1、配电装置的概念及灭弧原理  

配电装置的概念及灭弧原理

1、配电装置的概念：用来接受和分配电能的装置,叫做配电装置,包括开关设备,测量仪表,连接母线和其他辅助设备。配电装置在设置上应便于检修、监视和操作。

2、灭弧原理

开关电器在投入或断开具有一定电压和电流的电路时，开关的动、静触头之间便会产生电弧。由于电弧形成了离子导电通道，电路实际上没有断开。各种开关电器由于其灭弧装置不同，其外形和结构上有较大的差异，因此有必要了解开关设备中电弧的产生及灭弧方法。

(1)电弧的产生与熄灭

①电弧的的概念:

当刀闸开关切除一台运行着的电动机时，在开关的动、静触头之间会产生火花，这个火花就是电弧。此时电流通过电弧继续流动，一直到动触头拉开足够长距离时，火花熄灭，电流才被真正切断。

电弧温度极高，可达5000℃以上,对电器设备有很大危害。研究电弧的目的,是要迅速熄灭电弧,以保证电器设备运行安全。

②电弧的产生

在拉开刀闸时，动、静触头之间的空气原来是绝缘体为什么会形成导电的弧道呢？这是由于此时的空气已被游离，游离状态下的空气和导体一样具有导电性能。在切断电路时介质（如空气）由绝缘状态转变为导电状态，可分为如下几个过程：

a.强电场发射：

在开关触头刚刚分离的瞬间，触头间距离s很小，虽然触头间电压U不一定很高，则可能产生很强的电场强度E（E=U/s）。如果电场强度超过3×106V/M以上，金属触头阴极表面的电子就会被电场力拉出而形成触头空间的自由电子。这种游离方式称为强电场发射，也是在弧隙间最初产生电子的原因。

b.热电子发射:

在触头即将分开的瞬间，触头压力以及接触面积减小，接触电阻(Rc）增大，电能损耗（I2Rc）增大，在触头表面出现炽热点；特别是电弧形成后，弧隙间的高温亦使触头表面受热出现强烈的炽热点。高温使得自由电子能量增加，运动加剧，阴极表面就会有电子跑出，形成热电子发射。

c.碰撞游离：

强电场的作用下，自由电子向阳极加速运动，具有很高的速度和巨大的动能，不断地与其他中性质点（介质原子或分子）发生碰撞，使束缚在原子核周围的电子释放出来，形成自由电子和正离子，这种现象就称为碰撞游离。新产生的电子也向阳极加速运动，同样也会使它所碰撞的中性质点游离。碰撞游离连续进行就可能导致触头间充满了电子和离子，它具有很大的电导，在外加电压作用下，触头间介质可能被击穿而形成电弧。

d.热游离：

电弧的温度很高，介质在分子高温作用下，产生迅速的不规则运动，具有很大的动能，相互碰撞游离出自由电子和正离子，形成热游离，维持电弧燃烧，增加了开关电器灭弧困难。

③电弧的熄灭

a.去游离：电弧中发生游离的同时，还进行着使带电质点减少的去游离过程，去游离的方式有复合和扩散两种。复合去游离:是指正离子与负离子互相吸引，结合在一起，电荷互相中和的过程。扩散去游离:是指带电质点从电弧内部逸出而进入周围介质的现象。

b.电弧的熄灭

游离去游离是电弧燃烧中的两个相反过程，游离过程使弧道中带电粒子增加，有助于电弧燃烧；去游离能使弧道中带电离子减少，有利于电弧熄灭。这两个过程的动态平衡，将使电弧稳定燃烧。若游离过程大于去游离过程，将会使电弧愈加强烈地燃烧。若去游离过程大于游离过程，将会使电弧燃烧减弱，以至最终电弧熄灭。开关电器中，为了加强灭弧能力，都采用各种措施减弱游离过程。

(2)交流电弧的熄灭条件

交流电弧中电流每半个周期要经过一次零值，这时电弧暂时自然熄灭，电流停止向弧隙输入电能，弧隙介质因高温而产生的热游离迅速减弱，此时，设法加强去游离，使弧隙介质的绝缘能力达到不会被弧隙外施电压击穿的程度，则在下半周电弧就不会重燃而最终熄灭。因此交流电弧的熄灭条件就是电弧不发生重燃的条件。

