电弧及电气触头基本知识课件.ppt

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1、第二章 电弧及电气触头基本知识,第一节 电弧的基本知识,第二节 电弧的特性和熄灭方法,第三节电气触头基本知识,课程要求,重点难点,教学内容,思考练习,第二章 电弧及电气触头基本知识,第一节 电弧的基本知识,课程要求,教学目标：（1）了解电弧的主要特点与危害；（2）掌握电弧的形成与熄灭过程；（3）能叙述电弧的形成过程。,首页,重点难点,重点：电弧的形成与熄灭过程。难点：电弧的形成过程。,首页,教学内容,一、电弧的特点 二、电弧的主要危害 三、电弧的产生 四、电弧的熄灭,首页,一、电弧的特点,电弧：是一种能量集中、温度很高、亮度很大的气体导电现象。1.电弧的组成 2.电弧温度 3.自持放电，发出强

2、烈的白光4.游离的气体，质量轻，迅速移动、伸长、弯曲和变形。运动速度可达每秒几百米。,弧心：温度最高、电流密度最大的弧柱中心部位。弧焰：弧柱周围温度较低、亮度明显减弱的部分。,弧柱区中心可达到10000以上，表面温度也有30004000。,二、电弧的主要危害,1.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。2.在开关电器中，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。3.容易造成飞弧短路、伤人或引起事故扩大。,三、电弧的产生过程,电弧的产生实际上是气体介质在某些因素

3、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,触头开断瞬间产生少量的自由电子的原因：阴极的热电子发射或强电场发射。,热电子发射：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。,强电场发射：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3106Vm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。,2.碰撞游离形

4、成电弧,碰撞游离：自由电子，在电场力作用下加速运动，不断与中性气体质点（原子或分子）撞击，如果电场足够强，自由电子动能足够大，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。新的自由电子又去碰撞另外的中性原子此过程愈演愈烈，发展成为“电子崩”。,当带电粒子积累到一定的数量时，介质的导电性质发生改变，由绝缘体变为导体，在外加电压的作用下，电流通过触头间隙，发出声响和强烈的白光，就形成了电弧。,游离：中性质点转化为带电质点的过程。,电场游离主要取决于电子运动速度，即取决于电场强度、电子的平均自由行程以及气体的性

5、质。触头间电压越高，电场强度也越高，则气体容易被击穿。注意：气体的压力越大，越不容易产生电场游离。,三、电弧的产生过程,3.热游离维持电弧 热游离：发生雪崩式碰撞游离形成电弧后，产生高温，气体中粒子运动速度增大，使原子外层轨道电子脱离原子核内正电荷束缚力成为自由电子。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，维持电弧稳定燃烧。电弧的形成过程就是介质向等离子体态的转化过程。,三、电弧的产生过程,4.影响游离作用的物理因素（1）温度越高，热游离越强烈。（2）压力越大，行程越小，碰撞游离越小。（3）电压越高越容易将间隙击穿。（4）开断距离增大则减小间隙中的电场强度。（5）不同介质游离

6、电场不同，热游离温度不同。（6）不同金属的蒸汽有不同的游离电压。,三、电弧的产生过程,四、电弧的熄灭,实质：气体介质由导通又变为截止的过程，是电弧区域内已电离的质点不断发生去游离的结果。1.去游离过程 2.影响去游离的物理因素,使弧隙中正离子和自由电子减少。,复合,扩散,正负电荷中和成为中性质点的现象。,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。,要使电弧熄灭，必须使去游离作用强于游离作用。,（1）介质的特性,（2）电弧的温度,（3）气体介质压力,（4）游离质点的密度,（5）触头材料,思考练习,1.电弧具有什么特征？它对电力系统和电气设备有哪些危害？2.电弧

7、是如何形成的？3.电弧的游离和去游离方式各有哪些？影响去游离的因素是什么？,课程要求,重点难点,教学内容,思考练习,第二章 电弧及电气触头基本知识,第二节 电弧的特性和熄灭方法,课程要求,教学目标：（1）了解交、直流电弧特点，直流电弧的灭弧方法；（2）掌握交流电弧的灭弧方法；（3）能说明不同的灭弧方式在开关电器中的应用。,首页,重点难点,重点：开关电器的常用灭弧方法。难点：交、直流电弧的特性。,首页,教学内容,一、直流电弧的特性二、直流电弧的熄灭三、交流电弧的特性 四、交流电弧的熄灭 五、熄灭交流电弧的基本方法,首页,一、直流电弧的特性,稳定燃烧的直流电弧压降由阴极区压降、弧柱压降和阳极区压降

