发电厂电气分 1 第三章灭弧原理及主要开关电器 山东理工大学教案 第4次课教学课型：理论课√实验课口习题课口实践课口技能课口其它口 主要教学内容（注明：*重点#难点）： 电弧的形成与熄灭 熄灭交流电弧的基本方法 高压断路器原理及基本结构 重点： 电弧的形成与熄灭 熄灭交流电弧的基本方法 难点： 熄灭交流电弧的基本方法 课程目标及要求 课程目标：课程目标1 要求， 能分析电弧的产生和熄灭的过程和原理，并能计算弧隙电压恢复过程的数值： 能分析高压断路器、隔离开关等电气设备的结构和工作原理。 教学方法和教学手段： 多媒体教学，问题导向教学。 讨论、思考题 利用电弧理论分析熄灭电弧的措施 结合典型断路器结构分析其性能 作业：1,4,11 参考资料： [1]姚春球，发电厂电气部分（第二版），中国电力出版社，2013.4 [2]郭琳，发电厂电气部分课程设计，中国电力出版社，2009.8
发电厂电气部分 第三章 灭弧原理及主要开关电器 1 山 东 理 工 大 学 教 案 第 4 次课 教学课型：理论课√ 实验课□ 习题课□ 实践课□ 技能课□ 其它□ 主要教学内容（注明：* 重点 # 难点 ）： 电弧的形成与熄灭 熄灭交流电弧的基本方法 高压断路器原理及基本结构 重点： 电弧的形成与熄灭 熄灭交流电弧的基本方法 难点： 熄灭交流电弧的基本方法 课程目标及要求 课程目标：课程目标 1 要求： 能分析电弧的产生和熄灭的过程和原理，并能计算弧隙电压恢复过程的数值； 能分析高压断路器、隔离开关等电气设备的结构和工作原理。 教学方法和教学手段： 多媒体教学，问题导向教学。 讨论、思考题 利用电弧理论分析熄灭电弧的措施 结合典型断路器结构分析其性能 作业：1,4,11 参考资料： [1] 姚春球，发电厂电气部分（第二版），中国电力出版社 ，2013.4 [2] 郭琳，发电厂电气部分课程设计，中国电力出版社，2009.8
发电电气语分 第三章灭弧原理及主要开关电器】 第三章灭弧原理及主要开关电器 电弧是开关电器操作过程中经常发生的一种物理现象。电弧的温度很高，很容易烧毁触 头，或使触头周围的绝缘材料遭受破坏，甚而使电气设备发生爆炸事故。因此，当开关触头 间出现电弧时，必须尽快予以熄灭。为了研究各种开关电器的结构和工作原理，并正确地选 用与维护，熟悉电弧产生与炮灭的基本规律是十分必要的。 3.1电弧的形成与熄灭 用开关电器切晰通有电流的电路时，只要电源电压大于10~20V,电流大于80~100m4 在开关电器的动、静触头分离解间，触头间就会产生电弧，如图51所示。电弧是一种气体 游离放电现象，其主要特征是： (1)电弧由阴极区、弧柱区和阳极区3部分组成。 (2)电弧温度很高。电弧放电时，能量高度集中，弧柱中心区温度可达10000℃左右， 电弧表面温度也会达到300( (3)电弧是一种自持放电现象。即电弧 入静触头阴极区 弧柱区 用极区动触头 旦形成，维持电弧稳定燃烧所需的电压很低。 + 例如，大气中1cm长的直流电弧的弧柱电压只 “三三三三三 有15~30V,在变压器油中也不过100-200V。 (4)电弧是一束游离气体。质量很轻，在 图三1电弧 电动力、热力和其他外力作用下能迅速移动 伸长、弯曲和变形。 如果电弧长久不熄灭，就会对电力系统和电气设备造成危害。电弧的高温，可能烧坏电 器触头和触头周围的其他部件，对充油设备还可能引起者火甚至爆炸等危险：在开关电器触 头间只要有电弧的存在，电路就没有断开，电流仍然存在，电弧的存在延长了开关电器断开 故障电路的时间， 加重了电力 的危害：很容易道 飞孤短路、伤人或引起事故 扩大。因此，要保证开关电器正常工作就必须迅速可靠的熄灭电弧。 1电弧的产生与维持 电弧之所以能形成导电通道，是因为弧柱中出现大量自由电子的缘故，这些自由电子的 定向运动形成电弧。 触头刚分离时，由于触头间的间隙很小，触头间会形成很高的电场强度，当电场强度超 过3×10VWm时，阴极触头的表面在强电场的作用下发生高电场发射（由于电场的作用把 金属表面中的自由电 子从阴极 立出来 成为自 由电子存在 从阴极表面发 射出来的自由电子在电场力的作用下向阳极作加速运动，它们在奔向阳极的途中碰撞介质的 中性质点（原子或分子），只要电子的运动速度足够高，使其自身动能大于中性质点的游离 能（能使电子释放出来的能量）时，便产生碰撞游离，原中性质点即游离为正离子和自由电 子。新产生的电子将和原有的电子一起以极高的速度向阳极运动，当他们和其他中性质点相 碰撞时又再一次发生碰撞游离，如图5-2所示
