电器学夏天伟-丁明道华南理工大学-第2章概要

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1、 电器学第二章 电接触与电弧理论作者：欧阳森EPC of SCUT本章概述n内容要点n电弧n产生原因n性质n熄灭方法n灭弧装置n电弧的优缺点n电接触n本质n触头在各种工作状态下的行为n延长触头寿命和改善触头工作性能的技术措施6/8/20232本章概述n触头与电弧n接触的过程n触头类型n电弧的形成和性质n触头的寿命n电弧的优缺点6/8/202332.1 电接触与触头n电接触n概念n物理现象n触头n结构：两个或以上的导体n基本要求：P35n电阻不大且稳定n分类n连接触头 图21n机械性能；总电阻小；温升；电动力n换接触头 图22 n通常意义上的触头6/8/202342.1 电接触与触头n触头的四种

2、工作情况及要求n分断状态n过电压防电击穿n断口间隔和爬电距离足够n闭合状态n1）一定过载能力，控制温升；n2）抗电磁斥力和熔焊；n3）接触电阻的长期稳定n理论计算n如何尽量小6/8/202352.1 电接触与触头n闭合过程n情况：mv2/2；弹跳过程预击穿引起的短弧n1）弹跳持续时间要短；n2）抗电弧熔焊性好；n分断过程n考虑电弧的破坏影响：触头、绝缘等n要求：n介质恢复强度高，燃弧时间短，过电压低，抗电弧焊。6/8/202362.1 电接触与触头n触头的工作要求（开或断）n电动斥力n熔焊材料要求n温升结构n可靠熄灭电弧n多方面，可围绕电击穿、热击穿阶段来分析n触头基本参数n开距、超程、初压力

3、、终压力n接触压力力的全动态过程仿真或试验6/8/202372.2 电弧及其产生过程n电弧n触头与电弧形成过程：P36n触头分离触点熔融液态金属桥的形成液体金属沸腾、爆炸触头间隙形成过电压击穿火花放电或电弧电弧熄灭n一种物质形态自然界第四态n本质：能量积聚/泻放过程形成的物质形态nVideon危害：n对系统、设备本身的性能、运行的影响n烧蚀、污染、发热、误动、据动等等n能量泻放n抑止过电压或者设备毁坏，区域电网崩溃6/8/202382.2 电弧及其产生过程n电弧形成过程n危害 P37n其他工业和生活的用处n1）气体的电离n电子的稳态n原轨道激励状态(持续0.11us)自由电子n 式21n原轨道

4、亚稳态(持续0.110ms)自由电子n电离和电离能n电离概念n式226/8/202392.2 电弧及其产生过程n电离形式n表面发射n场所：n金属电极表面n种类：n热发射、场致发射、光发射、二次发射等四种形式n空间电离n场所：n触头间隙内n种类：n光电离、热电离、碰撞电离等三种形式6/8/2023102.2 电弧及其产生过程n各种电离的本质 P3738n热发射：加热，电子克服电场势垒；逸出功n场致发射：强电场使势垒减小n光发射：射线照射金属表面，电子获取能量n二次发射：粒子高速撞击n光电离n热电离n碰撞电离：主要是电子6/8/2023112）电离及其形式n消电离概念 P38n消电离形式n复合n概

5、念：P38n形式：n表面复合n空间复合n复合概率：气体性质及纯度n惰性气体、氢气、氮气等不会负荷nSF6等极强的俘获电子的能力n能量过程：n(中性)粒子增速；光量子辐射n扩散6/8/2023123）气体放电过程n原因及图24nOD非自持放电阶段n无自由电子，直至有外界作用nD以后自持放电阶段n各种电子较多，可形成持续放电n击穿电压Ub决定自持放电的主因nCE：汤逊放电区（无光放电、黑暗放电）nEF：过渡阶段，辉光n电流增大、电离增强，维持放电所需电压下降nFG：辉光布满阴极表面n电流增大、电流密度稳定、阴极区电压降稳定nGH：异常辉光放电阶段n电流和电流密度皆增大nH以后：弧光放电阶段n电流密

