第 3 章 电弧及电气触头的基本理论

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第 3章 电弧及电气触头的基本理论

高压电奇观

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第 3章 电弧及电气触头的基本理论

教学要求：掌握电弧的特征 了解电弧形成的原因及电弧熄灭的基本方法 影响触头电阻的因素。重 点：电弧熄灭的基本方法。影响触头电阻的因素。难 点：电弧形成的原因

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§3-1 电弧的形成和熄灭

弧柱

阳极区阴极区

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§3-1 电弧的形成和熄灭

１、电弧产生的条件： 断开电路时，触头间电压大于 10～ 20V ；电流大于 80～ 1

00mA 2 、带电质点的来源：　①电极发射大量自由电子 强电场发射——强电场力 热电子发射——高温　②电极间弧柱气体游，产生大量的电子和离子 碰撞游离——电场力的作用，由高速运动的电子作用产生 热游离——高温（起弧），由中性质点热运动碰撞产生

3.1. １电弧的形成：大量带电质点在电场力的作用定向运动

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§3-1 电弧的形成和熄灭

3 、电弧的形成：

强电场发射热电子发射

电弧热游离温度磁撞游离加速

弧柱

阳极区阴极区

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

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§3-1 电弧的形成和熄灭

4 、电弧的特点：

电弧的放电现象是一种气体自持放电。 电弧是一种离子通道（载流通道）：只有触头间的电弧熄灭

后，电流才真正切断。 电弧的温度很高、能量大：容易烧坏触头，或使触头周围的

绝缘材料遭受破坏。 电弧燃烧时间过长，压力过高，有可能使电器发生爆炸事故。 质量轻，在外力的作用下易变形

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§3-1 电弧的形成和熄灭

关键是加强去游离作用 介质的游离作用→电弧产生 介质的去游离作用→电弧熄灭1．去游离：正、负质点相互吸引中和为中性质点。2．熄弧条件 游离与去游离谁主导？

当游离 >去游离——电弧电流↑（剧烈燃烧）当游离 =去游离——电弧电流不变（稳定燃烧） 当游离 <去游离——电弧电流↓→（熄灭）

3.1.2 电弧的熄灭：带电质点不断消失

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①复合 异性质点靠近而相互中和的现象。 冷却 ②扩散 带电质点逸出弧柱外的现象。 吹弧

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、热量量、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，可减少热电子发射和弧柱中的金属蒸气。

3 、去游离方式

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提高触头的开断速度（分闸弹簧） 冷却电弧（油、 SF6 、真空、压缩空气） 拉长电弧 吹弧 增大绝缘介质气体压力 将触头置于真空灭弧室中 将长弧分割成多段短弧。

4 、熄灭电弧的基本方法

§3-1 电弧的形成和熄灭

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§3.2 直流电弧的特性及熄灭

弧柱

阴极区

区极阴

Un

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3 、 2 、 1 特性：

1 、静态伏安特性曲线

为发弧电压、即产生电弧的最小电压值

)( hh ifU Uf

Uh a

b

ih

)0( hh iU

§3.2 直流电弧的特性及熄灭

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2 、电弧电压分布图： = 阴极区电压 +弧柱区电压 + 阳极区电压

弧柱

阴极区

区极阴

Un

hU

§3.2 直流电弧的特性及熄灭

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Uh= 阴极区电压 U 阴极区 +弧柱区 UH+ 阳极区 U 阳极区

或：

—— U 阴极区，大小与 ih无关，在空气中 U=8 ～ 11V

—— UH与 ih呈线性关系

—— U 阳极区 < U 阴极区、且随 ih增大而减小甚至为零

短弧：几个 mm 长、主要由 U 阴极区 + U 阳极区组成 ,

UH近似于零

长弧：几个 cm ～几个 m 长，主要由 UH组成

321 UUUU h

1U

2U

3U

§3.2 直流电弧的特性及熄灭

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近阴极效应（短弧原理）

将长弧沿垂直方向切割成多段电弧串联，每一段即构成一个短弧，获得一个阴极区压降。

如果加在触头间的电压小于各段短弧的阴极电压之和，则电弧就不能维持而熄灭。

§3.2 直流电弧的特性及熄灭

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3 、 2 、 2 、直流电弧的工作点

Uz

U kUn

LR

具有直流电弧的 R——L电路

§3.2 直流电弧的特性及熄灭

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Uz

1 、电压方程式

E——电源电压。 iR——电阻电压。 ——电感电阻电压

Uh——电弧电压

2 、直流电弧的熄灭条件

hhLR udt

diLiRUUUE

dt

diLU L

huiRE )(

huiRE

§3.2 直流电弧的特性及熄灭

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3 、 2 、 3 直流电弧的熄灭方法 1.拉长电弧2.开断电路时在电路中逐级串人电阻3.在断口上装灭弧栅4.冷却电弧 直流电弧的熄灭注意事项 在直流电路中不能采用灭弧能力太强的开关电器，避免产生过电压。

