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滅弧介質

鎖定
開關電器觸頭本身及觸頭周圍的介質中含有大量可被遊離的電子,當分斷的觸頭間存在足夠大的外施電壓,而且電路電流也達到最小生弧電流時,就會強烈遊離而形成電弧。電弧是高温高導電率的遊離氣體,它不僅對觸頭有很大的破壞作用,而且使斷開電路的時間延長。因此需要將電弧進行消滅,簡稱滅弧。滅弧有多種方法,大多是使用某種氣體或者液體來承擔主要滅弧工作,這些氣體或者液體(甚至是真空)就被稱為滅弧介質。
中文名
滅弧介質
外文名
Extinguishing medium
拼    音
miè hú jiè zhì
應    用
電力系統

滅弧介質滅弧

在有觸點電器中,觸頭接通和分斷電流的過程往往伴隨着電弧的產生及熄滅。電弧是一種氣體放電現象,對電器具有一定的危害。通過對電弧現象的介紹,分析其產生和熄滅的原因,介紹電器常用的滅弧方法及裝置,以解決電弧在電器中的影響。

滅弧介質電弧現象

電弧是氣體放電的一種形式。氣體放電分為自持放電與非自持放電兩類,電弧屬於氣體自持放電中的弧光放電。試驗證明,當在大氣中開斷或閉合電壓超過10V、電流超過0.5A的電路時,在觸頭間隙(或稱弧隙)中會產生一團温度極高、亮度極強並能導電的氣體,稱為電弧。由於電弧的高温及強光,它可以廣泛應用於焊接、熔鍊、化學合成、強光源及空間技術等方面。對於有觸點電器而言,由於電弧主要產生於觸頭斷開電路時,高温將燒損觸頭及絕緣,嚴重情況下甚至引起相間短路、電器爆炸,從而釀成火災、危及人員及設備的安全。
圖1 圖1
若藉助一定的儀器仔細觀察電弧,可以發現,除兩個極(觸頭)外,明顯的分為三個區域,即近陰極區、近陽極區及弧柱區,如圖1所示。
電弧三個區及電位降、電位梯度分佈
近陰極區的長度約等於電子的平均自由行程(小於10-6m)。在電場力的作用下正離子向陰極運動,造成此區域內聚集着大量的正離子而形成正的空間電荷層,使陰極附近形成高電場強度(約為10+6~10+7V/m)。正的空間電荷層形成陰極壓降,其數值隨陰極材料和氣體介質的不同而有所變化,但變化不大,約在10~20V之間。
近陽極區的長度約等於近陰極區的幾倍。在電場力的作用下自由電子向陽極運動,它們聚集在陽極附近且不斷被陽極吸收而形成電流。在此區域內聚集着大量的電子形成負的空間電荷層,產生陽極壓降,其值也隨陽極材料而異,但變化不大,稍小於陰極壓降。由於近陽極區的長度比近陰極區的長,故其電場強度較小。
陰極壓降與陽極壓降的數值幾乎與電流大小無關,在材料及介質確定後可以認為是常數。
弧柱區的長度幾乎與兩電極間的距離相同。是電弧中温度最高、亮度最強的區域。因在自由狀態下近似圓柱形,故稱弧柱區。在此區中正、負電粒子數相同,稱等離子區。由於不存在空間電荷,整個弧區的特性類似於一金屬導體。每單位弧柱長度電壓降相等。其電位梯度臣也為一常數,電位梯度與電極材料、電流大小、氣體介質種類和氣壓等因素有關。
觸頭開斷電路時,產生電弧的原因主要有陰極熱發射電子、陰極冷發射電子、碰撞遊離和熱遊離等。

滅弧介質電弧熄滅方法

滅弧介質拉長電弧

電弧拉長以後,電弧電壓將會增大,從而改變電弧的伏安特性。在直流電弧中,其靜伏安特性上移,電弧可以熄滅;在交流電弧中,由於燃弧電壓的提高,電弧重燃困難。
電弧的拉長可以沿電弧的軸向(縱向)拉長,也可以沿垂直於電弧軸向(橫向)拉長。
拉長電弧

滅弧介質滅弧罩

滅弧罩是讓電弧與固體介質相接觸以降低電弧温度,從而加速電弧熄滅的比較常用的裝置。滅弧罩的結構形式多種多樣,但其基本構成單元為“縫”。我們將滅弧罩壁與壁之間構成的間隙稱作“縫”。根據縫的數量可分為單縫和多縫。根據縫的寬度與電弧直徑之比可分為窄縫與寬縫。縫的寬度小於電弧直徑的稱窄縫,大於電弧直徑的稱寬縫。根據縫的軸線與電弧軸線間的相對位置關係可分為縱縫與橫縫。縫的軸線和電弧軸線相平行的稱為縱縫,兩者相垂直的則稱為橫縫。

滅弧介質油冷滅弧裝置

油冷滅弧是將電弧置於液體介質(一般為變壓器油)中,電弧將油氣化、分解而形成油氣。油氣中主要成分是氫,在油中以氣泡的形式包圍電弧。氫氣具有很高的導熱係數,這就使電弧的熱量容易散發。另外,由於存在着温度差,所以氣泡產生運動,又進一步加強了電弧的冷卻。若要再提高其滅弧效果,可在油箱中加設一定機構,使電弧定向發生運動,這就是油吹滅弧。由於油中的滅弧能力比大氣中滅弧能力強得多,所以這種方法一般用於高壓電器中,如油開關。