6、度和温度极高，热电离为主6/8/2023132.2 电弧及其产生过程n电弧的外观与本质n图25nAanodenCcathoden阴极斑点n温度极高（气化温度）、电流密度极高n在自身磁场作用下运动n阳极斑点6/8/2023142.2 电弧及其产生过程n近阴极区、近阳极区n两极区的电压降与电流无关，20Vn弧柱n其内部气体全部电离n等离子区：正负带电粒子电量相等n电场强度近乎恒值n图25n电弧本质n自持放电的一种形式nP416/8/2023152.3 电弧的特性和方程n电压方程 式24n近极区压降n电场强度分布 图26n直流电弧的伏安特性 图27n该特性虽有各种经验公式，但最好由实验确定该特性虽有

7、各种经验公式，但最好由实验确定n负阻特性n电流增大，而电弧电压降低n增大的电流使热电离加剧，离子浓度增大，维持稳定燃弧所需电压降低6/8/202316直流电弧的伏安特性n图27的伏安特性分析n曲线1中，设I2对应的电阻为R12，I1对应的电阻为R11；同理，设曲线2中，I2对应R22n方向：电流在曲线1上减小到I1，在曲线2上增加到I2n在曲线2上，是假定电流从I1减小到I2，而由于电弧的热惯性，有R22R11；n又由于负阻特性，有R11I2R11n所以，曲线2在曲线1的下方6/8/202317直流电弧的伏安特性n直流电弧的静态和动态伏安特性n图27中，参数为Uh、Ih，而Ih随时间t的变化情

8、况决定了直流电弧的特性n当电流随时间缓慢变化时，有静态伏安特性n静态伏安特性只有一条：曲线1n经验公式：n当电流随时间有一定速度的变化时，形成动态伏安特性：P78图320n速度无限大时，曲线03：dIh/dt=无限大nIh变化期间，弧柱的温度、直径不变n动态特性有无数条：曲线1和曲线3之间，如曲线26/8/202318直流电弧的伏安特性n分析动态伏安特性n静态伏安特性 曲线1n动态伏安特性 曲线2n电流从I2I3时n若快速变化，则从曲线2方向变化n电弧变化滞后，电阻维持较大n静态特性中的电弧电阻变小（弧柱变粗）n在I3时，快速趋向曲线1相应点n若瞬态变化，则沿曲线3方向n在I3时，快速趋向曲线

9、1相应点n根据电流变化速度的不同，曲线2在1和3之间动态变化，谓之动态伏安特性6/8/202319直流电弧的伏安特性n起弧条件n表22n燃弧电压、燃弧电流、电极材料、间隙介质等相关6/8/202320交流电弧的伏安特性n交流电弧的伏安特性n图28n前提：n灭弧作用不太强烈，即电流过零期间，电弧电阻始终为一有限值n只有动态伏安特性交流变化的电流n原点对称伏安特性两次交流过零点n可以用下一小节“电弧的能量平衡”解释n图29n电阻性负载：电压电流同相位n电感性负载：电流i落后于电压u相位90度；n注意弧压升高到击穿阶段弧压升高到击穿阶段n注意负阻特性负阻特性6/8/2023212.3 电弧的特性和方

10、程n电弧的能量平衡n电弧功率计算n电弧电压公式25n电弧功率公式26n短弧：U0占主导地位金属件散热n长弧：UA占主导地位弧柱散热n电弧的动态热平衡方程n式27n电弧的熄灭取决于PA和Pdn灭弧指导6/8/2023222.3 电弧的特性和方程n用“电弧的能量平衡”解释图28n0A段nIh过零期间，PA0，此时dQA/dt=-Pdn弧柱变冷、变细，Rh增大，因而0A段斜率（电阻）较大nAB段nIh增大，PA增大，一直到dQA/dt0n那么弧柱变热、变粗，Rh迅速下降nRh的下降速度和ih的上升速度形成AB段nBC段nIh减小，UA沿曲线BC上升n但弧柱的热惯性使得曲线BC比AB低（图27）nC0

