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)，熟悉開關(guān)電器弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強度特性； 2、掌握工頻恢復(fù)電壓，熟悉理想弧隙電壓恢復(fù)過程，了解電弧參數(shù)對電壓恢復(fù)過程的影響； 3、掌握交流電弧的熄滅條件，了解交流電弧熄滅過程的計算方法 教學(xué)重點與難點：教學(xué)重點與難點： 1、近陰極效應(yīng)與弧隙介質(zhì)恢復(fù)強度特性； 2、工頻恢復(fù)電壓及理想弧隙電壓恢復(fù)過程； 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)過程的概念；、介質(zhì)恢復(fù)過程的概念； 2 2、開關(guān)電器弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強度

2、特性；、開關(guān)電器弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強度特性； 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)過程；、理想弧隙上的電壓恢復(fù)過程； 5 5、電弧參數(shù)對電壓恢復(fù)過程的影響；、電弧參數(shù)對電壓恢復(fù)過程的影響； 6 6、交流電弧的熄滅條件；、交流電弧的熄滅條件； 7 7、交流電弧熄滅過程的計算方法。、交流電弧熄滅過程的計算方法。 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）是重點） 1 1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過程弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過程 介質(zhì)恢復(fù)過程的概念介質(zhì)恢復(fù)過程的概念和和 介質(zhì)恢復(fù)強度特性。介質(zhì)恢復(fù)強

3、度特性。 2 2弧隙上的電壓恢復(fù)過程弧隙上的電壓恢復(fù)過程 電壓恢復(fù)過程電壓恢復(fù)過程及電弧參數(shù)及電弧參數(shù) 對恢復(fù)過程的影響。對恢復(fù)過程的影響。 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 和計算方法。和計算方法。 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)過程 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過程 4-3 交流電弧的熄滅條件和計算方法 小小 結(jié)結(jié) 概概 述述一、交流電弧過零后，存在兩個過程： 介質(zhì)恢復(fù)過程和電壓恢復(fù)過程。 1、介質(zhì)恢復(fù)過程： 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、過程。 2、電壓恢復(fù)過程：熄弧后電路將被開斷，電源電壓加到弧隙兩端觸頭上的過程。 若介質(zhì)恢復(fù)強度曲線ujf大于電壓恢復(fù)強度曲線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、兩過程在二、兩過程在“競賽競賽” ” 概概 述述 一、介質(zhì)恢復(fù)過程的概念： 在交流電流過零后的熄弧過程中，弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過程在近陰極區(qū)和弧柱區(qū)的情況不同。 1、近陰極區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過程： 近陰極效應(yīng)（重要概念）：電流過零后，當(dāng)弧隙兩端電壓極性改變時，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進行發(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)過程弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過程 從電路的角度看，好象弧隙在電流過零后立即獲得一定的耐壓強度；而電流過零后弧隙立即能承受的電壓值就稱為介質(zhì)初始恢復(fù)強度Ujf0。 4-1 4-1 弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過程弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過程4-1 4-1 弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過程弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過程2、弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過程： 1）當(dāng)弧柱溫度在30004000以上時，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的介質(zhì)恢復(fù)強度ujf。由此得熱擊穿階段弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)強度

6、為： jfzzuR P4-1 4-1 弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過程弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過程 2）當(dāng)弧柱溫度在30004000以下，熱電離作用已基本上停止，Rz，無電弧。若此時外加電壓，將產(chǎn)生電場。 如電場強度足夠高，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)過程對熄滅交流長弧具有重要意義，是所有高壓電器和部分低壓電器設(shè)計的理論基礎(chǔ)。4-1 4-1 弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過程弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過程 綜上所述，在電流過零后的熄弧過程中，電弧的熄滅基本上要經(jīng)過兩個階段：熱擊穿階段和電擊穿階段。 前者弧隙具有一定的電阻，流過一定的電流；后者弧隙電阻趨于無窮大，但因介

