1、城市轨道交通车辆电气设备任务4 认知灭弧系统项目三 断路器及电磁阀的检查与维护任务目标1.认知电弧在电器工作中的危害。2.从物理角度认知电弧产生的原因。3.认知直流电弧的产生的原因与熄灭的方法。4.认知交流电弧的产生原因与熄灭的方法。5.掌握轨道运输业常用的灭弧装置的工作原理。目 录二三四直流电弧及其熄灭交流电弧及其熄灭轨道运输业常用的灭弧装置一电弧的产生与熄灭一、电弧的产生与熄灭 1.电弧的产生与熄灭 电弧是在气体中的一股强烈电子流，属于气体放电的一种形式。试验证明，当在大气中开断或闭合电压超过10V、电流超过0.5A的电路时，在触头间隙(或称弧隙)中会产生一团温度极高、亮度极强并能导电的气
2、体，称为电弧。一、电弧的产生与熄灭 1.电弧的产生与熄灭 由于电弧的高温及强光，它可以广泛应用于焊接、熔炼、化学合成、强光源及空间技术等方面。电弧产生的极限条件是：电路内的电流和电压必须大于某一最小生弧电流和最小生弧电压。研究电弧的主要目的是：了解电弧的各种规律，以便采取措施，使它迅速熄灭。一、电弧的产生与熄灭 除两个极(触头)外，明显的分为3个区域，即近阴极区、近阳极区及弧柱区。电弧按其外形分为长弧与短弧。长短之别一般取决于弧长与弧径之比。电弧电压=阴极区压降+弧柱区压降+阳极区压降一、电弧的产生与熄灭 2.电弧产生的物理过程 触头开断电路时，产生电弧的原因主要有：阴极热发射电子；阴极冷发射
3、电子；碰撞游离和热游离等。（1）阴极热电子发射 触头开断过程中，触头间的接触面积逐渐减小，接触处的电阻越来越大，电流密度也逐渐增大，触头表面的温度剧增，金属内由于热运动急剧活跃的自由电子就克服内部的吸力而从阴极表面发射出来，这种主要是由于热作用所引起的发射称为热发射。一、电弧的产生与熄灭 2.电弧产生的物理过程 触头开断电路时，产生电弧的原因主要有：阴极热发射电子；阴极冷发射电子；碰撞游离和热游离等。（2）阴极冷发射 在触头刚刚分开发生热发射的同时，由于触头之间的距离很小，线路电压在这很小的间隙内形成很高的电场，此电场将电子从阴极表面拉出，形成强电场发射。在强电场发射中，并不需要热功的参与，所
4、以强电场发射也称做冷发射。一、电弧的产生与熄灭 2.电弧产生的物理过程 触头开断电路时，产生电弧的原因主要有：阴极热发射电子；阴极冷发射电子；碰撞游离和热游离等。（3）撞击游离 大量电子在电场的作用下，获得动能而加速，中性粒子分解为带电荷的自由电子和正离子，这一现象叫作碰撞游离（或称电场游离）。弧隙中的中性气体就变为导电的自由电子与正离子。在电场作用下，它们向阴极、阳极运动，电弧形成，电路并未断开。一、电弧的产生与熄灭 2.电弧产生的物理过程 触头开断电路时，产生电弧的原因主要有：阴极热发射电子；阴极冷发射电子；碰撞游离和热游离等。（4）热游离 随着电弧的形成，在电弧燃烧时，弧隙中气体温度很高
5、，气体中的中性原子或分子由于热运动而发生互相撞击，其结果也造成游离，这就是热游离。热游离实质上也是碰撞游离，只不过发生碰撞的原因是高温引起而不是电场引起的。所以温度越低，热游离愈弱；相反温度愈高，热游离愈强。一、电弧的产生与熄灭 2.电弧产生的物理过程 电弧的产生，第一是由于热的作用，发生热发射和热游离；第二是由于电场的作用，发生冷发射和碰撞游离，在气隙间出现大量电子流，使气体由绝缘体变成导体。电弧燃烧期间，起主要作用的是热游离。因而，使电弧迅速冷却是熄灭电弧的主要方法。从能量的角度来说，电弧燃烧时要从电源不断向电弧内部输入能量，而这个能量又不断转变为电弧的热量通过传导、对流及辐射三种方式散失
6、。一、电弧的产生与熄灭 3.电弧熄灭的物理过程 电弧稳定燃烧时，是处在热动态平衡状态，电弧内部除游离外，还存在着消游离的过程。消游离就是正、负带电粒子中和而变成中性粒子的过程。消游离的方式分两类：复合和扩散。复合：异性离子互相结合在一起中和成中性原子或分子的作用过程。扩散：电弧表面的离子（或电子）扩散到周围冷介质里去的现象。电弧中同时存在游离和消游离作用。一、电弧的产生与熄灭 结论：电弧中同时存在游离和消游离作用。当游离作用占优势时电弧就会产生和扩大；当消游离作用占优势时，电弧就趋于熄灭；当游离作用和消游离作用处于均衡状态时，则弧隙中保持一定数量的电子流而处于稳定燃烧状态。游离与消游离作用与许
