電弧及滅弧裝置課件

1、電弧及滅弧裝置,指導(dǎo)老師：楊旭麗制作人：宋小虎 2012.04.14,電弧現(xiàn)象,1.定義 兩個觸頭行將接觸或開始分離時，只要它們之間的電壓達(dá)12 ~20V、電流達(dá)0.25 ~ lA,觸頭間隙內(nèi)就會產(chǎn)生高溫弧光，這就是電弧。,圖1-1電弧構(gòu)造和電弧溫度分布,a電弧構(gòu)造,b電弧溫度分布,電弧現(xiàn)象,電弧分類1〉流種類可分為：交流電弧、直流電弧和脈沖電弧。2〉按電弧的狀態(tài)可分為：自由電弧和壓縮電?。ㄈ绲入x子?。?。3〉按電

2、極材料可分為：熔化極電弧和不熔化極電弧。,電弧的作用,壞處：因為其溫度達(dá)成千上萬K足以燒傷觸頭、使之迅速損壞;它也能使觸頭熔焊、破壞電器的正常工作，甚或釀成火災(zāi)刀人員傷亡等嚴(yán)重事故; 它還會產(chǎn)生干擾附近的通信設(shè)施的高次諧波益處：電弧焊、電弧熔煉和弧光燈等是專門利用電弧的設(shè)備，電器本身可借助電弧以防止產(chǎn)生過高的過電壓和限制故障電流。,電弧產(chǎn)生的原理,原理 當(dāng)用開關(guān)電器斷開電流時，如果電路電壓不低于10—20伏，電流不小于80

3、~100mA，電器的觸頭間便會產(chǎn)生電弧。 電弧的形成是觸頭間中性質(zhì)子(分子和原子)被游離的過程。開關(guān)觸頭分離時，觸頭間距離很小，電場強度E很高(E = U/d)。,電離形式,表面發(fā)射,空間電離,場致發(fā)射,光發(fā)射,二次電子發(fā)射,熱發(fā)射,光電離,碰撞電離,熱電離,,,,,,,,,,發(fā)生于金屬電極表面,發(fā)生于觸頭間隙內(nèi),電弧產(chǎn)生的原理,電弧產(chǎn)生的原理,從陰極表面發(fā)射出來的自由電子和觸頭間原有的少數(shù)電子，在電場力的作用下向陽極作加速

4、運動，途中不斷地和中性質(zhì)點相碰撞。只要電子的運動速度v足夠高，電子的動能A=1/2mv^2足夠大，就可能從中性質(zhì)子中打出電子，形成自由電子和正離子。這種現(xiàn)象稱為碰撞游離。,電弧產(chǎn)生的原理,觸頭間電弧燃燒的間隙稱為弧隙。電弧形成后，弧隙間的高溫使陰極表面的電子獲得足夠的能量而向外發(fā)射，形成熱電場發(fā)射。同時在高溫的作用下(電弧中心部分維持的溫度可達(dá)10000℃以上)，氣體中性質(zhì)點的不規(guī)則熱運動速度增加。當(dāng)具有足夠動能的中性質(zhì)點相互碰撞時，將

5、被游離而形成電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為熱游離。 隨著觸頭分開的距離增大，觸頭間的電場強度E逐漸減小，這時電弧的燃燒主要是依靠熱游離維持的。,電弧放電,兩個電極在一定電壓下由氣態(tài)帶電粒子，如電子或離子，維持導(dǎo)電的現(xiàn)象。激發(fā)試樣產(chǎn)生光譜。電弧放電主要發(fā)射原子譜線，是發(fā)射光譜分析常用的激發(fā)光源。通常分為直流電弧放電和交流電弧放電兩種。,電弧放電,電弧放電可分為 3個區(qū)域：陰極區(qū)、弧柱和陽極區(qū)。其導(dǎo)電的機理是：陰極依靠場致電子發(fā)射和

6、熱電子發(fā)射效應(yīng)發(fā)射電子；弧柱依靠其中粒子熱運動相互碰撞產(chǎn)生自由電子及正離子，呈現(xiàn)導(dǎo)電性，這種電離過程稱為熱電離；陽極起收集電子等作用，對電弧過程影響常較小。在弧柱中，與熱電離作用相反，電子與正離子會因復(fù)合而成為中性粒子或擴散到弧柱外，這一現(xiàn)象稱為去電離。在穩(wěn)定電弧放電中，電離速度與去電離速度相同，形成電離平衡。,電弧的特性和方程,一、電弧的電壓方程 電弧電壓包括近陰極區(qū)電壓降Uc、近陽極區(qū)電壓降Ua和弧柱電壓降Up，即 UA= Uc+

