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電力系統斷路器常用的熄弧方法!

高壓斷路器之所以能夠接通與斷開大的負荷電流與短路電流, 是因為其特有的熄滅電弧的能力。 要瞭解斷路器的熄弧原理,

有必要先簡單瞭解電弧的形成。

一、電弧的形成

高壓開關電器斷開電路時, 開關電器中動、靜觸頭分離瞬間, 觸頭間就會形成電弧。 只有熄滅電弧, 電路才真正斷開。 電弧的形成主要取決於游離過程與去游離過程。

1、游離過程

電弧的產生與維持是觸頭間絕緣介質的中性質點被游離的結果。 電弧實際上是一種氣體放電現象, 電弧中的電流主要是自由電子的流動造成的。 電弧形成以後, 由於電弧溫度可達5000℃以上, 質點相互高速碰撞, 可能產生游離, 這個過程稱為熱游離。 熱游離成為維持電弧穩定燃燒的主要因素。

2、去游離過程

游離的同時, 還存在著相反的過程, 即去游離過程。 去游離主要包括複合過程和擴散過程。 複合是指帶正電的正離子與帶負電的負離子之間相互結合,

中和成不帶電的粒子的過程。 在電場強度較低的區域, 更容易發生複合。 擴散是指帶電質點特別是自由電子從電弧內部逸出到周圍的過程。 擴散主要是由於電弧中的帶電離子濃度比周圍高、電弧溫度比周圍高造成的。

電弧中游離與去游離的競爭, 決定了電弧的狀態。 如果游離過程大於去游離過程, 電弧就不斷發展。 如果去游離過程大於游離過程, 電弧最終會熄滅。 如果游離過程與去游離過程維持平衡, 電弧就穩定燃燒。

二、交流電弧的熄滅過程

電力系統開關電器中的電弧, 絕大部分是交流電弧。 交流電弧的電流有自然過零點。 交流電弧總在電流過零點附近滅弧。

交流電弧具有動態的伏安特性。 這是由於電弧的熱慣性造成的。 電弧在電流過零點以後很短的時間內, 電弧溫度較低, 電阻較大。 電弧電阻很大, 有利於熄弧。 電弧的熄滅, 取決於交流電弧在電流過零點附近短時間內弧隙介質強度的恢復與弧隙電壓的恢復這兩個過程的競爭。

1、弧隙介質強度的恢復

電流接近過零點時, 電弧溫度開始急劇下降, 到電流過零後的一個很短的時間內, 電弧溫度降低到熱游離溫度以下, 此時, 弧隙開始具有絕緣能力。 隨著電弧溫度的進一步降低, 以及去游離的作用, 弧隙介質的絕緣強度逐漸恢復。 在0.1~1us的短時間內, 弧隙介質強度就有150~250V的急劇升高, 這個現象稱為電弧的陰極效應。 此後介質強度的恢復減緩,

恢復速度與電弧電流的大小、介質種類、分離速度以及冷卻條件等有關。

2、弧隙電壓強度的恢復

電流過零後, 加在弧隙上的電壓有一個恢復過程。 電壓的恢復可以是振盪的, 也可以是非振盪的緩慢上升, 主要取決於外部電路。 電壓恢復速度是電弧能否重燃的關鍵因素。 顯然, 振盪的恢復電壓具有更大的電壓恢復速度。 如果外部電路有足夠大的阻尼, 電壓的恢復就變成非振盪恢復, 從而有利於電弧的熄滅。

如果電流過零點以後, 弧隙介質的絕緣恢復速度始終大於電壓的恢復速度, 則電流不再重燃, 電弧才真正熄滅。 否則, 電弧將繼續燃燒, 直到滿足電弧熄滅條件。

三、高壓斷路器中常用的熄弧方法

1、高強度介質

電弧的熄滅, 很大程度上取決於觸頭間絕緣介質的類型。

1)油介質。 絕緣油在電弧高溫作用下, 分解出大量氣體, 其中氫氣占70%~80%。 氫氣的滅弧能力是空氣的7.5倍。 因此, 絕緣油曾經是用得最多的開關電器絕緣介質, 現在仍然得到廣泛應用。

2)六氟化硫氣體。 六氟化硫(SF6)氣體是強負電性氣體, 具有很強的俘獲自由電子的能力。 而自由電子是電弧形成與發展的最主要因素, 大量自由電子的減少有利於電弧的熄滅。 因此, 六氟化硫氣體絕緣介質具有極強的滅弧能力, 其滅弧能力大約是空氣100倍。 六氟化硫斷路器現在已經取代油斷路器成為最重要的超高壓斷路器。

3)高真空。 真空中分子濃度很低, 碰撞游離和熱游離均很難發生, 因而高真空具有很高的絕緣強度。真空斷路器已經廣泛應用於配電系統。

4)高氣壓。高氣壓下,碰撞很容易發生,而頻繁的碰撞,不利於自由電子積聚能量,低能量碰撞很難造成游離,因而不利於電弧的產生與發展。空氣壓力為20~30大氣壓的壓縮空氣斷路器具有優良的開斷性能。

2、吹弧

利用氣體或油,以高速吹向電弧,帶走大量帶電粒子,強烈的冷卻,不但使熱游離難以進行,而且有利於帶電粒子的複合。吹弧方法已用於幾乎每一台高壓斷路器中,而且發展出橫吹、縱吹、環吹以及幾種方法的各種組合。

3、多斷口

電壓較低時,一個斷口就可以可靠熄滅電弧。電壓很高時,一個斷口就不夠了,這時候,可以把兩個或多個斷口串連起來,對幾個串聯的電弧同時進行熄弧,可以熄滅更高的電壓。雙斷口與4斷口斷路器在電力系統裡都有應用。

4、快速分閘

高速分離電弧,使電弧迅速拉長、冷卻,有利於降低電弧溫度,為滅弧創造條件。現代高壓斷路器,典型分閘時間為20~40ms。

因而高真空具有很高的絕緣強度。真空斷路器已經廣泛應用於配電系統。

4)高氣壓。高氣壓下,碰撞很容易發生,而頻繁的碰撞,不利於自由電子積聚能量,低能量碰撞很難造成游離,因而不利於電弧的產生與發展。空氣壓力為20~30大氣壓的壓縮空氣斷路器具有優良的開斷性能。

2、吹弧

利用氣體或油,以高速吹向電弧,帶走大量帶電粒子,強烈的冷卻,不但使熱游離難以進行,而且有利於帶電粒子的複合。吹弧方法已用於幾乎每一台高壓斷路器中,而且發展出橫吹、縱吹、環吹以及幾種方法的各種組合。

3、多斷口

電壓較低時,一個斷口就可以可靠熄滅電弧。電壓很高時,一個斷口就不夠了,這時候,可以把兩個或多個斷口串連起來,對幾個串聯的電弧同時進行熄弧,可以熄滅更高的電壓。雙斷口與4斷口斷路器在電力系統裡都有應用。

4、快速分閘

高速分離電弧,使電弧迅速拉長、冷卻,有利於降低電弧溫度,為滅弧創造條件。現代高壓斷路器,典型分閘時間為20~40ms。

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