2020-06-22 21:46:10

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在有触点电器中,触头接通和分断电流的过程往往伴随着电弧的产生及熄灭。电弧是一种气体放电现象,对电器具有一定的危害。通过对电弧现象的介绍,分析其产生和熄灭的原因,介绍电器常用的灭弧方法及装置,以解决电弧在电器中的影响。

基本信息

  • 中文名

    灭弧

  • 外文名

     arc extinction

  • 含义

    消除电火花

  • 应用

    真空灭弧器

折叠 编辑本段 电弧现象

电弧是气体放电的一种形式。气体放电分为自持放电与非自持放电两类,电弧属于气体自持放电中的弧光放电。试验证明,当在大气中开断或闭合电压超过10V、电流超过0.5A的电路时,在触头间隙(或称弧隙)中会产生一团温度极高、亮度极强并能导电的气体,称为电弧。由于电弧的高温及强光,它可以广泛应用于焊接、熔炼、化学合成、强光源及空间技术等方面。对于有触点电器而言,由于电弧主要产生于触头断开电路时,高温将烧损触头及绝缘,严重情况下甚至引起相间短路、电器爆炸,从而酿成火灾、危及人员及设备的安全。

若借助一定的仪器仔细观察电弧,可以发现,除两个极(触头)外,明显的分为三个区域,即近阴极区、近阳极区及弧柱区,如下图所示。

近阴极区的长度约等于电子的平均自由行程(小于10m)。在电场力的作用下正离子向阴极运动,造成此区域内聚集着大量的正离子而形成正的空间电荷层,使阴极附近形成高电场强度(约为10~10V/m)。正的空间电荷层形成阴极压降,其数值随阴极材料和气体介质的不同而有所变化,但变化不大,约在10~20V之间。

近阳极区的长度约等于近阴极区的几倍。在电场力的作用下自由电子向阳极运动,它们聚集在阳极附近且不断被阳极吸收而形成电流。在此区域内聚集着大量的电子形成负的空间电荷层,产生阳极压降,其值也随阳极材料而异,但变化不大,稍小于阴极压降。由于近阳极区的长度比近阴极区的长,故其电场强度较小。

阴极压降与阳极压降的数值几乎与电流大小无关,在材料及介质确定后可以认为是常数。

弧柱区的长度几乎与两电极间的距离相同。是电弧中温度最高、亮度最强的区域。因在自由状态下近似圆柱形,故称弧柱区。在此区中正、负电粒子数相同,称等离子区。由于不存在空间电荷,整个弧区的特性类似于一金属导体。每单位弧柱长度电压降相等。其电位梯度臣也为一常数,电位梯度与电极材料、电流大小、气体介质种类和气压等因素有关。

触头开断电路时,产生电弧的原因主要有阴极热发射电子、阴极冷发射电子、碰撞游离和热游离等。

折叠 编辑本段 电弧熄灭方法

折叠 拉长电弧

电弧拉长以后,电弧电压将会增大,从而改变电弧的伏安特性。在直流电弧中,其静伏安特性上移,电弧可以熄灭;在交流电弧中,由于燃弧电压的提高,电弧重燃困难。

电弧的拉长可以沿电弧的轴向(纵向)拉长,也可以沿垂直于电弧轴向(横向)拉长,如下图所示。

折叠 灭弧罩

灭弧罩是让电弧与固体介质相接触以降低电弧温度,从而加速电弧熄灭的比较常用的装置。灭弧罩的结构形式多种多样,但其基本构成单元为"缝"。我们将灭弧罩壁与壁之间构成的间隙称作"缝"。根据缝的数量可分为单缝和多缝。根据缝的宽度与电弧直径之比可分为窄缝与宽缝。缝的宽度小于电弧直径的称窄缝,大于电弧直径的称宽缝。根据缝的轴线与电弧轴线间的相对位置关系可分为纵缝与横缝。缝的轴线和电弧轴线相平行的称为纵缝,两者相垂直的则称为横缝。