7、質(zhì)溫度高，擊穿比較容易。 二、開關(guān)電器弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強度特性： 開關(guān)電器弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強度隨時間變化的關(guān)系，稱作弧隙介質(zhì)恢復(fù)強度特性。不詳述。 4-1 4-1 弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過程弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過程4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過程弧隙中的電壓恢復(fù)過程一、恢復(fù)電壓的組成部分和工頻恢復(fù)過程： 1、電壓恢復(fù)過程：弧隙兩端電壓由零或反向電弧電壓上升到此時的電弧電壓的過程。相應(yīng)于此時弧隙上的電壓，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)分量僅有工頻電壓，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、開斷不同性質(zhì)負(fù)載電路時，恢復(fù)電壓的波形：見教材圖2-16。 a）電阻性負(fù)載：過零熄弧后，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)過程弧隙中的電壓恢復(fù)過程 b）電感性負(fù)載：ih落后于u，ih過零時u約為幅值。若ih過零后電弧熄滅，電路開斷，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過零時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在電流過零后其值為零，然后隨著u變化逐漸增

9、大。當(dāng)u達反向幅值時，uhf達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)過程弧隙中的電壓恢復(fù)過程4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過程弧隙中的電壓恢復(fù)過程4、舉例說明：以開斷電感性負(fù)載時弧隙的Uhf為例進行分析。 Uhf的穩(wěn)態(tài)分量即工頻恢復(fù)電壓。Ih過零瞬間，工頻恢復(fù)電壓的瞬時值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)過程弧隙中的電壓恢復(fù)過程二、弧隙為理想弧隙時，弧隙上的電壓恢

10、復(fù)過程： 1、理想弧隙的條件：電流過零前，電弧電阻等于零；電流過零后，電弧電阻立即變?yōu)闊o窮大。 先作二點簡化： （1） 電網(wǎng)短路電流過零時，設(shè)電路總的電阻為零，則電流過零時，工頻恢復(fù)電壓的瞬時值為 （2）在電壓恢復(fù)過程中，因時間短，則令電源電壓 02ggmxUUK UgmuU 常數(shù)4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過程弧隙中的電壓恢復(fù)過程 2、開斷單頻電路（只有一個L-R-C電路）時，弧隙上的電壓恢復(fù)過程： 1) 單頻電路（只有一個L-R-C電路）及其等效電路。 2) 設(shè)電源容量無限大，在其不遠處發(fā)生短路。 3) R取不同值的時候,Uhf的變化情況分析。4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過程弧隙中

11、的電壓恢復(fù)過程4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過程弧隙中的電壓恢復(fù)過程4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過程弧隙中的電壓恢復(fù)過程 4)對低壓開關(guān)電器，如圖4-13 開斷單頻電路短路情況下的uhf波形，我國常用“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 是從電流過零起到Uhfm出現(xiàn)止所經(jīng)歷的時間。4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過程弧隙中的電壓恢復(fù)過程hfmgmU=U12mft 5） 高壓開關(guān)電器：國標(biāo)規(guī)定用恢復(fù)電壓峰值Uc和峰值時間ts表示其特征

12、，見下圖。 求法：過原點O作一直線OB和uhf曲線相切，過uhf曲線的峰值作一水平線AC與OB相交于A點，A點坐標(biāo)即為（t3，Uc）。 標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定用時延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)交點的時間值即為td。 4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過程弧隙中的電壓恢復(fù)過程4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過程弧隙中的電壓恢復(fù)過程3、開斷多頻電路時，弧隙上的電壓恢復(fù)過程： 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)過程弧隙中的電壓恢復(fù)過程 3）對多頻電路的恢復(fù)電壓

13、，常用第一波幅值U1、第一波幅時間t1、峰值Uc和峰值時間t2四個參數(shù)表示，此方法稱為四參數(shù)法。見下圖。 求法：從原點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點相切并交直線OB于B點，交直線AC于A點。直線AB的斜率應(yīng)使得在D點的兩邊、uhf曲線與直線AB、OB、AC所構(gòu)成的帶陰影的面積相等，則B點的坐標(biāo)為（t1，U1），A點的坐標(biāo)為（t2，Uc）。 4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過程弧隙中的電壓恢復(fù)過程另外，用時延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)過程弧隙中的電壓恢復(fù)過程 4）在開