§3.2 直流电弧的特性及熄灭

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§3 ． 3 交流电弧的特性及熄灭

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3 、 3 、 1 特性1、动态伏安特性曲线： 电弧电压和电流随时间不断变化，每一周期，电流过零 2次

Uh——马鞍形状。A > B

A——燃弧电压 B——熄弧电压

B

A

t

Uh

A

B

in

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电弧在自然过零时将自动熄灭，但下半周期随着电压的升高，电弧会重燃。若电流过零时，电弧不再重燃，电弧就此熄灭。

2、热惯性：电弧温度的变化滞后于电流的变化

§3 ． 3 交流电弧的特性及熄灭

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3 、 3 、 2 交流电弧的熄灭 1、弧隙介质电强度的恢复过程 UjUj——弧隙介质能够承受而致使弧隙击穿的最小电压 过程： 电流过零前——电弧的温度高，热游离强烈，弧隙的导电性能好 电流过零时——弧隙温度剧降，热游离减弱，弧隙失去导电性能

而恢复为绝缘介质。 电流过零后——温度继续下降，弧隙介质电强度逐渐回升。这种

现象称为交流电路的近阴极效应。

（电流极性改变后的0.1～ 1.0秒瞬间 , 有 Uj=150～ 250V）

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2 、弧隙电压的恢复过程 Uhf

Uhf——电压由熄弧电压恢复到电源电压的过程。 过程1、电流过零前，电弧电阻很小，电源电压大部分降落在

线路或负载的阻抗上。

2、电流过零时，电弧熄灭，最后变为绝缘介质，电源电压全部加在弧隙上。

§3 ． 3 交流电弧的特性及熄灭

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3 、交流电弧的熄灭条件：

0

a

Unf

u

Uj

ta)熄灭 b)重燃

0t

u

Uj

§3 ． 3 交流电弧的特性及熄灭

两曲线无交点两曲线无交点jhf UU

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4、交流电弧的灭弧方法

(1) 提高触头的分闸进度 ——迅速拉长电弧， E↓，冷却与扩散↑

(2) 采用多断口灭弧 ——拉长迅速↑，行程↓， 灭弧时间↓提高了灭弧能

力

(3) 吹弧——加强冷却和扩散 横吹——将电弧吹弯吹长 纵吹——将电弧吹细

§3 ． 3 交流电弧的特性及熄灭

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(4) 利用固体介质的狭缝狭沟灭弧 ——冷却 ,表面吸附电子，加强复合。 如：介质纵缝灭弧罩 介质填料灭弧管

(5) 利用短弧原理灭弧 交流电路：电流自然过零时，每一短弧有 150 ～250v电压。直流电路：每一短弧的阴极区有 8～ 11v电压降。

§3 ． 3 交流电弧的特性及熄灭

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(6) 磁吹 ——利用电磁力驱动和拉长电弧至固体

介质灭弧罩或金属栅灭弧罩中

(7) 高压力气体介质灭弧 ——磁撞游离↓，复合↑

(8) 真空灭弧 ——碰撞游离↓，热游离↓，扩散↑

§3 ． 3 交流电弧的特性及熄灭

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§3 ． 4 电气触头

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3.4.1 概述1 、概念：通过接触传导电流的两个或以上的金属导体的端

接部分。

2 、影响接触电阻的因素及降低其值的措施：（ 1 ）触头材料：铜铝过渡接头片（ 2 ）接触压力：（ 3 ）接触形式：点、线、面接触的用途（ 4 ）接触面的加工情况：平而不是光

§3 ． 4 电气触头

指两个或几个导体之间相互接触的部分

接触电阻 触头质量决定

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3.4.2 对电气触头的要求 1 、结构可靠 2 、由良好的导电性能和接触性能。3 、通过规定的电流时，发热温度不超过规定值。4 、开断规定容量的电流时有足够的抗熔焊和抗电弧烧伤能力5 、通过短路电流时，具有足够的动稳定和热稳定。

§3 ． 4 电气触头

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§3 ． 4 电气触头

3.4.3 触头的分类和结构按接触面的形式划分

平面触头 线触头 点触头

按结构形式划分

滑动触头固定触头可断触头

刀形触头 指形触头插座式触头

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习题及思考题

3—1 何为电弧？简述断路器触头开断时断口电弧的形成过程及由此 而确定的基本灭弧方法。

3—2 直流电弧稳定燃烧的条件为何？灭弧栅何灭弧室在灭弧原理上由何差别？

3—3 交流电弧电流有何特点？熄灭交流电弧的条件是什么？

3—4 什么叫介质强度恢复过程？什么叫电压恢复过程？它们与哪些因素有关？

3—5 在直流电弧和交流电弧中，将长电弧分割成短电弧灭弧室利用了什么原理？

3—6 电气触头主要有哪几种接触形式？各有什么特点？3—7 如果电气触头发生振动是什么原因造成的？有什么危害？

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