7、 Ua+ Up 兩近極區(qū)壓降基本不變，故以Uo = Uc+ Ua表示，稱為近極區(qū)壓降；,圖2-1電弧的電壓及場強分布,電弧的特性和方程,弧柱區(qū)內(nèi)的電場強度E又近乎恒值，約(1 ~5)×103V/m，在特殊介質(zhì)內(nèi)還可達(dá)(10~ 20)×103V/m，故電弧電壓 UA= U0+ El 式中：l為弧柱區(qū)長度，可近似地取它為整個電弧的長度。,電弧的特性和方程,二、直

8、流電弧的伏安特性 伏安特性為電弧的重要特性之一，它表示電弧電壓與電弧電流間的關(guān)系。當(dāng)外施電壓達(dá)到燃弧(擊穿)電壓Ub、電流亦達(dá)到燃弧電流Ib后，電弧便產(chǎn)生了，而且隨著電流的增大，電弧電壓反而降低。這是因為電流增大會使弧柱內(nèi)熱電離擲劇、離子濃度加大，故維持穩(wěn)定燃弧所需電壓反而減小。,圖2-2直流電弧伏安特性,電弧的特性和方程,三、交流電弧的伏安特性和時間特性 交流電弧的伏安特性不同于直流的伏安特性，因為交變電流總是

9、隨著時間變化，所以伏安特性只能是動態(tài)的。值得注意的是交變電流每個周期有兩次自然通過零值，而電弧也通常在電流過零時自行熄滅。,圖2-3交流電弧伏安特性,電弧的特性和方程,四、電弧的能量平衡 電弧的功率為 PA= UAIA= U0lA+ E I lA 按UO和El在UA中所占比例，電弧有長弧與短弧之分。若UO在UA中占主要地位，電弧就是短弧;反之，則是長弧。短弧的能量損耗是轉(zhuǎn)化為熱能、并經(jīng)電極和與之

10、連接的金屬件散往周圍介質(zhì)。長弧的能量損耗可近似地認(rèn)為是轉(zhuǎn)化為熱能、并經(jīng)弧柱散往周圍介質(zhì)。就一般工業(yè)電器而論，弧柱的散熱具有重要意義。,電弧的特性和方程,弧柱是高溫等離子體。燃弧時的弧柱溫度通常為(4~20)×103K，熄弧時則僅有(3 ~4) )×103K?；≈鶞囟扰c電極材料、滅弧介質(zhì)種類和壓力以及其冷卻作用的強烈程度等有關(guān)。 若以QA表示電弧能量、以Pd表示電弧散出的功率，電弧的動態(tài)熱平衡方程便是

11、 dQA/dt=PA-Pd,電弧的特性和方程,若dQA/dt >0，即PA > Pd，說明電弧能量在增大，使燃弧更加熾烈; 若dQA/dt<0，即PA<Pd，說明電弧能量在減小，電弧將趨于熄滅; 若dQA/dt=0，即PA= Pd，電弧能量達(dá)到平衡，并且穩(wěn)定地燃弧。,電弧熄滅的方法及裝置,電弧熄滅的方法及裝置

12、 拉長電弧、降低溫度、將長弧變?yōu)槎袒?、將電弧放置于特殊介質(zhì)中，增大電弧周圍氣體介質(zhì)的壓力等。為了減少電弧對觸頭的燒損和限制電弧擴展的空間，通常要將這些方法加以應(yīng)用，為此而采用的裝置稱為滅弧裝置。一個滅弧裝置可以采用某一種方法進(jìn)行熄弧。但在大多數(shù)情況下，則是綜合采用幾種方法，以增加滅弧效果。例如拉長和冷卻電弧往往是一起運用的。,電弧熄滅的方法及裝置,一、拉長電弧電弧拉長以后，電弧電壓就增大，改變了電弧的伏安特性。在直流電弧中，

