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电弧

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  • 发布时间:2016/3/18 16:45:09
  • 作者:ly_yinhe
定义
一种自持气体导电,其大多数载流子为一次电子发射所产生的电子。
摘录自:GB/T 2900.1-2008 电工术语基本术语3.1.77
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电弧简介

  电弧是一种气体放电现象,电流通过某些绝缘介质(例如空气)所产生的瞬间火花。具有能量集中、温度高、亮度大的特点,是一种具有强光和高温的电游离现象。

  开关电器的基本功能是能够在所要求的短时间内分合电路,即起所谓开关的作用,机械式开关设备是用触头来开断电路电流的,在大气中开断电路时,只要电压超过12~20V,被开断的电流超过0.25~1A,在触头间隙(也称弧缝)中通常产生一团温度极高、发出光且能够导电的近似圆柱形的气体,这就是电弧。

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电弧的形成

  电孤是一种气体放电现象,它有两个特点:一是电弧中有大量的电子、离子,因而是导电的,电孤不熄灭电路继续导通,要电弧熄灭后电路才正式断开;二是电弧的温度很高,弧心温度达4000~5000摄氏度以上,高温电弧会烧坏设备造成严重事故,所以必须采取措施,迅速熄灭电弧。

  电弧产生和熄灭的物理过程简述如下:在开关断开过程中,由于动触头的运动,使动、静触头间的接触面不断减小,电流密度就不断增大,接触电阻随接触面的减小就越来越大,因而触头温度升高,产生热电子发射。当触头刚分离时,由于动、静触头间的间隙极小,出现的电场强度很高,在电场作用下金属表面电子不断从金属表面飞逸出来,成为自由电子在触头间运动,这种现象称为场致发射。热电子发射、场致发射产生的自由电子在电场力作用下加速飞向阳极,途中不断碰撞中性质点,将中性质点中的电子又碰撞出来,这种现象称作碰撞游离。由于碰撞游离的连锁反应,自由电子成倍地增加(正离子亦随之增加),大量的电子奔向阳极,大量的正离子向负极运动,开关触头间隙便成了电流的通道,触头间隙间介质被击穿就形成电弧。

  由于电弧温度很高,在高温的作用下,处在高温下的中性质点由于高温而产生强烈不规则的热运动,在中性质点互相碰撞时,又将被游离而形成电子和离子,这种因热运动而引起的游离称为热游离。热游离产生大量电子和离子维持触头间隙间电弧。产生电弧主要由碰撞游离,维持电弧主要依靠热游离。

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电弧特点

01电弧是强功率的放电现象

  在开断几十千安短路电流时,以焦耳热形式发出的功率可达10000kW。与此有关,电弧可具有上万摄氏度或更高的温度及强辐射,在电弧区的任何固体、液体或气体在电弧作用下都会产生强烈的物理及化学变化。在有的开关中,电弧燃烧时间比正常情况只多一二十毫秒,开关就会出现严重烧损甚至爆炸。在用灭弧能力很弱的隔离开关开断负荷电路时(属于误操作),电弧能使操作者大面积烧伤。

02电弧是一种自持放电现象

  不用很高的电压就能维持相当长的电弧稳定燃烧而不熄灭。如在大气中,每厘米长电弧的维持电压只有15V左右。在大气中,在100kV电压下开断仅5A的电流时,电弧长度可达7m。电流更大时,可达30m。因此,单纯采用拉长电弧来熄灭电弧的方法是不可取的。

03电弧是等离子体,质量极轻、极容易改变形状

  电弧区内气体的流动,包括自然对流以及外界甚至电弧电流本身产生的磁场都会使电弧受力,改变形状,有的时候运动速度可达每秒几百米。设计人员可以利用这一特点来快速熄弧并预防电弧的不利影响及破坏作用。

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电弧的分类

  1. 按电流种类可分为:交流电弧、直流电弧和脉冲电弧;

  2. 按电弧的状态可分为:自由电弧和压缩电弧(如等离子弧);

  3. 按电极材料可分为:熔化极电弧和不熔化极电弧。

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电弧的危害

  在一些大电流电路上,触头或开关的通断都会产生电弧火花,可能会造成以下危害:

  1、烧伤触点触头等,久而久之使电路接触不良,造成电路的损坏。

  2、可能对人的眼、皮肤等造成电弧灼伤,对人体造成不可臆测的危害。

  3、在一些对电弧火花敏感的地方,如煤气厂或充置可燃性气体的地方,极少的电弧火花都可能引起爆炸等。

  4、电弧火花可能随着电路对一些电子产品(如集成电路)造成击穿损坏等。

  所以为了安全起见,在有大电流可能引起的触点触头等地方都要加装一个金属盒来屏蔽电弧火花的产生,在交流接触器最为常见。

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开关电器灭弧方法

  1. 利用气体或油熄灭电弧。在开关电器中利用各种形式的灭弧室使气体或油产生巨大的压力并有力地吹向弧隙,电弧在气流或油流中被强烈地冷却和去游离,并且其中的游离物质被未游离物质所代替,电弧便迅速熄灭。气体或油吹动的方式有纵吹和横吹两种,纵吹使电弧冷却变细,然后熄灭;横吹是把电弧拉长切断而熄灭。不少断路器采用纵横混合吹弧方式,以取得更好灭弧效果。

  2. 采用多断口。高压断路器常制成每相有两个或多个串联的断口,使加于每个断口的电压降低,电弧易于熄灭。

  3. 断路器断口加装并联电阻。在高压大容量断路器中,广泛利用弧隙并联电阻来改善它们的工作条件。断路器每相假如有两对触头,一对为主触头,另一对为辅助触头,电阻并联在主触头上。当断路器在合闸位置时,主、辅触头都闭合。当断开电路时,主触头先断开,这时并联在主触头断口上的电阻在主触头断开过程中起分流作用,有利于主触头断口灭弧。主触头的电弧熄灭后,并联电阻串联在电路中,有效地降低触头上的恢复电压数值及电压恢复速度。另外,并联电阻对切断小电感电流或电容电流时,可限制过电压产生。

  4. 采用新介质。利用灭弧性能优越的新介质,例如SF6(六氟化硫)断路器和真空断路器等。

  5. 利用金属灭弧栅熄灭电弧。用铁磁物质制成金属灭弧栅,当电弧发生后,立刻把电弧吸引到栅片内,将长弧分割成一串短弧,当电弧过零时,每个短弧的附近会出现150~250伏的介质强度,如果作用于触头间的电压小于各个介质强度的总和时,电弧就立即熄灭。这种灭弧方法在低压开关中用得很多。


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