发电厂电气部分 第三章 灭弧原理及主要开关电器 2 第三章 灭弧原理及主要开关电器 电弧是开关电器操作过程中经常发生的一种物理现象。电弧的温度很高，很容易烧毁触 头，或使触头周围的绝缘材料遭受破坏，甚而使电气设备发生爆炸事故。因此，当开关触头 间出现电弧时，必须尽快予以熄灭。为了研究各种开关电器的结构和工作原理，并正确地选 用与维护，熟悉电弧产生与熄灭的基本规律是十分必要的。 3.1 电弧的形成与熄灭 用开关电器切断通有电流的电路时，只要电源电压大于 10～20V，电流大于 80～100mA， 在开关电器的动、静触头分离瞬间，触头间就会产生电弧，如图 5-1 所示。电弧是一种气体 游离放电现象，其主要特征是： （1）电弧由阴极区、弧柱区和阳极区 3 部分组成。 （2）电弧温度很高。电弧放电时，能量高度集中，弧柱中心区温度可达 10000 C 左右， 电弧表面温度也会达到 3000～4000 C 。 （3）电弧是一种自持放电现象。即电弧一 旦形成，维持电弧稳定燃烧所需的电压很低。 例如，大气中 1cm 长的直流电弧的弧柱电压只 有 15～30V，在变压器油中也不过 100～200V。 （4）电弧是一束游离气体。质量很轻，在 电动力、热力和其他外力作用下能迅速移动、 伸长、弯曲和变形。 如果电弧长久不熄灭，就会对电力系统和电气设备造成危害。电弧的高温，可能烧坏电 器触头和触头周围的其他部件，对充油设备还可能引起着火甚至爆炸等危险；在开关电器触 头间只要有电弧的存在，电路就没有断开，电流仍然存在，电弧的存在延长了开关电器断开 故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害；很容易造成飞弧短路、伤人或引起事故 扩大。因此，要保证开关电器正常工作就必须迅速可靠的熄灭电弧。 1 电弧的产生与维持 电弧之所以能形成导电通道，是因为弧柱中出现大量自由电子的缘故，这些自由电子的 定向运动形成电弧。 触头刚分离时，由于触头间的间隙很小，触头间会形成很高的电场强度，当电场强度超 过 6 3 10 V/ m 时，阴极触头的表面在强电场的作用下发生高电场发射（由于电场的作用把 金属表面中的自由电子从阴极表面拉出来，成为自由电子存在于触头间隙）。从阴极表面发 射出来的自由电子在电场力的作用下向阳极作加速运动，它们在奔向阳极的途中碰撞介质的 中性质点（原子或分子），只要电子的运动速度足够高，使其自身动能大于中性质点的游离 能（能使电子释放出来的能量）时，便产生碰撞游离，原中性质点即游离为正离子和自由电 子。新产生的电子将和原有的电子一起以极高的速度向阳极运动，当他们和其他中性质点相 碰撞时又再一次发生碰撞游离，如图 5-2 所示。 图三-1 电弧
发电厂电气分 3 第三章灭弧原理及主要开关电器 日+ ,日+电 + 4+ 图三2碰撞游离过程示意图 碰撞游离连续进行，触头间隙便充满了电子和正离子，介质中带电质点就会大量副增， 使触头间隙具有很大的电导。在外加电压的作用下，大量的电子向阳极运动，形成电流，这 就是介质被击穿而产生的电弧。此时，电流密度很大，触头电压降很小 电弧产生后，弧隙的温度很高，弧柱温度可达5000℃以上。此时处于高温下的介质分 子和原子产生强烈运动，它们之间不断发生碰撞，又可游离出电子和正离子，这便是热游离 过程。在电弧稳定燃烧的情况下，弧柱的温度很高，电弧电压的弧柱的电场强度很低，因此， 弧柱的游离作用就由热游离维持和发展。当电弧温度很高时，一方面阴极表面将发生热发射 方面会引起金属触头熔化、蒸发， 使弧隙的电导增加，电弧将继续炽热燃烧 从 上分析可知，阴杨 在强电场作用下发射电子，发射的电子在触头电压作用下产生碰撞游离，就形成了电弧，在 高温的作用下，阴极发生热发射，并在介质中发生热游离，使电弧维持和发展。这就是电弧 产生的过程。 2电弧中的去游离 在电弧中，发生游离过程的同时还进行着带电质点减少的去游离过程。在稳定燃烧的电 弧中，这两个过程处于平衡状态，如果游离过程大于去游离过程，电弧将继续炽热燃烧：如 果去游离过程大于游离过程，电弧便愈来愈小，直至最后熄灭。 