11、段nRh的上升。n特殊点：nA燃弧尖峰nC熄弧尖峰6/8/2023232.4 直流电弧及其熄灭n电路模型图213n电压平衡方程：式28n图解 210n横线是电源电势Un曲线1为静态伏安特性n曲线2为U-iR特性n曲线2与横线U之间的夹角为6/8/2023242.4 直流电弧及其熄灭n两个稳定点n虚假稳定点An真正稳定点BnAB之间，有Ldi/dt06/8/2023252.4 直流电弧及其熄灭n熄弧方法（根据图210及其解释）n电弧伏安特性上移，至稳定点2不存在为止n根据式25n增大近极压降n图212 d）的方法：长弧短弧n增大电弧长度n图212的方法n增大弧柱电场强度En增大气体介质压强、速度

12、、材料等等n增大电弧电阻n拉长电弧、冷却等n增大回路电阻n斜直线的角变大，至稳定点2不存在为止6/8/2023262.4 直流电弧及其熄灭n直流电弧熄弧/分断电路时的过电压n那么：n1）L越大，过电压越高（储能多）；n2）熄弧速度越快，过电压越高6/8/2023272.4 直流电弧及其熄灭n灭弧措施及图213n灭弧强度n过强则导致高的过电压n过低则延长灭弧时间，甚至灭弧失败n213 a）负载并联电阻n熄弧后回路方程：其他情况其他情况6/8/2023282.4 直流电弧及其熄灭n理论上：增大与负载并联的电阻Rs可减小I0，以减小可能的过电压n但增大了正常情况下的功率损耗n213 b）n二极管：避

13、免正常时的功率损耗n此时可采用较大的Rsn213 c）n双断口以降低过电压nC1为主灭弧机构nC2为辅助灭弧机构n电阻Rs用于减小电弧电流（减少电感中的能量）nC2较弱的灭弧能力使熄弧过程延长，防止高的过电压产生6/8/2023292.5 交流电弧及其熄灭n电弧熄灭原理n直流电弧n方法：n电弧伏安特性上移n拉长电弧冷却n增大弧阻和弧压n特点特点：电流过零熄灭n交流电弧n电流过零时的两种竞争过程 图214n介质恢复过程n弧隙电压恢复过程n特点特点：每工频周期存在两个过零点n共同点共同点：提高介质恢复强度6/8/2023302.5 交流电弧及其熄灭n介质恢复过程n了解近阴极区和弧柱区的不同n1）近

14、阴极区的介质恢复 图215n近阴极效应n由于电子移动速度快，故介质恢复过程快：0.11usn过零前后，电极位置互换，电子速度快于正离子，浓度的变化使得在新阴极表面的场致发射场致发射很弱甚至没有n温度低于热电离热电离温度n金属栅截割电弧n短弧灭弧原理n综合利用两者灭弧的方法6/8/2023312.5 交流电弧及其熄灭n近阴极区的电场和电位分布n假定在x=l处E=0n正离子和电子浓度一样n泊松方程 图215 b）nn:电荷的数密度；:介电常数n假定x=0处U=0n对泊松方程进行x的积分：nx=l时有最大值：6/8/2023322.5 交流电弧及其熄灭n2）介质恢复过程的弧柱区n零休时间n电弧电流自

15、然过零前后数十微秒内n电弧电阻并非无穷大n残存带电粒子形成剩余电流剩余电流n电源仍向弧隙输送能量n热击穿及热击穿阶段n弧隙能量获取大于散发n电击穿及其阶段n弧隙间电压足够高6/8/2023332.5 交流电弧及其熄灭n弧隙电压恢复过程n恢复电压n稳态恢复电压直流和工频n暂态恢复电压n不同性质电路的分断 图216n电阻性：只有稳态分量n电压电流同相位n电感性负载：电流i落后于电压u相位90度；n电流为零时，电压处于幅值最大时刻6/8/2023342.5 交流电弧及其熄灭n电容性负载：电流i超前于电压u相位90度；n注意：n虚线为电容电压Ucn实线在过零前是电弧电流i，过零后为电弧电压Uhfn因为

