第一节　概述

一、气体电弧原理

1.电弧的概念

当开关电器开断电路时，如果电路电压超过10～20V，电流超过80～100mA，触头刚刚分离后，触头之间就会产生强烈的白光，称为电弧。电弧是开关电器在开断过程中不可避免的现象。电弧的实质是一种气体放电现象。

2.电弧放电的特征及危害

①电弧由三部分组成，包括阴极区、阳极区和弧柱区。

②电弧温度很高。电弧放电时，能量高度集中，弧柱中心区温度可达10000℃左右，电弧表面温度也会达到3000～4000℃。

③电弧是一种自持放电现象。电极间的带电质点不断产生和消失，处于一种动平衡状态，弧柱区电场强度很低，一般仅为10～200V/cm。

④电弧是一束游离的气体。它的质量很轻，在电动力、热力和其他外力作用下，能迅速移动、伸长、弯曲和变形。

由于电弧具有上述特征，所以电弧存在会对电力系统和电气设备造成危害，主要如下。

①电弧的存在延长了开关电器断开故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。

②电弧产生的高温，将使触头表面熔化和汽化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。

③由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。

④电弧存在时，尽管开关触头断开，电路中仍有电流流通，只有当电弧熄灭后，电路中才无电流通过而真正断开。

3.电弧的产生

（1）电弧产生的根本原因

产生电弧的根本原因是开关触头在分断电流时，触头间电场强度很大，使触头本身的电子及触头周围介质中的电子被游离而形成电弧电流。

（2）产生电弧的游离方式

①热电子发射　高温炽热的阴极表面能够向空间发射电子。当断路器的动、静触头分离时，触头间的接触压力及接触面积逐渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致阴极表面温度急剧升高而发射电子，形成热电子发射。发射电子的多少与阴极表面温度及阴极的材料有关。

②强电场发射　当开关电器分闸的瞬间，由于动、静触头的距离很小，触头间的电场强度就非常大，使触头内部的电子在强电场作用下被拉出来，就形成强电场发射。

③碰撞游离　从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极运动，在运动过程中不断地与中性质点（原子或分子）发生碰撞。当高速运动的电子积聚足够大的动能时，就会从中性质点中打出一个或多个电子，使中性质点游离，这一过程称为碰撞游离。新产生的电子将和原有的电子一起以极高的速度向阳极运动，当碰撞其他中性质点时，将再次发生碰撞游离。这样连续不断地碰撞游离，就使气体介质中带电质点大量增加，具有很大的电导，在外加电压作用下，气体介质被击穿，形成电弧放电。

④热游离　触头间电弧燃烧的间隙，称为弧隙。弧隙的温度很高，弧柱的温度可达5000～13000℃。弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很大的中性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。

从上述可见：电弧由碰撞游离产生，靠热游离维持，而阴极则借强电场或热电子发射提供传导电流的电子，因此，维持电弧稳定燃烧的电压就不需要很高。

（3）开关电弧形成的过程

断路器断开过程中电弧是这样形成的：触头刚分离时突然解除接触压力，阴极表面立即出现高温炽热点，产生热电子发射。同时，由于触头的间隙很小，使得电压强度很高，产生强电场发射。从阴极表面逸出的电子在强电场作用下，加速向阳极运动，发生碰撞游离，导致触头间隙中带电质点急剧增加，温度骤然升高，产生热游离并且成为游离的主要因素，此时，在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧。

4.电弧的熄灭

电弧中发生游离的同时，还存在着相反的过程，即去游离。若去游离作用始终大于游离作用，则电弧电流减少，直至电弧熄灭。因此，要熄灭电弧，就必须加强去游离作用。

（1）电弧的去游离形式

电弧的去游离过程包括复合和扩散两种形式。

①复合　复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。由于弧柱中电子的运动速度很快，约为正离子的1000倍，所以电子直接与正离子复合的概率很小。一般情况下，先是电子碰撞中性质点时，被中性质点捕获变成负离子，然后再与质量和运动速度相当的正离子互相吸引而接近，交换电荷后成为中性质点。还有一种情况就是电子先被固体介质表面吸附后，再被正离子捕获成为中性质点。

②扩散　扩散是弧柱中的带电质点逸出弧柱以外，进入周围介质的现象。扩散有三种形式：一是温度扩散，由于电弧和周围介质间存在很大温差，使得电弧中的高温带电质点向温度低的周围介质中扩散，减少了电弧中的带电质点；二是浓度扩散，这是因为电弧和周围介质存在浓度差，带电质点就从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使电弧中的带电质点减少；三是利用吹弧扩散，在断路器中采用高速气体吹弧，带走电弧中的大量带电质点，以加强扩散作用。

