矿井生产中,安全永远是第一位的,作为大功率用电设备,矿用风机或防爆电机都很有可能产生电弧,引发生产危险,所以我们很有必要对电弧的产生和防范有一个深刻的认识。
在大气中开端电路时,如果电源电压超过12-20V,被开断的电流超过0.25-1A,在触头间隙(弧隙)中会产生一团温度极高、发出强光和能导电的近似于圆柱形的气体,称为电弧。在开关电器的触头间发生电弧时,他能烧损触头并危及绝缘,在最严重情况下甚至可能引起相间短路,或使开关电器爆炸,形成火灾。
熄灭电弧的基本原理总起来说不外乎增强弧隙的去游离作用及减小过电压(如在交流电流过零时减小弧隙瞬态恢复电压的恢复速率及幅值,在直流电弧熄灭时不采用过于强烈的去游离方式等)。根据上述原理,一般采取的熄弧方法如下:
1.拉长电弧 如在大气中分开触头将电弧拉长,使电弧冷却而熄灭。或者利用导电回路的磁场产生的电动力拉长电弧,或者利用磁吹线圈产生的磁场,使电弧受电动力而被拉长。
2.纵缝灭弧 利用磁吹线圈将电弧吹入用耐弧绝缘材料(耐弧塑料或陶瓷)制成的具有纵向缝隙的灭弧室中。纵缝与电弧接触具有冷却作用并可以产生表面复合作用。
3.金属栅片(去离子栅)灭弧 利用栅片(铁板镀锌)对电弧的吸引作用及磁吹线圈的作用将电弧引入栅片中,栅片将电弧分割成许多串联的短弧。
栅片灭弧方法既适用于熄灭直流电弧,也适用于熄灭交流电弧。 因为每—个短电弧都有阳极压降与阴极压降,其和为20-24V左右,当熄灭直流电弧时,只要被开断的电压小于各栅片引起的总的近极压降,电弧就熄灭了。栅片灭弧目前广泛用于低压开关电器中,其主要缺点为栅片中电阻、磁滞和涡流引起损耗,灭弧室温度容易升高,从而引起灭弧条件恶化,因此不适用于过分频繁操作的场所。
4.固体产气灭弧及利用石英砂灭弧 我们知道,某些固体绝缘材料如钢纸板(反白板)、有机玻璃等,在电弧作用下会气化。如低压密封式熔断器具有钢纸管内壁,当熔体在短路电流作用下熔化、蒸发并产生电弧后,电弧使钢纸管内壁分解,产生大量气体(主要成分为氢及其化合物),使管内压力迅速升高,即利用提高介质气压以加强去游离作用来灭弧。
在高压限流式熔断器中,充满颗粒状的石英砂,当短路电流通过时,熔体熔断、气化并形成电弧。熔体金属从固态变为气态后,体积受周围石英砂的限制,不能自由膨胀,于是在燃弧区形成很高的压力,此压力推动游离气体深入到石英砂缝隙中去,使它受到冷却和表面复合作用,强烈地去游离,导致熄弧。显然,将多根细熔体并联起来代替一个大截面的熔体,则总的散热面积增多,电弧更易冷却而被熄灭。
5.高压开关电器利用流体介质灭弧
(1)油断路器利用变压器油灭弧: 变压器油被电弧的高温(5000 -13000K)分解成气体或蒸发,形成气泡包围电弧,气泡内具有一定的压力。分解的气体中氢气占70% -80%,其余为乙炔、甲烷、乙烯等气体。在各种气体中,氢气具有最佳的导热性能,最小的粘度,扩散作用也较强,所以氢气对灭弧起主要作用。
(2)利用SF6气体作为灭弧介质: 如作成SF6断路器SF6气体具有特异的热化学性和强负电性,供给大量的新鲜的SF6中性分子,使它与电弧密切接触,可取得优良的灭弧效果。
(3)利用压缩空气吹灭电弧: 如制成压缩空气断路器。
6.利用真空灭弧室灭弧 在高度真空的灭弧室内,气体分子很少,不易产生游离,绝缘性能很好。真空灭弧室中的电弧,是由触头所蒸发出来的金属蒸气被游离后而形成的,由于弧柱周围是真空,在电弧电流过零时,弧柱中的电子和离子得以高速度扩散,约在几个微秒内,电弧即被熄灭。(在相同的开断条件下,高度真空中电弧的时间常数最小,即电流过零后弧隙介电强度恢复最快。SF6气体中电弧时间常数约为几个微秒,空气断路器中约为几十微秒,油断路器中为几百到上千微秒)。。真空开关电器对不同的气候条件(海拔高度、温度、湿度等)适应性较强。
此外,作为提高灭弧能力的辅助手段,还可在弧隙并联电阻,以减小过电压。