13、其靜伏安特性上移，電弧可以熄滅。在交流電弧中，由于燃弧電壓的提高，電弧重燃困難。電弧的拉長可以沿電弧的軸向(縱向)拉長，也可以沿垂直于電弧軸向(橫向)拉長，如3-1圖所示。,圖3-1,電弧熄滅的方法及裝置,1．機械力拉長電弧沿軸向拉長的情況是很多的，電器觸頭分?jǐn)噙^程實際上就是將電弧不斷地拉長。刀開關(guān)中閘刀的拉開也拉長電弧，電焊過程中將焊鉗提高可使電弧拉長并熄滅。2．回路電動力拉長,電弧熄滅的方法及裝置,圖3-2觸頭回路電動力吹弧

14、（a）常用觸頭回路電動力吹弧；（b）增磁型觸頭回路電動力吹弧1－觸頭橋；2－動觸頭；3－電??；4－靜觸頭；5－靜觸頭座；6－磁性片。,電弧熄滅的方法及裝置,載流導(dǎo)體之間會產(chǎn)生電動力，如果把電弧看作為一根軟導(dǎo)體，那么受到電動力它就會發(fā)生變形，即拉長。如圖3-2所示，在一對橋式雙斷點結(jié)構(gòu)型式的觸頭斷開時，電弧受回路電動力F的作用被橫向拉長，也就是圖3-1中受F2作用力的情況。橫向拉長時電弧與周圍介質(zhì)發(fā)生相對運動而加強了冷卻，這樣就加速了電

15、弧的熄滅。有時為了使磁場集中，在觸頭上添加磁性片6，以增大吹弧力，如圖3-2（b）所示。,電弧熄滅的方法及裝置,因利用回路本身滅弧的電動力不夠大，電弧拉長和運動的速度都較小，所以這種方法一般僅用于小容量的電器中。開斷大電流時，為了有較大的電動力而專門設(shè)置了一個產(chǎn)生磁場的吹弧線圈，這種利用磁場力使電弧運動而熄滅的方法稱為磁吹滅弧。如圖3-3所示。由于這個磁場力比較大，其拉長電弧的效果也較好，如圖3-1中F3所示的情況。,電弧熄滅的方法及裝

16、置,1－磁吹鐵心；2－導(dǎo)弧角；3－滅弧罩；4－磁吹線圈；5－鐵夾板；6－靜觸頭；7－動觸頭；8－絕緣套。,圖3-3　磁吹滅弧裝置示意圖,,電弧熄滅的方法及裝置,磁吹線圈4是接在引出線和靜觸頭6之間，通過絕緣套與磁吹鐵芯絕緣，導(dǎo)弧角2和靜觸頭6固裝在一起。磁吹線圈4中的磁吹鐵芯1兩端各裝有一片導(dǎo)磁夾板5，磁夾板5同時夾于滅弧室兩側(cè)，用來加強弧區(qū)磁場。設(shè)在滅弧室中的動靜觸頭就處在磁板之間。當(dāng)觸頭分開有電弧燃燒時，磁吹線圈和電弧本身均在電弧

17、周圍產(chǎn)生磁場。由圖可見，在弧柱下方一側(cè)，磁吹線圈的磁通和電弧的磁通是相疊加的，而在弧柱上方一側(cè)，兩磁通是相削弱的，因此就產(chǎn)生磁吹力。電弧在磁吹力的作用下發(fā)生運動，電弧被拉長，電弧的根部離開靜觸頭而移到導(dǎo)弧角2上，進(jìn)一步拉長電弧，使電弧迅速熄滅。,電弧熄滅的方法及裝置,導(dǎo)弧角2是根據(jù)回路電動力原理設(shè)置的，用來引導(dǎo)電弧很快離開觸頭且按一定方向運動，以保護(hù)觸頭接觸面免受電弧的燒傷。由于磁吹線圈與電路的連接方式不同而形成串激線圈和并激線圈之分。

18、上述所介紹的這種磁吹線圈和觸頭相串聯(lián)的激磁方法稱為串激法。它的優(yōu)點是：電流流向改變但磁吹力方向不變，即磁吹方向不隨電流極性的改變而改變。具有這種磁吹的電器稱為“無極性電器”。同時因為是串激，通過磁吹線圈的電流與弧電流相同，因此弧電流越大則滅弧效力就越強；反之弧電流小時，滅弧效力就弱。,電弧熄滅的方法及裝置,,在熄滅直流電弧時，外加磁場除了串激法外，還有并激法和它激法。它們的工作原理相同。并激法的磁吹線圈不是和負(fù)載回路串聯(lián)，而是直接跨接

