电器学原理 教学课件 作者 曹云东 05交流电弧的灭弧原理1.ppt

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1、交流电弧熄灭原理思考题1.开关电器弧隙的介质恢复强度与哪些因素有关？2.何谓介质初始恢复强度？为什么介质初始恢复强度与交流电弧电流过零前的阳极温度有关？3.为什么交流开关电器弧隙的介质恢复强度关于触头分开起到电弧电流过零时间tf及此刻的触头开距存在一个最高值？4.在不考虑人工过零方法外，熄灭直流电弧时，有无介质恢复强度和恢复电压竞赛的问题?思考题第5章交流电弧的灭弧原理当交流电弧过零后，弧隙中同时存在两个相互联系的物理过程:(1)介质恢复过程：弧隙中电离气体由导电状态迅速转变为绝缘状态的过程。(2)电压恢复过程：电流过零后，电源及线路电压加到弧隙两端上的过程。HOME§5

2、.1弧隙间的介质恢复过程交流电弧电流过零后，弧隙中的介质恢复过程在近极区和弧柱区不同。1.近极区的介质恢复过程1）近极区：靠近电极的电弧区域。2）空间电荷区：当弧隙两端电压极性改变时，电子（质量小）将迅速向正极方向移动，而正离子由于质量较大，加速缓慢，故在极短时间内可以认为还停留在原来位置上。如果在电流过零期间新的阴极（原来的阳极）已冷却到基本上不产生热发射的温度，则在阴极附近就形成了正的空间电荷区。HOME等离子体区空间电荷区§5.1弧隙间的介质恢复过程由于空间电荷区的存在，在新阳极表面附近形成了电场。HOME0xEl0xU§5.1弧隙间的介质恢复过程根据泊松方程x—距

3、阴极表面的距离；U—距阴极表面x处相对阴极的电位；n—正电荷密度；q—一个带电粒子的电量；ε—气体的介电常数。设正空间电荷区长度为l，解方程，得以电极表面处为参考电位，即x=0时，U=0。则0≦x≦lHOME§5.1弧隙间的介质恢复过程根据空间电荷区的定义，在x=l处，E=0，得在弧隙中的其它区域，正负带电粒子数仍然相等，其导电率很大。因此，可以认为，当x=l时，空间电荷层上作用的电压U等于此时加在电极上的电压Uj，即由此可得电流过零瞬间近极区电场强度HOME§5.1弧隙间的介质恢复过程3）近极效应电流过零时，阴极较冷，故电子只能靠阴极表面处的高电场发射电子。如果阴极表面

4、处的电场强度不足够高，则将不足以产生场发射，电弧便不会重燃。宏观角度看，好像弧隙在电流过零后立即获得一定的耐压强度，这一现象，被称为近极效应。4）介质初始恢复强度Ujf0：电流过零后，弧隙立即能够承受的电压。Ujf0与电流过零瞬间原来的阳极的温度有关。原来的阳极的温度越高，Ujf0越低。Why？这是因为此时电极表面的热发射发生作用。当热发射很强时，电流过零后弧隙将类似一个阻值较高的导体，上述所谓的近极效应将不复存在。HOME§5.1弧隙间的介质恢复过程2.弧柱区的介质恢复过程当电弧电流过零时，尽管输入弧隙功率Ph＝0，但由于弧柱具有热惯性，在过零瞬间和过零以后一定时间内，

5、电弧电阻Rh并不为无穷大，而是随灭弧介质对电弧作用强烈程度的不同，而具有一定的数值。1）此时，若在弧隙上施加足够高的电压，使得Ph>Ps，则Rh将迅速下降，直至电弧又剧烈燃烧。2）若施加在弧隙上的电压很小，使得Ph

6、一定电压，使得Ph>Ps，弧柱被加热而造成的，所以这种重燃被称为热击穿。（2）弧隙的电击穿：当电弧过零后弧柱温度低于3000～4000K时，热电离作用已基本停止，Rh将趋于无穷大，此时弧隙中的气体已由电离状态转变为正常状态。从物理意义上讲，此时，电弧已不存在，弧隙中只存在一团温度较高的气体。若在弧隙上施加一足够高的电压，则也可能造成弧隙电弧的重燃。这种重燃被称为电击穿。HOME电弧重燃：电弧电流过零后，在一定条件下又重新产生电弧。§5.1弧隙间的介质恢复过程弧隙电阻电弧温度主要电离方式热击穿具有一定的数值，较小高热电离电击穿趋于无穷大较高电场电离若能够在电流过零后，对电弧

7、实行强冷，则弧隙中的热电离作用基本上已经停止。此时，如果发生电弧的重燃，则不存在热击穿阶段，而是立即进入电击穿阶段。热击穿和电击穿的击穿物理特性HOME§5.1弧隙间的介质恢复过程2.开关电器弧隙的介质恢复强度特性弧隙介质恢复强度特性：开关电器弧隙的介质恢复强度随时间变化的关系。其与开断电流，触头材料，弧柱冷却以及从触头分开起到电流过零的时间tf及此刻的触头开距有关。随着tf的改变，存在一tm，使得ujf最大。Why？HOMEti0tf触头分开时刻ujf0tftm§5.1弧隙间的介质恢复过程1)固有介质恢复过程：电流过零后，弧