8、三部分组成。电弧阴极区压降近似等于常数，它与电极材料和弧隙的介质有关；弧柱压降与弧长成正比；阳极区的电压降比阴极区的小。短弧：几毫米长，电弧电压主要由阳极、阴极电压降组成。电弧电压是与电流、外界条件无关的常数，约为20V左右。长弧：几厘米以上，电弧电压主要由弧柱电压降组成，电弧电压与电弧长度成正比。,二、直流电弧的熄灭,熄灭直流电弧方法：1.冷却或拉长电弧，增大电弧电阻和电弧电压；2.增大线路电阻，如熄弧过程中串入电阻；3.长弧分割成串联短弧，利用短弧的特性，使得电弧电压大于触头施加的电压时，则电弧即可熄灭。在高压大容量的直流电路中（如大容量发电机的励磁电路），一方面采用冷却电弧和短弧原理的方

9、法来熄弧，另一方面采用逐步增大串联电阻的方法来熄弧。,三、交流电弧的特性,1.动态特性 2.热惯性 3.“自然过零”,电弧的温度、直径以及电弧电压随时间变化。,电弧电压呈马鞍形变化，电流小时，电弧电压高，电流大时，电弧电压减小且接近于常数。,A点：燃弧电压B点：熄弧电压,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。,电流过零时，电弧自然熄灭。如果电弧是稳定燃烧的，则电弧电流过零熄灭后，在另半周又会重燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就熄灭。,四、交流电弧的熄灭,电弧重燃取决于弧隙介质绝缘能力或介电强度和弧

10、隙电压的恢复。1.弧隙介质介电强度的恢复,恢复过程：电弧电流过零，电弧熄灭时，弧隙中去游离作用继续进行，弧隙电阻不断增大，弧隙介质的介电强度要恢复到正常状态值所需要的过程。介质介电强度的恢复速度与冷却条件、电流大小、开关电器灭弧装置的结构和灭弧介质的性质有关。,低压电器常利用近阴极效应来灭弧。,影响介质介电强度恢复速率的主要因素：（1）弧隙温度。（2）弧隙介质特性。（3）灭弧介质的压力。（4）断路器触头的分断速度。,四、交流电弧的熄灭,2.弧隙电压的恢复过程,电流过零后，弧隙电压从熄弧电压恢复到电源电压的过程，用Uhf（t）表示，恢复过程与电路参数、负荷性质等有关。受电路参数等因素的影响，电压

11、恢复过程可能是周期性的变化过程，也可能是非周期性变化过程。,不会在电压恢复过程中出现过电压,周期性振荡的恢复电压更容易超过弧隙介质强度，造成电弧重燃。,四、流电弧的熄灭,3.交流电弧的熄灭条件 Uj（t）Uhf（t）在交流电弧的灭弧中，应充分利用交流电流的自然过零点，采取有效的措施，加大弧隙间去游离的强度，使电弧不再重燃，最终熄灭。,五、熄灭交流电弧的基本方法,1.吹弧2.采用多断口灭弧 3.提高分闸速度,利用灭弧介质（气体、油等）在灭弧室中吹动电弧，广泛应用在开关电器中，特别是高压断路器中。,横吹,纵吹,纵横吹,熄弧时，利用多断口把电弧分解为多个相串联的短电弧，使电弧的总长度加长，弧隙电导下

12、降；在触头行程、分闸速度相同的情况下，电弧被拉长的速度成倍增加，促使弧隙电导迅速下降，提高了介电强度的恢复速度；另一方面，加在每一断口上的电压减小数倍，输入电弧的功率和能量减小，降低了弧隙电压的恢复速度，缩短了灭弧时间。,迅速拉长电弧，有利于迅速减小弧柱内的电位梯度，增加电弧与周围介质的接触面积，加强冷却和扩散作用，如采用强力分闸弹簧。,五、熄灭交流电弧的基本方法,4.用耐高温金属材料制作触头5.采用优质灭弧介质6.短弧原理灭弧 7.利用固体介质的狭缝灭弧装置灭弧,铜钨合金和银钨合金,油、压缩空气、SF6气体、真空,利用一个金属灭弧栅将电弧分为多个短弧，利用近阴极效应的方法灭弧。,常用于低压开

13、关电器中，如自动开关和电磁接触器等。,广泛应用于低压开关。,思考练习,1.交流电弧有什么特征？熄灭交流电弧的条件是什么？2.什么是近阴极效应？3.什么是弧隙介质介电强度和弧隙恢复电压？4.断路器断口并联电阻和电容的作用是什么？5.开关电器中常采用的基本灭弧方法有哪些？各自的灭弧原理是什么？,课程要求,重点难点,教学内容,思考练习,第二章 电弧及电气触头基本知识,第三节电气触头基本知识,课程要求,教学目标：（1）熟悉对电气触头的基本要求；（2）建立接触电阻的概念、影响接触电阻的因素；（3）了解电气触头的种类、结构形式及应用。,首页,重点难点,重点：接触电阻，减小接触电 阻的措施。难点：触头的种类