19、在電源上。它的優(yōu)點是，可產(chǎn)生一個與回路電流無關(guān)的恒定磁場。這樣，在一定的恒定磁場下，不論開斷大電流或小電流，都可使電弧很快熄滅。但是由此產(chǎn)生的缺點是使電器的接線帶有極性，即當(dāng)觸頭上電流反向時，必須同時改變并激線圈的極性，否則磁吹力就會反向，所以使用中不太方便。,電弧熄滅的方法及裝置,二、滅弧罩 滅弧罩是讓電弧與固體介質(zhì)相接觸，降低電弧溫度，從而加速電弧熄滅的比較常用的裝置。其結(jié)構(gòu)型式是多種多樣的，但其基本構(gòu)成單元為“縫”。我

20、們將滅弧罩壁與壁之間構(gòu)成的間隙稱作“縫”。根據(jù)縫的數(shù)量可分為單縫和多縫。根據(jù)縫的寬度與電弧直徑之比可分為窄縫與寬縫?？p的寬度小于電弧直徑的稱窄縫，反之，大于電弧直徑的稱寬縫。根據(jù)縫的軸線與電弧軸線間的相對位置關(guān)系可分為縱縫與橫縫?？p的軸線和電弧軸線相平行的稱為縱縫，兩者相垂直的則稱為橫縫。,電弧熄滅的方法及裝置,1．縱縫滅弧罩 圖3-4所示為一縱向窄縫的滅弧情況，當(dāng)電弧受力被拉入窄縫后，電弧與縫壁能緊密接觸。在繼續(xù)受力情況下

21、，電弧在移動過程中能不斷改變與縫壁接觸的部位，因而冷卻效果好，對熄弧有利。但是在頻繁開斷電流時，縫內(nèi)殘余的游離氣體不易排出，這對熄弧不利。所以此種形式適用于操作頻率不高的場合。,電弧熄滅的方法及裝置,圖3-4所示為一縱向窄縫的滅弧情況，當(dāng)電弧受力被拉入窄縫后，電弧與縫壁能緊密接觸。,圖3-4　縱向窄縫式滅弧罩,電弧熄滅的方法及裝置,圖3-4所示為一縱向?qū)捒p的滅弧情況，寬縫滅弧罩的特點與窄縫的正好相反，冷卻效果差，但排出殘余游離氣體的性能

22、好。圖3-4中所示情況是將一寬縫中又設(shè)置了若干絕緣隔板，這樣就形成了縱向多縫。電弧進(jìn)入滅弧罩后，被隔板分成兩個直徑較原來小的電弧，并和縫壁接觸而冷卻，冷卻效果加強，熄弧性能提高。此外，由于縫較寬，熄弧后殘存的游離氣體容易排出，所以這種結(jié)構(gòu)型式適用于較頻繁開斷的場合。,電弧熄滅的方法及裝置,圖3-5縱向?qū)捒p式滅弧罩,圖3-6縱向曲縫式滅弧罩,電弧熄滅的方法及裝置,圖3-5所示為縱向曲縫式滅弧罩的滅弧情況?？v向曲縫式又稱迷宮式，它的縫壁制成

23、凹凸相間的齒狀，上下齒相互錯開。同時，在電弧進(jìn)入處齒長較短，愈往深處，齒長愈長。當(dāng)電弧受到外力作用從下向上進(jìn)入滅弧罩的過程中，它不僅與縫壁接觸面積越來越大，而且長度也愈來愈長。這就加強了冷卻作用，具有很強的滅弧能力。但是，也正因為縫隙愈往深處愈小，電弧在縫內(nèi)運動時受到的阻力愈來愈大。所以，這種結(jié)構(gòu)的滅弧罩，一定要配合以較大的讓電弧運動的力。否則，其滅弧效果反而不好。,電弧熄滅的方法及裝置,2．橫縫滅弧罩 為了加強冷卻效果，橫