16、电弧电流过零后，且电弧熄灭，故n电容电压达到最大n电容和电源隔离，无放电回路，电容电压不变n电流过零电弧后，电源电压继续变化，使Uhf最终达到最大为两倍的电源幅值n选择：电感性为设计、试验代表6/8/2023352.5 交流电弧及其熄灭n电感性弧隙恢复电压分析n假设条件：电阻为零，且过程极短暂n解特征：工频暂态量稳态量Ugmn实际上实际上，电弧总存在等效并联电阻和电容，则有：6/8/2023362.5 交流电弧及其熄灭n根据解的实根或虚根情况，有两种恢复电压曲线n共同点：恒定量Ugm暂态分量n实根：存在暂态衰减量n虚根：存在单调变化量n灭弧时刻选择依据n零休期热击穿阶段n1）（首次自然过零点）

17、n2）弧隙输入功率最小；n3）线路储能较小，不易出现高的过电压（电击穿）n实际情况非图24所示n图24只是固有ujf和uhf的特性n由于弧隙电阻Rs的存在，使ujf和uhf两者都趋于降低，即两者是相互关联的6/8/2023372.5 交流电弧及其熄灭n熄弧过程 图218n三个半波的过程n三个相位是：电流过零点落后于电压过零点的相角n第一个过零点：nujf不高，弧压uh不大，电流畸变不大，重燃n第二个过零点：n弧长增大，弧压uh增大，则电弧电流ih变小n过零点的电流有畸变nujf变大n第三个过零点：n弧长和弧压uh更增大，ih变小更多nujf增加更多n3小于90度，uhf在较低的工频恢复电压uh

18、f瞬时值作用下上升6/8/2023382.6 灭弧装置（介绍）n灭火花电路 图219n用于继电器n本质：放电回路n简单灭弧n拉长电弧：弧压增大，特性上移n空气冷却：介质恢复n磁吹灭弧装置 图220n电流：681；n铁心和夹板：减小磁路增大磁通；n考虑结构、磁通与灭弧等的优化6/8/2023392.6 灭弧装置（介绍）n弧罩与纵缝灭弧装置 图221n纵缝：灭弧室缝隙方向与电弧轴线平行n目的：冷却电弧以灭弧n多缝：比单缝的阻力小；n纵向曲缝：n显著增大接触面积，提高弧柱的冷却和消电离作用n电弧受到的阻力较大（需要较大的外加磁场）6/8/2023402.6 灭弧装置（介绍）n栅片灭弧装置n绝缘栅片n

19、利用电弧段之间的电磁力使电弧与栅片紧密接触来增强熄弧能力n金属栅片n切割成短弧n利用近极区效应增强熄弧能力6/8/2023412.6 灭弧装置（介绍）n固体产气灭弧装置n熔断器n原理：n1、熔体熔化和汽化，形成短弧n2、绝缘管产生高压气体n石英砂灭弧装置n熔断器n石英砂来限制弧柱的扩展并冷却电弧n1、短弧（多断口串联）n2、高压气体（石英砂限值气体扩散）n3、狭缝冷却n缺点：石英砂的熔解导致稳定燃弧现象出现6/8/2023422.6 灭弧装置（介绍）n油吹灭弧装置n变压器油分解、气化n气泡的气体中n油蒸汽40，其他气体60n其他气体：氢气(70%以上)、乙、乙烯。n气泡体积关系：n易于灭弧：n

20、气体中：氢导热系数最大，粘度最小n气泡压力大油限值其体积，且油在电弧作用下分解和气化n油易于灭弧n缺点：n有临界电流、极限开断电流n结构复杂，维护麻烦6/8/2023432.6 灭弧装置（介绍）n压缩空气灭弧装置n利用压缩空气增强灭弧n结构n棒棒，管管，棒管n缺点：n结构复杂n灭弧能力过强，常引起电流截断导致高过电压n喷口堵塞可能导致弧柱冷却不够，导致电弧重燃极限开断电流6/8/2023442.6 灭弧装置（介绍）n六氟化硫（SF6）灭弧n正八面体分子结构，强负电性n即对电子有极大的亲和力，而粘合形成负离子负离子质量为电子的几千倍，在电场中移动缓慢，极大提高介质的恢复强度速度n常温下稳定：15

