第四章___交流電弧的熄滅原理

1、電器學(xué)中南大學(xué)信息學(xué)院電氣工程系中南大學(xué)信息學(xué)院電氣工程系教學(xué)目的與要求：教學(xué)目的與要求： 1、掌握近陰極效應(yīng)，熟悉開(kāi)關(guān)電器弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性； 2、掌握工頻恢復(fù)電壓，熟悉理想弧隙電壓恢復(fù)過(guò)程，了解電弧參數(shù)對(duì)電壓恢復(fù)過(guò)程的影響； 3、掌握交流電弧的熄滅條件，了解交流電弧熄滅過(guò)程的計(jì)算方法 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)： 1、近陰極效應(yīng)與弧隙介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性； 2、工頻恢復(fù)電壓及理想弧隙電壓恢復(fù)過(guò)程； 3、交流電弧的熄滅條件 第四章第四章 交流電弧的熄滅原理交流電弧的熄滅原理教學(xué)基本內(nèi)容：教學(xué)基本內(nèi)容： 1 1、介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程的概念；、介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程的概念； 2 2、開(kāi)關(guān)電器弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度

2、特性；、開(kāi)關(guān)電器弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性； 3 3、恢復(fù)電壓的組成部分和工頻恢復(fù)電壓；、恢復(fù)電壓的組成部分和工頻恢復(fù)電壓； 4 4、理想弧隙上的電壓恢復(fù)過(guò)程；、理想弧隙上的電壓恢復(fù)過(guò)程； 5 5、電弧參數(shù)對(duì)電壓恢復(fù)過(guò)程的影響；、電弧參數(shù)對(duì)電壓恢復(fù)過(guò)程的影響； 6 6、交流電弧的熄滅條件；、交流電弧的熄滅條件； 7 7、交流電弧熄滅過(guò)程的計(jì)算方法。、交流電弧熄滅過(guò)程的計(jì)算方法。 第四章第四章 講授內(nèi)容講授內(nèi)容 本章講授內(nèi)容本章講授內(nèi)容 （其中（其中紅色內(nèi)容紅色內(nèi)容是重點(diǎn)）是重點(diǎn)） 1 1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程 介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程的概念介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程的概念和和 介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性。介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)

3、度特性。 2 2弧隙上的電壓恢復(fù)過(guò)程弧隙上的電壓恢復(fù)過(guò)程 電壓恢復(fù)過(guò)程電壓恢復(fù)過(guò)程及電弧參數(shù)及電弧參數(shù) 對(duì)恢復(fù)過(guò)程的影響。對(duì)恢復(fù)過(guò)程的影響。 3 3交流電弧的熄滅條件交流電弧的熄滅條件 交流電弧的熄滅條件交流電弧的熄滅條件 和計(jì)算方法。和計(jì)算方法。 第四章第四章 交流電弧的熄滅原理交流電弧的熄滅原理 概概 述述 4-1 弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程 4-3 交流電弧的熄滅條件和計(jì)算方法 小小 結(jié)結(jié) 概概 述述一、交流電弧過(guò)零后，存在兩個(gè)過(guò)程： 介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程和電壓恢復(fù)過(guò)程。 1、介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程： 弧隙中電離氣體從導(dǎo)電狀態(tài)迅速變?yōu)榻^緣狀態(tài)，使弧隙能承受電壓作用而不發(fā)生電弧重燃的

4、過(guò)程。 2、電壓恢復(fù)過(guò)程：熄弧后電路將被開(kāi)斷，電源電壓加到弧隙兩端觸頭上的過(guò)程。 若介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度曲線ujf大于電壓恢復(fù)強(qiáng)度曲線uhf，則電弧趨于熄滅；否則，若某一瞬間小于uhf，則電弧將繼續(xù)燃燒。 概概 述述二、兩過(guò)程在二、兩過(guò)程在“競(jìng)賽競(jìng)賽” ” 概概 述述 一、介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程的概念： 在交流電流過(guò)零后的熄弧過(guò)程中，弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程在近陰極區(qū)和弧柱區(qū)的情況不同。 1、近陰極區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程： 近陰極效應(yīng)（重要概念）：電流過(guò)零后，當(dāng)弧隙兩端電壓極性改變時(shí)，新陰極較冷，要產(chǎn)生電弧電子只能靠陰極表面處存在的高電場(chǎng)進(jìn)行發(fā)射，要求E0大于一定值（如106v/cm），即Uj必須大于一定值；否則，E0就

