高压断路器和隔离开关的原理与选择

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1、第六章导体和电气设备的原理与选择第二节高压断路器和隔离开关的原理与选择教学内容本节教学内容一、电弧的形成与熄灭二、断路器开断短路电流时的工作状况分析三、高压断路器的选择四、隔离开关的选择首页一、电弧的形成与熄灭1)电弧：是一种气体游离放电现象。2)产生电弧的条件：用开关电器开断电源电压大于10~20V，电流大于80~100mA的电路时，就会发生电弧。3)电弧的特点：能量集中，温度很高，亮度很强；电弧是良导体。4)电弧的利用：电弧在工业上有很多有益的应用，例如，利用其高温的电弧焊接机，电弧炼钢炉等。5)电

2、弧的危害：在开关电器中，电弧是有害的，要求尽快地熄灭，否则会烧坏开关触头，误拉隔离开关会造成相间短路和人身伤亡。第二节高压短路器和隔离开关的原理与选择一、电弧的形成与熄灭一、电弧的形成与熄灭1.电弧的产生与熄灭游离——中性质点分解成自由电子和正离子。去游离——电子和正离子相互吸引还原为中性质点。1)电弧的产生①强电场发射：E=U/s大于3×106V/m时，金属触头阴极表面就会发射自由电子。②热电子发射：在开关分闸时，动静触头之间的接触压力和接触面积减小，接触电阻增大，接触表面发热严重，产生局部高温，阴极

3、金属材料中的电子获得动能而逸出成为自由电子。③加速运动：自由电子，在强电场的作用下，向阳极作加速运动。④碰撞游离：加速运动获得动能的自由电子在运动中与中性质点发生碰撞，中性质点中的电子获得能量产生跃迁，跳到能级更高的轨道上，如果获得的能量足够大，自由电子就能脱离原子核的束缚，游离成自由电子和正离子。⑤雪崩：游离的结果导致触头间自由电子数量剧增。⑥介质击穿产生电弧：剧增的电子形成电流，介质被击穿而产生电弧。一、电弧的形成与熄灭2)电弧的维持与发展①由于电弧的r小，电弧形成后，触头间的电压和电场强度很低，强

4、电场发射停止。②由于电弧在燃烧过程中温度很高，可达到几千度甚至上万度，阴极表面继续进行热电子发射。一、电弧的形成与熄灭③另一方面介质的分子和原子在高温下将产生强烈的分子热运动，获得动能的中性质点之间不断地发生碰撞，游离成自由电子和正离子，此即所谓热游离。④热发射和热游离给弧隙提供了大量的自由电子，电流继续流过，电弧的燃烧得以维持。3)电弧的熄灭①复合去游离：正离子和负离子相互吸引而中和成为中性质点的过程。自由电子的v远大于正离子，它们直接复合的可能性很小，往往是自由电子先附着在中性质点上，形成负离子，运

5、动速度大大减慢，此时正离子和负离子更容易复合。②扩散去游离：自由电子和正离子逸出电弧而进入周围介质中，被周围介质冷却而复合的过程。由于电弧内外的电荷浓度及温差的不同，自由电子和正离子将向浓度和温度都低的周围介质中扩散，在低温处，电子和离子的v减慢而复合成为中性质点。一、电弧的形成与熄灭③电弧的熄灭：电弧的燃烧是由游离过程维持的，但在电弧中同时还进行着相反的使带电质点数量减少的去游离过程。游离作用等于去游离作用，新增加的带电质点数量与中和的数量相等，电弧稳定燃烧。游离作用大于去游离作用，电弧燃烧加剧。游离

6、作用小于去游离作用，则电弧中的带电质点数量减少，最终导致电弧熄灭。一、电弧的形成与熄灭2.交流电弧的熄灭1）电弧电流交变，每半个周期过零一次，此时电弧因失去能量而自然熄灭。2）由于热惯性，弧柱温度的变化滞后于快速变化的电流，所以交流电弧的伏安特性是动态的，如图2-1′所示。在电流增大时，温度来不及增高，弧隙电阻来不及减小；在电流减小时，温度来不及减小，弧隙电阻来不及增大。故图6-1′a中正方向电流增大时的曲线在电流减小时的上方。A点是电弧产生时的电压，称为燃弧电压。B点是电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压。

7、图6-1′一、电弧的形成与熄灭（1）交流电弧熄灭的条件1）熄灭交流电弧的最佳时机：交流电弧每半周期自然熄灭是熄灭交流电弧的最佳时机。2）在电流过零后，弧隙中存在着两个恢复过程。a)介质强度恢复过程:由于去游离作用的加强，弧隙间的介质逐渐恢复其绝缘性能，以耐受的电压Ud(t)表示。b)弧隙电压恢复过程:电源电压要重新作用在触头上，弧隙电压将从熄弧电压逐渐恢复到电源电压，用Ur(t)表示。一、电弧的形成与熄灭a.弧隙介质强度恢复过程①起始介质强度（近阴极效应）在电流过零后的0.1~1μs的短暂时间内，阴极附

8、近出现150~250V的起始介质强度，称为近阴极效应。一、电弧的形成与熄灭图6-4原因：在电流过零的瞬间，弧隙电压的极性发生变化，弧隙中的自由电子立即向新阳极运动，正离子质量大，基本未动，在新阴极附近就形成了只有正电荷的不导电薄层，阻碍阴极发射电子，呈现出一定的介质强度，如图6-4所示。②起始介质强度出现后的介质强度的恢复这是一个复杂的过程，它与电弧电流、介质特性、冷却条件和触头分断速度有关。b．弧隙电压恢复过程①电弧为纯电阻性质，电弧电流