第 3 章 电弧及电气触头的基本理论

1. 第3章 电弧及电气触头的基本理论 高压电奇观 电气一次

2. 第3章 电弧及电气触头的基本理论 教学要求：掌握电弧的特征 了解电弧形成的原因及电弧熄灭的基本方法 影响触头电阻的因素。 重 点：电弧熄灭的基本方法。影响触头电阻的因素。 难 点：电弧形成的原因 电气一次

3. §3-1 电弧的形成和熄灭 电气一次

4. §3-1 电弧的形成和熄灭 3.1.１电弧的形成：大量带电质点在电场力的作用定向运动 • １、电弧产生的条件： • 断开电路时，触头间电压大于10～20V；电流大于80～100mA • 2、带电质点的来源： • 　①电极发射大量自由电子 • 强电场发射——强电场力 • 热电子发射——高温 • 　②电极间弧柱气体游，产生大量的电子和离子 • 碰撞游离——电场力的作用，由高速运动的电子作用产生 • 热游离——高温（起弧），由中性质点热运动碰撞产生 电气一次

5. §3-1 电弧的形成和熄灭 3、电弧的形成： • 阴极发射（起因）→碰撞游离（重要因素）→击穿（量变到质变）→热游离（主要因素）→维持发展 电气一次

6. §3-1 电弧的形成和熄灭 4、电弧的特点： • 电弧的放电现象是一种气体自持放电。 • 电弧是一种离子通道（载流通道）：只有触头间的电弧熄灭后，电流才真正切断。 • 电弧的温度很高、能量大：容易烧坏触头，或使触头周围的绝缘材料遭受破坏。 • 电弧燃烧时间过长，压力过高，有可能使电器发生爆炸事故。 • 质量轻，在外力的作用下易变形 电气一次

7. §3-1 电弧的形成和熄灭 3.1.2 电弧的熄灭：带电质点不断消失 • 关键是加强去游离作用 • 介质的游离作用→电弧产生 • 介质的去游离作用→电弧熄灭 • 1．去游离：正、负质点相互吸引中和为中性质点。 • 2．熄弧条件 游离与去游离谁主导？ • 当游离>去游离——电弧电流↑（剧烈燃烧） • 当游离=去游离——电弧电流不变（稳定燃烧） • 当游离<去游离——电弧电流↓→（熄灭） 电气一次

8. 3、去游离方式 • ①复合 异性质点靠近而相互中和的现象。 冷却 • ②扩散 带电质点逸出弧柱外的现象。 吹弧 • 影响游离和去游离的因素 • ①电弧温度：热游离↓→Q↓→速度↓→复合加强→Q↓ • 使温度降低的方法有：吹弧、拉长电弧、或与冷却介质表面接触。 • ②电场强度：E↓→运动速度↓→复合↑→Q↓→热游离↓ • ③气体介质的压力：F↓→自由行程缩短→离子浓度↑→复合↑ • 真空数目少→磁撞游离↓→扩散↑ • ④介质特性：包括气体的介电强度、导热系数、热量量、电负荷 • ⑤电极材料：铜、银、铜钨、银钨合金具有熔点高、导热能力强、热容量大的特点，可减少热电子发射和弧柱中的金属蒸气。 电气一次

9. §3-1 电弧的形成和熄灭 4、熄灭电弧的基本方法 • 提高触头的开断速度（分闸弹簧） • 冷却电弧（油、SF6、真空、压缩空气） • 拉长电弧 • 吹弧 • 增大绝缘介质气体压力 • 将触头置于真空灭弧室中 • 将长弧分割成多段短弧。 电气一次

10. §3.2 直流电弧的特性及熄灭 电气一次

11. §3.2 直流电弧的特性及熄灭 3、2、1 特性： 1、静态伏安特性曲线 为发弧电压、即产生电弧的最小电压值 电气一次

12. §3.2 直流电弧的特性及熄灭 2、电弧电压分布图： =阴极区电压+弧柱区电压+阳极区电压 电气一次

13. §3.2 直流电弧的特性及熄灭 • Uh=阴极区电压U阴极区+弧柱区UH+阳极区U阳极区 • 或： • —— U阴极区，大小与ih无关，在空气中U=8～11V • —— UH与ih呈线性关系 • —— U阳极区< U阴极区、且随ih增大而减小甚至为零 • 短弧：几个mm长、主要由U阴极区+ U阳极区组成, UH近似于零 • 长弧：几个cm～几个m长，主要由UH组成 电气一次

14. §3.2 直流电弧的特性及熄灭 近阴极效应（短弧原理） • 将长弧沿垂直方向切割成多段电弧串联，每一段即构成一个短弧，获得一个阴极区压降。 • 如果加在触头间的电压小于各段短弧的阴极电压之和，则电弧就不能维持而熄灭。 电气一次

15. §3.2 直流电弧的特性及熄灭 3、2、2、直流电弧的工作点 具有直流电弧的R——L电路 电气一次

16. §3.2 直流电弧的特性及熄灭 1、电压方程式 E——电源电压。 iR——电阻电压。 ——电感电阻电压 Uh——电弧电压 2、直流电弧的熄灭条件 电气一次

