電弧的產(chǎn)生、危害及消除措施

    一?電弧的產(chǎn)生

    當(dāng)斷路器開(kāi)斷電路時(shí)?只要電路中電壓大于10)2OV。電流大于 80)100mA。動(dòng)、靜觸頭間就會(huì)出現(xiàn)電弧。此時(shí)觸頭雖已分開(kāi)?但是電流通過(guò)觸頭間的電弧繼續(xù)流通?一直到觸頭分開(kāi)到足夠的距離?電弧熄滅后?電路才開(kāi)斷?因此?電弧是高壓斷路器開(kāi)斷過(guò)程中產(chǎn)生的現(xiàn)象。

    開(kāi)關(guān)觸頭分離時(shí)?觸頭間距離很小?電場(chǎng)強(qiáng)度E很高(E = U/d)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)一定數(shù)值時(shí)?陰極表面的電子就會(huì)被電場(chǎng)力拉出而形成觸頭空間的自由電子。

    從陰極表面發(fā)射出來(lái)的自由電子和觸頭間原有的少數(shù)電子?在電場(chǎng)力的作用下向陽(yáng)極作加速運(yùn)動(dòng)?途中不斷地和中性質(zhì)點(diǎn)相碰撞。只要電子的運(yùn)動(dòng)速度v足夠高?電子的動(dòng)能A = 2mv足夠大?就可能從中性質(zhì)子中打出電子?形成自由電子和正離子。這種現(xiàn)象稱(chēng)為碰撞游離。新形成的自由電子也向陽(yáng)極作加速運(yùn)動(dòng)?同樣地會(huì)與中性質(zhì)點(diǎn)碰撞而發(fā)生游離。碰撞游離連續(xù)進(jìn)行的結(jié)果是觸頭間充滿(mǎn)了電子和正離子?具有很大的電導(dǎo)(在外加電壓下?介質(zhì)被擊穿而產(chǎn)生電弧?電路再次被導(dǎo)通。

    當(dāng)高壓斷路器開(kāi)斷高壓有載電路時(shí)之所以產(chǎn)生電弧?原因在于觸頭本身及其周?chē)慕橘|(zhì)中含有大量可被游離的電子。當(dāng)分?jǐn)嗟挠|頭間存在足夠大的外施電壓條件下?電路電流也達(dá)到最小生弧電流時(shí)?會(huì)因強(qiáng)烈的游離而產(chǎn)生電弧。電弧的形成是觸頭間中性質(zhì)子(分子和原子)被游離的過(guò)程。

    這種有強(qiáng)烈的聲、光和熱效尖的弧光放電?就是電弧的形成過(guò)程。所以?電弧實(shí)質(zhì)上就是一種能導(dǎo)電的電子、離子流?其中還包括燃燒著的銅分子流。

    二?電弧的特性

    電孤是一種氣體放電現(xiàn)象?電弧放電現(xiàn)象的主要特性如下。

    1.電孤是種能量集中、溫度高、亮度大的氣體放電現(xiàn)象。如前所述?10kV少油斷路器開(kāi)斷20KA時(shí)?電弧功率高達(dá)一萬(wàn)千瓦已上。這樣大的能量在很短的時(shí)間內(nèi)幾乎全部變成熱能?造成電弧及其附近區(qū)域強(qiáng)烈物理、化學(xué)變化。

    2.電弧由三部分組成?陰極區(qū)、陽(yáng)級(jí)區(qū)和弧柱區(qū)。在電弧的陰極和陽(yáng)極區(qū)?溫度常超過(guò)金屬氣化點(diǎn)?弧柱是在陽(yáng)極、陰極之間明亮的光柱?弧柱中心溫度可高達(dá)七干度?弧柱的直徑很小?一般只有幾毫米到幾個(gè)厘米。在弧柱周?chē)鷾囟容^低?亮度明顯減弱的部分稱(chēng)為孤焰?電流幾乎都在弧柱內(nèi)流通。

    3.電弧是一種自持放電現(xiàn)象。只要很低的電壓就能維持電弧穩(wěn)定燃燒而不熄滅。如大氣中一厘米的直流電狐的維持電壓只有15--30V?在變壓器油中也不過(guò)100--2OOV。