（2）影响去游离的因素

①电弧温度　电弧是由热游离维持的，降低电弧温度就可以减弱热游离，减少新的带电质点的产生。同时，也减小了带电质点的运动速度，加强了复合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动电弧，或使电弧与固体介质表面接触等，都可以降低电弧的温度。

②介质的特性　电弧燃烧时所在介质的特性在很大程度上决定了电弧中去游离的强度，这些特性包括：导热系数、热容量、热游离温度、介电强度等。这些参数值越大，则去游离过程就越强，电弧就越容易熄灭。

③气体介质的压力　气体的压力越大，电弧中质点的浓度就越大，质点间的距离就越小，复合作用越强，电弧就越容易熄灭。在高度的真空中，由于发生碰撞的概率减小，抑制了碰撞游离，而扩散作用也很强。

④触头材料　当触头采用熔点高、导热能力强和热容量大的耐高温金属时，减少了热电子发射和电弧中的金属蒸气，有利于电弧熄灭。

除了上述因素以外，去游离还受电场电压等因素的影响。

5.交流电弧特性和熄灭的条件

（1）交流电弧的特性

在交流电路中，电流瞬时值随时间变化，因而电弧的温度、直径以及电弧电压也随时间变化，电弧的这种特性称为动特性。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟不上快速变化的电流，所以电弧温度的变化总滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。

在一个周期内交流电弧及电压随时间的变化如图2-1所示。电弧电压呈马鞍形变化，即电流小时，电弧电压高，电流大时，电弧电压减小且接近于常数。图2-1（a）和图2-1（b）分别代表一般冷却和加强冷却的电流、电压变化曲线。从图中可见，加强冷却可使电弧电压尖峰增高。

总之，交流电弧在交流电流自然过零时将自动熄灭，但在下半周随着电压的增高，电弧又重燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就此熄灭。

由于交流电弧存在动特性，使交流电弧比直流电弧容易熄灭。

（2）交流电弧熄灭的条件

交流电流过零后，电弧是否重燃取决于弧隙介质介电强度和弧隙电压的恢复。

①弧隙介质介电强度的恢复　弧隙介质能够承受外加电压作用而不致使弧隙击穿的电压称为弧隙的介电强度。当电弧电流过零时电弧熄灭，而弧隙的介质介电强度要恢复到正常状态值还需一定的时间，此恢复过程称之为弧隙介质介电强度的恢复过程，以耐受的电压Uj（t）表示。

弧隙介质介电强度的恢复过程中，Uj（t）主要取决于开关电器灭弧装置的结构和灭弧介质的性质。图2-2所示为不同介质的介电强度恢复过程曲线。

②弧隙电压的恢复过程　电流过零前，弧隙电压呈马鞍形变化，电压值很低，电源电压的绝大部分降落在线路和负载阻抗上。电流过零时，弧隙电压正处于马鞍形的后峰值处。电流过零后，弧隙电压从后峰值逐渐增长，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，其电压恢复过程以Uhf（t）表示。电压恢复过程与线路参数、负荷性质等有关。受线路参数等因素的影响，电压恢复过程可能是周期性的变化过程，也可能是非周期性的变化过程。

③交流电弧熄灭的条件　在电弧电流过零时，电弧自然熄灭。电流过零后，弧隙中同时存在着两个作用相反的恢复过程，即介质介电强度恢复过程Uj（t）和弧隙电压的恢复过程Uhf（t）。图2-3所示为恢复电压与介质介电强度曲线。从图中可见：如果弧隙介质介电强度在任何情况下都高于弧隙恢复电压，则电弧熄灭；反之，如果弧隙恢复电压高于弧隙介质介电强度，弧隙就被击穿，电弧重燃。因此，交流电弧的熄灭条件为

Uj（t）>Uhf（t）

式中　Uj（t）——弧隙介质介电强度；

Uhf（t）——弧隙恢复电压。

二、开关电器中常用的灭弧方法

1.提高触头的分闸速度

迅速拉长电弧，有利于迅速减小弧柱中的电位梯度，增加电弧与周围介质的接触面积，加强冷却和扩散的作用。因此，现代高压开关中都采取了迅速拉长电弧的措施灭弧，如采用强力分闸弹簧，其分闸速度已达16m/s以上。

