电弧的产生危害及消除措施

电弧的产生、危害及消除措施 电弧的产生、危害及消除措施一?电弧的产生 当断路器开断电路时?只要电路中电压大于 10)2OV。 电流大 于 80)100mA。动、静触头间就会出现电弧。此时触头虽已 分开?但是电流通过触头间的电弧继续流通?一直到触头分 开到足够的距离?电弧熄灭后?电路才开断?因此?电弧是高 压断路器开断过程中产生的现象。开关触头分离时?触 头间距离很小?电场强度 E 很高(E = U/d)。当电场强度超过 一定数值时?阴极表面的电子就会被电场力拉出而形成触头 空间的自由电子。从阴极表面发射出来的自由电子和 触头间原有的少数电子?在电场力的作用下向阳极作加速运 动?途中不断地和中性质点相碰撞。只要电子的运动速度 v 足够高?电子的动能 A = 2mv 足够大?就可能从中性质子中 打出电子?形成自由电子和正离子。这种现象称为碰撞游离。 新形成的自由电子也向阳极作加速运动?同样地会与中性质 点碰撞而发生游离。碰撞游离连续进行的结果是触头间充满 了电子和正离子?具有很大的电导(在外加电压下?介质被击 穿而产生电弧?电路再次被导通。当高压断路器开断高 压有载电路时之所以产生电弧?原因在于触头本身及其周围 的介质中含有大量可被游离的电子。当分断的触头间存在足 够大的外施电压条件下?电路电流也达到最小生弧电流时? 会因强烈的游离而产生电弧。电弧的形成是触头间中性质子 (分子和原子)被游离的过程。这种有强烈的声、光和热 效尖的弧光放电?就是电弧的形成过程。所以?电弧实质上就 是一种能导电的电子、离子流?其中还包括燃烧着的铜分子 流。二?电弧的特性电孤是一种气体放电现象?电 弧放电现象的主要特性如下。1.电孤是种能量集中、温 度高、亮度大的气体放电现象。如前所述?10kV 少油断路器 开断 20KA 时?电弧功率高达一万千瓦已上。这样大的能量 在很短的时间内几乎全部变成热能?造成电弧及其附近区域 强烈物理、化学变化。2.电弧由三部分组成?阴极区、 阳级区和弧柱区。在电弧的阴极和阳极区?温度常超过金属 气化点?弧柱是在阳极、阴极之间明亮的光柱?弧柱中心温度 可高达七干度?弧柱的直径很小?一般只有几毫米到几个厘 米。在弧柱周围温度较低?亮度明显减弱的部分称为孤焰?电 流几乎都在弧柱内流通。 1/4 页3.电弧是一种自持放电 现象。只要很低的电压就能维持电弧稳定燃烧而不熄灭。如 大气中一厘米的直流电狐的维持电压只有 15--30V?在变压 器油中也不过 100--2OOV。4.电弧是一束游离的气体? 质量极轻?容易变形。在外力作用下。如气体、液体的流动 作用?以及在电动力的作用下?电弧能迅速移动、伸长及卷曲? 对敞露在大气中的电弧尤其明显。5.电弧是高温高导电 率的游离气体。触头间电弧燃烧的间隙称为弧隙。电 弧形成后?弧隙间的高温使阴极表面的电子获得足电弧 中心部分维持的温度可够的能量而向外发射?形成热电场发 射。同时在高温的作用下(达 10000?以上)?气体中性质 点的不规则热运动速度增加。当具有足够动能的中性质点相 互碰撞时?将被游离而形成电子和正离子?这种现象称为热 游离。随着触头分开的距离增大?触头间的电场强度 E 逐渐 减小?这时电弧的燃烧主要是依靠热游离维持的。在开 关电器的触头间?发生游离过程的同时?还发生着使带电质 点减少的去游离过程。 工业配电系统主要是交流系统?所以 电弧也主要是交流电弧?其性质是半个周期要经过零值一次 ? 而电流过零时?电弧要暂时熄灭。因此?大多数交流开关电器 的灭弧方法中?都利用了交流电流过零时电弧暂时熄灭这一 特性。