滅弧介質氣吹滅弧裝置

圖2 圖2
氣吹滅弧是利用壓縮空氣來熄滅電弧的。壓縮空氣作用於電弧,可以很好地冷卻電弧、提高電弧區的壓力、很快帶走殘餘的遊離氣體,所以有較高的滅弧性能。按照氣流吹弧的方向,它可以分為橫吹和縱吹兩類。橫吹滅弧裝置的絕緣件結構複雜,電流小時橫吹過強會引起很高的過電壓,故已被淘汰。圖2表示了縱吹(徑向吹)的一種形式。壓縮空氣沿電弧徑向吹入,然後通過動觸頭的噴口、內孔向大氣排出,電弧的弧根能很快被吹離觸頭表面因而觸頭接觸表面不易燒損。因為壓縮空氣的壓力與電弧本身無關,所以使用氣吹滅弧時要注意熄滅小電流電弧時容易引起過電壓。由於氣吹滅弧的滅弧能力較強,故一般運用在高壓電器中,如韶山系列電力機車的空氣斷路器(主斷路器)。

滅弧介質簡介

開關電器觸頭本身及觸頭周圍的介質中含有大量可被遊離的電子,當分斷的觸頭間存在足夠大的外施電壓,而且電路電流也達到最小生弧電流時,就會強烈遊離而形成電弧。電弧是高温高導電率的遊離氣體,它不僅對觸頭有很大的破壞作用,而且使斷開電路的時間延長。因此需要將電弧進行消滅,簡稱滅弧。滅弧有多種方法,大多是使用某種氣體或者液體來承擔主要滅弧工作,這些氣體或者液體(甚至是真空)就被稱為滅弧介質。

滅弧介質滅弧的主要措施

(1)增大近極電壓降。主要方法是把電弧分隔為許多串聯短弧。若利用金屬片將長弧切成若干短弧,則電弧上的電壓降將近似增大若干倍,電弧就不能維持燃燒而迅速熄滅。
(2)增大弧柱電壓的順軸梯度。主要方法是加強對電弧的冷卻。具體方法有:迅速拉長電弧;讓電弧在固體介質所形成的狹溝中燃燒;利用外力吹動電弧;將粗大的電弧分成若干平行的細小電弧。上述具體方法除能達到增大電弧冷卻面積,加強熱交換,加速電弧的冷卻,實現增大弧柱電壓的順軸梯度的目的外,還因電弧冷卻了能使觸頭温度下降,從而又可達到增大近極電壓降的目的。
(3)增大電弧長度。主要方法是增大觸頭的開距;利用外力吹動(拉長)電弧。
(4)改善滅弧介質,增大弧隙間的電絕緣強度

滅弧介質滅弧設備

一般電路中,斷路器會包含滅弧系統,因此不必額外添加滅弧設備。斷路器又稱空氣開關,是指能夠關合、承載和開斷正常回路條件下的電流,並能關合、在規定的時間內承載和開斷異常回路條件(包括短路條件)下的電流的開關裝置。斷路器一般由觸頭系統、滅弧系統、操作機構、脱扣器、外殼等構成。斷路器可用來分配電能,不頻繁地啓動異步電動機,對電源線路及電動機等實行保護,當它們發生嚴重的過載或者短路及欠壓等故障時能自動切斷電路,其功能相當於熔斷器式開關與過欠熱繼電器等的組合。而且在分斷故障電流後一般不需要變更零部件。目前,已獲得了廣泛的應用。

滅弧介質斷路器類型

根據斷路器安裝地點,可分為户內和户外兩種。根據斷路器使用的滅弧介質,可分為以下幾種類型:
1。油斷路器。油斷路器是以絕緣油為滅弧介質。可分為多油斷路器少油斷路器。在多油斷路器中,油不僅作為滅弧介質,而且還作為絕緣介質,因此用油量多,體積大。在少油斷路器中,油只作為滅弧介質,因此用油量少體積小,耗用鋼材少。
2。空氣斷路器。空氣斷路器是以壓縮空氣作為滅弧介質,此種介質防火、防爆、無毒、無腐蝕性,取用方便。空氣斷路器屬於他能式斷路器,靠壓縮空氣吹動電弧使之冷卻,在電弧達到零值時,迅速將弧道中的離子吹走或使之複合而實現滅弧。空氣斷路器開斷能力強,開斷時間短,但結構複雜,工藝要求高,有色金屬消耗多,因此,空氣斷路器一般應用在110KV及以上的電力系統中。
3。六氟化硫(SF6)斷路器。SF6斷路器採用具有優良滅弧能力和絕緣能力的SF6氣體作為滅弧介質,具有開斷能力強、動作快、體積小等優點,但金屬消耗多,價格較貴。近年來SF6斷路器發展很快,在高壓和超高壓系統中得到廣泛應用。尤其以SF6斷路器為主體的封閉式組合電器,是高壓和超高壓電器的重要發展方向。
4。真空斷路器。真空斷路器是在高度真空中滅弧。真空中的電弧是在觸頭分離時電極蒸發出來的金屬蒸汽中形成的。電弧中的離子和電子迅速向周圍空間擴散。當電弧電流到達零值時,觸頭間的粒子因擴散而消失的數量超過產生的數量時,電弧即不能維持而熄滅。真空斷路器開斷能力強,開斷時間短、體積小、佔用面積小、無噪聲、無污染、壽命長,可以頻繁操作,檢修週期長。真空斷路器目前在我國的配電系統中已逐漸得到廣泛應用。此外,還有磁吹斷路器和自產氣斷路器,它們具有防火防爆,使用方便等優點。但是一般額定電壓不高,開斷能力不大,主要用作配電用斷路器 [1] 
參考資料
  • 1.    劉亞芳, 王其平. SF_6混合氣體滅弧介質的選擇[J]. 高壓電器, 1993(2):12-16.