熔断器等电子器件中电弧产生的原理及灭弧方法
一 什么是电弧在电路中的熔断器熔断时,当电压和电流达到一定值时,熔断体刚刚熔化断开,刚刚分开的熔断体之间就会产生拉弧,这就是电弧。它是由于电场过强,气体产生了离子化,使得电流通过了通常状态下是绝缘的介质。利用电弧可以有很多用途,如电焊,炼钢厂的电弧炉等。但如果在非控制状态下产生的电弧就会对输电,配电及电子设备造成损害。所以我们必须了解和控制电弧。
二 电弧的组成
2.1 弧柱区
弧柱区呈电中性,它是由分子、原子、受激的原子、正离子、负离子及电子所组成,其中带正电荷的离子与带负电荷的离子几乎相等,所以又称为等离子体。带电的粒子在等离子体定向移动,基本上不消耗能量,所以才能够在低电压条件下,传输大电流。传输电流的主要带电粒子是电子,大约占带电粒子总数的99.9%,其余为正离子。 因为阴极区和阳极区的长度极短,所以可以认为弧柱区长度为电弧长度。弧柱区的电场强度较低,通常只有5～10V/cm。
2.2 阴极区
阴极被认为是电子之源。它向弧柱提供99.9%的带电粒子(电子)。阴极发射电子的能力,对电弧稳定性影响极大。阴极区的长度为10-5～10-6cm,如果阴极压降为10V,则阴极区的电场强度为106～107V/cm。
2.3 阳极区
阳极区主要是接受电子,但还应向弧柱提供0.1%的带电粒子(正离子)。通常阳极区的长度为10-2～10-3cm,则阳极区的电场强度为103～104V/cm。由于阳极材料和焊接电流对阳极区压降影响很大,它可以在0～10V之间变化。例如当电流密度较大,阳极温度很高,使阳极材料发生蒸发时,阳极压降将降低,甚至到0V。
2.1 弧柱区
弧柱区呈电中性,它是由分子、原子、受激的原子、正离子、负离子及电子所组成,其中带正电荷的离子与带负电荷的离子几乎相等,所以又称为等离子体。带电的粒子在等离子体定向移动,基本上不消耗能量,所以才能够在低电压条件下,传输大电流。传输电流的主要带电粒子是电子,大约占带电粒子总数的99.9%,其余为正离子。 因为阴极区和阳极区的长度极短,所以可以认为弧柱区长度为电弧长度。弧柱区的电场强度较低,通常只有5～10V/cm。
2.2 阴极区
阴极被认为是电子之源。它向弧柱提供99.9%的带电粒子(电子)。阴极发射电子的能力,对电弧稳定性影响极大。阴极区的长度为10-5～10-6cm,如果阴极压降为10V,则阴极区的电场强度为106～107V/cm。
2.3 阳极区
阳极区主要是接受电子,但还应向弧柱提供0.1%的带电粒子(正离子)。通常阳极区的长度为10-2～10-3cm,则阳极区的电场强度为103～104V/cm。由于阳极材料和焊接电流对阳极区压降影响很大,它可以在0～10V之间变化。例如当电流密度较大,阳极温度很高,使阳极材料发生蒸发时,阳极压降将降低,甚至到0V。
三 电弧的特征
3.1 维持电弧稳定燃烧的电弧电压很低,在大气中1cm的直流电弧弧柱的电压只有10～50V。
3.2 在电弧中能通过很大电流,可从几安～几千安。
3.3 电弧具有很高的温度,弧柱温度是不均匀的,中心温度最高,可达到6000-10000度,而远离中心则温度降低。
3.4 电弧能发出很强的光。电弧的光辐射波长为(1.7～50)×10-7m。它包括红外线,可见光和紫外线3个部分
四 电弧的分类
4.1按电流种类可分为:交流电弧、直流电弧和脉冲电弧。
4.2按电弧的状态可分为:自由电弧和压缩电弧(如等离子弧)。
4.3按电极材料可分为:熔化极电弧和不熔化极电弧。
五 电弧的危害
5.1 电弧的存在延长了开关电器开断故障电路时间,加重了电力系统短路的概率。
5.2 电弧产生的高温,将触头表面熔化和蒸发,烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火,爆炸等危险。