5、不足以產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)射，電弧便不能再產(chǎn)生。4-1 4-1 弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程 從電路的角度看，好象弧隙在電流過(guò)零后立即獲得一定的耐壓強(qiáng)度；而電流過(guò)零后弧隙立即能承受的電壓值就稱為介質(zhì)初始恢復(fù)強(qiáng)度Ujf0。 4-1 4-1 弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程4-1 4-1 弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程2、弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程： 1）當(dāng)弧柱溫度在30004000以上時(shí)，電弧重燃的物理本質(zhì)是電弧的PhPs，弧柱被加熱使電弧重燃，稱為熱擊穿。 在臨界狀態(tài)，且Rz保持不變的情況下，弧柱上上的電壓就代表了弧柱此時(shí)的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度ujf。由此得熱擊穿階段弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度

6、為： jfzzuR P4-1 4-1 弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程 2）當(dāng)弧柱溫度在30004000以下，熱電離作用已基本上停止，Rz，無(wú)電弧。若此時(shí)外加電壓，將產(chǎn)生電場(chǎng)。 如電場(chǎng)強(qiáng)度足夠高，則可能產(chǎn)生間隙擊穿而使電弧重燃，即電擊穿。 電流過(guò)零后的這一階段稱為電擊穿階段。 弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程對(duì)熄滅交流長(zhǎng)弧具有重要意義，是所有高壓電器和部分低壓電器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。4-1 4-1 弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程 綜上所述，在電流過(guò)零后的熄弧過(guò)程中，電弧的熄滅基本上要經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段：熱擊穿階段和電擊穿階段。 前者弧隙具有一定的電阻，流過(guò)一定的電流；后者弧隙電阻趨于無(wú)窮大，但因介

7、質(zhì)溫度高，擊穿比較容易。 二、開(kāi)關(guān)電器弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性： 開(kāi)關(guān)電器弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的關(guān)系，稱作弧隙介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性。不詳述。 4-1 4-1 弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程一、恢復(fù)電壓的組成部分和工頻恢復(fù)過(guò)程： 1、電壓恢復(fù)過(guò)程：弧隙兩端電壓由零或反向電弧電壓上升到此時(shí)的電弧電壓的過(guò)程。相應(yīng)于此時(shí)弧隙上的電壓，稱為恢復(fù)電壓，用uhf表示。 2、恢復(fù)電壓由穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量組成。穩(wěn)態(tài)分量又由直流電壓和工頻電壓組成。 若穩(wěn)態(tài)分量?jī)H有工頻電壓，稱之為工頻恢復(fù)電壓。 暫態(tài)分量只出現(xiàn)在電弧電流過(guò)零后的幾百微妙內(nèi)。 包含有

8、暫態(tài)分量的恢復(fù)電壓，又稱瞬態(tài)恢復(fù)電壓。 3、開(kāi)斷不同性質(zhì)負(fù)載電路時(shí)，恢復(fù)電壓的波形：見(jiàn)教材圖2-16。 a）電阻性負(fù)載：過(guò)零熄弧后，uhf由零按正弦形上升，只有穩(wěn)態(tài)分量中的工頻恢復(fù)電壓。 4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程 b）電感性負(fù)載：ih落后于u，ih過(guò)零時(shí)u約為幅值。若ih過(guò)零后電弧熄滅，電路開(kāi)斷，uhf將由零躍升到u的幅值（理想情況下），然后再按工頻電壓變化，故uhf常含有暫態(tài)分量，其上升速度比 a）的快得多。 c）電容性負(fù)載：ih超前于u。當(dāng)ih過(guò)零時(shí)u是幅值，電容C被充電到u的幅值。電弧熄滅后，C將保持該電壓。uhf在電流過(guò)零后其值為零，然后隨著u變化逐漸增

9、大。當(dāng)u達(dá)反向幅值時(shí)，uhf達(dá)u幅值的兩倍，不含暫態(tài)分量，其穩(wěn)態(tài)分量為直流電壓與工頻電壓之和，并且uhfmax2ugp。4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程4、舉例說(shuō)明：以開(kāi)斷電感性負(fù)載時(shí)弧隙的Uhf為例進(jìn)行分析。 Uhf的穩(wěn)態(tài)分量即工頻恢復(fù)電壓。Ih過(guò)零瞬間，工頻恢復(fù)電壓的瞬時(shí)值Ugo： 式中 ：工頻恢復(fù)電壓的幅值； ：電源電壓相電壓的有效值； ：被開(kāi)斷電路的電流和電源電壓的相位差； 0sin2singgmxUUK UgmUU4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程二、弧隙為理想弧隙時(shí)，弧隙上的電壓恢

