第三章 电弧及电气触头的基本理论(A)

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1、1第第3 3章章 电弧及电气触头的基本理论电弧及电气触头的基本理论高压电奇观2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3 一、电弧放电的一、电弧放电的特征特征和和危害危害 弧柱中自由电子的弧柱中自由电子的主要来源主要来源 电弧形成的过程电弧形成的过程 电弧的去游离形式电弧的去游离形式 影响去游离的因素影响去游离的因素第一节第一节 电弧的形成与熄灭电弧的形成与熄灭43-1 3-1 电弧的形成和熄灭电弧的形成和熄灭. .电弧产生的条件：电弧产生的条件： 断开电路时，触头间电压大于10

2、20V；电流大于80100mA 2.2.带电质点的来源：带电质点的来源：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3.1.电弧的形成：大量带电质点在电场力的作用定向运动5 电弧放电的电弧放电的特征特征和危害和危害 1. 电弧的概念电弧的概念 当开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头刚刚分离后，触头之间就会产生强烈的白光，称为电弧。 2.电弧的本质电弧的本质 电弧的实质是一种气体放电现象。 3. 电弧放电的特征电弧放电的特征 （1）电弧由三部

3、分组成。包括阴极区、阳极区和弧柱区。 （2）电弧温度很高。 （3）电弧是一种自持放电现象。 （4）电弧是一束游离的的气体。6 电弧放电的特征和电弧放电的特征和危害危害 4. 电弧的危害电弧的危害 （1）电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。 （2）电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。 （3）由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。7 电弧的形成电弧的形成弧柱中自由电子弧柱中自由电子的主要来源的主要来源（1） （1）热电子发射 当断路器的动、静触头分离时，触头间

4、的接触压力及接触面积逐渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致阴极表面温度急剧升高而发射电子 ，形成热电子发射。 （2）强电场发射 开关电器分闸的瞬间，由于动、静触头的距离很小，触头间的电场强度就非常大 ，使触头内部的电子在强电场作用下被拉出来 ，就形成强电场发射。8 电弧的形成电弧的形成 弧柱中自由电子的主要来源弧柱中自由电子的主要来源（2） （3）碰撞游离 从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极运动，在运动过程中不断地与中性质点（原子或分子）发生碰撞。当高速运动的电子积聚足够大的动能时，就会从中性质点中打出一个或多个电子，使中性质点游离，这一过程称为碰撞游离。 （4）热游离

5、 弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很大的中性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。 9 电弧的形成电弧的形成 电弧形成的过程电弧形成的过程 断路器断开过程中电弧是这样形成的。触头刚分离时突然解除接触压力，阴极表面立即出现高温炽热点，产生热电子发射；同时，由于触头的间隙很小，使得电压强度很高，产生强电场发射。从阴极表面逸出的电子在强电场作用下，加速向阳极运动，发生碰撞游离，导致触头间隙中带电质点急剧增加，温度骤然升高，产生热游离并且成为游离的的主要因素，此时，在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧。10电弧的形成总结电弧的形成

6、总结强电场发射热电子发射电弧热游离温度磁撞游离加速 弧柱阳极区阴极区阴极发射（起因）阴极发射（起因）碰撞游离（重要因素）碰撞游离（重要因素）击穿击穿（量变到质变）（量变到质变）热游离（主要因素）热游离（主要因素）维持发展维持发展11 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4.4.电弧的特点电弧的特点12 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）

7、：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4.4.电弧的特点电弧的特点13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）带电质点不断消失带电质点不断消失 3.1.2 3.1.2 电弧的熄灭电弧的熄灭 14 电弧的去游离过程包括复合和扩散两种形式

8、。 复合复合 异性质点靠近而相互中和的现象。异性质点靠近而相互中和的现象。 冷却冷却 扩散扩散 带电质点逸出弧柱外的现象。带电质点逸出弧柱外的现象。 吹弧吹弧151. 1. 复合复合 复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。由于弧柱中电子的运动速度很快，约为正离子的1000倍，所以电子直接与正离子复合的几率很小。一般情况下，先是电子碰撞中性质点时，被中性质点捕获变成负离子，然后再与质量和运动速度相当的正离子互相吸引而接近，交换电荷后成为中性质点。还有一种情况就是电子先被固体介质表面吸附后，再被正离子捕获成为中性质点。16 电弧的熄灭电弧的熄灭 电弧的去游离形式电弧的去游离形式（2）2

9、. 扩散扩散 扩散是弧柱中的带电质点逸出弧柱以外，进入周围介质的现象。扩散有三种形式： （1）温度扩散，由于电弧和周围介质间存在很大温差，使得电弧中的高温带电质点向温度低的周围介质中扩散，减少了电弧中的带电质点； （2）浓度扩散，这是因为电弧和周围介质存在浓度差，带电质点就从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使电弧中的带电质点减少； （3）利用吹弧扩散，在断路器中采用高速气体吹弧，带走电弧中的大量带电质点，以加强扩散作用。17 电弧的熄灭电弧的熄灭 影响去游离的因素影响去游离的因素（1） 1. 电弧温度电弧温度 电弧是由热游离维持的，降低电弧温度就可以减弱热游离，减少新的带电质点的的产生。同时，

10、也减小了带电质点的运动速度，加强了复合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动电弧，或使电弧与固体介质表面接触等，都可以降低电弧的温度。18 电弧温度电弧温度：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。19 2.介质的特性介质的特性 电弧燃烧时所在介质的特性在很大程度上决定了电弧中去游离的强度，这些特性包括：导热系数、热容量、热游离温度、介电强度等。若这些参数值大，则去游离过程就越强，电弧就越容易熄灭。20 电弧的熄灭电弧的熄灭 影响去游离的因素影响去游离的因素（2） 3. 气体介质的压力气体介质的压力 气体介质的压力对电弧去游离的影响很大。因为，气体的压

11、力越大，电弧中质点的浓度就越大，质点间的距离就越小，复合作用越强，电弧就越容易熄灭。在高度的真空中，由于发生碰撞的几率减小，抑制了碰撞游离，而扩散作用却很强。因此，真空是很好的灭弧介质。 21 气体介质的压力气体介质的压力：F自由行程缩短离子浓度复合 真空数目少磁撞游离扩散22 4. 触头材料触头材料 触头材料也影响去游离的过程。当触头采用熔点高、导热能力强和热容量大的耐高温金属时，减少了热电子发射和电弧中的金属蒸汽，有利于电弧熄灭。 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。5.电场强度电场强度： E运动速度复合Q热游离233.2 直流