14、、结构形式。,首页,教学内容,一、电气触头的概念 二、触头的接触电阻 三、触头的分类及其结构,首页,一、电气触头的概念,电气触头：两个或几个导体之间接触的部分。电气触头直接影响到设备和装置的工作可靠性，它的性能好坏直接决定了开关电器的品质。基本要求：,（1）结构可靠；（2）接触电阻小且稳定，即有良好导电性能和接触性能；（3）通过规定电流时，发热稳定而且温度不超过允许值；（4）通过短路电流时，具有足够的动稳定性和热稳定性；（5）开断规定的短路电流时，触头不被灼伤，磨损尽可能小，不发生熔焊现象。,二、触头的接触电阻,主要因素：触头的表面加工状况、表面氧化程度、触头间的压力及接触情况等。1.触头间压

15、力的影响2.触头材料及预防氧化的措施,不同压力作用时两触头表面的接触情况（F2F1）,在开关电器中，一般在触头上附加钢性弹簧，以增大并保持触头间的接触压力，使触头接触可靠，减小接触电阻并保持稳定。,材料：铜、黄铜和青铜等。为了防止氧化，通常在触头表面镀上一层锡或铅锡合金。,镀锡铜触头：,环境温度可在60以上，可用在户外装置，也可用在潮湿场所。,镀银触头：,用于户外装置或潮湿场所使用的大电流触头。,钢制触头：,接触表面应镀锡，并涂上两层漆加以密封。,铝制触头：,表面涂中性凡士林油加以覆盖，以防氧化。,二、触头的接触电阻,主要因素：触头的表面加工状况、表面氧化程度、触头间的压力及接触情况等。3.不

16、同材料的触头连接,直接连接,铝与铝：,铜与铜（干燥室内）：,直接连接,铜与铜（室外、高温潮湿、腐蚀性气体室内）：,搪锡,钢与钢：,搪锡或镀锌,铜与铝（干燥室内）：,铜搪锡,铜与铝（室外、空气湿度接近l00%室内）：,过渡板，铜搪锡,钢与铝/钢与铜：,钢搪锡,三、触头的分类及其结构,1.按接触面的形式分类(1)点触头,优点：压强较大、接触点较固定、接触电阻稳定、触头结构简单、自净作用较强。,缺点：接触面积小、不宜通过较大电流、热稳定性差。,用途：只用在工作电流和短路电流较小的情况，如继电器和开关电器辅助触点等。,(2)线触头(3)面触头,特点：压力强度较大，在同样压力下，线触头比面接触触头的实际

17、接触点要多，接触面积比较稳定。触头间的运动形式是一个触头沿另一个触头的表面滑动，从而可减小接触电阻，铜制线触头的接触电阻是平面触头的1/21/3，广泛应用于高、低压开关电器中。,特点：触头容量较大，接触点数和实际接触面积仍比较小，为保证触头的动稳定，减小接触电阻，就必须对触头施加更大的压力。,1.按接触面的形式分类,三、触头的分类及其结构,三、触头的分类及其结构,2.按结构形式分类(1)固定触头,母线之间，母线与电器引出端头的连接等。,1）可拆卸的连接：采用螺栓连接方式，以方便安装和维修。,2）不可拆卸的连接：采用铆接或压接方式，触头连接后便不可拆卸。,防腐的方法一般是在触头连接后，在外面涂以

18、绝缘漆、瓷釉或凡士林油等。,三、触头的分类及其结构,2.按结构形式分类(2)可断触头,1）对接式触头,优点：结构简单，分断速度快。缺点：接触面不够稳定，易发生触头弹跳，没有自净作用，触头易被烧伤、动热稳定性较差。,只适用于1000A以下的断路器中。,2）插入式触头,优点：接触压力较小，有自洁作用，无弹跳，触头磨损小，动热稳定性好。缺点：除了刀形触头外，结构复杂，分断时间长。,刀形触头,瓣形触头,指形触头,三、触头的分类及其结构,2.按结构形式分类(3)滑动触头,豆形触头,“Z”形滑动触头,滚动式滑动触头,思考练习,1.什么是电气触头？电气触头有哪些形式？2.什么是触头的接触电阻？影响接触电阻的因素有哪些？3.怎样保证电气触头接触良好？,