10、復(fù)過(guò)程： 1、理想弧隙的條件：電流過(guò)零前，電弧電阻等于零；電流過(guò)零后，電弧電阻立即變?yōu)闊o(wú)窮大。 先作二點(diǎn)簡(jiǎn)化： （1） 電網(wǎng)短路電流過(guò)零時(shí)，設(shè)電路總的電阻為零，則電流過(guò)零時(shí)，工頻恢復(fù)電壓的瞬時(shí)值為 （2）在電壓恢復(fù)過(guò)程中，因時(shí)間短，則令電源電壓 02ggmxUUK UgmuU 常數(shù)4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程 2、開(kāi)斷單頻電路（只有一個(gè)L-R-C電路）時(shí)，弧隙上的電壓恢復(fù)過(guò)程： 1) 單頻電路（只有一個(gè)L-R-C電路）及其等效電路。 2) 設(shè)電源容量無(wú)限大，在其不遠(yuǎn)處發(fā)生短路。 3) R取不同值的時(shí)候,Uhf的變化情況分析。4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程弧隙中

11、的電壓恢復(fù)過(guò)程4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程 4)對(duì)低壓開(kāi)關(guān)電器，如圖4-13 開(kāi)斷單頻電路短路情況下的uhf波形，我國(guó)常用“振蕩因數(shù)振蕩因數(shù)”和“振蕩頻率振蕩頻率”二參數(shù)法二參數(shù)法表征uhf的波形特征：（1 1）振蕩因數(shù)）振蕩因數(shù) ， 式中Uhfm ：Uhf 的最大值；（2 2）振蕩頻率）振蕩頻率f： ， 式中tm 是從電流過(guò)零起到Uhfm出現(xiàn)止所經(jīng)歷的時(shí)間。4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程hfmgmU=U12mft 5） 高壓開(kāi)關(guān)電器：國(guó)標(biāo)規(guī)定用恢復(fù)電壓峰值Uc和峰值時(shí)間ts表示其特征

12、，見(jiàn)下圖。 求法：過(guò)原點(diǎn)O作一直線OB和uhf曲線相切，過(guò)uhf曲線的峰值作一水平線AC與OB相交于A點(diǎn)，A點(diǎn)坐標(biāo)即為（t3，Uc）。 標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定用時(shí)延td參數(shù)描述uhf曲線起始上升部分的凹度。 求法：在OA右方作一與之平行的直線和曲線的凹部相切，此切線與橫坐標(biāo)交點(diǎn)的時(shí)間值即為td。 4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程3、開(kāi)斷多頻電路時(shí)，弧隙上的電壓恢復(fù)過(guò)程： 1）變壓器T的一次側(cè)短路的情況分析： 2) 變壓器T的二次側(cè)短路的情況分析：4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程 3）對(duì)多頻電路的恢復(fù)電壓

13、，常用第一波幅值U1、第一波幅時(shí)間t1、峰值Uc和峰值時(shí)間t2四個(gè)參數(shù)表示，此方法稱為四參數(shù)法。見(jiàn)下圖。 求法：從原點(diǎn)O作一直線OB與uhf曲線相切，又作一水平線AC與uhf曲線的峰值相切，再作一斜線AB與uhf曲線在D點(diǎn)相切并交直線OB于B點(diǎn)，交直線AC于A點(diǎn)。直線AB的斜率應(yīng)使得在D點(diǎn)的兩邊、uhf曲線與直線AB、OB、AC所構(gòu)成的帶陰影的面積相等，則B點(diǎn)的坐標(biāo)為（t1，U1），A點(diǎn)的坐標(biāo)為（t2，Uc）。 4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程另外，用時(shí)延td描述Uhf曲線起始上升部分的凹度的求法同單頻。4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程 4）在開(kāi)

14、斷理想電路時(shí)，弧隙恢復(fù)電壓的幅值和波形只與電路參數(shù)有關(guān)，稱為電路的固有恢復(fù)電壓。 我國(guó)低壓電器基本標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，試驗(yàn)中固有振蕩頻率f0（KHz）和固有振蕩因數(shù)0為： 式中，I0：控制電器的開(kāi)斷電流（有效值），單位A； Un：被開(kāi)斷電路的額定電壓，單位為V； 01.1 0.050.20.8002000NfI U4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程 4-3 4-3 交流電弧的熄滅條件和計(jì)算方法交流電弧的熄滅條件和計(jì)算方法一、交流電弧的熄滅條件： 1、交流電弧熄滅條件：在交流電流過(guò)零后，弧隙中的實(shí)際介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性總是高于加在弧隙上的實(shí)際恢復(fù)電壓特性，即實(shí)際的ujf(t)實(shí)際的uh

