1、電弧及滅弧裝置電弧及滅弧裝置 指導老師：楊旭麗制作人：宋小虎 2012.04.14 2012.04.14電弧現象電弧現象1.定義 兩個觸頭行將接觸或開始分離時，只要它們之間的電壓達12 20V、電流達0.25 lA,觸頭間隙內就會產生高溫弧光，這就是電弧。圖1-1電弧構造和電弧溫度分布a電弧構造b電弧溫度分布電弧現象電弧現象電弧分類電弧分類1流種類可分為：交流電弧、直流電弧和脈沖電弧。2按電弧的狀態可分為：自由電弧和壓縮電弧（如等離子弧）。3按電極材料可分為：熔化極電弧和不熔化極電弧。電弧的作用電弧的作用壞處：壞處：因為其溫度達成千上萬K足以燒傷觸頭、使之迅速損壞;它也能使觸頭熔焊、破壞電器的

2、正常工作，甚或釀成火災刀人員傷亡等嚴重事故; 它還會產生干擾附近的通信設施的高次諧波益處：益處：電弧焊、電弧熔煉和弧光燈等是專門利用電弧的設備，電器本身可借助電弧以防止產生過高的過電壓和限制故障電流。電弧產生的原理電弧產生的原理原理原理 當用開關電器斷開電流時，如果電路電壓不低于1020伏，電流不小于80100mA，電器的觸頭間便會產生電弧。 電弧的形成是觸頭間中性質子(分子和原子)被游離的過程。開關觸頭分離時，觸頭間距離很小，電場強度E很高(E = U/d)。電離形式表面發射空間電離場致發射光發射二次電子發射熱發射光電離碰撞電離熱電離發生于金屬電極表面發生于觸頭間隙內電弧產生的原理電弧產生的

3、原理電弧產生的原理電弧產生的原理 從陰極表面發射出來的自由電子和觸頭間原有的少數電子，在電場力的作用下向陽極作加速運動，途中不斷地和中性質點相碰撞。只要電子的運動速度v足夠高，電子的動能A=1/2mv2足夠大，就可能從中性質子中打出電子，形成自由電子和正離子。這種現象稱為碰撞游離。電弧產生的原理電弧產生的原理 觸頭間電弧燃燒的間隙稱為弧隙。電弧形成后，弧隙間的高溫使陰極表面的電子獲得足夠的能量而向外發射，形成熱電場發射。同時在高溫的作用下(電弧中心部分維持的溫度可達10000以上)，氣體中性質點的不規則熱運動速度增加。當具有足夠動能的中性質點相互碰撞時，將被游離而形成電子和正離子，這種現象稱為

4、熱游離。 隨著觸頭分開的距離增大，觸頭間的電場強度E逐漸減小，這時電弧的燃燒主要是依靠熱游離維持的。電弧放電電弧放電 兩個電極在一定電壓下由氣態帶電粒子，如電子或離子，維持導電的現象。激發試樣產生光譜。電弧放電主要發射原子譜線，是發射光譜分析常用的激發光源。通常分為直流電弧放電和交流電弧放電兩種。電弧放電電弧放電 電弧放電可分為 3個區域：陰極區、弧柱和陽極區。其導電的機理是：陰極依靠場致電子發射和熱電子發射效應發射電子；弧柱依靠其中粒子熱運動相互碰撞產生自由電子及正離子，呈現導電性，這種電離過程稱為熱電離；陽極起收集電子等作用，對電弧過程影響常較小。在弧柱中，與熱電離作用相反，電子與正離子會

5、因復合而成為中性粒子或擴散到弧柱外，這一現象稱為去電離。在穩定電弧放電中，電離速度與去電離速度相同，形成電離平衡。電弧的特性和方程電弧的特性和方程一、電弧的電壓方程一、電弧的電壓方程 電弧電壓包括近陰極區電壓降Uc、近陽極區電壓降Ua和弧柱電壓降Up，即 UA= Uc+ Ua+ Up 兩近極區壓降基本不變，故以Uo = Uc+ Ua表示，稱為近極區壓降；圖2-1電弧的電壓及場強分布電弧的特性和方程電弧的特性和方程弧柱區內的電場強度E又近乎恒值，約(1 5)103V/m，在特殊介質內還可達(10 20)103V/m，故電弧電壓 UA= U0+ El 式中：l為弧柱區長度，可近似地取它為整個電弧的