21、0度不易起化学反应n无色、无臭、无味、无毒、不燃、无腐蚀性n密度大，热容量高（易于灭弧）n高温会分解，但低温下极易恢复n击穿电压高（约为空气的23倍）n简单开断时，开断能力比空气强约100倍；而简单的辅助手段即可大幅提高开断能力n缺点：n易液化n不均匀电场中的击穿电压下降明显n电弧可以拉很长而很难截断6/8/2023452.6 灭弧装置（介绍）n真空灭弧n真空度：1.3310-3Pan电子自由行程很大，达43m，不易碰撞n空气分子自由形成达7.6mn介质击穿条件：n电子碰撞粒子时期电离（电场电离）以产生更多的电子n击穿电压比空气高很多n电弧构成：金属蒸汽n金属蒸汽不多且不易扩散n介质强度恢复快

22、n灭弧能力强（无足够介质）n灭弧室尺寸可以较小n容易形成截流而形成高的过电压6/8/2023462.6 灭弧装置（介绍）n优点：n免维修；防爆n耐压强度高n分断能力高nmm级别开距n介质强度恢复快n操作频率高n结构简单，体积小，重量轻，操作噪声小n缺点：n过电压高，截流n击穿电压受电极表面粗糙度和污染程度影响很大n电弧使电极，特别是阴极光洁度影响极大6/8/2023476/8/2023486/8/2023492.6 灭弧装置（介绍）n无弧分断n交流电流过零点分断，并使介质强度以足够快的速度恢复n同步开关，图223n给触头并联晶体管n混合开关，图224n固体开关n新型材料的阻抗特性6/8/202

23、3502.7 触头的接触电阻n两个触头表面情况n加工的凸凹不平n工业金属表面的凸凹不平（110um）n氧化污染n接触处有金属、氧化污染后的金属及各种绝缘膜图225n触头温升n恶性循环：温升导致接触电阻增加，接触电阻的增加又导致温升增加6/8/2023512.7 触头的接触电阻n表面膜n尘埃膜、化学吸附膜、无机膜、有机膜n接触电阻n接触压力n图227n触头温升n材料和接触面积n材料、表面加工情况、接触点个数和接触面积（半径）、氧化和污染情况等n归结为参数Ke，图227n接触形式n图2266/8/2023522.7 触头的接触电阻n束流现象n电流限于接触点和接触面积极度缩小所造成的电流收缩现象n反

24、向电动斥力nPinch效应造成的附加斥力6/8/2023532.8 闭合状态下的触头n触头的四种工作情况及要求n分断状态n过电压防电击穿n闭合状态n1）一定过载能力，控制温升；n2）抗电磁斥力和熔焊；n3）接触电阻小。n闭合过程n情况：mv2/2；弹跳过程预击穿引起的短弧n1）弹跳持续时间要短；n2）抗电弧熔焊性好；n分断过程n介质恢复强度高，然弧时间短，过电压低，抗电弧焊。6/8/2023542.8 闭合状态下的触头n闭合状态下n温度升高n触头之间的电动斥力n触头的发热n本体发热和触点发热n触点产热多，散热面积小n触点发热的温升：式2236/8/2023552.8 闭合状态下的触头n例21n

25、注意计算过程：2.175应该是175n接触电阻和接触电压降n实际的RjUj曲线：图228n软化电压Usn金属材料软化n此时Rj骤减n熔化电压Umn触头温度达熔点n接触电阻允许值6/8/2023562.8 闭合状态下的触头nUj与时间的特性 图229n触头表面的氧化腐蚀导致膜层增加n膜的破坏使Rj骤减n应对n材料选择n铜镀银、嵌银或金等n机构设置6/8/2023572.8 闭合状态下的触头n触头间的电动力n导体截面变化时，电力线弯曲n径向力分量n轴向力分量nF I26/8/2023582.9 触头接通过程及其熔焊n触头接通/闭合：n弹性和塑性变形n部分能量转换为热量塑性变形n部分能量转换为反弹运