15、f(t)。 下圖a和b中的實(shí)線分別為ujf和uhf的固有特性，即是在弧隙上未加uhf的ujf和弧隙中Rs為無(wú)窮大時(shí)的uhf。 4-3 4-3 交流電弧的熄滅條件和計(jì)算方法交流電弧的熄滅條件和計(jì)算方法 （1）看上去，a圖的弧隙會(huì)熄弧，b圖的交流電弧將重燃。 （2）實(shí)際上，由于介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程和電壓恢復(fù)過(guò)程相互聯(lián)系、相互影響，實(shí)際的ujf和uhf分別如圖虛線所示的曲線。 結(jié)果，上圖中，看上去會(huì)熄弧的a圖的弧隙將重新?lián)舸?，看上去將重新?lián)舸┑腷圖的交流電弧將熄滅。 4-3 4-3 交流電弧的熄滅條件和計(jì)算方法交流電弧的熄滅條件和計(jì)算方法 2、開(kāi)斷交流電路時(shí)，弧隙ih、uh、ujf和uhf等參數(shù)的綜合波形圖

16、： 4-3 4-3 交流電弧的熄滅條件和計(jì)算方法交流電弧的熄滅條件和計(jì)算方法 電弧燃燒共約3個(gè)半波，i1、i2、i3分別表示這三個(gè)半波的電弧電流ih，而t1、t2、t3分別表示三個(gè)電流半波的過(guò)零時(shí)刻，1、2、3分別表示i1、i2和i3過(guò)零之后落后于電源電壓u過(guò)零之后的相角。 觸頭分開(kāi)前，uh為零。觸頭分開(kāi)后，在第一個(gè)電流半波，lh很短，弧隙上的電壓uh0，故電流波形基本不變，ujf也較小。在t1時(shí)刻，ih第一次過(guò)零，因ujf不大，當(dāng)弧隙上uhf上升到Urh時(shí)，弧隙發(fā)生重燃，電流繼續(xù)流通。 4-3 4-3 交流電弧的熄滅條件和計(jì)算方法交流電弧的熄滅條件和計(jì)算方法 第二個(gè)電流半波，ih和uh較前增

17、大，故ih幅值減小，過(guò)零附近波形有些畸變，u與ih的相位差角為2，ujf也較前增大。在t2時(shí)刻ih第二次過(guò)零，因ujf仍不夠高，故uhf上升到Urh”時(shí)，電弧又發(fā)生重燃，ih又繼續(xù)流通； 第三個(gè)電流半波，lh和uh繼續(xù)增大，故ih幅值又減小，過(guò)零附近波形畸變更劇烈，ujf繼續(xù)增高。t3時(shí)刻ih第三次過(guò)零。因uhf在較低的工頻恢復(fù)電壓瞬時(shí)值作用下上升，呈振蕩性且有剩余電流is通過(guò)，但因?qū)嶋Hujf總是大于實(shí)際的uhf數(shù)值，電弧不再重燃，電路終被開(kāi)斷。 4-3 4-3 交流電弧的熄滅條件和計(jì)算方法交流電弧的熄滅條件和計(jì)算方法二、交流電弧熄滅過(guò)程的計(jì)算方法： 1、電弧熄滅與否由介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程和電壓恢復(fù)過(guò)

18、程決定。 2、前者主要決定于弧隙參數(shù)，后者主要決定于電路參數(shù)。 3、二者通過(guò)Rs相互聯(lián)系。 4、計(jì)算公式（模型待定）。 4-3 4-3 交流電弧的熄滅條件和計(jì)算方法交流電弧的熄滅條件和計(jì)算方法小小 結(jié)結(jié) 弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程，在近陰極區(qū)和弧柱區(qū)有著本質(zhì)的不同。在電流過(guò)零時(shí),如果新的陰極已冷卻到基本上不產(chǎn)生熱發(fā)射的溫度，則近陰極區(qū)立即產(chǎn)生由近陰極效應(yīng)決定的ujf0，其數(shù)值視陰極的溫度高低而變。 弧柱區(qū)的ujf在熱擊穿階段決定于Rh和Ps，在電擊穿階段決定于電極形狀、極間距離、介質(zhì)種類及其在極間的壓力和流速的分布情況等。 低壓開(kāi)關(guān)電器弧隙的uif特性可用式(4-8)表示。它隨開(kāi)斷電流、觸頭材料等不同而不同。 低壓開(kāi)關(guān)電路弧隙的uif特性主要決定于近陰極的冷卻情況。高壓開(kāi)關(guān)電路弧隙的uif主要決定于弧柱的冷卻情況。在相同的開(kāi)斷情況下，uif最高的介質(zhì)是高真空，其次為SF6，再次為壓縮空氣和油，最差的是大氣。 小小 結(jié)結(jié) 開(kāi)斷電阻性負(fù)載電路時(shí)，uhf僅有工頻分量；開(kāi)斷電感性負(fù)載電路時(shí)，uhf由工頻分量和暫態(tài)分量組成；開(kāi)斷電容性負(fù)載電路時(shí)，uhf由工頻分量和直流分量組成。 在開(kāi)關(guān)電器通常工作時(shí)的幾種開(kāi)斷情況中，以開(kāi)斷電源或負(fù)載中點(diǎn)不接地(或兩者都不接地)的三相電路時(shí)