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开关电弧的基本知识

  断路器切断通有电流的回路时,只要电源电压大于10~20V,电流大于80~100mA,在动、静触头分开瞬间,触头间隙就会出现电弧。此时,触头虽然已分开,但是电路中的电流还在继续流通,只有熄灭电弧,电路才真正断开。本节介绍开关电弧的基本知识与各种灭弧方法的原理。

  一、电弧的形成

  电弧的产生和维持是触头间隙的绝缘介质的中性质点(分子和原子)被游离的结果,游离是指中性质点转化为带电质点。电弧的形成过程就是气态介质或液态介质高温气化后的气态介质向等离子体态的转化过程。因此,电弧是一种游离气体的放电现象。

  强电场发射是触头间隙最初产生电子的主要原因。在触头刚分开的瞬间,间隙很小,间隙的电场强度很大,阴极表面的电子被电场力拉出而进入触头间隙成为自由电子。

  电弧的产生是碰撞游离所致。阴极表面发射的电子和触头间隙原有的少数电子在强电场作用下,加速向阳极移动,并积累动能,当具有足够大动能的电子与介质的中性质点相碰撞时,产生正离子与新的自由电子,这种现象不断发生的结果,使触头间隙中的电子与正离子大量增加,它们定向移动形成电流,介质强度急剧下降,间隙被击穿,电流急剧增大,出现光效应和热效应而形成电弧。

  热游离维持电弧的燃烧。电弧形成后,弧隙温度剧增,可达6000℃~10000℃以上。在高温作用下,弧隙中性质点获得大量的动能,且热运动加剧,当其相互碰撞时,产生正离子与自由电子。这种由热运动而产生的游离叫热游离。一般气体游离温度为9000℃~10000℃,金属蒸气热游离温度约为4000~5000℃。因此热游离足以维持电弧的燃烧。

  二、电弧的熄灭

  在中性质点发生游离的同时,还存在着使带电质点不断减少的去游离。去游离的主要形式是复合与扩散。

 

  1.复合

  复合是异性带电质点彼此的中和。复合速率与下列因素有关:

  1)带电质点浓度越大,复合机率越高。当电弧电流一定时,弧截面越小或介质压力越大,带电质点浓度也越大,复合就强。故断路器采用小直径的灭弧室,可以提高弧隙带电质点的浓度,增强灭弧性能;

  2)电弧温度越低,带电质点运动速度越慢,复合就容易。故加强电弧冷却,能促进复合。在交流电弧中,当电流接近零时,弧隙温度骤降,此时复合特别强烈;

  3)弧隙电场强度小,带电质点运动速度慢,复合的可能性就增大。所以提高断路器的开断速度,对复合有利。

  2.扩散

  扩散是指带电质点从弧隙逸出进入周围介质中的现象。扩散去游离主要有两种。

  l)温度扩散。弧隙与其周围介质的温差越大,扩散越强。用冷却介质吹弧,或电弧在周围介质中运动,都可增大电弧与周围介质的温差,加强扩散作用。

  2)浓度扩散。电弧与周围介质离子的浓度相差越大,扩散就越强烈。

  当游离大于去游离时,电子与离子浓度增加,电弧加强;当游离与去游离相等时,电弧稳定燃烧;当游离小于去游离时,电弧减少以致熄灭。所以要促使电弧熄灭就必须削弱游离作用,加强去游离作用。断路器综合利用上述原理,制成各式灭弧装置,能迅速而有效地熄灭短路电流产生的强大电弧。

  三、交流电弧的开断

  交流电弧电流每周自然过零两次。在电流过零时,电弧暂时熄灭。因此熄灭交流电弧,就是让交流电弧过零后电弧不重燃。

  交流电弧过零时自然熄灭,过零后是否重燃,取决于电源加在弧隙上的恢复电压与弧隙介质强度的耐压能力的恢复情况。

  弧隙介质强度恢复过程是指电弧电流过零时电弧熄灭,而弧隙的绝缘能力要经过一定时间才能恢复到绝缘的正常状态的过程,此过程称为弧隙介质强度的恢复过程。主要由断路器灭弧装置的结构和灭弧介质的性质决定。

 

  弧隙电压恢复过程是指电弧电流过零时电弧熄灭,电源电压施加于弧隙上的电压将从不大的熄弧电压逐渐增大直到电源电压的过程,称为弧隙电压恢复过程。主要取决于线路电路参数(电阻、电容、电感)和负荷性质,一般电阻性电路的电弧最易熄灭。

  交流电弧的熄灭条件是,交流电弧过后,弧隙介质强度恢复过程永远大于弧隙电压恢复过程。

  四、灭弧的基本方法

  灭弧的基本方法就是加强去游离提高弧隙介质强度的恢复过程,或改变电路参数降低弧隙电压的恢复过程,目前开关电器的主要灭弧方法有:

  1.利用介质灭弧

  弧隙的去游离在很大程度上,取决于电弧周围灭弧介质的特性。六氟化硫(SF6)气体是很好的灭弧介质,其电负性很强,能迅速吸附电子而形成稳定的负离子,有利于复合去游离,其灭弧能力比空气约强100倍;真空(压强在0.013Pa以下)也是很好的灭弧介质,因真空中的中性质点很少,不易于发生碰撞游离,且真空有利于扩散去游离,其灭弧能力比空气约强15倍。

  采用不同介质可以制成不同的断路器,如油断路器、六氟化硫断路器和真空断路器。

  2.利用气体或油吹动电弧

  吹弧使弧隙带电质点扩散和冷却复合。在高压断路器中利用各种灭弧室结构形式,使气体或油产生巨大的压力并有力地吹向弧隙。吹弧方式主要有纵吹与横吹两种。纵吹是吹动方向与电弧平行,它促使电弧变细;横吹是吹动方向与电弧垂直,它把电弧拉长并切断。

  3.采用特殊的金属材料作灭弧触头

  采用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属作触头材料,可减少热电子发射和电弧中的金属蒸气,得到抑制游离的作用;同时采用的触头材料还要求有较高的抗电弧、抗熔焊能力。常用触头材料有铜钨合金、银钨合金等。

 

  4.电磁吹弧

  电弧在电磁力作用下产生运动的现象,叫电磁吹弧。由于电弧在周围介质中运动,它起着与气吹的同样效果,从而达到熄弧的目的。这种灭弧的方法在低压开关电器中应用得更为广泛。

  5.使电弧在固体介质的狭缝中运动

  此种灭弧的方式又叫狭缝灭弧。由于电弧在介质的狭缝中运动,一方面受到冷却,加强了去游离作用;另一方面电弧被拉长,弧径被压小,弧电阻增大,促使电弧熄灭。

  6.将长弧分隔成短弧

  当电弧经过与其垂直的一排金属栅片时,长电弧被分割成若干段短弧;而短电弧的电压降主要降落在阴、阳极区内,如果栅片的数目足够多,使各段维持电弧燃烧所需的最低电压降的总和大于外加电压时,电弧就自行熄灭。另外,在交流电流过零后,由于近阴极效应,每段弧隙介质强度骤增到150~250V,采用多段弧隙串联,可获得较高的介质强度,使电弧在过零熄灭后不再重燃。

  7.采用多断口灭弧

  高压断路器每相由两个或多个断口串联,使得每一断口承受的电压降低,相当于触头分断速度成倍地提高,使电弧迅速拉长,对灭弧有利。

  8.提高断路器触头的分离速度

  提高了拉长电弧的速度,有利于电弧冷却复合和扩散。

本文章由 正泰电器 于2010年06月23日发布在基础常识分类下,
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