去游离的主要方式是复合和扩散。 复合去游离是异号带电质点的电荷彼此中和的现象。电子运动速度远大于离子，电子对 于正离子的相对速度较大，所以复合的可能性很小。但是电子在碰撞时，如果附者在中性质 点上形成负离子，则速度会大大减慢，而正负离子间的复合比电子和正离子间的复合要容易 得多 既然复合过程只有在离子速度不大时才有可能发生，若利用液体或气体吹弧，或将电弧 挤入绝缘冷壁做成的窄缝中，都能迅速冷却电弧，诚小离子的运动速度，加强复合过程。此 外，增加气体压力，使离子间自由行程缩短，气体分子密度加大，使复合的几率增加，这些 均是加强复合过程的措施 扩散去游离是弧柱内自由电子与正离子从弧柱逸出而进入周围冷介质中去的现象。扩 是由于带质点的不规则热运动以及空间电荷的不均匀分布，使电弧中的高温离子由密集的空 间向密度小、温度低的介质周围方向扩散。电弧和周围介质的温度差以及离子浓度差愈大， 扩散作用也愈强。在断路器中还采用高速气体吹拂电弧，带走弧柱中的大量电子和正离子， 以加强扩散作用。扩散出米的离子因冷却而互相结合，成为中性质点
发电厂电气部分 第三章 灭弧原理及主要开关电器 3 碰撞游离连续进行，触头间隙便充满了电子和正离子，介质中带电质点就会大量剧增， 使触头间隙具有很大的电导。在外加电压的作用下，大量的电子向阳极运动，形成电流，这 就是介质被击穿而产生的电弧。此时，电流密度很大，触头电压降很小。 电弧产生后，弧隙的温度很高，弧柱温度可达 5000℃以上。此时处于高温下的介质分 子和原子产生强烈运动，它们之间不断发生碰撞，又可游离出电子和正离子，这便是热游离 过程。在电弧稳定燃烧的情况下，弧柱的温度很高，电弧电压的弧柱的电场强度很低，因此， 弧柱的游离作用就由热游离维持和发展。当电弧温度很高时，一方面阴极表面将发生热发射 电子（高温的阴极表面能够向四周空间发射电子），另一方面会引起金属触头熔化、蒸发， 以致在介质中混有蒸汽，使弧隙的电导增加，电弧将继续炽热燃烧。从以上分析可知，阴极 在强电场作用下发射电子，发射的电子在触头电压作用下产生碰撞游离，就形成了电弧，在 高温的作用下，阴极发生热发射，并在介质中发生热游离，使电弧维持和发展。这就是电弧 产生的过程。 2 电弧中的去游离 在电弧中，发生游离过程的同时还进行着带电质点减少的去游离过程。在稳定燃烧的电 弧中，这两个过程处于平衡状态，如果游离过程大于去游离过程，电弧将继续炽热燃烧；如 果去游离过程大于游离过程，电弧便愈来愈小，直至最后熄灭。 去游离的主要方式是复合和扩散。 复合去游离是异号带电质点的电荷彼此中和的现象。电子运动速度远大于离子，电子对 于正离子的相对速度较大，所以复合的可能性很小。但是电子在碰撞时，如果附着在中性质 点上形成负离子，则速度会大大减慢，而正负离子间的复合比电子和正离子间的复合要容易 得多。 既然复合过程只有在离子速度不大时才有可能发生，若利用液体或气体吹弧，或将电弧 挤入绝缘冷壁做成的窄缝中，都能迅速冷却电弧，减小离子的运动速度，加强复合过程。此 外，增加气体压力，使离子间自由行程缩短，气体分子密度加大，使复合的几率增加，这些 均是加强复合过程的措施。 扩散去游离是弧柱内自由电子与正离子从弧柱逸出而进入周围冷介质中去的现象。扩散 是由于带质点的不规则热运动以及空间电荷的不均匀分布，使电弧中的高温离子由密集的空 间向密度小、温度低的介质周围方向扩散。电弧和周围介质的温度差以及离子浓度差愈大， 扩散作用也愈强。在断路器中还采用高速气体吹拂电弧，带走弧柱中的大量电子和正离子， 以加强扩散作用。扩散出来的离子因冷却而互相结合，成为中性质点。 图三-2 碰撞游离过程示意图