电弧是由 3 部分组成?即弧柱区、阴极区和阳极 区。1、弧柱区弧柱区呈电中性?它是由分子、原 子、受激的原子、正离子、负离子及电子所组成?其中带正 电荷的离子与带负电荷的离子几乎相等?所以又称为等离子 体。带电的粒子在等离子体定向移动?基本上不消耗能量?所 以才能够在低电压条件下?传输大电流。传输电流的主要带 电粒子是电子?大约占带电粒子总数的 99.9%?其余为正离 子。因为阴极区和阳极区的长度极短?所以可以认为弧 柱区长度为电弧长度。弧柱区的电场强度较低?通常只有 5)10V/cm。2、阴极区阴极被认为是电子之源。 它向弧柱提供 99.9%的带电粒子~电子?。 阴极发射电子的能 力?对电弧稳定性影响极大。阴极区的长度为 10-5)10-6cm? 如果阴极压降为 10V?则阴极区的电场强度为 106)107V/cm。 3、阳极区阳极区主要是接受电子?但还应向弧柱提供 0.1%的带电粒子~正离子?。通常阳极区的长度为 10-2)10-3cm?则阳极区的电场强度为 103)104V/cm。 由于阳 极材料和焊接电流对 2/4 页阳极区压降影响很大?它可 以在 0)10V 之间变化。 例如当电流密度较大?阳极温度很高? 使阳极材料发生蒸发时?阳极压降将降低?甚至到 0V。 三?电弧的危害它不仅对触头有很大的破坏作用?而且 使断开电路的时间延长。在低压设备?开关设备中?故障电弧 会在 10ms 内将温度升高到 13000k?同时在约 15ms 内将压 力上升到约 2×105pa~3×105pa。设备内的零部件如门在这 样的高压力作用下会脱离它们的固定机构并被掀开。高温还 在设备内产生熔化和蒸发过程。结果产生毒气?毒气又在压 力作用下向外排出。这样对附近的工作人员就有生命的危险。 工作人员吸入毒气造成死亡的例子不少。更多的情况是烧伤 皮肤和使人目眩。除了人身伤害外?还有设备的损坏? 如建筑内的设备?开关设备和二次部分部分或全部地被破坏。 即使破坏过程结束了?用户还要承受长时停产及高昂的事故 费用。 四.电弧的消除1?速拉灭弧当交流电流经 过零值的瞬间?拉大触头间距离?当触头间所加电压不足以 击穿其间距时?电弧就不会重新点燃。触头的分离速度越快? 电弧熄灭就越快?通常在高压断路器中装设强力的跳脱弹簧 来加快触头分开的速度。2?吹弧灭弧法a)利用外 力~如气流、油流或电磁力?来吹动电弧?使电弧加速冷却? 同时拉长电弧?降低电弧中的电场强度?加速电弧的熄灭?按 吹弧的方向来分?有横吹和纵吹两种。 b)当低压刀开关迅速 拉开刀阐时?不仅迅速拉长了电弧?同时使本身回路电流产 生的电动力作用于电弧?吹动电弧?使其拉长电弧直到电弧 熄灭。c)如果开关利用专门吹弧线圈来吹动电弧?使电 弧移动?电弧移动的力实际上是电弧电流在线圈磁场中产生 的电动力。d)也有的开关利用铁磁物质~钢片等??来吸 动电弧。3?冷却灭弧法降低电弧的温度?使正负 离子的复合增强?有助于电弧迅速熄灭?这是一种基本的灭 弧方法。4?短弧灭弧法利用金属片将长弧切成 若干短弧?则电弧上的压降将近似地增大若干倍。当外施电 压小于电弧上的压降时?则电弧就不能维持而迅速熄灭。通 常采用钢灭弧栅?让电弧进入钢片?3/4 页一是利用了电 动力吹弧?二是利用了铁磁吸弧?同时钢片对电弧还有冷却 作用。 5?狭缝灭弧法电弧在固体介质所形成的窄沟 内燃烧?将电弧冷却?同时电弧在狭缝窄沟中燃烧?压力增大? 有利于电弧的熄灭。有的熔丝在熔管内充填石英砂?就是利 用这种狭沟灭弧原理?还有一种用耐弧的绝缘材料~陶瓷类? 制成灭