7、多物理因素有关，我们可以根据这些物理因素的变化影响情况，找出一些切实可行的方法，减小游离，增加消游离，使触头断开电路时产生的电弧尽快地熄灭。二、直流电弧及其熄灭 直流电弧是指产生电弧的电路电源为直流。当直流电弧稳定燃烧时，电路仍是导通的，因而电弧中有电弧电流，电弧两端有电弧压降。电弧的伏安特性就是指电弧电压与电弧电流之间的关系曲线，它实质上是反映电弧内的物理过程，是电弧重要特性之一。由于影响电弧伏安特性的因素很多，通常可用实验方法求得。二、直流电弧及其熄灭1.直流电弧的伏安特性根据电弧电流变化的快慢，其伏安特性有静伏安特性和动伏安特性之分。燃弧电压熄弧电压图3-19直流电弧的伏安特性曲线1、2
8、、4-不同电流变化方向、不同长度电弧的静伏安特性；曲线3-动伏安特性。二、直流电弧及其熄灭1.直流电弧的伏安特性直流电弧的伏安特性，是电弧电压随着电弧电流增加而下降的非线性特性。电弧拉长后，在同一电流下，整个伏安特性上移。此外，电弧的伏安特性还与周围介质、气体压力、灭弧方法等有关。二、直流电弧及其熄灭2.电弧能量直流电弧稳定燃烧时，电弧产生的功率PDH应等于散热的功率，即 DLFSCDDHDHDHPPPIUP式中 PCD 传导散热的功率；PFS 辐射散热的功率；PDL 对流散热的功率。要使电弧熄灭，必须满足 PDH PCD+PFS+PDL，因此，应该人为地加强上述三种散热的强度。在许多牵引电器
9、中常采用灭弧罩和吹弧的方法来加强散热。二、直流电弧及其熄灭2.电弧能量直流电弧伏安特性E-iRiLitiiREtiUDHdd)(d（3-29）二、直流电弧及其熄灭设燃弧时间（即从出现电弧瞬间起，到电弧完全熄灭瞬间止的时间）为tDH，电路原先的稳定电流为i，将式（3-29）在0到 的上下限间积分，得220200LiRdtiEidttiUdhDHDHtttDHd2.电弧能量式中 燃弧时间内的电弧能量；燃弧时间内电源供给的能量；燃弧时间内消耗于电阻上的能量；线圈储存的能量。DHtDHtiU0dDHttEi0ddhttRi02d22Li由此可见，当电路里有电感时，熄弧就较困难，且电感越大，熄弧越困难二
10、、直流电弧及其熄灭3.直流电弧的熄灭 想使直流电弧熄灭，就应该做到消除稳定燃烧点，从图形来看就应该是曲线1与直线2没有交点且曲线1位于直线2的上方。将曲线1向上平移至3的作法最为可行。从其代表的物理意义上来讲，就是将电弧拉长。所以拉长电弧对熄灭直流电弧是最常用的方法。二、直流电弧及其熄灭4.熄弧时的过电压及其减少方法在切断电感电路时，如L值很大和电弧电流变化太快（熄弧时间很短），此时自感电动势常比线路电压大若干倍，此电动势称为过电压。为区别于雷电大气过电压，称这种过电压为内部过电压（或叫操作过电压）。内部过电压不仅影响线路中电气的绝缘，而且还能造成电弧重燃，为此必须加以防止和限制。最常见的方法
11、是在电感负载或电器触头的两端并联电阻、电容或半导体整流二极管。图3-21 减小直流电弧熄灭时过电压的方法三、交流电弧及其熄灭 交流电弧与直流电弧有所不同，交流电流的瞬时值随时间变化，每周期内有两次过零点。电流经过零点时，弧隙的输入能量等于零，电弧温度下降，电弧自然熄灭。而后随着电压和电流的变化，电弧重新燃烧。因此，交流电弧的燃烧，实际上就是电弧的点燃、熄灭周而复始的过程。这个特点也反映在它的伏安特性中。1.交流电弧的伏安特性三、交流电弧及其熄灭 由于热惯性作用，弧电流绝对值从小到大的特性曲线与弧电流绝对值从大变小的特性曲线不重合，这种现象称为“弧滞”。交流电弧电流通过零点时，由于电源停止供给电