17. §3.2 直流电弧的特性及熄灭 3、2、3 直流电弧的熄灭方法 1.拉长电弧 2.开断电路时在电路中逐级串人电阻 3.在断口上装灭弧栅 4.冷却电弧 直流电弧的熄灭注意事项 在直流电路中不能采用灭弧能力太强的开关电器，避免产生过电压。 电气一次

18. §3．3 交流电弧的特性及熄灭 电气一次

19. 3、3、1 特性 1、动态伏安特性曲线： 电弧电压和电流随时间不断变化，每一周期，电流过零2次 Uh——马鞍形状。A > B A——燃弧电压 B——熄弧电压 电气一次

20. §3．3 交流电弧的特性及熄灭 • 电弧在自然过零时将自动熄灭，但下半周期随着电压的升高，电弧会重燃。 • 若电流过零时，电弧不再重燃，电弧就此熄灭。 2、热惯性：电弧温度的变化滞后于电流的变化 电气一次

21. 3、3、2 交流电弧的熄灭 1、弧隙介质电强度的恢复过程Uj Uj——弧隙介质能够承受而致使弧隙击穿的最小电压 过程： • 电流过零前——电弧的温度高，热游离强烈，弧隙的导电性能好 • 电流过零时——弧隙温度剧降，热游离减弱，弧隙失去导电性能而恢复为绝缘介质。 • 电流过零后——温度继续下降，弧隙介质电强度逐渐回升。这种现象称为交流电路的近阴极效应。 （电流极性改变后的0.1～1.0秒瞬间, 有Uj=150～250V） 电气一次

22. §3．3 交流电弧的特性及熄灭 2、弧隙电压的恢复过程Uhf Uhf——电压由熄弧电压恢复到电源电压的过程。 过程 1、电流过零前，电弧电阻很小，电源电压大部分降落在线路或负载的阻抗上。 2、电流过零时，电弧熄灭，最后变为绝缘介质，电源电压全部加在弧隙上。 电气一次

23. §3．3 交流电弧的特性及熄灭 3、交流电弧的熄灭条件： 两曲线无交点 电气一次

24. §3．3 交流电弧的特性及熄灭 4、交流电弧的灭弧方法 (1)提高触头的分闸进度 ——迅速拉长电弧，E↓，冷却与扩散↑ (2)采用多断口灭弧 ——拉长迅速↑，行程↓， 灭弧时间↓提高了灭弧能力 (3)吹弧——加强冷却和扩散 横吹——将电弧吹弯吹长 纵吹——将电弧吹细 电气一次

25. §3．3 交流电弧的特性及熄灭 (4)利用固体介质的狭缝狭沟灭弧 ——冷却,表面吸附电子，加强复合。 如：介质纵缝灭弧罩 介质填料灭弧管 (5)利用短弧原理灭弧 • 交流电路：电流自然过零时，每一短弧有150～250v电压。 • 直流电路：每一短弧的阴极区有8～11v电压降。 电气一次

26. (6)磁吹 ——利用电磁力驱动和拉长电弧至固体介质灭弧罩或金属栅灭弧罩中 (7)高压力气体介质灭弧 ——磁撞游离↓，复合↑ (8)真空灭弧 ——碰撞游离↓，热游离↓，扩散↑ §3．3 交流电弧的特性及熄灭 电气一次

27. §3．4 电气触头 电气一次

28. §3．4 电气触头 3.4.1 概述 1、概念：通过接触传导电流的两个或以上的金属导体的端接部分。 2、影响接触电阻的因素及降低其值的措施： （1）触头材料：铜铝过渡接头片 （2）接触压力： （3）接触形式：点、线、面接触的用途 （4）接触面的加工情况：平而不是光 指两个或几个导体之间相互接触的部分 决定 接触电阻 触头质量 电气一次

29. §3．4 电气触头 3.4.2 对电气触头的要求 1、结构可靠 2、由良好的导电性能和接触性能。 3、通过规定的电流时，发热温度不超过规定值。 4、开断规定容量的电流时有足够的抗熔焊和抗电弧烧伤能力 5、通过短路电流时，具有足够的动稳定和热稳定。 电气一次

30. §3．4 电气触头 3.4.3 触头的分类和结构 按接触面的形式划分 按结构形式划分 点触头 可断触头 滑动触头 平面触头 线触头 固定触头 刀形触头 指形触头 插座式触头 电气一次

31. 习题及思考题 3—1 何为电弧？简述断路器触头开断时断口电弧的形成过程及由此 而确定的基本灭弧方法。 3—2 直流电弧稳定燃烧的条件为何？灭弧栅何灭弧室在灭弧原理上由何差别？ 3—3 交流电弧电流有何特点？熄灭交流电弧的条件是什么？ 3—4 什么叫介质强度恢复过程？什么叫电压恢复过程？它们与哪些因素有关？ 3—5 在直流电弧和交流电弧中，将长电弧分割成短电弧灭弧室利用了什么原理？ 3—6 电气触头主要有哪几种接触形式？各有什么特点？ 3—7 如果电气触头发生振动是什么原因造成的？有什么危害？ 电气一次

32. 电气一次