
UH近似于零
长弧:几个 cm ~几个 m 长,主要由 UH组成
321 UUUU h
1U
2U
3U
§3.2 直流电弧的特性及熄灭
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近阴极效应(短弧原理)
将长弧沿垂直方向切割成多段电弧串联,每一段即构成一个短弧,获得一个阴极区压降。
如果加在触头间的电压小于各段短弧的阴极电压之和,则电弧就不能维持而熄灭。
§3.2 直流电弧的特性及熄灭
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3 、 2 、 2 、直流电弧的工作点
Uz
U kUn
LR
具有直流电弧的 R——L电路
§3.2 直流电弧的特性及熄灭
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Uz
1 、电压方程式
E——电源电压。 iR——电阻电压。 ——电感电阻电压
Uh——电弧电压
2 、直流电弧的熄灭条件
hhLR udt
diLiRUUUE
dt
diLU L
huiRE )(
huiRE
§3.2 直流电弧的特性及熄灭
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3 、 2 、 3 直流电弧的熄灭方法 1.拉长电弧2.开断电路时在电路中逐级串人电阻3.在断口上装灭弧栅4.冷却电弧 直流电弧的熄灭注意事项 在直流电路中不能采用灭弧能力太强的开关电器,避免产生过电压。
§3.2 直流电弧的特性及熄灭
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§3 . 3 交流电弧的特性及熄灭
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3 、 3 、 1 特性1、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
Uh——马鞍形状。A > B
A——燃弧电压 B——熄弧电压
B
A
t
Uh
A
B
in
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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。
2、热惯性:电弧温度的变化滞后于电流的变化
§3 . 3 交流电弧的特性及熄灭
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3 、 3 、 2 交流电弧的熄灭 1、弧隙介质电强度的恢复过程 UjUj——弧隙介质能够承受而致使弧隙击穿的最小电压 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。这种
现象称为交流电路的近阴极效应。
(电流极性改变后的0.1~ 1.0秒瞬间 , 有 Uj=150~ 250V)
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2 、弧隙电压的恢复过程 Uhf
Uhf——电压由熄弧电压恢复到电源电压的过程。 过程1、电流过零前,电弧电阻很小,电源电压大部分降落在
线路或负载的阻抗上。
2、电流过零时,电弧熄灭,最后变为绝缘介质,电源电压全部加在弧隙上。
§3 . 3 交流电弧的特性及熄灭
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3 、交流电弧的熄灭条件:
0
a
Unf
u
Uj
ta)熄灭 b)重燃
0t
u
Uj
§3 . 3 交流电弧的特性及熄灭
两曲线无交点两曲线无交点jhf UU
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4、交流电弧的灭弧方法
(1) 提高触头的分闸进度 ——迅速拉长电弧, E↓,冷却与扩散↑
(2) 采用多断口灭弧 ——拉长迅速↑,行程↓, 灭弧时间↓提高了灭弧能
力
(3) 吹弧——加强冷却和扩散 横吹——将电弧吹弯吹长 纵吹——将电弧吹细
§3 . 3 交流电弧的特性及熄灭
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(4) 利用固体介质的狭缝狭沟灭弧 ——冷却 ,表面吸附电子,加强复合。 如:介质纵缝灭弧罩 介质填料灭弧管
(5) 利用短弧原理灭弧 交流电路:电流自然过零时,每一短弧有 150 ~250v电压。直流电路:每一短弧的阴极区有 8~ 11v电压降。
§3 . 3 交流电弧的特性及熄灭
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(6) 磁吹 ——利用电磁力驱动和拉长电弧至固体
介质灭弧罩或金属栅灭弧罩中
(7) 高压力气体介质灭弧 ——磁撞游离↓,复合↑
(8) 真空灭弧 ——碰撞游离↓,热游离↓,扩散↑
§3 . 3 交流电弧的特性及熄灭
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§3 . 4 电气触头
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3.4.1 概述1 、概念:通过接触传导电流的两个或以上的金属导体的端
接部分。
2 、影响接触电阻的因素及降低其值的措施:( 1 )触头材料:铜铝过渡接头片( 2 )接触压力:( 3 )接触形式:点、线、面接触的用途( 4 )接触面的加工情况:平而不是光
§3 . 4 电气触头
指两个或几个导体之间相互接触的部分
接触电阻 触头质量决定
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3.4.2 对电气触头的要求 1 、结构可靠 2 、由良好的导电性能和接触性能。3 、通过规定的电流时,发热温度不超过规定值。4 、开断规定容量的电流时有足够的抗熔焊和抗电弧烧伤能力5 、通过短路电流时,具有足够的动稳定和热稳定。
§3 . 4 电气触头
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§3 . 4 电气触头
3.4.3 触头的分类和结构按接触面的形式划分
平面触头 线触头 点触头
按结构形式划分
滑动触头固定触头可断触头
刀形触头 指形触头插座式触头
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习题及思考题
3—1 何为电弧?简述断路器触头开断时断口电弧的形成过程及由此 而确定的基本灭弧方法。
3—2 直流电弧稳定燃烧的条件为何?灭弧栅何灭弧室在灭弧原理上由何差别?
3—3 交流电弧电流有何特点?熄灭交流电弧的条件是什么?
3—4 什么叫介质强度恢复过程?什么叫电压恢复过程?它们与哪些因素有关?
3—5 在直流电弧和交流电弧中,将长电弧分割成短电弧灭弧室利用了什么原理?
3—6 电气触头主要有哪几种接触形式?各有什么特点?3—7 如果电气触头发生振动是什么原因造成的?有什么危害?
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