5.3 由于电弧在电动力、热力的作用下能移动。很容易造成飞弧短路和伤人,引起事故扩大。
六 灭弧的原理
6.1 电弧温度
电弧是由热游离维持的,降低电弧的温度就可以减弱热游离,减少新的带电离子产生。同时也减小了带电质点的运动速度,加强了复合作用。通过快速拉长电弧,用气体或油吹动电弧,或使电弧与固体介质表面接触,都可以降低电弧温度。
6.2 介质的特性
电弧燃烧时所在的介质的特性在很大程度上决定了电弧中去游离的强度。包括导热系数、热容量、热游离温度、介电强度等。
6.3气体介质的压力
气体介质的压力对电弧去游离的影响很大。因为,气体的压力越大,电弧中质点的浓度就越大,质点间的距离就越小,复合作用就越强,电弧就越容易熄灭。在高真空环境中,由于发生碰撞的几率减小,抑制了碰撞游离,而扩散作用却很强。
6.4触头材料
触头材料也影响去游离的过程。触头采用高熔点,导热好和热容量大的耐高温金属时,减少了热电子发射和电弧中金属蒸汽,有利于电弧熄灭。
七 灭弧的方法
7.1 利用介质灭弧
弧隙的去游离在很大程度上,取决于电弧周围灭弧介质的特性。六氟化硫气体是很好的灭弧介质,其电负性很强,能迅速吸附电子而形成稳定的负离子,有利于复合去游离,其灭弧能力比空气约强100倍；真空(压强在0.013Pa以下)也是很好的灭弧介质,因真空中的中性质点很少,不易于发生碰撞游离,且真空有利于扩散去游离,其灭弧能力比空气约强15倍。
7.2 利用气体或油吹动电弧
吹弧使弧隙带电质点扩散和冷却复合。在高压断路器中利用各种灭弧室结构形式,使气体或油产生巨大的压力并有力地吹向弧隙。吹弧方式主要有纵吹与横吹两种。纵吹是吹动方向与电弧平行,它促使电弧变细；横吹是吹动方向与电弧垂直,它把电弧拉长并切断。
7.3采用特殊的金属材料作灭弧触头
采用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属作触头材料,可减少热电子发射和电弧中的金属蒸气,得到抑制游离的作用；同时采用的触头材料还要求有较高的抗电弧、抗熔焊能力。常用触头材料有铜钨合金、银钨合金等。
7.4 电磁吹弧
电弧在电磁力作用下产生运动的现象,叫电磁吹弧。由于电弧在周围介质中运动,它起着与气吹的同样效果,从而达到熄弧的目的。这种灭弧的方法在低压开关电器中应用得更为广泛。
7.5 使电弧在固体介质的狭缝中运动
此种灭弧的方式又叫狭缝灭弧。由于电弧在介质的狭缝中运动,一方面受到冷却,加强了去游离作用；另一方面电弧被拉长,弧径被压小,弧电阻增大,促使电弧熄灭。
7.6 将长弧分隔成短弧
当电弧经过与其垂直的一排金属栅片时,长电弧被分割成若干段短弧；而短电弧的电压降主要降落在阴、阳极区内,如果栅片的数目足够多,使各段维持电弧燃烧所需的最低电压降的总和大于外加电压时,电弧就自行熄灭。另外,在交流电流过零后,由于近阴极效应,每段弧隙介质强度骤增到150～250V,采用多段弧隙串联,可获得较高的介质强度,使电弧在过零熄灭后不再重燃。
7.7 采用多断口灭弧
高压断路器每相由两个或多个断口串联,使得每一断口承受的电压降低,相当于触头分断速度成倍地提高,使电弧迅速拉长,对灭弧有利。
7.8 提高断路器触头的分离速度
提高了拉长电弧的速度,有利于电弧冷却复合和扩散。
3.1 维持电弧稳定燃烧的电弧电压很低,在大气中1cm的直流电弧弧柱的电压只有10～50V。
3.2 在电弧中能通过很大电流,可从几安～几千安。
3.3 电弧具有很高的温度,弧柱温度是不均匀的,中心温度最高,可达到6000-10000度,而远离中心则温度降低。
3.4 电弧能发出很强的光。电弧的光辐射波长为(1.7～50)×10-7m。它包括红外线,可见光和紫外线3个部分
四 电弧的分类