14、斷理想電路時，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。 我國低壓電器基本標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，試驗中固有振蕩頻率f0（KHz）和固有振蕩因數(shù)0為： 式中，I0：控制電器的開斷電流（有效值），單位A； Un：被開斷電路的額定電壓，單位為V； 01.1 0.050.20.8002000NfI U4-2 4-2 弧隙中的電壓恢復(fù)過程弧隙中的電壓恢復(fù)過程 4-3 4-3 交流電弧的熄滅條件和計算方法交流電弧的熄滅條件和計算方法一、交流電弧的熄滅條件： 1、交流電弧熄滅條件：在交流電流過零后，弧隙中的實際介質(zhì)恢復(fù)強度特性總是高于加在弧隙上的實際恢復(fù)電壓特性，即實際的ujf(t)實際的uh

15、f(t)。 下圖a和b中的實線分別為ujf和uhf的固有特性，即是在弧隙上未加uhf的ujf和弧隙中Rs為無窮大時的uhf。 4-3 4-3 交流電弧的熄滅條件和計算方法交流電弧的熄滅條件和計算方法 （1）看上去，a圖的弧隙會熄弧，b圖的交流電弧將重燃。 （2）實際上，由于介質(zhì)恢復(fù)過程和電壓恢復(fù)過程相互聯(lián)系、相互影響，實際的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算方法交流電弧的熄滅條件和計算方法 2、開斷交流電路時，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算方法交流電弧的熄滅條件和計算方法 電弧燃燒共約3個半波，i1、i2、i3分別表示這三個半波的電弧電流ih，而t1、t2、t3分別表示三個電流半波的過零時刻，1、2、3分別表示i1、i2和i3過零之后落后于電源電壓u過零之后的相角。 觸頭分開前，uh為零。觸頭分開后，在第一個電流半波，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時刻，ih第一次過零，因ujf不大，當(dāng)弧隙上uhf上升到Urh時，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算方法交流電弧的熄滅條件和計算方法 第二個電流半波，ih和uh較前增

17、大，故ih幅值減小，過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時刻ih第二次過零，因ujf仍不夠高，故uhf上升到Urh”時，電弧又發(fā)生重燃，ih又繼續(xù)流通； 第三個電流半波，lh和uh繼續(xù)增大，故ih幅值又減小，過零附近波形畸變更劇烈，ujf繼續(xù)增高。t3時刻ih第三次過零。因uhf在較低的工頻恢復(fù)電壓瞬時值作用下上升，呈振蕩性且有剩余電流is通過，但因?qū)嶋Hujf總是大于實際的uhf數(shù)值，電弧不再重燃，電路終被開斷。 4-3 4-3 交流電弧的熄滅條件和計算方法交流電弧的熄滅條件和計算方法二、交流電弧熄滅過程的計算方法： 1、電弧熄滅與否由介質(zhì)恢復(fù)過程和電壓恢復(fù)過

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Rs相互聯(lián)系。 4、計算公式（模型待定）。 4-3 4-3 交流電弧的熄滅條件和計算方法交流電弧的熄滅條件和計算方法小小 結(jié)結(jié) 弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過程，在近陰極區(qū)和弧柱區(qū)有著本質(zhì)的不同。在電流過零時,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。 低壓開關(guān)電器弧隙的uif特性可用式(4-8)表示。它隨開斷電流、觸頭材料等不同而不同。 低壓開關(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) 開斷電阻性負(fù)載電路時，uhf僅有工頻分量；開斷電感性負(fù)載電路時，uhf由工頻分量和暫態(tài)分量組成；開斷電容性負(fù)載電路時，uhf由工頻分量和直流分量組成。 在開關(guān)電器通常工作時的幾種開斷情況中，以開斷電源或負(fù)載中點不接地(或兩者都不接地)的三相電路時