    4.電弧是一束游離的氣體?質(zhì)量極輕?容易變形。在外力作用下。如氣體、液體的流動(dòng)作用?以及在電動(dòng)力的作用下?電弧能迅速移動(dòng)、伸長(zhǎng)及卷曲?對(duì)敞露在大氣中的電弧尤其明顯。

    5.電弧是高溫高導(dǎo)電率的游離氣體。

    觸頭間電弧燃燒的間隙稱(chēng)為弧隙。電弧形成后?弧隙間的高溫使陰極表面的電子獲得足

    電弧中心部分維持的溫度可夠的能量而向外發(fā)射?形成熱電場(chǎng)發(fā)射。同時(shí)在高溫的作用下(

    達(dá)10000?以上)?氣體中性質(zhì)點(diǎn)的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)速度增加。當(dāng)具有足夠動(dòng)能的中性質(zhì)點(diǎn)相互碰撞時(shí)?將被游離而形成電子和正離子?這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱游離。隨著觸頭分開(kāi)的距離增大?觸頭間的電場(chǎng)強(qiáng)度E逐漸減小?這時(shí)電弧的燃燒主要是依靠熱游離維持的。

    在開(kāi)關(guān)電器的觸頭間?發(fā)生游離過(guò)程的同時(shí)?還發(fā)生著使帶電質(zhì)點(diǎn)減少的去游離過(guò)程。 工業(yè)配電系統(tǒng)主要是交流系統(tǒng)?所以電弧也主要是交流電弧?其性質(zhì)是半個(gè)周期要經(jīng)過(guò)零值一次?而電流過(guò)零時(shí)?電弧要暫時(shí)熄滅。因此?大多數(shù)交流開(kāi)關(guān)電器的滅弧方法中?都利用了交流電流過(guò)零時(shí)電弧暫時(shí)熄滅這一特性。

    電弧是由3部分組成?即弧柱區(qū)、陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)。

    1、弧柱區(qū)

    弧柱區(qū)呈電中性?它是由分子、原子、受激的原子、正離子、負(fù)離子及電子所組成?其中帶正電荷的離子與帶負(fù)電荷的離子幾乎相等?所以又稱(chēng)為等離子體。帶電的粒子在等離子體定向移動(dòng)?基本上不消耗能量?所以才能夠在低電壓條件下?傳輸大電流。傳輸電流的主要帶電粒子是電子?大約占帶電粒子總數(shù)的99.9%?其余為正離子。

    因?yàn)殛帢O區(qū)和陽(yáng)極區(qū)的長(zhǎng)度極短?所以可以認(rèn)為弧柱區(qū)長(zhǎng)度為電弧長(zhǎng)度?；≈鶇^(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度較低?通常只有5)10V/cm。

    2、陰極區(qū)

    陰極被認(rèn)為是電子之源。它向弧柱提供99.9%的帶電粒子~電子?。陰極發(fā)射電子的能力?對(duì)電弧穩(wěn)定性影響極大。陰極區(qū)的長(zhǎng)度為10-5)10-6cm?如果陰極壓降為10V?則陰極區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度為106)107V/cm。

    3、陽(yáng)極區(qū)

    陽(yáng)極區(qū)主要是接受電子?但還應(yīng)向弧柱提供0.1%的帶電粒子~正離子?。通常陽(yáng)極區(qū)的長(zhǎng)度為10-2)10-3cm?則陽(yáng)極區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度為103)104V/cm。由于陽(yáng)極材料和焊接電流對(duì)

    陽(yáng)極區(qū)壓降影響很大?它可以在0)10V之間變化。例如當(dāng)電流密度較大?陽(yáng)極溫度很高?使陽(yáng)極材料發(fā)生蒸發(fā)時(shí)?陽(yáng)極壓降將降低?甚至到0V。

    三?電弧的危害

    它不僅對(duì)觸頭有很大的破壞作用?而且使斷開(kāi)電路的時(shí)間延長(zhǎng)。在低壓設(shè)備?開(kāi)關(guān)設(shè)備中?故障電弧會(huì)在10ms內(nèi)將溫度升高到13000k?同時(shí)在約15ms內(nèi)將壓力上升到約2×105pa~3×105pa。設(shè)備內(nèi)的零部件如門(mén)在這樣的高壓力作用下會(huì)脫離它們的固定機(jī)構(gòu)并被掀開(kāi)。高溫還在設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生熔化和蒸發(fā)過(guò)程。結(jié)果產(chǎn)生毒氣?毒氣又在壓力作用下向外排出。這樣對(duì)附近的工作人員就有生命的危險(xiǎn)。工作人員吸入毒氣造成死亡的例子不少。更多的情況是燒傷皮膚和使人目眩。

