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电气设备及运行维护 2-* ■ 第二章 电弧与电气触头的基本知识 第一节 电弧的形成与熄灭 第二节 交流电弧的特性及熄灭 第三节 开关电器中熄灭交流电弧的基本方法 第四节 电气触头的基本知识 本章计划学时：4 学时 第一页，共三十七页。 本章教学要求 了解电弧的危害，熟悉电弧的形成过程 熟悉交流电弧的特性，交流电弧的熄灭条件 了解交流电弧的开断过程 掌握熄灭交流电弧的基本方法 熟悉电气触头的基本要求，及触头的分类和结构 第二页，共三十七页。 第一节 电弧的形成与熄灭 一、开关电器的灭弧原理 （一）电弧现象 1) 电弧：是一种气体游离放电现象。 2) 产生电弧的条件：用开关电器开断电源电压大于10 ~ 20 V，电流大于80 ~ 100mA的电路时，就会发生电弧。 3) 电弧的特点：能量集中，温度很高，亮度很强；电弧是良导体。 4) 电弧的利用：电弧在工业上有很多有益的应用，例如，利用其高温的电弧焊接机，电弧炼钢炉等。 5) 电弧的危害：在开关电器中，电弧是有害的，要求尽快地熄灭，否则会烧坏开关触头，误拉隔离开关会造成相间短路和人身伤亡。 第三页，共三十七页。 6) 特征： ① 气体导电（轻、易变形）； 电弧的能量集中，温度很高，亮度很强 例：10kvQF断开20kA的电流，电弧功率达到 1万kw以上 ② 电弧由阴极区，阳极区和弧柱区组成。 弧柱处温度最高，可达6~7k0C到1万度以上在弧柱周围温度较低，亮度明显减弱的部分叫弧焰，电流几乎都从弧柱内部流过。 第四页，共三十七页。 ③电弧的气体放电是自持放电，维持电弧燃烧的电压很低。在大气中，1cm长的直流电弧的弧柱电压仅15~30v，在变压器油中1cm长的直流电弧的弧柱电压仅100~220v。 ④电弧是一束游离的气体，质量极轻，极易变形。 电弧在气体或液体的流动作用下或电动力作用下，能迅速移动、伸长或弯曲。 第五页，共三十七页。 （二）电弧的产生与熄灭 游 离——中性质点分解成自由电子和正离子。 去游离——电子和正离子相互吸引还原为中性质点。 1. 电弧的产生 1）强电场发射：E=U / s 大于3×106 V/m时，金属触头阴极表面就会发射自由电子。 2）热电子发射：在开关分闸时，动静触头之间的接触压力和接触面积减小，接触电阻增大，接触表面发热严重，产生局部高温，阴极金属材料中的电子获得动能而逸出成为自由电子。 第六页，共三十七页。 3）加速运动：自由电子，在强电场的作用下，向阳极作加速运动。 4）碰撞游离：加速运动获得动能的自由电子在运动中与中性质点发生碰撞，中性质点中的电子获得能量产生跃迁，跳到能级更高的轨道上，如果获得的能量足够大，自由电子就能脱离原子核的束缚，游离成自由电子和正离子。 5）雪崩：游离的结果导致触头间自由电子数量剧增 。 6）介质击穿产生电弧：剧增的电子形成电流，介质被击穿而产生电弧。 电弧形成小结 ①自由电子的来源 (即游离方式) 电极发射大量自由电子：热电子+强电场发射 弧柱区的气体游离：碰撞游离+热游离 第七页，共三十七页。 ②电弧的形成 其中：阴极发射（起因）→碰撞游离（重要因素）→击穿（量变到质变）→热游离（主要因素）→维持发展 2．电弧的维持与发展 1）由于电弧的 r 小，电弧形成后，触头间的电压和电场强度很低，强电场发射停止。 2）由于电弧在燃烧过程中温度很高，可达到几千度甚至上万度，阴极表面继续进行热电子发射。 第八页，共三十七页。 3）另一方面介质的分子和原子在高温下将产生强烈的分子热运动，获得动能的中性质点之间不断地发生碰撞，游离成自由电子和正离子，此即所谓热游离。 4）热发射和热游离给弧隙提供了大量的自由电子，电流继续流过，电弧的燃烧得以维持。 3．电弧的熄灭 1）复合去游离：正离子和负离子相互吸引而中和成为中性质点的过程。自由电子的 v 远大于正离子，它们直接复合的可能性很小，往往是自由电子先附着在中性质点上，形成负离子，运动速度大大减慢，此时正离子和负离子更容易复合。 2）扩散去游离：自由电子和正离子逸出电弧而进入周围介质中，被周围介质冷却而复合的过程。 由于电弧内外的电荷浓度及温差的不同，自由电子和正离子将向浓度和温度都低的周围介质中扩散，在低温处，电子和离