折叠 油冷灭弧装置

油冷灭弧是将电弧置于液体介质(一般为变压器油)中,电弧将油气化、分解而形成油气。油气中主要成分是氢,在油中以气泡的形式包围电弧。氢气具有很高的导热系数,这就使电弧的热量容易散发。另外,由于存在着温度差,所以气泡产生运动,又进一步加强了电弧的冷却。若要再提高其灭弧效果,可在油箱中加设一定机构,使电弧定向发生运动,这就是油吹灭弧。由于油中的灭弧能力比大气中灭弧能力强得多,所以这种方法一般用于高压电器中,如油开关。

折叠 气吹灭弧装置

气吹灭弧是利用压缩空气来熄灭电弧的。压缩空气作用于电弧,可以很好地冷却电弧、提高电弧区的压力、很快带走残余的游离气体,所以有较高的灭弧性能。按照气流吹弧的方向,它可以分为横吹和纵吹两类。横吹灭弧装置的绝缘件结构复杂,电流小时横吹过强会引起很高的过电压,故已被淘汰。下图表示了纵吹(径向吹)的一种形式。压缩空气沿电弧径向吹入,然后通过动触头的喷口、内孔向大气排出,电弧的弧根能很快被吹离触头表面因而触头接触表面不易烧损。因为压缩空气的压力与电弧本身无关,所以使用气吹灭弧时要注意熄灭小电流电弧时容易引起过电压。由于气吹灭弧的灭弧能力较强,故一般运用在高压电器中,如韶山系列电力机车的空气断路器(主断路器)。

折叠 横向金属栅片灭弧

横向金属栅片又称去离子栅,它利用的是短弧灭弧原理。它使用磁性材料的金属片置于电弧中,将电弧分成若干短弧,利用交流电弧的近阴极效应和直流电弧的近极压降来达到熄灭电弧的目的。

横向金属栅片灭弧情况如下图所示。栅片的材料一般采用铁,当电弧靠近铁栅片时,由于铁片为磁性材料,所以栅片本身就具有一个把电弧拉入栅片的磁场力(当电弧移近金属栅的上沿时,铁栅片又具有把电弧拉回的特性,可防止电弧逸出栅外烧损其他物件)。当电弧被这个磁场力或外力作用刚进入铁片栅中时,由于磁阻较大,铁片栅对电弧的吸力不大。为了减小电弧刚进入铁栅片时的空气阻力,铁栅片作成楔口并交叉装配,如下图(b)所示,即只让电弧先进入一半铁片栅中以增大最初接触电弧的铁片片距。随着电弧继续进入铁片栅中,磁阻减小,铁片对电弧的拉力增大,足以使电弧进入所有的铁片栅中。电弧进入栅片后分成许多串联短弧,电流回路产生作用于各短弧上的电动力使短弧继续发生运动。此时应注意使短弧被拉回向触头方向运动的力,它会使电弧重燃并烧损触头。为了消除这种现象,可以采用凹形栅片和O形栅片。铁栅片在使用时一般外表面要镀上一层铜,以增大传热能力和防止铁片生锈。

折叠 真空灭弧装置

真空灭弧是使触头电弧的产生和熄灭在真空中进行,它是依据零点熄弧原理,以真空为熄弧介质工作的。

在真空中气体很稀薄,电子的自由行程远大于触头间的距离。当真空度为10-5mm汞柱时,电子的自由行程长达43m。自由电子在弧隙中作定向运动时几乎不会和气体分子或原子相碰撞,不会产生碰撞游离。所以将触头置于真空中断开时产生的电弧是由于阴极发射电子和产生的金属蒸气被电离而形成的。当电弧电流接近零时,阴极发射的电子和金属蒸气减少,弧隙中残留的金属蒸气和等离子体向周围真空迅速扩散。这样,弧隙可以在数微秒之内由导电状态恢复到真空间隙的绝缘水平。因此,在真空中触头有很高的介质恢复速度、绝缘能力和分断电流的能力。