6、長度。電弧的特性和方程電弧的特性和方程 二、直流電弧的伏安特性 伏安特性為電弧的重要特性之一，它表示電弧電壓與電弧電流間的關系。當外施電壓達到燃弧(擊穿)電壓Ub、電流亦達到燃弧電流Ib后，電弧便產生了，而且隨著電流的增大，電弧電壓反而降低。這是因為電流增大會使弧柱內熱電離擲劇、離子濃度加大，故維持穩定燃弧所需電壓反而減小。圖2-2直流電弧伏安特性電弧的特性和方程電弧的特性和方程三、交流電弧的伏安特性和時間三、交流電弧的伏安特性和時間特性特性 交流電弧的伏安特性不同于直流的伏安特性，因為交變電流總是隨著時間變化，所以伏安特性只能是動態的。值得注意的是交變電流每個周期有兩次自然通過零值，而電弧也

7、通常在電流過零時自行熄滅。圖2-3交流電弧伏安特性電弧的特性和方程電弧的特性和方程 四、電弧的能量平衡四、電弧的能量平衡 電弧的功率為 PA= UAIA= U0lA+ E I lA 按UO和El在UA中所占比例，電弧有長弧與短弧之分。若UO在UA中占主要地位，電弧就是短弧;反之，則是長弧。短弧的能量損耗是轉化為熱能、并經電極和與之連接的金屬件散往周圍介質。長弧的能量損耗可近似地認為是轉化為熱能、并經弧柱散往周圍介質。就一般工業電器而論，弧柱的散熱具有重要意義。電弧的特性和方程電弧的特性和方程 弧柱是高溫等離子體。燃弧時的弧柱溫度通常為(420)103K，熄弧時則僅有(3 4) )103K。弧柱

8、溫度與電極材料、滅弧介質種類和壓力以及其冷卻作用的強烈程度等有關。 若以QA表示電弧能量、以Pd表示電弧散出的功率，電弧的動態熱平衡方程便是 dQA/dt=PA-Pd電弧的特性和方程電弧的特性和方程 若dQA/dt 0，即PA Pd，說明電弧能量在增大，使燃弧更加熾烈; 若dQA/dt0，即PAPd，說明電弧能量在減小，電弧將趨于熄滅; 若dQA/dt=0，即PA= Pd，電弧能量達到平衡，并且穩定地燃弧。 電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置 電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置 拉長電弧、降低溫度、將長弧變為短弧、將電弧放置于特殊介質中，增大電弧周圍氣體介質的壓力等。為了減少電弧對

9、觸頭的燒損和限制電弧擴展的空間，通常要將這些方法加以應用，為此而采用的裝置稱為滅弧裝置。一個滅弧裝置可以采用某一種方法進行熄弧。但在大多數情況下，則是綜合采用幾種方法，以增加滅弧效果。例如拉長和冷卻電弧往往是一起運用的。電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置一、拉長電弧電弧拉長以后，電弧電壓就增大，改變了電弧的伏安特性。在直流電弧中，其靜伏安特性上移，電弧可以熄滅。在交流電弧中，由于燃弧電壓的提高，電弧重燃困難。電弧的拉長可以沿電弧的軸向(縱向)拉長，也可以沿垂直于電弧軸向(橫向)拉長，如3-1圖所示。圖3-1電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置 1機械力拉長 電弧沿軸向拉長的情況是很多

10、的，電器觸頭分斷過程實際上就是將電弧不斷地拉長。刀開關中閘刀的拉開也拉長電弧，電焊過程中將焊鉗提高可使電弧拉長并熄滅。 2回路電動力拉長電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置圖3-2觸頭回路電動力吹弧（a）常用觸頭回路電動力吹弧；（b）增磁型觸頭回路電動力吹弧1觸頭橋；2動觸頭；3電弧；4靜觸頭；5靜觸頭座；6磁性片。電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置 載流導體之間會產生電動力，如果把電弧看作為一根軟導體，那么受到電動力它就會發生變形，即拉長。如圖3-2所示，在一對橋式雙斷點結構型式的觸頭斷開時，電弧受回路電動力F的作用被橫向拉長，也就是圖3-1中受F2作用力的情況。橫向拉長時電弧與周