2.采用多断口灭弧

如图2-4所示开关电器的多断口触头的示意图。每一相有两个或多个断口相串联。在熄弧时，多断口把电弧分割成多个相串联的小电弧段。多断口使电弧的总长度加长，导致弧隙的电阻增加；在触头行程、分闸速度相同的情况下，电弧被拉长的速度成倍增加，使弧隙电阻加速增大，提高了介电强度的恢复速度，缩短了灭弧时间。采用多断口时，加在每一断口上的电压成倍减少，降低了弧隙的恢复电压，亦有利于熄灭电弧。在要求将电弧拉到同样的长度时，采用多断口结构成倍减小了触头行程，也就减小了开关电器的尺寸。

3.吹弧

用新鲜而且低温的介质吹拂电弧时，可以将带电质点吹到弧隙以外，加强了扩散，由于电弧被拉长变细，使弧隙的电导下降。吹弧还使电弧的温度下降，热游离减弱，复合加快。

吹弧气流产生的方法如下。

①用油气吹弧　用油气作吹弧介质的断路器称为油断路器。在这种断路器中，有用专用材料制成的灭弧室，其中充满了绝缘油。当断路器触头分离产生电弧后，电弧的高温使一部分绝缘油迅速分解为氢气、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳等气体，其中氢气的灭弧能力是空气的7.5倍。这些油气体在灭弧室中积蓄能量，一旦打开吹口，即形成高压气流吹弧。

②用压缩空气或六氟化硫气体吹弧　将20个大气压左右的压缩空气或5个大气压左右的六氟化硫气体（SF6）先储存在专门的储气罐中，断路器分闸时产生电弧，随后打开喷口，用具有一定压力的气体吹弧。

③产气管吹弧　产气管由纤维、塑料等有机固体材料制成，电弧燃烧时与管的内壁紧密接触，在高温作用下，一部分管壁材料迅速分解为氢气、二氧化碳等，这些气体在管内受热膨胀，增高压力，向管的端部形成吹弧。

按吹弧方向的不同，可分为以下几种。

①纵吹　吹弧的介质（气流或油流）沿电弧方向的吹拂称为纵吹，如图2-5（a）所示。纵吹能增强弧柱中的带电质点向外扩散，使新鲜介质更好地与炽热电弧接触，加强电弧的冷却，有利于迅速灭弧。

②横吹　横吹时气流或油流的方向与触头运动方向是垂直的，或者说与电弧轴线方向垂直，如图2-5（b）、（c）所示。横吹不但能加强冷却和增强扩散，还能将电弧迅速吹弯吹长。有介质灭弧栅的横吹灭弧室，栅片能更充分地冷却和吸附电弧，加强去游离。在相同的工作条件下，横吹比纵吹效果要好。

③纵横吹　由于横吹灭弧室在开断小电流时因室内压力太小，开断性能较差，为了改善开断小电流时的灭弧性能，可将纵吹和横吹结合起来。在大电流时主要靠横吹，小电流时主要靠纵吹，这就是纵横吹灭弧室，如图2-6所示。

4.短弧原理灭弧

这种灭弧方法常用于低压开关电器中，其灭弧装置是一个金属栅灭弧罩，利用将电弧分为多个串联的短弧的方法来灭弧。图2-7所示为金属灭弧栅熄弧。由于受到电磁力的作用，电弧从金属栅片的缺口处被引入金属栅片内，一束长弧就被多个金属片分割成多个串联的短弧。如果所有串联短弧阴极区的起始介质强度或阴极区的电压降的总和永远大于触头间的外施电压，电弧就不再重燃而熄灭。采用缺口铁质栅片，是为了减少电弧进入栅片的阻力，缩短燃弧时间。

5.利用固体介质的狭缝狭沟灭弧

低压开关电器中也广泛应用狭缝灭弧装置。该灭弧装置的灭弧片是由石棉水泥或陶土制成的。触头间产生电弧后，在磁吹装置产生的磁场作用下，将电弧吹入由灭弧片构成的狭缝中，把电弧迅速拉长的同时，使电弧与灭弧片内壁紧密接触，对电弧的表面进行冷却和吸附，产生强烈的去游离。图2-8为狭缝灭弧装置的工作原理图。

图2-9所示是石英砂熔断器使用狭沟灭弧原理。石英砂熔断器中的熔丝熔断时，在石英砂的狭沟中产生电弧。由于受到石英砂的冷却和表面吸附作用，使电弧迅速熄灭。同时，熔丝汽化时产生的金属蒸气渗入石英砂中遇冷而迅速凝结，大大减少了弧隙中的金属蒸气，使得电弧容易熄灭。

6.用耐高温金属材料作触头、优质灭弧介质灭弧

触头材料对电弧中的去游离也有一定影响，用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属制作触头，可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸气，从而减弱了游离过程，有利于熄灭电弧。