发电电气语分 4 第三章灭现原理及主要开关电器 在稳定燃烧的电弧中，新增加的带电质点数量与中和的数量相等，游离作用等于去游离 作用。如果游离作用大于去游离作用，电弧燃烧加剧：如果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。因此，要熄灭电弧，必须采取措施加强去游 离作用而削弱游离作用。 (6) 图三，3交流电弧伏安特性和电弧电压波形 a伏安特性：创电弧电压波形 3交流电弧的特性 在交流电路中，电流瞬时值随时间变化，因而电弧的温度、直径以及电弧电压也随时间 变化，电弧的这种特性称为动特性。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟不上 快速变化的电流，所以电弧温度的变化总滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性 热惯性使得交流电弧的伏安特性为动态特性，如图53()所示。 电弧电压，的波形呈马鞍形变化，如图5-3b)所示，其中A点为电弧产生时的电压， 称为燃弧电压：B点为电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压 电流每半周过零一次，电弧会暂时自动熄灭：电弧在交流电流自然过零时将自动熄灭， 但在下半周随着电压的增高，电弧又重燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就此熄 4交流电弧的熄灭条件 交流电那每半周自然熄灭是熄灭交流电弧的最住时机，实际上，在电流过零后，弧隙中 存在着两个恢复过程。 一个是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， 称为介质强度恢复过程，以耐受的电压U,()表示：另一个是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，称为弧隙电压恢复过程，用U,()表示。电弧 能否熄灭取决于这两个过程竞争的结果 1、 1R 零后的0.1~μs的短暂时间内，阴极附近出现150~250V 的起始介质强度，称为近阴极效应。这是因为在电流过零的瞬间，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，而质量比 图三，4电流过零后弧隙电荷 重新分布
发电厂电气部分 第三章 灭弧原理及主要开关电器 4 在稳定燃烧的电弧中，新增加的带电质点数量与中和的数量相等，游离作用等于去游离 作用。如果游离作用大于去游离作用，电弧燃烧加剧；如果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。因此，要熄灭电弧，必须采取措施加强去游 离作用而削弱游离作用。 3 交流电弧的特性 在交流电路中，电流瞬时值随时间变化，因而电弧的温度、直径以及电弧电压也随时间 变化，电弧的这种特性称为动特性。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟不上 快速变化的电流，所以电弧温度的变化总滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。 热惯性使得交流电弧的伏安特性为动态特性，如图 5-3(a)所示。 电弧电压 a u 的波形呈马鞍形变化，如图 5-3(b)所示，其中 A 点为电弧产生时的电压， 称为燃弧电压；B 点为电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压。 电流每半周过零一次，电弧会暂时自动熄灭；电弧在交流电流自然过零时将自动熄灭， 但在下半周随着电压的增高，电弧又重燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就此熄 灭。 4 交流电弧的熄灭条件 交流电弧每半周自然熄灭是熄灭交流电弧的最佳时机，实际上，在电流过零后，弧隙中 存在着两个恢复过程。一个是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， 称为介质强度恢复过程，以耐受的电压 U t d ( ) 表示；另一个是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，称为弧隙电压恢复过程，用 ( ) U t r 表示。电弧 能否熄灭取决于这两个过程竞争的结果。 1、 弧隙介质强度恢复过程 在电流过零后的 0.1~1μs 的短暂时间内，阴极附近出现 150 ~ 250V 的起始介质强度，称为近阴极效应。这是因为在电流过零的瞬间，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，而质量比 图三-3 交流电弧伏安特性和电弧电压波形 (a)伏安特性；(b)电弧电压波形 图三-4 电流过零后弧隙电荷 重新分布