真空电弧按其电流的大小可分为扩散弧和收缩弧两种。扩散弧的电流较小(几百至几千安培),此时电弧分裂为许多并联的支弧。每~支弧有自己的阴极斑点和弧柱,阴极斑点互相排斥且均匀分布在阴极上。在电磁场的作用下阴极斑点不断地沿左旋方向运动,触头表面的平均温度较低且分布均匀。阳极此时不存在阳极斑点,阴极斑点既发射电子又产生金属蒸气。当电流接近于零值时,最终只剩下一个斑点,电流过零时,电弧自行熄灭。当扩散弧的电流增加到足够大时,阴极斑点相互聚成一团,运动速度很小甚至不再运动:阴极表面不但产生大量的金属蒸气,而且有一部分金属直接以颗粒或液滴的形式向弧隙喷射。阳极此时也出现炽热的阳极斑点且蒸发和喷射一定数量的金属,触头的电磨损迅速增加。当真空灭弧装置中出现收缩弧后,就不能再开断电路。电弧由扩散弧转变为收缩弧的电流,也就是该真空灭弧装置的极限开断电流,它随触头材料和直径大小的不同而不同。

在开断交流电路时,当被开断的电流减小到某一数值时,扩散弧会发生被称为截流的电流突然被截断的现象。这样,在开断感性负载电流时,弧隙上将产生很高的过电压,这是使用真空灭弧装置应注意的问题。

折叠 编辑本段 真空灭弧灭弧室的基本结构

真空灭弧室的基本结构如图上图所示。外壳4是用玻璃、陶瓷或微晶玻璃等无机绝缘材料做成的,呈圆筒形状,两端用金属盖板封接组成一个密封容器。外壳内部有一对触头5,其中静触头匿定在静导电杆1的端头,动触头固定在动导电杆7的端头。动导电杆通过波纹管6和金属盖板的中心孔伸出真空灭弧室外。动导电杆在中部与波裂管的一个端口焊在一起。波纹管的另一个端口与金属盖板焊接。波纹管是一种弹性元件,侧壁呈波浪状的金属管,它可以纵向伸缩。由于在动导电杆和金属盖板之间引入了一个波纹管,真空灭弧室的外壳就被完全密封,动导电杆可以前后移动,但不会破坏外壳的密封性。真空灭弧室内部的气压应低于10Pa,一般为10Pa左右,因而动触头和静触头始终是处在高真空状态下。在触头和波纹管周围都设有屏蔽罩,触头周围的屏蔽罩3称做主屏蔽罩由瓷柱2支撑,波纹管周围的屏蔽罩称做辅助屏蔽罩或波纹管屏蔽罩。

如果真空开关接入如下图所示的电路,当操动机构使动导电杆向上运动时,动触头和静触头就会闭合,电源与负载接通,电流就流过负载。反之,动导电杆作反方向向下运动时,动触头就会分离,在刚分离的瞬筒,触头之间将立刻产生真空电弧,真空电弧是依靠触头上蒸发出来的金属蒸汽来维持的,直到工频交流电流接近零时,金属蒸汽将接近停止蒸发,同时加上真空电弧的等离子体很快向四周扩散,电弧就被熄灭,触头间隙很快地变为绝缘体,于是电流就被分断。

真空灭弧室按用途可以分为断路器用、负荷开关用、接触器用和特殊用途等分类。断路器用的真空灭弧室要求具有开断短路电流的能力,用于电路和电气设备的过载和短路保护,一般不经常操作,短路电流的开断次数可达30~100次。