11、圍介質發生相對運動而加強了冷卻，這樣就加速了電弧的熄滅。有時為了使磁場集中，在觸頭上添加磁性片6，以增大吹弧力，如圖3-2（b）所示。電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置 因利用回路本身滅弧的電動力不夠大，電弧拉長和運動的速度都較小，所以這種方法一般僅用于小容量的電器中。開斷大電流時，為了有較大的電動力而專門設置了一個產生磁場的吹弧線圈，這種利用磁場力使電弧運動而熄滅的方法稱為磁吹滅弧。如圖3-3所示。由于這個磁場力比較大，其拉長電弧的效果也較好，如圖3-1中F3所示的情況。電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置1磁吹鐵心；2導弧角；3滅弧罩；4磁吹線圈；5鐵夾板；6靜觸頭；7動觸頭；8

12、絕緣套。圖3-3磁吹滅弧裝置示意圖電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置 磁吹線圈4是接在引出線和靜觸頭6之間，通過絕緣套與磁吹鐵芯絕緣，導弧角2和靜觸頭6固裝在一起。磁吹線圈4中的磁吹鐵芯1兩端各裝有一片導磁夾板5，磁夾板5同時夾于滅弧室兩側，用來加強弧區磁場。設在滅弧室中的動靜觸頭就處在磁板之間。當觸頭分開有電弧燃燒時，磁吹線圈和電弧本身均在電弧周圍產生磁場。由圖可見，在弧柱下方一側，磁吹線圈的磁通和電弧的磁通是相疊加的，而在弧柱上方一側，兩磁通是相削弱的，因此就產生磁吹力。電弧在磁吹力的作用下發生運動，電弧被拉長，電弧的根部離開靜觸頭而移到導弧角2上，進一步拉長電弧，使電弧迅速熄滅。電

13、弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置 導弧角2是根據回路電動力原理設置的，用來引導電弧很快離開觸頭且按一定方向運動，以保護觸頭接觸面免受電弧的燒傷。由于磁吹線圈與電路的連接方式不同而形成串激線圈和并激線圈之分。上述所介紹的這種磁吹線圈和觸頭相串聯的激磁方法稱為串激法。它的優點是：電流流向改變但磁吹力方向不變，即磁吹方向不隨電流極性的改變而改變。具有這種磁吹的電器稱為“無極性電器”。同時因為是串激，通過磁吹線圈的電流與弧電流相同，因此弧電流越大則滅弧效力就越強；反之弧電流小時，滅弧效力就弱。電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置 在熄滅直流電弧時，外加磁場除了串激法外，還有并激法和它激法。它

14、們的工作原理相同。并激法的磁吹線圈不是和負載回路串聯，而是直接跨接在電源上。它的優點是，可產生一個與回路電流無關的恒定磁場。這樣，在一定的恒定磁場下，不論開斷大電流或小電流，都可使電弧很快熄滅。但是由此產生的缺點是使電器的接線帶有極性，即當觸頭上電流反向時，必須同時改變并激線圈的極性，否則磁吹力就會反向，所以使用中不太方便。電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置二、滅弧罩 滅弧罩是讓電弧與固體介質相接觸，降低電弧溫度，從而加速電弧熄滅的比較常用的裝置。其結構型式是多種多樣的，但其基本構成單元為“縫”。我們將滅弧罩壁與壁之間構成的間隙稱作“縫”。根據縫的數量可分為單縫和多縫。根據縫的寬度與電弧

15、直徑之比可分為窄縫與寬縫。縫的寬度小于電弧直徑的稱窄縫，反之，大于電弧直徑的稱寬縫。根據縫的軸線與電弧軸線間的相對位置關系可分為縱縫與橫縫。縫的軸線和電弧軸線相平行的稱為縱縫，兩者相垂直的則稱為橫縫。電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置1縱縫滅弧罩 圖3-4所示為一縱向窄縫的滅弧情況，當電弧受力被拉入窄縫后，電弧與縫壁能緊密接觸。在繼續受力情況下，電弧在移動過程中能不斷改變與縫壁接觸的部位，因而冷卻效果好，對熄弧有利。但是在頻繁開斷電流時，縫內殘余的游離氣體不易排出，這對熄弧不利。所以此種形式適用于操作頻率不高的場合。電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置 圖3-4所示為一縱向窄縫的滅弧