发电厂电气分 5 第三章灭弧原理及主要开关电器 电子大1000倍的正离子基本未动，在新阴极附近就形成了只有正电荷的不导电薄层，阻 阴极发射电子，呈现出一定的介质强度，如图54所示。起始介质强度出现后的介质强度恢 复是一个复杂的过程，它与电弧电流、介质特性、冷却条件和触头分断速度有关。 2、弧隙电压恢复过程 弧隙电压恢复过程与电路参数、负荷性质等有关。在实际电 路中，发电机和变压器都是感性元件，输电线路对地有分布电容， 故电流与电源电压相位不同 ,腰态续复电压 电弧为纯电阻性质 电弧电流与弧隙电压同相位，电弧电流 工期复电压 过零时，弧隙电压接近零，而电源电压不等于零，由于电路参数 L、C的存在，弧隙电压U,()不可能立刻由熄弧电压上升到电源 电压， 般弧隙恢复电压是一个过渡过程，它由电源决定的工频 恢复电压和由电路参数决定的振荡衰减分量叠加而成，称为瞬态 恢复电压，它的存在时间很短，一般只有几十微秒至几毫秒，如 果电弧不重燃，弧隙电压逐渐恢复到电源电压，即由瞬态（振荡） 图三5恢复电压的组成 恢复电压逐渐过渡到工频恢复电压，如图5-5所示。短路时电路 电阻很小，电路呈感性，电弧电流与电源电压相位差约为90°，因此在电弧电流过零时，弧 隙电压U,约等于电源电压的幅值U。 3、交流电弧熄灭的条件 从以上分析可知，电流过零后，电弧能否熄灭取决于这两个恢复过程作用的结果： (1)如果弧隙电压恢复过程上升速度较快，幅值较大，弧隙电压恢复过程大于弧隙介 质强度恢复过程，介质被击穿，电弧重燃，如图5-6a所示。 2)如果弧隙介质强度恢复过程始终大于弧隙电压恢复过程，则电弧熄灭，如图5-6b 和图5-6c所示 故交流电弧熄灭的条件应为 U)>U,0 c 图三6介质强度和弧隙电压的恢复过程 (a》在时刻。族复电压高于介质强度，电重燃：(b)介质强度高于恢复电压，电弧熄灭： 《c)介质强度高于非周期性族复电压。电弧您灭 如果能够采取措施，防止U,()振荡，将周期振荡性的恢复电压转变为非周期性恢复过
发电厂电气部分 第三章 灭弧原理及主要开关电器 5 电子大 1000 倍的正离子基本未动，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 5-4 所示。起始介质强度出现后的介质强度恢 复是一个复杂的过程，它与电弧电流、介质特性、冷却条件和触头分断速度有关。 2、 弧隙电压恢复过程 弧隙电压恢复过程与电路参数、负荷性质等有关。在实际电 路中，发电机和变压器都是感性元件，输电线路对地有分布电容， 故电流与电源电压相位不同。 电弧为纯电阻性质，电弧电流与弧隙电压同相位，电弧电流 过零时，弧隙电压接近零，而电源电压不等于零，由于电路参数 L、C 的存在，弧隙电压 ( ) U t r 不可能立刻由熄弧电压上升到电源 电压，一般弧隙恢复电压是一个过渡过程，它由电源决定的工频 恢复电压和由电路参数决定的振荡衰减分量叠加而成，称为瞬态 恢复电压，它的存在时间很短，一般只有几十微秒至几毫秒，如 果电弧不重燃，弧隙电压逐渐恢复到电源电压，即由瞬态（振荡） 恢复电压逐渐过渡到工频恢复电压，如图 5-5 所示。短路时电路 电阻很小，电路呈感性，电弧电流与电源电压相位差约为 90 ，因此在电弧电流过零时，弧 隙电压 U0 约等于电源电压的幅值 Um 。 3、 交流电弧熄灭的条件 从以上分析可知，电流过零后，电弧能否熄灭取决于这两个恢复过程作用的结果： （1）如果弧隙电压恢复过程上升速度较快，幅值较大，弧隙电压恢复过程大于弧隙介 质强度恢复过程，介质被击穿，电弧重燃，如图 5-6a 所示。 （2）如果弧隙介质强度恢复过程始终大于弧隙电压恢复过程，则电弧熄灭，如图 5-6b 和图 5-6c 所示。 故交流电弧熄灭的条件应为 U t U t d r ( ) ( ) 如果能够采取措施，防止 ( ) U t r 振荡，将周期振荡性的恢复电压转变为非周期性恢复过 图三-6 介质强度和弧隙电压的恢复过程 （a）在 t1 时刻，恢复电压高于介质强度，电弧重燃；（b）介质强度高于恢复电压，电弧熄灭； （c）介质强度高于非周期性恢复电压，电弧熄灭 图三-5 恢复电压的组成