硅谷网：揭秘开关电器电弧是如何产生熄灭的？ |
| 2013-12-09 16:16 作者：张月华 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网讯 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、由绝缘变为导通的过程。电弧形成后，由电源不断地输送能量，维持它燃烧，并产生很高的高温。电弧燃烧时，中心区温度可达到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甚至有爆炸的可能，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，虽然电器触头已经分开，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，使此处电子获得动能发射出来。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
电弧达到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过程。去游离的主要方式是复合与扩散：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，最终导致电弧熄灭。
2.3交流电弧的熄灭
交流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，热游离强度下降，这有利于交流电弧的熄灭（直流电弧相对困难些）。但是，也应该看到，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，弧隙温度仍然很高，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，应充分利用交流电流的自然过零点，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开关电器中熄灭交流电弧的基本方法
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，还可以采用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用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应用最广。用弧区以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；使弧柱温度迅速下降，阻止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降；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降，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。低压开关中广泛采用灭弧栅装置，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之中，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制成的灭弧罩和磁吹装置构成。触头间产生电弧以后，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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