16、情況，當電弧受力被拉入窄縫后，電弧與縫壁能緊密接觸。圖3-4縱向窄縫式滅弧罩電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置 圖3-4所示為一縱向寬縫的滅弧情況，寬縫滅弧罩的特點與窄縫的正好相反，冷卻效果差，但排出殘余游離氣體的性能好。圖3-4中所示情況是將一寬縫中又設置了若干絕緣隔板，這樣就形成了縱向多縫。電弧進入滅弧罩后，被隔板分成兩個直徑較原來小的電弧，并和縫壁接觸而冷卻，冷卻效果加強，熄弧性能提高。此外，由于縫較寬，熄弧后殘存的游離氣體容易排出，所以這種結構型式適用于較頻繁開斷的場合。電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置圖3-5縱向寬縫式滅弧罩圖3-6縱向曲縫式滅弧罩 電弧熄滅的方法及裝置

17、電弧熄滅的方法及裝置 圖3-5所示為縱向曲縫式滅弧罩的滅弧情況。縱向曲縫式又稱迷宮式，它的縫壁制成凹凸相間的齒狀，上下齒相互錯開。同時，在電弧進入處齒長較短，愈往深處，齒長愈長。當電弧受到外力作用從下向上進入滅弧罩的過程中，它不僅與縫壁接觸面積越來越大，而且長度也愈來愈長。這就加強了冷卻作用，具有很強的滅弧能力。但是，也正因為縫隙愈往深處愈小，電弧在縫內運動時受到的阻力愈來愈大。所以，這種結構的滅弧罩，一定要配合以較大的讓電弧運動的力。否則，其滅弧效果反而不好。電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置2橫縫滅弧罩 為了加強冷卻效果，橫縫滅弧罩往往以多縫的結構型式使用，也就是稱為橫向絕緣柵片，如

18、圖3-6所示。當電弧進入滅弧罩后，受到絕緣柵片的阻擋，電弧在外力作用下便發生彎曲，從而拉長了電弧，并加強了冷卻。為了分析電弧與絕緣柵片接觸時的情況，以圖3-7來放大說明：設磁通方向為垂直向里，電弧AB、BC和CD段所受的電動力都使電弧壓向絕緣棚片頂部，而DE段所受的電動力使電弧拉長，CD段和EF段相互作用產生斥力。這樣一些力的作用，使電弧拉長并與縫壁接觸面增大而且緊密，所以能收到比較好的滅弧效果。電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置 由于滅弧罩要受電弧高溫的作用，所以對滅弧罩的材料也有一定的要求，如：受電弧高溫作用不會因熱變形、絕緣性能不能下降，機械強度好且易加工制造等。滅弧罩材料過去廣泛

19、采用石棉水泥和陶土材料。現在逐漸改為采用耐弧陶瓷和耐弧塑料，它們在耐弧性能與機械強度方面都有所提高。圖3-6橫向絕緣柵片式滅弧罩1滅弧罩；2電弧。電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置三、油冷滅弧裝置三、油冷滅弧裝置 油冷滅弧是將電弧置于液體介質(一般為變壓器油)中，電弧將油汽化、分解而形成油氣。油氣中主要成分是氫，在油中以氣泡的形式包圍電弧。氫氣具有很高的導熱系數，這就使電弧的熱量容易散發。另外，由于存在著溫度差，所以氣泡產生運動，又進一步加強了電弧的冷卻。若再要提高其滅弧效果，可在油箱中加設一定機構，使電弧定向發生運動，這就是油吹滅弧。由于電弧在油中滅弧能力比大氣中拉長電弧大得多，所以這種方法一般用于高壓電器中，如油開關。電弧熄滅的方法及裝置電弧熄滅的方法及裝置 四、氣吹滅弧裝置四、氣吹滅弧裝置 氣吹滅弧是利用壓縮空氣來熄滅電弧的。壓縮空氣作用于電弧，可以很