电弧电流过零时电弧自然熄灭，而弧隙的绝缘能力要恢复到绝缘的正常状态尚需要一定的时间，此恢复过程称为弧隙介质强度的恢复过程。

电弧电流自然过零后，电路施加于弧隙的电压，将从不大的电压逐渐增长，一直恢复到电源电压，这一过程中的弧隙电压称为恢复电压。

综上所述，在电弧电流过零时，电弧自然熄灭。此时，弧隙中同时存在着两个恢复过程，即介质强度恢复过程和电源电压恢复过程。如果电源恢复电压高于介质强度恢复电压，弧隙就被击穿，电弧重燃。反之，如果恢复电压低于介质强度时，电弧便熄灭。因此，交流电弧熄灭的条件是：电弧电流过零，电弧自然熄灭时，介质强度恢复电压始终高于电源恢复电压。

(3)熄灭电弧的基本方法

现代开关电器中，加速电弧熄灭的基本方法主要有以下几种：

① 冷却灭弧法

降低电弧的温度，使离子运动速度减慢，这样不但使热游离作用减弱，同时离子的复合作用也增强，有利于电弧的熄灭。温度愈低，复合作用就愈强烈，电弧愈易熄灭。

② 拉灭弧法

在开关触头断开时，加速触头分离，将电弧迅速拉长，从而降低了开关触头之间的电场强度，或者说电弧不足以维持电弧的燃烧，而使电弧熄灭。

a.用气体吹动灭弧

利用任何一种较冷的绝缘介质的气流来纵吹电弧（气流方向与弧柱平行）或横吹电弧（气流方向与弧柱垂直），使电弧迅速扩散，加强冷却，从而达到灭弧的目的。

b.采用多断口灭弧

在高压断路器中，常制成每相有两个或更多个串联断口，可将电弧分割成多个小电弧段。其作用是：在相等的触头行程下，多断口比单断口的电弧拉长速度快，从而弧隙电阻迅速增加，增大了介质强度的恢复速度；同时，加在每个断口的电压减小，使弧隙的电压恢复速度降低，因而灭弧性能良好。

c.利用真空灭弧

真空具有较高的绝缘强度，将开关触头置于真空容器中，当电流过零时即能熄灭电弧。为防止产生过电压，应当不使触头分开时电流突变为零。宜在触头间产生少量金属蒸汽，形成电弧通道。当交流电流自然下降过零前后，这些金属蒸汽便在真空中迅速飞散而熄灭电弧。

d.将电弧分为多个串联的短弧

交流电弧，在电流过零的瞬间，新阴极附近在0.1~1us的时间内，立即出现大约150~250V的介质强度，称为新阴极效应。当触头两端外加交流电压小于150V时，则电弧将熄灭。将长弧切成几个短弧串联就是利用新阴极效应灭弧。一般是采用绝缘板夹着许多金属栅片组成灭弧栅，罩住开关触头的全行程。当开关触头分离时，长电弧在电动力和磁场力的作用下迅速移入灭弧栅，长电弧被灭弧片切割成一连串的短电弧，在电弧电流过零，电弧熄灭时，每两栅片间均立即出现150~250伏的介质强度，设有n个栅片，则灭弧栅片总的介质强度为n（150~250）V，若作用于触头间的电压小于该值时，不能维持电弧燃烧，电弧必然熄灭。也就是说，当所有栅片间的介质强度总和大于动、静头向外加电压，电弧就不再重燃。

e.利用有机固体介质的狭缝灭弧

狭缝灭弧装置，灭弧栅片电陶土或有机固体材料制成。当触头间产生电弧后，在磁吹线圈产生的磁场作用下，以电弧产生电动力，将电弧拉长进入灭弧栅片的狭缝中，电弧与栅片紧密接触，冷却电弧，加强去游离。同时有机固体介质在高温作用下分解而产生气体，压力增大，使电弧强烈冷却，最终熄灭。

(4)各种开关电器的灭弧措施

上述灭弧方法，在各种开关电器中采用不同的具体措施来实现。在这些方法中，冷却灭弧是基本的，再配合其他灭弧方法，形成各种开关电器的灭弧装置。

①高压隔离开关和低压快分开关中，采用冷却灭弧及速拉弧。

②有填料封闭式熔断器，利用狭缝灭弧及冷却灭弧；无填料封闭式熔断器，利用速拉电弧，冷却及增大压力等方法灭弧。

③低压断路器、接触器和带灭弧罩的刀开关，应用串联短弧及冷却灭弧等方法灭弧。

④SF6断路器、压缩空气断路器、油断路器及负荷开关等广泛利用气体吹弧方法。

⑤真空断路器应用真空的高绝缘强度和扩散性能灭弧。