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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(guān)內(nèi)容在應(yīng)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(guān)性能要求也越來越高,它能否正常工作直接關(guān)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(wù),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
2、,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(wù)才算完成,而斷開的時間很短,因此要求很高。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(biāo)志性能的基本指標(biāo)。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(wù)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(biāo)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
3、、卷縮和伸長。在操作電力開關(guān)分?jǐn)嚯娐返倪^程中,當(dāng)開關(guān)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(guān)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
4、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(yīng),使開關(guān)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(dǎo)通。電子學(xué)理論認(rèn)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(fù)合成中性原子、分子
5、。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(dāng)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(yīng)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(guān)系得出在0K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
6、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(guān)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料的逸出功。提高材料的逸出功可顯著降
7、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
8、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(fù)速度和系統(tǒng)恢復(fù)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(fù)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(fù)過程總是勝過電壓恢復(fù)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
