第三章__电弧及电气触头的基本知识.docVIP

提供图3-1、3-2、3-9～3-13的动画，提供电弧产生和熄灭过程的动画过程；提供图3-14～3-16的相关实物图片； 其余各图可绘制彩图。 第三章 电弧及电气触头的基本知识 第一节 电弧的基本知识 一、电弧的特点和危害 电弧是电力系统及电能利用过程中常见的物理现象，它实际上是一种能量集中、温度很高、亮度很大的气体放电现象。电弧对电力系统和电气设备会造成很大的危害。 1.电弧的主要特点 （1）电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成，如图3－1所示。阴极和阳极附近的区域分别称为阴极区和阳极区，在阴极和阳极间的明亮光柱称为弧柱。弧柱中心部位温度最高、电流密度最大，称为弧心；弧柱周围温度较低、亮度明显减弱的部分称为弧焰。 二、电弧的产生 电弧的产生过程，实际上是气体介质在某些因素作用下，发生强烈游离，产生很多带电质点，由绝缘变为导通的过程。电弧能成为导电通道，是由于电弧的弧柱内存在大量的带电粒子，这些带电粒子的定向运动形成电弧。 1.自由电子的产生 触头开断的瞬间由阴极通过热电子发射或强电场发射产生少量的自由电子。触头刚分离时，触头间的接触压力和接触面积不断减小，接触电阻迅速增大，使接触处剧烈发热，局部高温使此处电子获得动能，就可能发射出来成为自由电子，这种现象称为热电子发射。另一方面，触头刚分离时，由于触头间的间隙很小，在电压作用下间隙形成很高的电场强度，当电场强度超过3×106V／m时，阴极触头表面的电子就可能在强电场力的作用下，被拉出金属表面成为自由电子，这种现象称为强电场发射。 2.碰撞游离形成电弧 从阴极表面发射出来的自由电子，在触头间电场力的作用下加速运动，不断与间隙中的中性气体质点（原子或分子）撞击，如果电场足够强，自由电子的动能足够大，碰撞时就能将中性原子外层轨道上的电子撞击出来，脱离原子核内正电荷吸引力的束缚，成为新的自由电子。失去自由电子的原子则带正电，称为正离子。新的自由电子又在电场中加速积累动能，去碰撞另外的中性原子，产生新的游离，碰撞游离不断进行、不断加剧，带电质点成倍增加，如图3－2所示，此过程愈演愈烈，如雪崩似地进行着，发展成为“电子崩”，在极短促的时间内，大量的自由电子和正离子出现，在触头间隙形成强烈的放电现象，形成了电弧，这种现象称为碰撞游离，又称电场游离。 对于一种气体，能否产生电场游离主要取决于电子运动速度，也就是取决于电场强度、电子的平均自由行程以及气体的性质。触头间电压越高，电场强度也越高，则气体容易被击穿。气体的压力越高，其中自由电子的平均自由行程就越小，因而也就不容易产生电场游离。不同的气体要从其中性原子外层轨道撞击出自由电子，所需能量值是不同的。 3.热游离维持电弧 触头间隙在发生了雪崩式碰撞游离后，形成电弧并产生高温。温度增高时，气体中粒子的运动速度也随着增大，就可能使原子外层轨道的电子脱离原子核内正电荷的束缚力（吸引力）成为自由电子，这种游离方式称为热游离。气体温度愈高，粒子运动速度愈大，原子热游离的可能性也愈大，从而供给弧隙大量的电子和正离子，维持电弧稳定燃烧。 一旦触头间隙形成电弧放电后，电弧的电阻很小，导电性很好，触头间隙的电压立刻降至最小，触头间隙的电场强度也大大降低，这时电场游离在间隙中作用不明显。另一方面，由于热平衡，电弧温度达到某一数值后不再上升，电导达到某一值后也不再上升，热游离将在一定强度下稳定下来，达到平衡状态。 综上所述，由于热电子发射或强电场发射在触头间隙中产生少量的自由电子，这些自由电子与中性分子发生碰撞游离并产生大量的带电粒子，从而形成气体导电，即产生电弧，一旦电弧产生后，将由热游离作用来维持电弧燃烧。 三、电弧的熄灭 电弧的熄灭过程，实际上是气体介质由导通又变为截止的过程。电弧中发生游离的同时，还存在着相反的过程，即去游离。去游离使弧隙中正离子和自由电子减少。电弧的熄灭是电弧区域内已电离的质点不断发生去游离的结果。去游离的主要方式包括复合和扩散两种形式。 1.复合 复合是指异性带电质点相遇，正负电荷中和成为中性质点的现象。电子的运动速度远远大于正离子，所以电子和正离子直接复合的可能性很小。复合的方式是电子先附在中性质点上形成负离子，负离子的运动速度比较小，正负离子的复合就容易进行。目前广泛使用的SF6断路器就利用了SF6气体的强电负性来实现电弧的尽快熄灭。 2.扩散 扩散是指电弧中的自由电子和正离子散溢到电弧外面，并与周围未被游离的冷介质相混合的现象。扩散是由于带电粒子的无规则热运动，以及电弧内带电粒子的密度远大于弧柱外，电弧的温度远高于周围介质的温度造成的。电弧和周围介质的温度差愈大，带电粒子的密度差愈大，扩散作用就愈强。高压断路器中常采用吹弧的灭弧方法，就是加强了扩散作用。 综上所述，当游离作用大于去游离作用时，电弧电流增加，电弧燃烧加强；当