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硅谷揭秘开关电器电弧是如何产生熄灭的

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来源: 作者: 2019-05-17 02:21:08

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电弧是电力系统及电能利用工程常见的物理现象,对开关电器中开断电路时产生的电弧进行了解、分析,采取有效的措施熄灭电弧,这对电力系统的正常操作与安全运行有很重要的意义。

开关电器是用来接通或开断电路的电气设备。在发电厂与变电所中运行的发电机、变压器、进出线等回路,经常需要进行投入运行或退出运行,因此在发电厂与变电所中需装设必须的开关电器。在开关电器触头接通或分开时,触头间可能出现电弧,电弧是电力系统及电能利用工程常见的物理现象。对电弧的了解、分析,采取有效的措施熄灭电弧,这对电力系统的正常操作与安全运行有很重要的意义。

1电弧的危害和特点

电弧实际上是一种气体放电现象。是在某些因素作用下,气体强烈游离、由绝缘变成导通的过程。电弧形成后,由电源不断地输送能量,保持它燃烧,并产生很高的高温。电弧燃烧时,中心区温度可到达10000K以上,表面温度也有3000~4000K。同时发出强烈的白光,故称弧光放电为电弧。

电弧的高温,可能烧坏电器触头和触头周围的其他部件。如果电弧较长时间不能熄灭,将会引起电器被烧毁乃至有爆炸的可能,危及电力系统的安全运行,造成人员的伤亡和财产的重大损失。

由于电弧是一种气体导电现象,所以在开关电器中,虽然电器触头已分开,但是在出头间只要有电弧的存在,电路就没有断开,回路电流仍然存在,即开关电器失去了开断电路的作用。影响电力系统的可靠运行。

2电弧的产生和熄灭条件

电弧的产生和熄灭过程,实际上是气体介质由绝缘变为导通和由导通又变为截止的过程。

2.1电弧的产生条件

2.1.1触头开断初瞬间自由电子的生成。触头刚分离时,由于触头间的间隙很小,在电压作用下其间形成很高的电场强度,当电场强度超过3 106V/m时,阴极触头国产经典《大头儿子小头爸爸》新版暑期开播
表面的自由电子在强电场力的作用下,被拉出金属表面,强电场发射电子;同时,触头刚刚分离时,触头间的接触压力和接触面减小、接触电阻增大,使接触表面剧烈发热,局部高温,使此处电子取得动能发射出来。这些自由电子存在于触头间隙间。

2.1.2碰撞游离形成电弧。触头间隙中的自由电子,在触头间电场的作用下加速运动,撞击间隙中的中性气体质点(原子或分子),使中性质点游离,产生自由电子和正离子,这种游离过程称为碰撞游离。碰撞游离不断进行、不断加剧,带电质点成倍增加,发展成为 雪崩 。大量带电质点充满间隙,气体导通,强烈放电,形成电弧。

2.2电弧的熄灭条件

电弧到达某种平衡而稳定燃烧,是由于弧隙中不但进行着游离过程,同时还进行着去游离过程。去游离过程是指自由电子和正离子相互吸引而中和的进程。去游离的主要方式是复合与散布:异性带电质点相遇,电荷中和成为中性质点的现象称为复合;扩散是指电弧中的自由电子和正离子散溢到电弧外面,并与周围未被游离的冷介质相混合的过程。

要想使电弧熄灭,就必须使去游离的作用大于游离。如果去游离的强度大于游离的强度,弧隙中导电质点的数目减少,点导下降,电弧越来越弱,弧温下降,使热游离下降或停止,终究导致电弧熄灭。

2.3交换电弧的熄灭

交换电弧电流每半个周期(0.01s)均通过一次自然过零值,此时电源停止向弧隙输入能量,热游离强度下落,这有利于交流电弧的熄灭(直流电弧相对困难些)。但是,也应当看到,由于热情性的原因,在高电压、大电流的装置中,即使在电流过零的瞬时电弧温度仍然很高,热游离仍未停止,熄灭电孤仍然会遇到困难。但是无论如何,也要充分利用这一有利时机,采取最有效的措施加强对弧柱的冷却,使其热游离减弱,去游离加强。

