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《分合閘,斷路器滅弧機械特性》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在應用文檔-天天文庫。
1、1 高壓電路中電弧的特性及形成過程隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和電力工業(yè)需求的增長,對高壓開關性能要求也越來越高,它能否正常工作直接關系電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。斷路器起著控制和保護電力系統(tǒng)的雙重作用,能在有載、無載及各種短路工況下完成規(guī)定的合分或操作循環(huán)任務,特別是在高壓強電流的條件下開斷電路并不是件容易的事,開斷過程產(chǎn)生的電弧不熄滅,電路就不能被開斷。。由于電力系統(tǒng)發(fā)生故障時,產(chǎn)生的電流比正常負載電流要大得多,這時開斷電路的斷路器在觸頭分離后,觸點之間將會出現(xiàn)電弧,電弧的存在對高壓電路來說是一個不可忽視的安全隱患,因此高壓電路上明確規(guī)定,只有電弧熄滅,電路的斷開任務才算完成,而斷開的時間很短,因此要求很高
2、。電弧快速熄滅能及時根除安全隱患,為將財產(chǎn)損失減到最小贏得時間。斷路器的開斷要快速、可靠、穩(wěn)定。在運行中,開斷能力是標志性能的基本指標。所謂開斷能力,就是指斷路器在切斷電流時熄滅電弧,順利地切、分電流的任務的能力。在電力系統(tǒng)中,開斷能力的參數(shù)通常是以額定短路開斷電流為標志的,符號為Ib,單位kA。電弧是一種能量集中、溫度高、亮度大的氣體放電現(xiàn)象,是一種電離的氣體,質(zhì)量極輕,發(fā)出耀眼的光芒,在外力作用下迅速移動、卷縮和伸長。在操作電力開關分斷電路的過程中,當開關的觸頭即將分離時,由于觸頭的接觸面突然減小,使得觸頭接觸處的電阻猛增,同時電路上被消耗的電能將產(chǎn)生上千度的高溫,使觸頭產(chǎn)生熱電子發(fā)射,這
3、與人們在電子管中觀察到的熱電子發(fā)射情況類似,只不過這時觸頭表面的溫度比電子管內(nèi)燈絲的溫度要高得多,發(fā)射的熱電子強度也大得多。同時在開關觸頭分離的瞬間,電路加在觸頭上的電壓將在觸頭間極小的間隙內(nèi)形成很強的電場,它將在高溫作用下觸頭發(fā)射的熱電子迅速加速,這些高速運動的熱電子碰撞其周圍的氣體分子而產(chǎn)生自由電子和正離子,被電離出來的自由電子在高溫和強電場的作用下繼續(xù)加速,又碰撞其附近的其它氣體分子,如此繼續(xù),形成連鎖反應,使開關觸頭間的氣體在極短的時間發(fā)生雪崩似的電離,接通電路,發(fā)出耀眼的亮光,這就是人們看到的電弧。電弧產(chǎn)生以后,觸頭間隙周圍的溫度隨之升高到4000℃16以上,大量的金屬蒸氣和氣體原子
4、在高溫下繼續(xù)電離為自由電子和正離子,以維持電弧的穩(wěn)定和電路的導通。電子學理論認為[6~8],在電弧的形成過程中,高溫和電場不僅使氣體分子、原子和熾熱的金屬蒸氣發(fā)生電離,同時還使已電離的自由電子和正離子重新復合成中性原子、分子。電弧形成過程示意圖見圖1。電弧形成機制包括兩種[6~10],場致電子發(fā)射和熱電子發(fā)射。場致電子發(fā)射機理:當材料表面外加很強的電場時,勢壘的高度顯著降低,同時勢壘的寬度變窄,這時電子不需要額外獲得能量就會由于隧道效應而有一定穿越勢壘的幾率,產(chǎn)生場致電子發(fā)射。有文獻表明[8~10],Fowler和Nordheim于1928年計算了這種場致發(fā)射的電流密度與外加電場的關系得出在0
5、K時發(fā)射的電流密度為:式中,E為電場強度;Φ為材料的逸出功,v(y)和t(y)可通過查表得到。熱電子發(fā)射需將陰極加熱到約2500K以上,這時便在熱作用下發(fā)射電子。電子經(jīng)施加在兩極間的電場加速,向陽極運動。由于熱電子發(fā)射需要的溫度高,故只有少數(shù)幾種難熔金屬(如W、Zr、Hf等)才可能產(chǎn)生熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射符合Richardson_Dushman方程:式中,js為電流密度;A為常數(shù);K為Boltzmann常數(shù);T為電極溫度;Φ16是逸出功。式(2)表明熱電子發(fā)射與發(fā)射體溫度、電子逸出功有密切關系。比較式(1)、(2)可知,對弧觸頭,無論是場致電子發(fā)射還是熱電子發(fā)射,其發(fā)射電流都直接依賴于觸頭材
6、料的逸出功。提高材料的逸出功可顯著降低動靜弧觸頭間的電子發(fā)射能力。同時,在熱電子發(fā)射工作狀態(tài)下,提高逸出功可使電極在較高的溫度下達到所需要的電流,能有效改善弧觸頭材料的抗燒蝕能力。2 熄滅電弧的方法電弧的產(chǎn)生直接影響著電力系統(tǒng)的安全運行,快速、可靠、穩(wěn)定地熄滅電弧對高壓電路起著舉足輕重的作用。必須要指出的是,很多場合熄滅電弧,工作人員錯誤的單純采用體積大的斷路器或閘刀,人為拉長電弧的長度和電弧存在的時間,這對于熄滅小電弧是可行的。但電弧是一種自持放電現(xiàn)象,采用體積大的斷路器或閘刀控制,拉長電弧,僅僅是熄滅這類電弧的充分條件。眾所周知，我們所討論的電弧現(xiàn)象大多是基于交流電流的情況。隨著正弦交流電
7、流的周期性變化,交流電弧也將隨之每半周要過零一次。電弧能否熄滅,決定于電弧電流過零時,弧隙的介質(zhì)強度恢復速度和系統(tǒng)恢復電壓上升速度的競爭。加強弧隙的去游離或減小弧隙電壓的恢復速度,都可以促進電弧熄滅。前已指出，交流電弧的熄滅條件是在零休期間不發(fā)生熱擊穿，同時在此之后弧隙介質(zhì)恢復過程總是勝過電壓恢復過程，也即不發(fā)生擊穿。但從滅弧效果來看，零休期間是最好的滅弧時機：一則這時弧隙的輸入功率近乎等于零，只