     除了人身傷害外?還有設(shè)備的損壞?如建筑內(nèi)的設(shè)備?開(kāi)關(guān)設(shè)備和二次部分部分或全部地被破壞。即使破壞過(guò)程結(jié)束了?用戶(hù)還要承受長(zhǎng)時(shí)停產(chǎn)及高昂的事故費(fèi)用。 四.電弧的消除

    1?速拉滅弧

    當(dāng)交流電流經(jīng)過(guò)零值的瞬間?拉大觸頭間距離?當(dāng)觸頭間所加電壓不足以擊穿其間距時(shí)?電弧就不會(huì)重新點(diǎn)燃。觸頭的分離速度越快?電弧熄滅就越快?通常在高壓斷路器中裝設(shè)強(qiáng)力的跳脫彈簧來(lái)加快觸頭分開(kāi)的速度。

    2?吹弧滅弧法

    a)利用外力~如氣流、油流或電磁力?來(lái)吹動(dòng)電弧?使電弧加速冷卻?同時(shí)拉長(zhǎng)電弧?降低電弧中的電場(chǎng)強(qiáng)度?加速電弧的熄滅?按吹弧的方向來(lái)分?有橫吹和縱吹兩種。 b)當(dāng)?shù)蛪旱堕_(kāi)關(guān)迅速拉開(kāi)刀闡時(shí)?不僅迅速拉長(zhǎng)了電弧?同時(shí)使本身回路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力作用于電弧?吹動(dòng)電弧?使其拉長(zhǎng)電弧直到電弧熄滅。

    c)如果開(kāi)關(guān)利用專(zhuān)門(mén)吹弧線(xiàn)圈來(lái)吹動(dòng)電弧?使電弧移動(dòng)?電弧移動(dòng)的力實(shí)際上是電弧電流在線(xiàn)圈磁場(chǎng)中產(chǎn)生的電動(dòng)力。

    d)也有的開(kāi)關(guān)利用鐵磁物質(zhì)~鋼片等??來(lái)吸動(dòng)電弧。

    3?冷卻滅弧法

     降低電弧的溫度?使正負(fù)離子的復(fù)合增強(qiáng)?有助于電弧迅速熄滅?這是一種基本的滅弧方法。

    4?短弧滅弧法

     利用金屬片將長(zhǎng)弧切成若干短弧?則電弧上的壓降將近似地增大若干倍。當(dāng)外施電壓小于電弧上的壓降時(shí)?則電弧就不能維持而迅速熄滅。通常采用鋼滅弧柵?讓電弧進(jìn)入鋼片?

    一是利用了電動(dòng)力吹弧?二是利用了鐵磁吸弧?同時(shí)鋼片對(duì)電弧還有冷卻作用。 5?狹縫滅弧法

     電弧在固體介質(zhì)所形成的窄溝內(nèi)燃燒?將電弧冷卻?同時(shí)電弧在狹縫窄溝中燃燒?壓力增大?有利于電弧的熄滅。有的熔絲在熔管內(nèi)充填石英砂?就是利用這種狹溝滅弧原理?還有一種用耐弧的絕緣材料~陶瓷類(lèi)?制成滅弧柵?也是利用了這種滅弧原理。 6?真空滅弧法

     真空具有較高的絕緣強(qiáng)度?如果將開(kāi)關(guān)觸頭裝置置于真空容器?則在電流過(guò)零時(shí)?即能熄滅電弧。為防止產(chǎn)生過(guò)電壓?應(yīng)當(dāng)不使觸頭分開(kāi)時(shí)?電流突變?yōu)榱恪Ｒ话銘?yīng)在觸頭間產(chǎn)生少量金屬蒸汽?形成電弧通道。當(dāng)交流電流自然下降過(guò)零前后?這些等離子態(tài)的金屬蒸汽便在真空中迅速飛散而熄滅電弧。