灭弧介质的特性，如导热系数、介电强度、热游离温度、热容量等，对电弧的游离程度具有很大影响，这些参数值越大，去游离作用就越强。在高压开关中，广泛采用压缩空气、六氟化硫（SF6）气体、真空等作为灭弧介质。

三、高压开关电器

用来关合和开断电路的电器，称为开关电器。它包括以下电器。

①断路器：用来在电路正常工作和发生故障时关合和开断电路。

②隔离开关：主要用于将高压设备与电源隔离，以保证检修工作人员的安全。

③熔断器：用来在电路发生过载或短路时依靠熔件的熔断开断电路。

④负荷开关：用来在电路正常工作或过载时关合以及开断电路，不能开断短路电流。

1.高压断路器概述

（1）作用

高压断路器是高压电器设备中最重要的设备，是一次电力系统中控制和保护电路的关键设备。高压断路器主要有两个作用：一是控制作用，即根据电力系统的运行要求，接通或断开工作电路；二是保护作用，当系统中发生故障时，在继电保护装置的作用下，断路器自动断开故障部分，以保证系统中无故障部分的正常运行。

（2）高压断路器的基本要求

根据以上所述，断路器在电力系统中承担着非常重要的作用，不仅应能接通和断开负荷电流，而且还应能断开短路电流。因此，断路器必须满足以下基本要求。

①工作可靠。断路器应能在规定的运行条件下长期可靠地工作，并能正确地执行分、合闸的命令，顺利完成接通或断开电路的任务。

②具有足够的开断能力。断路器在断开短路电流时，触头间要产生能量很大的电弧。因此，断路器必须具有足够强的灭弧能力才能安全、可靠地断开电路，并且还要有足够的热稳定性。

③具有尽可能短的切断时间。在电路发生短路故障时，短路电流对电气设备和电力系统会造成很大的危害，所以断路器应具有尽可能短的切断时间，以减少危害，并有利于电力系统的稳定。

④具有自动重合闸性能。由于输电线路的短路故障大多数是瞬时的，所以采用自动重合闸可以提高电力系统的稳定性和供电可靠性。即在发生短路故障时，继电保护动作使断路器分闸，切断故障电流，经无电流间隔时间后自动重合闸，恢复供电。如果故障仍然存在，断路器则立即跳闸，再次切断故障电流。这就要求断路器具有在短时间内连续切除故障电流的能力。

⑤具有足够的机械强度和良好的稳定性能。正常运行时，断路器应能承受自身重量、风载和各种操作力的作用。系统发生短路故障时，应能承受电动力的作用，以保证具有足够的动稳定。断路器还应适应各种工作环境条件的影响，以保证在各种恶劣的气象条件下都能正常工作。

⑥结构简单、价格低廉。在满足安全、可靠要求的同时，还要求断路器结构简单、体积小、重量轻、价格合理。

2.高压断路器的类型

按安装地点分类：屋内式和屋外式。

根据断路器采用灭弧介质的不同，断路器有如下几种类型。

（1）油断路器

采用变压器油作为灭弧介质和绝缘介质的断路器叫油断路器。变压器油只作为灭弧介质和触头开断后弧隙绝缘介质，而带电部分与地之间的绝缘采用瓷介质的断路器，由于油量较少，称为少油断路器。它可用于各级电压的户内、外变电所。

（2）六氟化硫（SF6）气体断路器

采用规定压力的、具有优良灭弧性能和绝缘性能的SF6气体作为灭弧介质和弧隙绝缘介质的断路器叫六氟化硫断路器。它主要用于110kV及以上大容量变电所及频繁操作的场所。

（3）真空断路器

真空断路器是指触头在133.3×10-8～133.3×10-4Pa的真空中开闭电路的断路器。目前，它主要用于35kV及以下用户中要求频繁操作的场所。

3.高压断路器的技术参数

高压断路器的特性和工作性能，可用它的基本参数来表征。断路器的基本参数如下。

①额定电压UN　额定电压是指断路器长时间运行时能承受的正常工作电压。它不仅决定了断路器的绝缘水平，而且在相当程度上决定了断路器的总体尺寸。三相电路中，额定电压均指线电压。

②最高工作电压　由于电网不同地点的电压可能高出额定电压10％左右，故制造厂规定了断路器的最高工作电压。对于220kV及以下设备，其最高工作电压为额定电压的1.15倍；对于330kV的设备，规定为1.1倍。

③额定电流IN　额定电流是指铭牌上标明的断路器可长期通过的工作电流。断路器长期通过额定电流时，各部分的发热温度不会超过允许值。额定电流也决定断路器触头及导电部分的截面。

