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当前位置:电子发烧友网 > 图书频道 > 电气 > 《牵引电器检测与维修》 > 第2章 电弧及灭弧装置

第5节 电弧熄灭的方法及装置

通过前面的一系列理论分析,我们可以找出加速电弧熄灭的很多方法,例如:拉长电弧、降低温度、将长弧变为短弧、将电弧放置于特殊介质中,增大电弧周围气体介质的压力等。为了减少电弧对触头的烧损和限制电弧扩展的空间,通常要将这些方法加以应用,为此而采用的装置称为灭弧装置。一个灭弧装置可以采用某一种方法进行熄弧。但在大多数情况下,则是综合采用几种方法,以增加灭弧效果。例如拉长和冷却电弧往往是一起运用的。

一、拉长电弧

电弧拉长以后,电弧电压就增大,改变了电弧的伏安特性。在直流电弧中,其静伏安特性上移,电弧可以熄灭。在交流电弧中,由于燃弧电压的提高,电弧重燃困难。

电弧的拉长可以沿电弧的轴向(纵向)拉长,也可以沿垂直于电弧轴向(横向)拉长,如图2-12所示。

图2-12 拉长电弧

1.机械力拉长

电弧沿轴向拉长的情况是很多的,电器触头分断过程实际上就是将电弧不断地拉长。刀开关中闸刀的拉开也拉长电弧,电焊过程中将焊钳提高可使电弧拉长并熄灭。

2.回路电动力拉长

图2-13 触头回路电动力吹弧

(a)常用触头回路电动力吹弧;(b)增磁型触头回路电动力吹弧

1-触头桥;2-动触头;3-电弧;4-静触头;5-静触头座;6-磁性片。

载流导体之间会产生电动力,如果把电弧看作为一根软导体,那么受到电动力它就会发生变形,即拉长。如图2-13所示,在一对桥式双断点结构型式的触头断开时,电弧受回路电动力F的作用被横向拉长,也就是图2-12中受F2作用力的情况。横向拉长时电弧与周围介质发生相对运动而加强了冷却,这样就加速了电弧的熄灭。有时为了使磁场集中,在触头上添加磁性片6,以增大吹弧力,如图2-13(b)所示。

因利用回路本身灭弧的电动力不够大,电弧拉长和运动的速度都较小,所以这种方法一般仅用于小容量的电器中。开断大电流时,为了有较大的电动力而专门设置了一个产生磁场的吹弧线圈,这种利用磁场力使电弧运动而熄灭的方法称为磁吹灭弧。如图2-14所示。由于这个磁场力比较大,其拉长电弧的效果也较好,如图2-12中F3所示的情况。

图2-14 磁吹灭弧装置示意图

1-磁吹铁心;2-导弧角;3-灭弧罩;4-磁吹线圈;

5-铁夹板;6-静触头;7-动触头;8-绝缘套。

磁吹线圈4是接在引出线和静触头6之间,通过绝缘套与磁吹铁芯绝缘,导弧角2和静触头6固装在一起。磁吹线圈4中的磁吹铁芯1两端各装有一片导磁夹板5,磁夹板5同时夹于灭弧室两侧,用来加强弧区磁场。设在灭弧室中的动静触头就处在磁板之间。

当触头分开有电弧燃烧时,磁吹线圈和电弧本身均在电弧周围产生磁场。由图可见,在弧柱下方一侧,磁吹线圈的磁通和电弧的磁通是相叠加的,而在弧柱上方一侧,两磁通是相削弱的,因此就产生磁吹力。电弧在磁吹力的作用下发生运动,电弧被拉长,电弧的根部离开静触头而移到导弧角2上,进一步拉长电弧,使电弧迅速熄灭。

导弧角2是根据回路电动力原理设置的,用来引导电弧很快离开触头且按一定方向运动,以保护触头接触面免受电弧的烧伤。

由于磁吹线圈与电路的连接方式不同而形成串激线圈和并激线圈之分。

上述所介绍的这种磁吹线圈和触头相串联的激磁方法称为串激法。它的优点是:电流流向改变但磁吹力方向不变,即磁吹方向不随电流极性的改变而改变。具有这种磁吹的电器称为“无极性电器”。同时因为是串激,通过磁吹线圈的电流与弧电流相同,因此弧电流越大则灭弧效力就越强;反之弧电流小时,灭弧效力就弱。所以串激法适用于切断大电流的电器中。

在熄灭直流电弧时,外加磁场除了串激法外,还有并激法和它激法。它们的工作原理相同。

并激法的磁吹线圈不是和负载回路串联,而是直接跨接在电源上。它的优点是,可产生一个与回路电流无关的恒定磁场。这样,在一定的恒定磁场下,不论开断大电流或小电流,都可使电弧很快熄灭。但是由此产生的缺点是使电器的接线带有极性,即当触头上电流反向时,必须同时改变并激线圈的极性,否则磁吹力就会反向,所以使用中不太方便。

