交流電弧放電對(duì)高壓斷路器的影響

郭小燕 胡旭喆 朱伯濤

【摘要】文章中介紹了交流電弧的特點(diǎn)、電弧中自由電子的來(lái)源，分析了交流電弧熄滅的原理、條件和方法，最后闡述了交流電弧放電對(duì)高壓斷路器的危害，以及交流電弧可利用的一面。

【關(guān)鍵詞】交流電弧;高壓斷路器;電弧熄滅

引言

高壓斷路器在電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，高壓斷路器能夠接通和斷開(kāi)回路、切除和隔離故障。它不僅可以切斷或閉合高壓電路中的空載電流和負(fù)荷電流，而且當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)繼電保護(hù)裝置的作用，切斷過(guò)負(fù)荷電流和短路電流，它具有相當(dāng)完善的滅弧結(jié)構(gòu)和足夠的斷流能力，又稱高壓開(kāi)關(guān)[1]。

電弧是指大多數(shù)載流子為原電子發(fā)射產(chǎn)生的電子的一種自持氣體放電[2]。

高壓斷路器內(nèi)部電弧的形成過(guò)程：斷路器觸頭剛分離時(shí)突然解除接觸壓力，陰極表面立即出現(xiàn)高溫?zé)霟狳c(diǎn)，產(chǎn)生熱電子發(fā)射; 同時(shí)，由于觸頭的間隙很小，使得電壓強(qiáng)度很高，產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射，從陰極表面逸出的電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，加速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，發(fā)生碰撞游離，導(dǎo)致觸頭間隙中帶電質(zhì)點(diǎn)急劇增加，溫度驟然升高，產(chǎn)生熱游離并且成為游離的的主要因素，此時(shí)，在外加電壓作用下，間隙被擊穿，形成電弧。

電弧由三部分組成[3]，包括陰極區(qū)、陽(yáng)極區(qū)和弧柱區(qū)。電弧溫度很高，功率很強(qiáng);電弧是一種自 持放電現(xiàn)象;電弧是一束游離的氣體;電弧是等離子體，質(zhì)量極輕，極容易改變形狀。

1.交流電弧

1.1 交流電弧的特點(diǎn)

交流電路中產(chǎn)生的電弧叫交流電弧。其特點(diǎn)是電弧電壓和電弧電流的大小及相位都是隨時(shí)間作周期性變化，每一周期內(nèi)有兩次過(guò)零值;電流過(guò)零時(shí)電弧自動(dòng)熄滅，而后隨著電壓的增大電弧又重新點(diǎn)燃，即交流電弧的伏安特性;由于弧柱的受熱溫升或散熱降溫都有一定過(guò)程，跟不上快速變化的電流，電弧溫度的變化總是滯后于電流的變化，即電弧的熱慣性。

1.2 交流電弧中自由電子的主要來(lái)源

熱電子發(fā)射。當(dāng)斷路器的動(dòng)、靜觸頭分離時(shí)，觸頭間的接觸壓力及接觸面積逐漸縮小，接觸電阻增大，使接觸部位劇烈發(fā)熱，導(dǎo)致陰極表面溫度急劇升高而發(fā)射電子，形成熱電子發(fā)射。

強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。分閘的瞬間，由于動(dòng)、靜觸頭的距離很小，觸頭間的電場(chǎng)強(qiáng)度就非常大，使觸頭內(nèi)部的電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下被拉出來(lái)，就形成強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。

碰撞游離。從陰極表面發(fā)射出的電子在電場(chǎng)力的作用下高速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷地與中性質(zhì)點(diǎn)（原子或分子）發(fā)生碰撞。當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的電子積聚足夠大的動(dòng)能時(shí)，就會(huì)從中性質(zhì)點(diǎn)中打出一個(gè)或多個(gè)電子，使中性質(zhì)點(diǎn)游離，這一過(guò)程稱為碰撞游離。

熱游離?；≈袣怏w分子在高溫作用下產(chǎn)生劇烈熱運(yùn)動(dòng)，動(dòng)能很大的中性質(zhì)點(diǎn)互相碰撞時(shí)，將被游離而形成電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為熱游離?；≈鶎?dǎo)電就是靠熱游離來(lái)維持的。

2.交流電弧的熄滅

2.1 弧隙介質(zhì)強(qiáng)度和弧隙恢復(fù)電壓

弧隙介質(zhì)能夠承受外加電壓作用而不致使弧隙擊穿的電壓稱為弧隙的介質(zhì)強(qiáng)度。 當(dāng)電弧電流過(guò)零時(shí)電弧熄滅，而弧隙的介質(zhì)強(qiáng)度要恢復(fù)到正常狀態(tài)值還需一定的時(shí)間， 此恢復(fù)過(guò)程稱之為弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過(guò)程，以耐受的電壓Uj（t）表示。

電流過(guò)零前，弧隙電壓呈馬鞍形變化，電壓值很低，電源電壓的絕大部分降落在線路和負(fù)載阻抗上。電流過(guò)零時(shí)，弧隙電壓正處于馬鞍形的后峰值處。電流過(guò)零后，弧隙電壓從后峰值逐漸增長(zhǎng)，一直恢復(fù)到電源電壓，這一過(guò)程中的弧隙電壓稱為恢復(fù)電壓，其電壓恢復(fù)過(guò)程以Uhf（t）表示。