24、縫滅弧罩往往以多縫的結(jié)構(gòu)型式使用，也就是稱為橫向絕緣柵片，如圖3-6所示。當(dāng)電弧進(jìn)入滅弧罩后，受到絕緣柵片的阻擋，電弧在外力作用下便發(fā)生彎曲，從而拉長了電弧，并加強了冷卻。為了分析電弧與絕緣柵片接觸時的情況，以圖3-7來放大說明：設(shè)磁通方向為垂直向里，電弧AB、BC和CD段所受的電動力都使電弧壓向絕緣棚片頂部，而DE段所受的電動力使電弧拉長，CD段和EF段相互作用產(chǎn)生斥力。這樣一些力的作用，使電弧拉長并與縫壁接觸面增大而且緊密，所以能收

25、到比較好的滅弧效果。,電弧熄滅的方法及裝置,由于滅弧罩要受電弧高溫的作用，所以對滅弧罩的材料也有一定的要求，如：受電弧高溫作用不會因熱變形、絕緣性能不能下降，機械強度好且易加工制造等。滅弧罩材料過去廣泛采用石棉水泥和陶土材料?，F(xiàn)在逐漸改為采用耐弧陶瓷和耐弧塑料，它們在耐弧性能與機械強度方面都有所提高。,圖3-6　橫向絕緣柵片式滅弧罩1－滅弧罩；2－電弧。,電弧熄滅的方法及裝置,三、油冷滅弧裝置 油冷滅弧是將電弧置于液體介質(zhì)

26、(一般為變壓器油)中，電弧將油汽化、分解而形成油氣。油氣中主要成分是氫，在油中以氣泡的形式包圍電弧。氫氣具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)，這就使電弧的熱量容易散發(fā)。另外，由于存在著溫度差，所以氣泡產(chǎn)生運動，又進(jìn)一步加強了電弧的冷卻。若再要提高其滅弧效果，可在油箱中加設(shè)一定機構(gòu)，使電弧定向發(fā)生運動，這就是油吹滅弧。由于電弧在油中滅弧能力比大氣中拉長電弧大得多，所以這種方法一般用于高壓電器中，如油開關(guān)。,電弧熄滅的方法及裝置,四、氣吹滅弧裝置

27、 氣吹滅弧是利用壓縮空氣來熄滅電弧的。壓縮空氣作用于電弧，可以很好地冷卻電弧、提高電弧區(qū)的壓力、很快帶走殘余的游離氣體，所以有較高的滅弧性能。按照氣流吹弧的方向，它可以分為橫吹和縱吹兩類。橫吹滅弧裝置的絕緣件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電流小時橫吹過強會引起很高的過電壓，故已被淘汰。,電弧熄滅的方法及裝置,圖3-7表示了縱吹(徑向吹)的一種形式。壓縮空氣沿電弧徑向吹入，然后通過動觸頭的噴口、內(nèi)孔向大氣排出，電弧的弧根能很快被吹離觸頭表面，因而觸頭接觸表面

28、不易燒損。因為壓縮空氣的壓力與電弧本身無關(guān)，所以使用氣吹滅弧時要注意熄滅小電流電弧時容易引起過電壓。,,圖3-7氣吹滅弧裝置1－動觸頭；2－滅弧室瓷罩；3－靜觸頭；4－壓縮空氣；5－電弧。,電弧熄滅的方法及裝置,,圖3-8　橫向金屬柵片滅弧罩結(jié)構(gòu)、原理示意圖（a）電弧在橫向金屬柵中狀況；（b）橫向金屬柵對電弧的作用；（c）橫向金屬柵滅弧原理。1－入柵片前的電?。?－金屬柵；3－入柵片后的電弧。,電弧熄滅的方法及裝置,五、橫向金屬柵

29、片滅弧 橫向金屬柵片又稱去離子?xùn)牛玫氖嵌袒缁≡?。用磁性材料的金屬片置于電弧中，將電弧分成若干短弧，利用交流電弧的近陰極效應(yīng)和直流電弧的近極壓降來達(dá)到熄滅電弧的目的。 橫向金屬柵片滅弧情況如圖3-7所示。柵片的材料一般采用鐵。當(dāng)電弧靠近鐵柵片時，由于鐵片為磁性材料，所以柵片本身就具有一個把電弧拉入柵片的磁場力（當(dāng)電弧移近金屬柵的上沿時，鐵柵片又具有把電弧拉回的特性，可防止電弧逸出柵外，燒損它物）。,敬請指