所谓它激法,就是用永久磁铁来代替并激法的磁吹线圈,它的磁吹特性和并激法相似。不同点是无需线圈和电源,因而结构更趋简单。

二、灭弧罩

灭弧罩是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。其结构型式是多种多样的,但其基本构成单元为“缝”。我们将灭弧罩壁与壁之间构成的间隙称作“缝”。根据缝的数量可分为单缝和多缝。根据缝的宽度与电弧直径之比可分为窄缝与宽缝。缝的宽度小于电弧直径的称窄缝,反之,大于电弧直径的称宽缝。根据缝的轴线与电弧轴线间的相对位置关系可分为纵缝与横缝。缝的轴线和电弧轴线相平行的称为纵缝,两者相垂直的则称为横缝。

1.纵缝灭弧罩

图2-15所示为一纵向窄缝的灭弧情况,当电弧受力被拉入窄缝后,电弧与缝壁能紧密接触。在继续受力情况下,电弧在移动过程中能不断改变与缝壁接触的部位,因而冷却效果好,对熄弧有利。但是在频繁开断电流时,缝内残余的游离气体不易排出,这对熄弧不利。所以此种形式适用于操作频率不高的场合。

图2-15 纵向窄缝式灭弧罩

图2-16所示为一纵向宽缝的灭弧情况,宽缝灭弧罩的特点与窄缝的正好相反,冷却效果差,但排出残余游离气体的性能好。图2-16中所示情况是将一宽缝中又设置了若干绝缘隔板,这样就形成了纵向多缝。电弧进入灭弧罩后,被隔板分成两个直径较原来小的电弧,并和缝壁接触而冷却,冷却效果加强,熄弧性能提高。此外,由于缝较宽,熄弧后残存的游离气体容易排出,所以这种结构型式适用于较频繁开断的场合。

图2-17 纵向曲缝式灭弧罩

图2-17所示为纵向曲缝式灭弧罩的灭弧情况。纵向曲缝式又称迷宫式,它的缝壁制成凹凸相间的齿状,上下齿相互错开。同时,在电弧进入处齿长较短,愈往深处,齿长愈长。当电弧受到外力作用从下向上进入灭弧罩的过程中,它不仅与缝壁接触面积越来越大,而且长度也愈来愈长。这就加强了冷却作用,具有很强的灭弧能力。但是,也正因为缝隙愈往深处愈小,电弧在缝内运动时受到的阻力愈来愈大。所以,这种结构的灭弧罩,一定要配合以较大的让电弧运动的力。否则,其灭弧效果反而不好。

2.横缝灭弧罩

为了加强冷却效果,横缝灭弧罩往往以多缝的结构型式使用,也就是称为横向绝缘栅片,如图2-18所示。当电弧进入灭弧罩后,受到绝缘栅片的阻挡,电弧在外力作用下便发生弯曲,从而拉长了电弧,并加强了冷却。为了分析电弧与绝缘栅片接触时的情况,以图2-19来放大说明:设磁通方向为垂直向里,电弧AB、BC和CD段所受的电动力都使电弧压向绝缘棚片顶部,而DE段所受的电动力使电弧拉长,CD段和EF段相互作用产生斥力。这样一些力的作用,使电弧拉长并与缝壁接触面增大而且紧密,所以能收到比较好的灭弧效果。

由于灭弧罩要受电弧高温的作用,所以对灭弧罩的材料也有一定的要求,如:受电弧高温作用不会因热变形、绝缘性能不能下降,机械强度好且易加工制造等。灭弧罩材料过去广泛采用石棉水泥和陶土材料。现在逐渐改为采用耐弧陶瓷和耐弧塑料,它们在耐弧性能与机械强度方面都有所提高。

图2-18 横向绝缘栅片式灭弧罩

1-灭弧罩;2-电弧。

图2-19 电弧在横向绝缘栅片灭弧罩中的放大图

三、油冷灭弧装置

油冷灭弧是将电弧置于液体介质(一般为变压器油)中,电弧将油汽化、分解而形成油气。油气中主要成分是氢,在油中以气泡的形式包围电弧。氢气具有很高的导热系数,这就使电弧的热量容易散发。另外,由于存在着温度差,所以气泡产生运动,又进一步加强了电弧的冷却。若再要提高其灭弧效果,可在油箱中加设一定机构,使电弧定向发生运动,这就是油吹灭弧。由于电弧在油中灭弧能力比大气中拉长电弧大得多,所以这种方法一般用于高压电器中,如油开关。