2.2 交流電弧熄滅的條件

交流電弧過(guò)零后弧隙間介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)和電壓的恢復(fù)是兩個(gè)對(duì)立的過(guò)程。因?yàn)榻橘|(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過(guò)程主要是弧隙內(nèi)部帶電粒子不斷減少的過(guò)程，而電壓恢復(fù)過(guò)程恰相反，它使弧隙中的氣體產(chǎn)生新的游離而使帶電粒子不斷增加。那么可以簡(jiǎn)單地確定交流電弧熄滅條件為：交流電弧電流過(guò)零后，如果弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)的速度超過(guò)了弧隙電壓恢復(fù)的速度，則電弧熄滅;反之，電弧重燃。

2.3 交流電弧的熄滅方法

提高觸頭的分閘速度。 迅速拉長(zhǎng)電弧， 有利于迅速減小弧柱中的電位梯度，增加電弧與周圍介質(zhì)的接觸面積，加強(qiáng)冷卻和擴(kuò)散的作用。

采用多斷口。在熄弧時(shí)，多斷口把電弧分割成多個(gè)相串聯(lián)的小電弧段。多斷口使電弧的總長(zhǎng)度加長(zhǎng)，導(dǎo)致弧隙的電阻增加;在觸頭行程、分閘速度相同的情況下，電弧被拉長(zhǎng)的速度成倍增加，使弧隙電阻加速增大，提高了介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度，縮短了滅弧時(shí)間。采用多斷口時(shí)，加在每一斷口上的電壓成倍減少，降低了弧隙的恢復(fù)電壓，有利于熄滅電弧。

吹弧。用新鮮而且低溫的介質(zhì)吹弧時(shí)，可以將帶電質(zhì)點(diǎn)吹到弧隙以外，加強(qiáng)擴(kuò)散，并代之以絕緣性能高的新鮮介質(zhì)，同時(shí)，由于電弧被拉長(zhǎng)變細(xì)，使弧隙的電導(dǎo)下降。吹弧還使電弧的溫度下降，熱游離減弱，復(fù)合加快。

短弧原理滅弧。在交流電路中，當(dāng)電流自然過(guò)零時(shí)，所有短弧幾乎同時(shí)熄滅，而每個(gè)短弧都在新陰極附近產(chǎn)生150～250V的起始介質(zhì)強(qiáng)度。在直流電路中，每一短弧的陰極區(qū)有8～11V電壓降。如果所有串聯(lián)短弧陰極區(qū)的起始介質(zhì)強(qiáng)度或陰極區(qū)的電壓降的總和永遠(yuǎn)大于觸頭間的外施電壓，電弧就不再重燃而熄滅。

利用固體介質(zhì)的狹縫狹溝滅弧。觸頭間產(chǎn)生電弧后，在磁吹裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，將電弧吹入滅弧片構(gòu)成的狹縫中，把電弧迅速拉長(zhǎng)的同時(shí)，使電弧與滅弧片的內(nèi)壁緊密接觸，對(duì)電弧的表面進(jìn)行冷卻和吸附，產(chǎn)生強(qiáng)烈的去游離。

用耐高溫金屬材料制作觸頭。觸頭材料對(duì)電弧中的去游離也有一定影響，用熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量大的耐高溫金屬制作觸頭，可以減少熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸汽，從而減弱了游離過(guò)程，有利于熄滅電弧。

用優(yōu)質(zhì)滅弧介質(zhì)。滅弧介質(zhì)的特性，如導(dǎo)熱系數(shù)、電強(qiáng)度、熱游離溫度、熱容量等， 對(duì)電弧的游離程度具有很大影響，這些參數(shù)值越大，去游離作用就越強(qiáng)。

3.交流電弧的危害

電弧的存在延長(zhǎng)了高壓斷路器開(kāi)斷故障電路的時(shí)間。

電弧產(chǎn)生的高溫將使斷路器的觸頭表面熔化和蒸化，燒壞絕緣材料，對(duì)充油斷路器還可能引起著火、爆炸等危險(xiǎn)。

電弧在電動(dòng)力、熱力作用下能移動(dòng)，易造成飛弧短路和傷人，使事故擴(kuò)大。

電弧雖然對(duì)電力設(shè)備不同形式的危害，但是，也存在可以利用的一面，在采用自能式滅弧室的斷路器中，就利用了電弧燃燒時(shí)產(chǎn)生的能量對(duì)壓氣缸進(jìn)行建壓，然后利用有壓力的氣體再進(jìn)行吹弧和滅弧。

4.結(jié)語(yǔ)

交流電弧是高壓斷路器在操作過(guò)程客觀存在的，采用更加有效的方法降低交流電弧對(duì)高壓斷路器的危害，將會(huì)大大減少高壓斷路器的故障率，提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]河北省電力公司組編.變電檢修現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)問(wèn)答[M].北京：中國(guó)電力出版社，2013.

[2]上海超高壓輸變電公司.變電設(shè)備檢修[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[3]國(guó)家電網(wǎng)公司人力資源部.變電檢修[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：胡旭喆（1974—），男，工程師，主要從事電氣設(shè)備檢修工作。