交流电弧的熄灭原理概要

电 器 理 论 基 础-第四章
天津工业大学 电气工程与自动化学院
电气工程及其自动化专业
第四章 交流电弧的熄灭原理
教学目的与要求： 1、掌握近阴极效应，熟悉开关电器弧隙的介质恢复强 度特性； 2、掌握工频恢复电压，熟悉理想弧隙电压恢复过程， 了解电弧参数对电压恢复过程的影响； 3、掌握交流电弧的熄灭条件，了解交流电弧熄灭过程 的计算方法 教学重点与难点： 1、近阴极效应与弧隙介质恢复强度特性； 2、工频恢复电压及理想弧隙电压恢复过程； 3、交流电弧的熄灭条件
§4-1
弧隙中的介质恢复过程
综上所述，在电流过零后的熄弧过程中，电弧的熄灭基本上要经过两 个阶段：热击穿阶段和电击穿阶段。 前者弧隙具有一定的电阻，流过
一定的电流；后者弧隙电阻趋于无穷大，但因介质温度高，击穿比较
容易。
§4-1
弧隙中的介质恢复过程
二、开关电器弧隙的介质恢复强度特性：
开关电器弧隙的介质恢复强度随时间变化的关系，称作弧隙介质恢 复强度特性。 大气自由燃弧的情况下，开断电流越大，介质初始恢复强度 Ujf0
越小。除开关电流外，Ujf0 还与触头材料的热导率、沸点有一定的关系。
高压电器中，弧隙的介质恢复强度主要依赖于灭弧介质对弧柱的 冷却和消电离作用。
照弧隙上是否施加电压来分类：
固有介质恢复过程：电流过零后，弧隙上不施加电压时的介质恢复过 程，相应的ujf 随t变化的关系，也称自由恢复强度特性，这种特性在给 定的弧隙介质条件下仅有一条。 实际介质恢复过程：电流过零后，弧隙上施加某一电压时的介质恢复 过程，相应的ujf 随t变化的关系，这种特性随所加电压的大小和波形不 同而不同，因此即使在给定的弧隙介质条件下，它也有多条。
在交流电流过零后的熄弧过程中，弧隙中的介质恢复过程在近阴 极区和弧柱区的情况不同。 1、近阴极区的介质恢复过程： 近阴极效应（重要概念）：电流过零期间，弧隙两端电压也过零，此 时弧隙中的正负带电粒子由于热运动而处于均匀分布状态。电流过零 后，当弧隙两端电压极性改变时，电子迅速向正极方向运动，而离子 由于质量很大，加速缓慢，如果新阴极较冷，要产生电弧电子只能靠 阴 极 表 面 处 存 在 的 高 电 场 进 行 发 射 ， 要 求 E0 大 于 一 定 值 （ 如 106v/cm）。电场E0随着电极上电压Uj 的增大而增大，所以Uj必须 大于一定值；否则，E0就不足以产生场致发射，电弧便不能再产生。
0 8.861014 F / cm
q 1.6 1019 C
计算弧隙的介质初始恢复强度Ujf0 。
解：由式
E0
0 Ex 2
2nqU j
得：

8.861014 (300000 )2 U jfo V 250 V 14 19 2nq 2 10 1.6 10

§4-2 § 4-3 交流电弧的熄灭条件和计算方法 小 结
概
述
一、交流电弧过零后，存在两个过程：
介质恢复过程和电压恢复过程。
1、介质恢复过程：
弧隙中电离气体从导电状态迅速变为绝缘状态，使弧隙 能承受电压作用而不发生电弧重燃的过程。
概
述
2、电压恢复过程：熄弧后电路将被开断，电源电压加到
弧隙两端触头上的过程。
若介质恢复强度曲线ujf 大于电压恢复强度曲线uhf，则 电弧趋于熄灭；否则，若某一瞬间ujf小于uhf，则电弧将 继续燃烧。
概
二、两过程在“竞赛”
ujf1 u u’jf1
述
uhf
t
交流电弧过零后，弧隙中的介质恢复过程和弧隙上的电压恢复过程
§4-1 弧隙中的介质恢复过程
一、介质恢复过程的概念：
第四章 交流电弧的熄灭原理
教学基本内容： 1、介质恢复过程的概念； 2、开关电器弧隙的介质恢复强度特性； 3、恢复电压的组成部分和工频恢复电压；
4、理想弧隙上的电压恢复过程；
5、电弧参数对电压恢复过程的影响； 6、交流电弧的熄灭条件； 7、交流电弧熄灭过程的计算方法。
第四章 交流电弧的熄灭原理
概 述 §4-1 弧隙中的介质恢复过程 弧隙中的电压恢复过程
§4-2 弧隙中的电压恢复过程
一、恢复电压的组成部分和工频恢复过程：
1、电压恢复过程：弧隙两端电压由零或反向电弧电压上升到此时的 电弧电压的过程。相应于此时弧隙上的电压，称为恢复电压，用uhf 表示。 2、恢复电压由稳态分量和暂态分量组成。稳态分量又由直流电压和 工频电压组成。若稳态分量仅有工频电压，称之为工频恢复电压。 暂态分量通常是复杂的波形，只出现在电弧电流过零后的几百微妙
§4-1 2、弧柱区的介质恢复过程：
弧隙中的介质恢复过程
1 ）当弧柱温度在 3000~4000K 以上时，电弧重燃的物理本质是电弧的
Ph>Ps（输入功率大于散发功率），弧柱被加热使电弧重燃，称为热击穿。 在临界状态，且Rz保持不变的情况下，弧柱上的电压就代表了弧柱此时 的介质恢复强度ujf。由此得热击穿阶段弧柱区的介质恢复强度为：
u jf Rz Pz
§4-1
弧隙中的介质恢复过程
2 ）当弧柱温度在 3000~4000K 以下，热电离作用已基本上停止 ，
Rz→∞，无电弧。若此时外加电压，将产生电场。
如电场强度足够高，则可能产生间隙击穿而使电弧重燃，即电击穿。 电流过零后的这一阶段称为电击穿阶段。 弧柱区的介质恢复过程对熄灭交流长弧具有重要意义，是所有高压 电器和部分低压电器设计的理论基础。
大时电流过零瞬间电极温度很高，因而Ujf0 下降。见表4-1：
§4-1
弧隙中的介质恢复过程
交流电流过零瞬间，E0 与Uj 的关系：
E0
n:弧隙中正离子数密度 q:一个带电粒子的电量
2nqU j

Uj :相对于阴极的电位
：气体的介电常数
§4-1
P98
弧隙中的介质恢复过程
例题：设交流电流过零时，某空气介质短弧弧隙中正离子数密度n=1014 cm-3 ,在 阴极表面处的最大允许电场强度EX=30*104 V/cm。又
§4-1
弧隙中的介质恢复过程
§4-1
弧隙中的介质恢复过程
从电路的角度看，好象弧隙在电流过零后立即获得一定的耐 压强度。这一现象叫做近阴极效应；而电流过零后弧隙立即能 承受的电压值就称为介质初始恢复强度Ujf0。
§4-1
弧隙中的介质恢复过程
介质初始恢复强度Ujf0 并非是一个固定值，它和电流过零瞬间 原来的阳极（过零后变成阴极）温度关系很大。当电弧电流Ih增