四、气吹灭弧装置

气吹灭弧是利用压缩空气来熄灭电弧的。压缩空气作用于电弧,可以很好地冷却电弧、提高电弧区的压力、很快带走残余的游离气体,所以有较高的灭弧性能。按照气流吹弧的方向,它可以分为横吹和纵吹两类。横吹灭弧装置的绝缘件结构复杂,电流小时横吹过强会引起很高的过电压,故已被淘汰。图2-20表示了纵吹(径向吹)的一种形式。压缩空气沿电弧径向吹入,然后通过动触头的喷口、内孔向大气排出,电弧的弧根能很快被吹离触头表面,因而触头接触表面不易烧损。因为压缩空气的压力与电弧本身无关,所以使用气吹灭弧时要注意熄灭小电流电弧时容易引起过电压。由于气吹灭弧的灭弧能力较强,故一般运用在高压电器中,例如韶山系列机车的空气断路器(主断路器)。

图2-20 气吹灭弧装置

1-动触头;2-灭弧室瓷罩;3-静触头;4-压缩空气;5-电弧。

图2-21 横向金属栅片灭弧罩结构、原理示意图

(a)电弧在横向金属栅中状况;(b)横向金属栅对电弧的作用;(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。

五、横向金属栅片灭弧

横向金属栅片又称去离子栅,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近极压降来达到熄灭电弧的目的。

横向金属栅片灭弧情况如图2-21所示。栅片的材料一般采用铁。当电弧靠近铁栅片时,由于铁片为磁性材料,所以栅片本身就具有一个把电弧拉入栅片的磁场力(当电弧移近金属栅的上沿时,铁栅片又具有把电弧拉回的特性,可防止电弧逸出栅外,烧损它物)。当电弧被这个磁场力或外力作用刚进入铁片栅中时,由于磁阻较大,铁片栅对电弧的吸力不大。为了减小电弧刚进入铁栅片时的空气阻力,铁栅片作成楔口并交叉装配,如图2-21(b)所示,即只让电弧先进入一半铁片栅中以增大最初接触电弧的铁片片距。随着电弧继续进入铁片栅中,磁阻减小,铁片对电弧的拉力增大,足以使电弧进入所有的铁片栅中。电弧进入栅片后分成许多串联短弧,电流回路产生作用于各短弧上的电动力使短弧继续发生运动。此时应注意短弧被拉回向触头方向运动的力,它会使电弧重燃并烧损触头。为了消除这种现象,可以采用凹形栅片和O形栅片。铁栅片在使用时一般外表面要镀上一层铜,以增大传热能力和防止铁片生锈。

横向金属栅片灭弧装置主要用于交流电器,因为它可将起始介质强度成倍的增长。对于直流电弧而言,因无近阴极效应,只能靠成倍提高极旁压降来进行灭弧。由于极旁压降值较小,要想达到较好的灭弧效果,金属栅片的数量太大,会造成灭弧装置体积庞大。所以直流电器中很少采用。

六、真空灭弧装置

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。

在真空中气体很稀薄,电子的自由行程远大于触头间的距离。当真空度为10-5mm汞柱时,电子的自由行程达43m。自由电子在弧隙中作定向运动时几乎不会和气体分子或原子相碰撞,不会产生碰撞游离。所以将触头置于真空中断开时产生的电弧则是由于阴极发射电子和产生的金属蒸气被电离而形成的。当电弧电流接近零时,阴极发射的电子和金属蒸气减少,弧隙中残留的金属蒸气和等离子体向周围真空迅速扩散。这样,弧隙可以在数微秒之内由导电状态恢复到真空间隙的绝缘水平。因此,在真空中触头有很高的介质恢复速度、绝缘能力和分断电流的能力。

真空电弧按其电流的大小可分为扩散弧和收缩弧两种。扩散弧的电流较小(几百至几千安培),此时电弧分裂为许多并联的支弧。每一支弧有自己的阴极斑点和弧柱,阴极斑点互相排斥且均匀分布在阴极上。在电磁场的作用下阴极斑点不断地沿左旋方向运动,触头表面的平均温度较低且分布均匀。阳极此时不存在阳极斑点。阴极斑点既发射电子又产生金属蒸气。当电流接近于零值时,最终只剩下一个斑点。电流过零时,电弧自行熄灭。当扩散弧的电流增加到足够大时,阴极斑点相互聚成一团,运动速度很小甚至不再运动。阴极表面不但产生大量的金属蒸气,而且有一部分金属直接以颗粒或液滴的形式向弧隙喷射。阳极此时也出现炽热的阳极斑点且蒸发和喷射一定数量的金属,触头的电磨损迅速增加。当真空灭弧装置中出现收缩弧后,就不能再开断电路。电弧由扩散弧转变为收缩弧的电流,也就是该真空灭弧装置的极限开断电流,它随触头材料和直径大小而不同。

在开断交流电路时,当被开断的电流减小到某一数值时,扩散弧会发生电流突然被截断的现象,称之为截流。这样,在开断感性负载电流时,弧隙上将产生很高的过电压,这是使用真空灭弧装置应注意的问题。