负荷开关用的真空灭弧室只要求开断负荷电流,即开断额定工作电流。它常与熔断器配套组合,由熔断器作短路保护。在负载情况下的开断次数为200~300次。

接触器用的真空灭弧室要求在一定负荷电流下能作频繁操作,它的操作次数可达到50万次到100万次,甚至更多。也常和熔断器串联配套使用。

特殊用的真空灭弧室是指在特定条件下运行的真空灭弧室。例如,托克马克(Tokmak)设备上用的真空开关,它要求真空灭弧室既具有开断接近短路电流的能力,同时又能作频繁的操作。这些要求无疑是十分苛刻的,但对真空灭弧室来说,经过严密的设计也能满意地达到预期的目标。其它如开断高压直流用的真空灭弧室、触发点火用的真空灭弧室和切断高频电流用的真空灭弧室等等。

真空灭弧室按不同的触头结构,可分为平板形触头结构、产生横向磁场的触头结构、产生纵向磁场的触头结构、纵横磁场相结合的触头结构(又称作杯状触头结构)和其它特殊型式的触头结构等。

真空灭弧室按绝缘外壳材料不同可分作,玻璃外壳真空灭弧室(绝缘外壳用玻璃制成)、陶瓷外壳真空灭弧室(绝缘外壳用陶瓷制成)和微晶玻璃外壳真空灭弧室(绝缘外壳用微晶玻璃制成)。

折叠 编辑本段 灭弧系统故障原理及处理

灭弧罩是让电弧与固体介质相接触以降低电弧温度,从而加速电弧熄灭的比较常用的装置。灭弧罩的结构形式多种多样,但其基本构成单元为"缝"。我们将灭弧罩壁与壁之间构成的间隙称作"缝"。根据缝的数量可分为单缝和多缝。根据缝的宽度与电弧直径之比可分为窄

灭弧装置是开关的重要组成部分,尤其是对断路器、熔断器等显得更加重要。

开关的灭弧方式很多,主要有:

  1. 采用压缩弹簧,使开关高速断开。
  2. 利用空气或某些气体吹弧,使电弧迅速冷却和拉长。
  3. 使电弧与固定介质接触,使电弧拉长并迅速冷却,如绝缘灭弧栅就属于这种。
  4. 将电弧分成若干段,以利熄弧,如金属弧栅等。
  5. 将触头置于绝缘油中,使电弧迅速冷却。

如果开关不能正常灭弧,将导致开关损坏,进而使电气装置发生更大的故障。灭弧系统故障的主要原因如下所述:

1.灭弧罩受潮

灭弧罩通常由石棉水泥板或纤维板制成,容易受潮。受潮以后,绝缘性能降低,电弧不能被拉长。同时,电弧燃烧时,在电弧高温作用下使灭弧罩内水分汽化,造成灭弧罩上部空间压力增大,阻止了电弧进人灭弧罩,延长灭弧时间。对于这种故障比较易于判断。正常时,电弧喷射范围很大,并且听到软弱无力的"卜、卜''声;若发生触头烧毛严重、有灭弧罩烧焦等现象,就说明灭弧罩已经受潮。这时,只要将灭弧罩烘干即可。

2.灭弧罩炭化 灭弧罩在高温作用下,其表面被烧焦,形成一种炭质的导电桥,对灭弧很不利,应及时处理。处理的方法可用细锉轻轻锉掉,但不能增加粗糙度,因为毛糙的表面会增大电弧的阻力。

3.磁吹线圈短路为了将电弧引入灭弧罩中,一些开关采用磁吹线圈。这种线圈一般采用空气绝缘,不另外增加绝缘材料。如果线圈受到碰撞变形、导电灰尘积聚太多,就会出现线圈短路或匝间短路,使线圈不能工作,降低了开关的灭弧性能。

4.灭孤栅片损坏 金属灭弧栅片脱落、锈蚀将使电弧不能顺利拉人栅片中,影响灭弧效果,因此应及时修补。灭弧栅片外表看似铜质,其实绝大部分是钢质的,仅表面镀了一层铜。损坏的栅片可用普通白铁片代替。

5.灭弧触头的故障 灭弧触头起招引电弧的作用,是保护主触头的。它的基本工作程序是:先于工作触头闭合,后于工作触头打开。如果磨损严重或装配不合理,将失去其作用,因此,应定期检查调整。

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