断路器电弧产生及熄灭的办法

(1)电弧产生的条件:电源电压大于10~20V,电流大于80~100mA,动静触头分离瞬间,触头间产生电弧。

  触头分开后,电路中有电流,电弧导电,电弧中有大量自由电子。图片

(2)电弧的危害

电弧的温度很高,可达5000~7000度以上,常超过金属的汽化点,可能烧坏开关电器的金属触头。

烧坏开关电器的绝缘。如,烧坏瓷绝缘的表面,或者使有机绝缘材料炭化,以致失去绝缘性能。 

若电弧长时间不熄灭,不仅烧坏开关电器,而且造成系统事故,威胁电力系统安全运行。

特点:

 在交流电路中,电流瞬时值随时间变化,因而电弧的温度、直径以及电弧电压也随时间变化,电弧的这种特性称为动特性。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程,跟不上快速变化的电流,所以电弧温度的变化总滞后于电流的变化,这种现象称为电弧的热惯性。 

经过对图2-2的分析,可见交流电弧在交流电流自然过零时将自动熄灭,但在下半周随着电压的增高,电弧又重燃。如果电弧过零后,电弧不发生重燃,电弧就此熄灭。图片

   过零自然熄灭

   动态伏安特性图片

交流电弧的熄灭条件:图片

弧隙介质强度:弧隙介质能够承受外加电压作用而不致使弧隙击穿的电压称为弧隙的介质强度。当电弧电流过零时电弧熄灭,而弧隙的介质强度要恢复到正常状态值还需一定的时间,此恢复过程称之为弧隙介质强度的恢复过程,用耐受电压Ud(t)表示。

    –由灭弧装置的结构和灭弧介质的性质决定 图片

弧隙电源电压- 电流过零前,弧隙电压呈马鞍形变化,电压值很低,电源电压的绝大部分降落在线路和负载阻抗上。电流过零时,弧隙电压正处于马鞍形的后蜂值处。电流过零后,弧隙电压从后蜂值逐渐增长,一直恢复到电源电压,这一过程中的弧隙电压称为恢复电压,用恢复电压Ur(t)表示。  

      -与线路参数、负荷性质等有关图片

1、提高触头的分闸速度

 熄灭交流电弧的关键在于电弧电流过零后,弧隙的介质强度的恢复过程能否始终大于弧隙电压的恢复过程。为了加强冷却,抑制热游离,增强去游离,在开关电器中装设专用的灭弧装置或使用特殊的灭弧介质,以提高开关的灭弧能力。

迅速拉长电弧,有利于迅速减小弧柱中的电位梯度,增加电弧与周围介质的接触面积,加强冷却和扩散的作用。因此,现代高压开关中都采取了迅速拉长电弧的措施灭弧,如采用强力分闸弹簧,其分闸速度已达16m/s以上。

2  采用多断口

    每一相有两个或多个断口相串联。在熄弧时,多断口把电弧分割成多个相串联的小电弧段。多断口使电弧的总长度加长,导致弧隙的电阻增加;在触头行程、分闸速度相同的情况下,电弧被拉长的速度成倍增加,使弧隙电阻加速增大,提高了介质强度的恢复速度,缩短了灭弧时间。

       采用多断口时,加在每一断口上的电压成倍减少,降低了弧隙的恢复电压,亦有利于熄灭电弧。在要求将电弧拉到同样的长度时,采用多断口结构成倍减小了触头行程,也就减小了开关电器的尺寸。如下图所示: 图片

3  吹弧  

用新鲜而且低温的介质吹拂电弧时,可以将带电质点吹到弧隙以外,加强了扩散,由于电弧被拉长变细,使弧隙的电导下降。吹弧还使电弧的温度下降,热游离减弱,复合加快。按吹弧气流的产生方法和吹弧方向的不同,吹弧可分为以下几种。

 3.1   吹弧气流产生的方法 

(1)用油气吹弧

用油气作吹弧介质的断路器称为油断路器。在这种断路器中,有用专用材料制成的灭弧室,其中充满了绝缘油。当断路器触头分离产生电弧后,电弧的高温使一部分绝缘油迅速分解为氢气、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳等气体,其中氢的灭弧能力是空气的7.5倍。这些油气体在灭弧室中积蓄能量,一旦打开吹口,即形成高压气流吹弧。

(2)用压缩空气或六氟化硫气体吹弧

 将20个左右大气压的压缩空气或5个大气压左右的六氟化硫气体(SF6)先储存在专门的储气罐中,断路器分闸时产生电弧,随后打开喷口,用具有一定压力的气体吹弧。

(3)产气管吹弧

       产气管由纤维、塑料等有机固体材料制成,电弧燃烧时与管的内壁紧密接触,在高温作用下,一部分管壁材料迅速分解为氢气、二氧化碳等,这些气体在管内受热膨胀,增高压力,向管的端部形成吹弧。

3.2   按吹弧的方向分

(1)纵吹

     吹弧的介质(气流或油流)沿电弧方向的吹拂称为纵吹,纵吹能增强弧柱中的带电质点向外扩散,使新鲜介质更好地与炽热电弧接触,加强电弧的冷却,有利于迅速灭弧。

(2)横吹

        横吹时气流或油流的方向与触头运动方向是垂直的,或者说与电弧轴线方向垂直。横吹不但能加强冷却和增强扩散,还能将电弧迅速吹弯吹长。有介质灭弧栅的横吹灭弧室,栅片能更充分地冷却和吸附电弧,加强去游离。在相同的工作条件下,横吹比纵吹效果要好。
图片

(3)纵横吹

       横吹灭弧室在开断小电流时因室内压力太小,开断性能较差。为了改善开断小电流时的灭弧性能,可将纵吹和横吹结合起来。在大电流时主要靠横吹,小电流时主要靠纵吹。图片

4   短弧原理灭弧

       灭弧装置是一个金属栅灭弧罩,利用将电弧分为多个串联的短弧的方法来灭弧。由于受到电磁力的作用,电弧从金属栅片的缺口处被引入金属栅片内,一束长弧就被多个金属片分割成多个串联的短弧。如果所有串联短弧阴极区的起始介质强度或阴极区的电压降的总和永远大于触头间的外施电压,电弧就不再重燃而熄灭。采用缺口铁质栅片,是为了减少电弧进入栅片的阻力,缩短燃弧时间。 图片

4.1   利用固体介质的狭缝狭沟灭弧

灭弧装置的灭弧片是由石棉水泥或陶土制成的。触头间产生电弧后,在磁吹装置产生的磁场作用下,将电弧吹入由灭弧片构成的狭缝中,把电弧迅速拉长的同时,使电弧与灭弧片内壁紧密接触,对电弧的表面进行冷却和吸附,产生强烈的去游离。原理图如图所示。 图片

4.2   用耐高温金属材料作触头、优质灭弧介质

 触头材料对电弧中的去游离也有一定影响,用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属制作触头,可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸汽,从而减弱了游离过程,有利于熄灭电弧。

       灭弧介质的特性,如导热系数、电强度、热游离温度、热容量等,对电弧的游离程度具有很大影响,这些参数值越大,去游离作用就越强。在高压开关中,广泛采用压缩空气、六氟化硫(SF6)气体、真空等作为灭弧介质。

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