4.1按电流种类可分为:交流电弧、直流电弧和脉冲电弧。
4.2按电弧的状态可分为:自由电弧和压缩电弧(如等离子弧)。
4.3按电极材料可分为:熔化极电弧和不熔化极电弧。
五 电弧的危害
5.1 电弧的存在延长了开关电器开断故障电路时间,加重了电力系统短路的概率。
5.2 电弧产生的高温,将触头表面熔化和蒸发,烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火,爆炸等危险。
5.3 由于电弧在电动力、热力的作用下能移动。很容易造成飞弧短路和伤人,引起事故扩大。
六 灭弧的原理
6.1 电弧温度
电弧是由热游离维持的,降低电弧的温度就可以减弱热游离,减少新的带电离子产生。同时也减小了带电质点的运动速度,加强了复合作用。通过快速拉长电弧,用气体或油吹动电弧,或使电弧与固体介质表面接触,都可以降低电弧温度。
6.2 介质的特性
电弧燃烧时所在的介质的特性在很大程度上决定了电弧中去游离的强度。包括导热系数、热容量、热游离温度、介电强度等。
6.3气体介质的压力
气体介质的压力对电弧去游离的影响很大。因为,气体的压力越大,电弧中质点的浓度就越大,质点间的距离就越小,复合作用就越强,电弧就越容易熄灭。在高真空环境中,由于发生碰撞的几率减小,抑制了碰撞游离,而扩散作用却很强。
6.4触头材料
触头材料也影响去游离的过程。触头采用高熔点,导热好和热容量大的耐高温金属时,减少了热电子发射和电弧中金属蒸汽,有利于电弧熄灭。
七 灭弧的方法
7.1 利用介质灭弧
弧隙的去游离在很大程度上,取决于电弧周围灭弧介质的特性。六氟化硫气体是很好的灭弧介质,其电负性很强,能迅速吸附电子而形成稳定的负离子,有利于复合去游离,其灭弧能力比空气约强100倍；真空(压强在0.013Pa以下)也是很好的灭弧介质,因真空中的中性质点很少,不易于发生碰撞游离,且真空有利于扩散去游离,其灭弧能力比空气约强15倍。
7.2 利用气体或油吹动电弧
吹弧使弧隙带电质点扩散和冷却复合。在高压断路器中利用各种灭弧室结构形式,使气体或油产生巨大的压力并有力地吹向弧隙。吹弧方式主要有纵吹与横吹两种。纵吹是吹动方向与电弧平行,它促使电弧变细；横吹是吹动方向与电弧垂直,它把电弧拉长并切断。
7.3采用特殊的金属材料作灭弧触头
采用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属作触头材料,可减少热电子发射和电弧中的金属蒸气,得到抑制游离的作用；同时采用的触头材料还要求有较高的抗电弧、抗熔焊能力。常用触头材料有铜钨合金、银钨合金等。
7.4 电磁吹弧
电弧在电磁力作用下产生运动的现象,叫电磁吹弧。由于电弧在周围介质中运动,它起着与气吹的同样效果,从而达到熄弧的目的。这种灭弧的方法在低压开关电器中应用得更为广泛。
7.5 使电弧在固体介质的狭缝中运动
此种灭弧的方式又叫狭缝灭弧。由于电弧在介质的狭缝中运动,一方面受到冷却,加强了去游离作用；另一方面电弧被拉长,弧径被压小,弧电阻增大,促使电弧熄灭。
7.6 将长弧分隔成短弧
当电弧经过与其垂直的一排金属栅片时,长电弧被分割成若干段短弧；而短电弧的电压降主要降落在阴、阳极区内,如果栅片的数目足够多,使各段维持电弧燃烧所需的最低电压降的总和大于外加电压时,电弧就自行熄灭。另外,在交流电流过零后,由于近阴极效应,每段弧隙介质强度骤增到150～250V,采用多段弧隙串联,可获得较高的介质强度,使电弧在过零熄灭后不再重燃。
7.7 采用多断口灭弧
高压断路器每相由两个或多个断口串联,使得每一断口承受的电压降低,相当于触头分断速度成倍地提高,使电弧迅速拉长,对灭弧有利。
7.8 提高断路器触头的分离速度
提高了拉长电弧的速度,有利于电弧冷却复合和扩散。
