开断交流电弧时,在电流达到零值以后,加强对弧隙的冷却,抑制热游离,加强去游离。为此,在开关设备中均装设了灭弧装置,或称为灭弧室,灭弧室不断改进,大大提高了开关的灭弧能力。另外,为了进一步提高灭弧能力,还可以采用性能更为优越的新型灭弧介质,如六氟化硫断路器的使用等。目前,在开关电器中广泛采用的灭弧方法有以下几种。
1.吹弧
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。
按吹弧气流的产生方法和吹弧方向的不同,吹弧可分为以下几种:
(1)吹弧气流产生的方法分类。
1)用油气吹弧。用油气作吹弧介质的断路器称为油断路器。在这种断路器中,有用专用材料制成的灭弧室,其中充满了绝缘油。当断路器触头分离产生电弧后,电弧的高温使一部分绝缘油迅速分解为氢气、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳等气体,其中氢的灭弧能力是空气的7.5倍。这些油气体在灭弧室中积蓄能量,一旦打开吹口,即形成高压气流吹弧。
2)用压缩空气或六氟化硫气体吹弧。将20个左右大气压的压缩空气或5个大气压左右的六氟化硫气体(SF6)先储存在专门的储气罐中,断路器分闸时产生电弧,随后打开喷口,用具有一定压力的气体吹弧。
3)产气管吹弧。产气管由纤维、塑料等有机固体材料制成,电弧燃烧时与管的内壁紧密接触,在高温作用下,一部分管壁材料迅速分解为氢气、二氧化碳等,这些气体在管内受热膨胀,增高压力,向管的端部形成吹弧。
(2)按吹弧的方向分类。
1)横吹。吹弧方向与电弧轴线相垂直时,称为横吹,如图4-10(a)所示。横吹更易于把电弧吹弯拉长,增大电弧表面积,加强冷却和增强扩散。
图4-10 吹弧方法
(a)横吹;(b)纵吹
2)纵吹。吹动方向与电弧轴线一致时,称为纵吹,如图4-10(b)所示。纵吹能促使弧柱内带电质点向外扩散,新鲜介质更好地与炽热的电弧相接触,冷却作用加强,易于熄灭。
3)纵横吹。横吹灭弧室在开断小电流时,因灭弧室内压力太小,开断性能差。为了改善开断小电流时的灭弧性能,可将纵吹和横吹结合起来。在开断大电流时主要靠横吹,开断小电流时主要靠纵吹。
图4-11 双断口示意图
1—静触头;2—电弧;3—动触头
2.采用多断口灭弧(www.xing528.com)
在许多高压断路器中,常采用每相两个或多个断口相串联的方式,如图4-11所示。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。另外,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。多断口比单断口具有更好的灭弧性能,便于采用积木式结构(用于110kV及以上电压的断路器中)。
3.提高分闸速度
熄灭交流电弧的关键在于电弧电流过零后,弧隙的介质强度的恢复过程能否始终大于弧隙电压的恢复过程。为了加强冷却,抑制热游离,增强去游离,在开关电器中装设专用的灭弧装置或使用特殊的灭弧介质,以提高开关的灭弧能力。
迅速拉长电弧,有利于迅速减小弧柱中的电位梯度,增加电弧与周围介质的接触面积,加强冷却和扩散的作用。因此,现代高压开关中都采取了迅速拉长电弧的措施灭弧,如采用强力分闸弹簧,其分闸速度已达16m/s以上。
4.短弧原理灭弧
图4-12 电弧在灭弧栅内熄灭
1—灭弧栅片;2—电弧;3—电弧移动位置;4—静触头;5—动触头
这种灭弧方法常用于低压开关电器中,如自动开关和电磁接触器等。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,如图4-12所示。灭弧栅用金属材料制成,触头间产生的电弧被磁吹线圈驱入灭弧栅,每两个栅片间就是一个短弧,每个短弧在电流过零时新阴极产生150~250V的起始介电强度,如果所有串联短弧的起始介电强度总和始终大于触头间的外加电压,电弧就不会重燃而熄灭。在低压电路中,电源电压远小于起始介质强度之和,因而电弧不能重燃。
5.用耐高温金属材料制作触头
触头材料对电弧中的去游离也有一定影响,用熔点高、热导率和热容量大的耐高温金属制作触头,可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸汽,从而减弱了游离过程,有利于熄灭电弧。
6.采用优质灭弧介质
灭弧介质的特性,如热导率、介电强度、热游离温度、热容量等,对电弧的游离程度有很大影响,这些参数值越大,去游离作用越强。现代高压开关中,广泛采用油、压缩空气、SF6气体、真空等作为灭弧介质。
7.利用固体介质的狭缝灭弧装置灭弧
低压开关中也广泛应用狭缝灭弧装置灭弧。狭缝由耐高温的绝缘材料(如陶土或石棉水泥)制作,通常称为灭弧罩。电弧形成后,用磁吹线圈产生的磁场作用于电弧,电弧受电动力作用吹入狭缝中,把电弧迅速拉长的同时,电弧与灭弧罩内壁紧密接触,热量被冷的灭弧罩吸收,电弧温度下降,电弧表面被冷却和吸附;又因窄缝中的气体被加热使压力很大,加强了电弧中的复合过程。图4-13是狭缝灭弧装置的工作原理示意图。
图4-13 狭缝灭弧装置的工作原理
(a)灭弧装置;(b)迷宫式灭弧片;(c)磁吹弧原理
1—磁吹铁芯;2—磁吹线圈;3—静触头;4—动触头;5—灭弧片;6—灭弧罩;7—电弧移动位置
磁吹力的产生靠外加磁场,使电弧在磁场中受力向灭弧室狭缝中移动。
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