26、动弹性变形n二次弹跳原因n图231n触头的闭合n铁心的闭合（衔铁与磁轭闭合）n触头材料蒸发的压力6/8/2023592.9 触头接通过程及其熔焊n闭合弹跳过程n图232n能量渐小n部分能量转换为热量塑性变形n部分能量转换为反弹运动弹性变形n共振n熔焊与弹跳力的作用n振幅计算n能量平衡公式nW：位能；WA：塑性变形的消耗能n式2316/8/2023602.9 触头接通过程及其熔焊n触头的熔焊n分类n静熔焊n动熔焊n影响因素n电参数n机械参数n表面状况n材料n触头的冷焊n压力情况下连接处金属分子或原子间的结合6/8/2023612.10 触头分断过程与其侵蚀n分断过程触头损失严重n过程历时长n电弧

27、持续时间长n侵蚀n机械侵蚀：机械摩擦n化学侵蚀：氧化膜破碎导致n电侵蚀：电火花或电弧n电侵蚀n桥蚀 图25n弧蚀6/8/2023622.10 触头分断过程与其侵蚀n桥蚀n阳极材料向阴极转移n阴极凸起、阳极凹陷n火花放电n物理过程n电压较高而功率较小n强电场击穿n无热电离n间歇性和不稳定n阴极受电蚀阴极向阳极发射电子6/8/2023632.10 触头分断过程与其侵蚀n弧蚀n阴极电蚀n正离子在阴极附近形成正空间电荷层，形成强电场n阴极材料向阳极转移n阴极凹陷、阳极凸起n净侵蚀n高温情况下，阴极和阳极材料的局部熔化和蒸发n阳极电蚀n火花放电和电弧放电情况下，触头材料损耗6/8/2023642.10

28、触头分断过程与其侵蚀n小电流情况下的触头电侵蚀n桥蚀、火花放电性质的弧蚀n侵蚀程度的计算n阳极材料的侵蚀：n火花放电时，触头材料的侵蚀6/8/2023652.10 触头分断过程与其侵蚀n大电流情况下的触头电侵蚀n弧蚀n侵蚀程度的影响参数n电弧电流、电弧移动速度、燃烧时间、触头结构形式、操作频率、磁吹磁场等n电流较大而操作频率不高的情况n电流较小的情况n侵蚀量6/8/2023662.10 触头分断过程与其侵蚀n电侵蚀与触头的使用期限和超程n使用期限n电侵蚀起主要影响作用n部分触头材料的损耗导致使用期限n电侵蚀的不均匀特性n超程n补偿电侵蚀的量6/8/2023672.12 触头材料n材料n接触电阻

29、、温升、抗熔焊能力、抗侵蚀能力n要求：n低电阻率，低电阻温度系数n高的最小燃弧电压和最小燃弧电流；n高的热导率、比热容、熔点和沸点；n高的抗氧化和抗化学腐蚀能力；n适当的硬度，良好的工艺性能6/8/2023682.12 触头材料n种类n纯金属材料n银、铜、铝：导电和导热率高n金：不氧化；易冷焊、变形和磨损n铂、钨、石墨：性能稳定，不易氧化n合金材料n银合金n金合金n铂合金n钨合金等等n金属陶瓷材料（粉末冶金材料）6/8/2023692.12 触头材料n金属陶瓷材料（粉末冶金材料）n两相金属的机械混合物n耐弧、低接触电阻、耐侵蚀和抗熔焊等n难熔相n起骨架作用：硬度高、熔点高，不易变形n材料：钨、

30、钼、金属氧化物等n载流相n起载流作用：高电导率和热导率n能防止喷溅现象，并能降低触头材料损失程度n材料：银、铜等6/8/2023702.12 触头材料n代表种类n银氧化镉粉末合金n银氧化锡铟粉末合金n银氧化锌粉末合金n铜钨合金等等n真空开关电器触头材料n电导率高、抗熔焊性强、分断能力高n大容量电器产品：铜铋银合金n中小容量电器产品：铜铋铈合金n触头跑弧面：真空铜6/8/202371思考练习n课后练习：n2.3,2.4,2.6,2.7,2.82.12,2.14,2.19n电弧的产生n气体放电过程n交直流电弧特性n交直流电弧的熄灭n结合电弧伏安特性分析直流电弧的熄灭n试就图2-19分析L、C、R的选择n触头的四种工作状态和大概的要求6/8/202372