第02章 电弧与电气触头的基本知识(080228修改)

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1、第二章电弧与电气触头的基本知识第一节电弧的形成与熄灭第二节交流电弧的特性及熄灭第三节开关电器中熄灭交流电弧的基本方法第四节电气触头的基本知识本章计划学时：4学时本章教学要求了解电弧的危害，熟悉电弧的形成过程熟悉交流电弧的特性，交流电弧的熄灭条件了解交流电弧的开断过程掌握熄灭交流电弧的基本方法熟悉电气触头的基本要求，及触头的分类和结构第一节电弧的形成与熄灭一、开关电器的灭弧原理（一）电弧现象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

2、)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。6)特征：①气体导电（轻、易变形）；电弧的能量集中，温度很高，亮度很强例：10kvQF断开20kA的电流，电弧功率达到1万kw以上②电弧由阴极区，阳极区和弧柱区组成。弧柱处温度最高，可达6~7k0C到1万度以上在弧柱周围温度较低，亮度明显减弱的部分叫弧焰，电流几乎都从弧柱内部流过。③电弧的气体放电是自持放电，维持电弧燃烧的电压很低。在大气中，1cm长的直流电弧的弧柱电压仅15~30v，在

3、变压器油中1cm长的直流电弧的弧柱电压仅100~220v。④电弧是一束游离的气体，质量极轻，极易变形。电弧在气体或液体的流动作用下或电动力作用下，能迅速移动、伸长或弯曲。（二）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、。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。电弧形成小结①自由电子的来源(即游离方式)电极发射大量自由电子：热电子+强电场发射弧柱区的气体游离：碰撞游离+热游离②电弧的形成其中：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

5、电压和电场强度很低，强电场发射停止。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。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

6、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。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、热容量、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

7、子发射和弧柱中的金属蒸气。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。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。第二节交流电弧的特性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