12、弧能量，热游离迅速下降，为电弧的最终熄灭创造了最有利的条件，通常把利用电弧电流自然过零的特点进行的熄弧称为零点熄弧原理。1.交流电弧的伏安特性三、交流电弧及其熄灭 交流电弧电流过零期间，同时存在两个对立的基本过程，一是介质强度恢复过程，一是弧隙电压恢复过程。介质强度恢复过程：交流电弧过零熄灭后，由于弧电流值下降至零，弧隙温度迅速下降，促进了消游离作用，使弧隙由原来的导电状态转变为绝缘介质状态。这是促使电弧熄灭的因素。弧隙电压恢复过程：在弧电流过零点以后，加在弧隙上的电压值逐渐增高的过程。因为此过程有可能把弧隙击穿而重新引起电弧的点燃，所以这是使电弧重燃的因素。2.交流电弧过零后的物理过程三、交
13、流电弧及其熄灭（1）影响介质恢复的因素 近阴极效应2.交流电弧过零后的物理过程图 3-23 近阴极效应（a）电弧电流过零前间隙带电质点状况；（b）电弧电流过零后瞬间间隙带电质点状况。灭弧方法图 3-24 弧隙介质强度的恢复过程三、交流电弧及其熄灭 交流电弧与直流电弧有所不同，交流电流的瞬时值随时间变化，每周期内有两次过零点。电流经过零点时，弧隙的输入能量等于零，电弧温度下降，电弧自然熄灭。而后随着电压和电流的变化，电弧重新燃烧。因此，交流电弧的燃烧，实际上就是电弧的点燃、熄灭周而复始的过程。这个特点也反映在它的伏安特性中。2.交流电弧的三、交流电弧及其熄灭（2）电压恢复过程所谓电压恢复过程，就
14、是对应于电流过零电弧熄灭瞬间电源电压的瞬时值，也叫做工频恢复电压。2.交流电弧过零后的物理过程图3-25 电压恢复过程（a）非振荡电压恢复过程（b）振荡电压恢复过程。三、交流电弧及其熄灭 交流电弧熄灭条件为：交流电弧电流过零后，如果弧隙介质强度恢复的速度超过了弧隙电压恢复的速度，则电弧熄灭。反之，电弧重燃。为了降低恢复电压速度，即抑制电弧重燃的因素，可以在弧隙上并联一个非线性电阻rm。3.交流电弧熄灭的条件图3-26 交流电弧熄灭或重燃条件图3-27 并联电阻灭弧原理四、轨道运输业常用的灭弧装置1.熄灭电弧的基本方法（1）拉长并冷却电弧能令电弧拉长的力有很多种，如机械力、电磁力、气体流动所产生
15、的力等，这些力作用下，可使电弧被纵向拉长（力的方向与电弧轴线平行），也可使电弧被横向拉长（力的方向与电弧轴线垂直），还可纵向力与横向力同时作用于电弧。电弧被拉长同时还并冷却，加速了复合和扩散作用，使电弧更快熄灭。四、轨道运输业常用的灭弧装置1.熄灭电弧的基本方法（2）利用零点熄弧原理进行灭弧根据零点熄弧原理，交流电路产生的电弧过零后会自然熄灭。对于直流电弧，还可通过电路改造，把它转换成交流电弧后，使之自然熄灭。四、轨道运输业常用的灭弧装置2.轨道运输业常用的灭弧装置（1）用力拉长电弧（2）双断点触头图3-28 桥式双断点触头及电磁力灭弧1-静触头；2-动触头。四、轨道运输业常用的灭弧装置2.轨
16、道运输业常用的灭弧装置（3）灭弧罩灭弧罩是为了防止电弧飞溅到易燃部分，同时让电弧与固体介质相接触，降低电弧温度，从而加速电弧熄灭的比较常用的装置。纵缝灭孤罩横缝灭弧罩图3-29 纵向窄缝灭孤罩图3-30 纵向宽缝式灭弧罩图3-32 横向绝缘栅片式灭弧罩1灭弧罩；2电弧。四、轨道运输业常用的灭弧装置2.轨道运输业常用的灭弧装置（4）磁吹灭弧装置利用外磁场产生磁吹力，拉长并冷却电弧，使之迅速熄灭的装置。图3-33 磁吹灭弧装置示意图1-磁吹线圈；2-铁心；3-引弧角；4-电弧；5-磁性夹板；6-动触头；7-静触头。四、轨道运输业常用的灭弧装置2.轨道运输业常用的灭弧装置（5）横向金属栅片灭弧横向金属栅片又称为离子栅，它利用的是短弧灭弧原理。用磁性材料的金属片置于电弧中，将电弧分成若干短弧，利用交流电弧的近阴极效应和直流电弧的极旁压降来达到熄灭电弧的目的。图3-34 横向金属栅片灭弧罩结构、原理图（a）横向金属栅对电弧的作用；（b）、（c）横向金属栅灭弧原理。1入栅片前的电弧；2金属栅；3入栅片后的电弧。四、轨道运输业常用的灭弧装置2.轨道运输业常用的灭弧装置（6）真空灭弧真空灭弧是使触头电弧的产生和熄灭在真空中进行，它是依据零点熄弧原理，以真空为熄弧介质工作的。“真空”的特点是耐压强度高，介质强度恢复快。谢 谢
