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《分合闸,断路器灭弧机械特性》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、1 高压电路中电弧的特性及形成过程随着我国经济发展和电力工业需求的增长,对高压开关性能要求也越来越高,它能否正常工作直接关系电力系统的安全与稳定。断路器起着控制和保护电力系统的双重作用,能在有载、无载及各种短路工况下完成规定的合分或操作循环任务,特别是在高压强电流的条件下开断电路并不是件容易的事,开断过程产生的电弧不熄灭,电路就不能被开断。。由于电力系统发生故障时,产生的电流比正常负载电流要大得多,这时开断电路的断路器在触头分离后,触点之间将会出现电弧,电弧的存在对高压电路来说是一个不可忽视的安全隐患,因此高压电路上明确规定,只有电弧熄灭,电路的断开
2、任务才算完成,而断开的时间很短,因此要求很高。电弧快速熄灭能及时根除安全隐患,为将财产损失减到最小赢得时间。断路器的开断要快速、可靠、稳定。在运行中,开断能力是标志性能的基本指标。所谓开断能力,就是指断路器在切断电流时熄灭电弧,顺利地切、分电流的任务的能力。在电力系统中,开断能力的参数通常是以额定短路开断电流为标志的,符号为Ib,单位kA。电弧是一种能量集中、温度高、亮度大的气体放电现象,是一种电离的气体,质量极轻,发出耀眼的光芒,在外力作用下迅速移动、卷缩和伸长。在操作电力开关分断电路的过程中,当开关的触头即将分离时,由于触头的接触面突然减小,使得
3、触头接触处的电阻猛增,同时电路上被消耗的电能将产生上千度的高温,使触头产生热电子发射,这与人们在电子管中观察到的热电子发射情况类似,只不过这时触头表面的温度比电子管内灯丝的温度要高得多,发射的热电子强度也大得多。同时在开关触头分离的瞬间,电路加在触头上的电压将在触头间极小的间隙内形成很强的电场,它将在高温作用下触头发射的热电子迅速加速,这些高速运动的热电子碰撞其周围的气体分子而产生自由电子和正离子,被电离出来的自由电子在高温和强电场的作用下继续加速,又碰撞其附近的其它气体分子,如此继续,形成连锁反应,使开关触头间的气体在极短的时间发生雪崩似的电离,接
4、通电路,发出耀眼的亮光,这就是人们看到的电弧。电弧产生以后,触头间隙周围的温度随之升高到4000℃16以上,大量的金属蒸气和气体原子在高温下继续电离为自由电子和正离子,以维持电弧的稳定和电路的导通。电子学理论认为[6~8],在电弧的形成过程中,高温和电场不仅使气体分子、原子和炽热的金属蒸气发生电离,同时还使已电离的自由电子和正离子重新复合成中性原子、分子。电弧形成过程示意图见图1。电弧形成机制包括两种[6~10],场致电子发射和热电子发射。场致电子发射机理:当材料表面外加很强的电场时,势垒的高度显著降低,同时势垒的宽度变窄,这时电子不需要额外获得能量
5、就会由于隧道效应而有一定穿越势垒的几率,产生场致电子发射。有文献表明[8~10],Fowler和Nordheim于1928年计算了这种场致发射的电流密度与外加电场的关系得出在0K时发射的电流密度为:式中,E为电场强度;Φ为材料的逸出功,v(y)和t(y)可通过查表得到。热电子发射需将阴极加热到约2500K以上,这时便在热作用下发射电子。电子经施加在两极间的电场加速,向阳极运动。由于热电子发射需要的温度高,故只有少数几种难熔金属(如W、Zr、Hf等)才可能产生热电子发射。热电子发射符合Richardson_Dushman方程:式中,js为电流密度;A为
6、常数;K为Boltzmann常数;T为电极温度;Φ16是逸出功。式(2)表明热电子发射与发射体温度、电子逸出功有密切关系。比较式(1)、(2)可知,对弧触头,无论是场致电子发射还是热电子发射,其发射电流都直接依赖于触头材料的逸出功。提高材料的逸出功可显著降低动静弧触头间的电子发射能力。同时,在热电子发射工作状态下,提高逸出功可使电极在较高的温度下达到所需要的电流,能有效改善弧触头材料的抗烧蚀能力。2 熄灭电弧的方法电弧的产生直接影响着电力系统的安全运行,快速、可靠、稳定地熄灭电弧对高压电路起着举足轻重的作用。必须要指出的是,很多场合熄灭电弧,工作人员
7、错误的单纯采用体积大的断路器或闸刀,人为拉长电弧的长度和电弧存在的时间,这对于熄灭小电弧是可行的。但电弧是一种自持放电现象,采用体积大的断路器或闸刀控制,拉长电弧,仅仅是熄灭这类电弧的充分条件。众所周知，我们所讨论的电弧现象大多是基于交流电流的情况。随着正弦交流电流的周期性变化,交流电弧也将随之每半周要过零一次。电弧能否熄灭,决定于电弧电流过零时,弧隙的介质强度恢复速度和系统恢复电压上升速度的竞争。加强弧隙的去游离或减小弧隙电压的恢复速度,都可以促进电弧熄灭。前已指出，交流电弧的熄灭条件是在零休期间不发生热击穿，同时在此之后弧隙介质恢复过程总是胜过电
8、压恢复过程，也即不发生击穿。但从灭弧效果来看，零休期间是最好的灭弧时机：一则这时弧隙的输入功率近乎等于零，只