④额定开断电流INK　额定开断电流是指断路器在额定电压下能正常开断的最大短路电流的有效值。它表征断路器的开断能力。开断电流与电压有关，当电压不等于额定电压时，断路器能可靠切断的最大短路电流的有效值，称为该电压下的开断电流。当电压低于额定电压时，开断电流比额定开断电流有所增大。

⑤额定断流容量SNK　额定断流容量也表征断路器的开断能力。在三相系统中，它和额定开断电流的关系为

式中，UN为断路器所在电网的额定电压；INK为断路器的额定开断电流。由于UN不是残压，故额定断流容量不是断路器开断时的实际容量。

⑥关合电流iNcl　保证断路器能关合短路而不致于发生触头熔焊或其他损伤所允许接通的最大短路电流。

⑦动稳定电流ies　动稳定电流是指断路器在合闸位置时，允许通过的短路电流最大峰值。它是断路器的极限通过电流，其大小由导电和绝缘等部分的机械强度所决定，也受触头的结构形式的影响。

⑧热稳定电流INt　热稳定电流是指在规定的某一段时间内，允许通过断路器的最大短路电流。热稳定电流表明了断路器承受短路电流热效应的能力。

⑨全开断（分闸）时间t0　全开断时间是指断路器接到分闸命令瞬间起到各相电弧完全熄灭为止的时间间隔，它包括断路器固有分闸时间tgf和燃弧时间th，即t0=tgf+th

断路器固有分闸时间是指断路器接到分闸命令瞬间到各相触头刚刚分离的时间；燃弧时间是指断路器触头分离瞬间到各相电弧完全熄灭的时间。全开断时间t0是表征断路器开断过程快慢的主要参数。t0越小，越有利于减小短路电流对电气设备的危害、缩小故障范围、保持电力系统的稳定，如图2-10所示。

⑩合闸时间　合闸时间是指从操动机构接到合闸命令瞬间起到断路器接通为止所需的时间。合闸时间决定于断路器的操动机构及中间传动机构。一般合闸时间大于分闸时间。

操作循环　操作循环也是表征断路器操作性能的指标。中国规定断路器的额定操作循环如下。

自动重合闸操作循环：分—θ—合分—t—合分。

非自动重合闸操作循环：分—t—合分—t—合分。

式中　分——分闸操作；

合分——合闸后立即分闸的动作；

θ——无电流间隔时间，标准值为0.3s或0.5s；

t——强送电时间，标准时间为180s。

4.开关电器的操动机构

操动机构是用来驱使高压开关进行分合闸，并使高压开关合闸后维持在合闸状态的电气设备，简称机构。由于相同的机构可配用不同型号的高压开关，因此机构一般独立于高压开关本体，有独立的型号。根据操动机构的作用，它一般由下列几部分组成。

①能量转换装置　其作用是把其他形式的能量转换成机械能，使操动机构按规定目的发生机械运动。这种装置如电磁铁、电动机、液压传动工作缸、压缩空气工作缸等。该装置应能提供足够的操作功用以克服高压开关的机械静力矩和短时的电动力矩，保证高压开关的分、合闸速度。

②传动机构　它是操动机构的执行元件，用以改变操作功的大小、方向、位置，使高压开关改变工作状态。它多由连杆机构、拐臂、拉杆、油气管道等元件组成。要求它的机械惯性小，传动速度大，能量损失少，动作准确、可靠。

③保持与脱扣机构　既可使高压开关可靠地保持在合闸位置，又可迅速解除合闸位置，使高压开关进入自由分闸状态的装置称为保持与脱扣机构。

保持机构多由动作灵活的机械卡销组成。脱扣机构多由连杆机构组成，如四连杆等。不同的操动机构有不同形式的保持与脱扣装置，但都应稳定可靠、动作灵活。脱扣机构的失灵将使高压开关拒绝分闸或误分闸，并造成严重后果。

脱扣机构的自由脱扣是指不论合闸作功元件处在何种位置（如断路器处在合闸过程中），只要分闸做功元件启动，机构都应使断路器可靠分闸。

④控制系统　有电控、气控、油控等类型，用于实现对高压开关的远距离控制，保持或释放操做功。

⑤缓冲装置　缓冲装置用于吸收做功元件完成分、合闸操作后剩余的操做功，使机构免受机械冲击。缓冲装置应有较短的复位时间，以便为下次动作做好准备。如弹簧缓冲器，橡皮缓冲器，油、气缓冲器等。

⑥闭锁装置　其作用在于防止高压开关的误操作和误动作。如位置闭锁（弹簧储能不合要求时机构拒动）、高压力与低压力闭锁（指油、气压力不合要求时机构拒动）等。

操动机构的类型及特点如表2-1所示。