电弧中的发热过程和电弧与周围介质间的热交换过程,对电弧的持续燃烧或熄灭起着重要的作用。在电弧电流过零值之前,由于电流在快速地下降、输送给弧隙的能量减少,但弧隙却不断地向周围介质散出能量,电流过零时,热游离有可能停止,电弧不再重燃。但是,由于电流过零的速度太快,热量又存在情性,因此,在电流过零的一段时间内,弧隙温度依然很高,热游离仍在继续,电流过零后,电弧会重燃而不能熄灭。

综上所述,在交流电弧的灭弧中,应充分利用交换电流的自然过零点,采取有效的措施,加大弧隙间去游离的强度,使电弧不再重燃,最终熄灭。

3开关电器中熄灭交换电弧的基本方法

开断交流电弧时,在电流达到零值以后,加强对弧隙的冷却,抑制热游离,加强去游离。为此,在开关设备中均装设了灭弧装置,或称为灭弧室,灭弧室的不断改进,大大提高了开关的灭弧能力。另一方面,为了进一步提高灭弧能力,还可以采取性能更为优越的新型灭弧介质,例如六氟化硫断路器的使用等。目前,在开关电器中广泛采取的灭弧方法有以下几种。

3.1吹弧。利用灭弧介质(如气体、油等)在灭弧室中吹动电弧,这种方法在开关电器中运用最广。用弧区之外新鲜且低温的介质吹拂电弧,对熄灭电弧起到多方面的作用。它可将弧柱中大量正负离子吹到触头间隙以外,代之以绝缘性能高的新鲜介质;使弧柱温度迅速下落,阻挠了热游离的继续进行;使触头间的介质强度提高;使被吹走的离子与冷介质接触,加快了复合过程的进行;使弧柱拉长变细,加快了弧柱的分解,弧隙电导下降。

吹弧有纵吹和横吹两种方式。吹动方向与弧柱轴线相垂直时,称为横吹。横吹更易于把电弧拉长,增大电弧表面积,对弧柱的冷却效果好;横吹灭弧室尺寸可以小些,适用于较低电压的断路器。

吹动方向与弧柱轴线一致时,称为纵吹。纵吹可以使新鲜介质更好地与炽热的电弧相接触,并把电弧吹成若干细条,易于熄灭。纵吹灭弧室常用于110kV及以上的断路器。

3.2采用多断口。电压高、电流大的断路器多采用每相两个或多个开断口的方式。多断口使电弧的总长度加长、从而导致弧隙电导下落;使每个断口的行程缩短,可以加快触头的分离速度,促使弧隙电导迅速下落,减少了能量的输入,所以介质强度恢复得快。

3.3近阴极效应的应用。低压开关中广泛采取灭弧栅装置,由铁磁材料制成的金属片组成短弧栅格。触头间产生电弧后,铁磁材料的栅片在电弧电流产生的磁场中产生电磁力,把电弧弧柱吸引到栅片当中,将长弧分割成一串短弧。设栅片数为n,则灭弧栅的总起始介质强度为n(150~250)V,加于触头间的恢复电压小于此值。即能可靠灭弧。栅片作成缺口形状,是为了减少电弧弧柱进入栅片的阻力,缩短燃弧时间。

3.4利用固体介质的狭缝灭弧。低压开关也广泛采用狭缝灭弧装置,通常由石棉水泥或陶土材料压抑成的灭弧罩和磁吹装置构成。触《孔中窥见真理之貌》动画PV公开 游戏化决定
头间产生电弧以后,在磁吹装置产生的磁场作用下,对弧柱产生电磁力,将其拉入由灭弧片构成的狭缝中,起到拉长电弧的作用,并促使电弧与灭弧片冷壁紧密接触,加强冷却作用;

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