04气体放电的物理基础4剖析

u
i
uh
Urh
Uxh
ωt
结论： 在开断同一电流时，电阻性负载电路中的电弧比电感性负 载电路中的电弧更容易熄灭。
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§4-4 交流电弧的特性
（2）电感性负载下，交流电弧的熄灭过程：
ih落后电源电压u约90°。
a.当ih过零时，电弧熄灭，u约为幅值。因Rh迅速增大，电路相当
于完全开断，uh将以很快的速度（比电阻性负载快得多）趋向u的
m 1
2
电弧的限流作用将取 决于电流 i′与i′′数值的 大小及其比例关系。 若电流 i′大小与i′′相当， 则电弧的限流作用明显； 低压开关电器
i’
i t1
i’’
ωt
若电流 i′远大于i′′，则 电弧的限流作用几乎不 存在。 高压开关电器
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§4-4 交流电弧的特性
3、电弧将使电路的功率因数提高（即减小功率因数角）：
(1) 电阻性负载
请注意电流波形！ 为什么出现“电流零休”？
Urh i uh Uxh u
ωt
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6
§4-4 交流电弧的特性
（1）纯电阻负载时，交流电弧的熄灭过程： 电阻性负载下，ih与电源电压u同相。
a. 当ih 过零以后、urh到来之前（电弧已熄灭），因Rh 迅速增大，加在
弧隙上的电压即是u的瞬时值，uh=u；ih值很小近似为零。 b.随着u上升，ih逐渐增大。
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§4-4 交流电弧的特性
2. 电弧电压对交流电路电流的影响 1）零休现象 电流过零前后一小段时间内，Ph< Ps，弧隙被迅速冷却，弧柱 变细， Rh迅速增大，使得此时的ih与负载额定电流相比，几乎可 以认为是零。 这一现象通常称为电流的“零休现象”。 由于零休现象的存在，电流在过零前后，其波形不再表现为 平滑的正弦波形，而是变化比较剧烈，甚至产生曲折的现象。这 一情况，在电阻性负载电路中比电感性负载电路中要严重得多。 电流零休存在的时间最多只有几百微秒，如果电流零休时间 超过这一数值，则电弧一般已经不会再产生了。 结果：电弧熄灭
3）交流电路开断的特点 （1）交流电路中，电流在1s内要通过零点2f次。 在ih过零附近一段时间内，Ph＜Ps，弧柱要变冷、变细，甚至可 能由导体状态变为绝缘状态。 因此，交流电弧要比直流电弧容易熄灭。 在熄灭同样电流的电弧时，前者对灭弧装置的要求比后者要低 得多。 （2）由于交流开关电器（特别是低压开关电器），大多是利用ih 过零时熄弧的原理，电弧熄灭时电感中的能量趋近于零。所以，一 般开断大电流时产生过电压的可能性较小。
di L U cos ωt dt
m
初始条件t＝0时，i′ ＝0 解：
U i sin ωt ωL
m
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§4-4 交流电弧的特性
(2) 不计电源、仅考虑电弧时的短路电流瞬时值: 假定弧长l＝v(t-t1) ，弧柱电场强度E为常数，忽略近极压降U0 ， 可得电弧电压 uh=El=Ev(t-t1)。
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§4-4 交流电弧的特性
a.电阻性负载：
urh到来之前，Rh很大，ih为零，称其为电流过零后的“零休”；
而在uxh出现之后，u低于uxh，ih≈0，称其为电流过零前的“零休”。
b.电感性负载：电感性负载的“零休”时间很短。
urh 到来之前，有电流过零后的“零休”，但因 urh 出现较早，故零休 时间短得多；
低。C点电压为熄弧尖峰Uxh。
（4）CO段： ih减小，Ph也减小，Rh逐渐上升。当ih下降速度比Rh上 升速度要大于某一数值时，uh又开始随ih减小而下降。ih趋近于零，ih也
趋近于零。
（5）对应上图的电弧电压uh随时间t变化的波形： 见图3-33，为马鞍形。
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§4-4 交流电弧的特性
2）负载对交流电弧伏安特性的影响
L
i
u ~
K
uh
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§4-4 交流电弧的特性
弧隙可等效为一电压源，其电压为uh。 根据叠加原理可以建立下列等效电路模型：
L
L
u ~
i’
+
i i i
i’’
K
uh
根据叠加原理：
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§4-4 交流电弧的特性
(1) 电路中不存在电弧时的短路电流瞬时值: L — 线路电感； Um —电压幅值； ω —电源角频率； t — 时间。
能重燃。 b. 电感负载，ih过零时， U为最大，触头间电场很容易击穿弧隙而 重燃。
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§4-4 交流电弧的特性
b.“零休期时间”的长短对电弧的熄灭影响很大，时间越长，弧 柱会越细越冷，甚至会消失，电弧熄灭也越容易。由于电阻性负载 的零休期时间比电感性负载的零休期时间长，故熄灭电弧越容易。
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§4-4 交流电弧的特性
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§4-4 交流电弧的特性
设电弧电压 U h 为常数
L
di U h U m sin(t ) dt
di U m sin(t ) U h dt L L i Um U U cos( t ) - h t m cos L L L 0 Um U U cos( ) - h m cos L L L
而在uxh出现之后，因uh 可由电感中的自感电势维持而与 u 无关，因此
，几乎不存在电流过零前的“零休”。 比较二者可知，电阻性负载”零休”现象比电感性负载严重得多， 即零休时间长得多，这也从另一方面说明了电阻性负载电路比电感性的
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易于熄灭。
§4-4 交流电弧的特性
2）限流作用 物理模型： 忽略线路电阻。假定电源电压处于幅值时，线路发生短路。 当 开关K断开电路时，触头间产生电弧 uh，设电弧电压为。此时，短 路电流中将不存在非周期分量。设经过 t1＜0.005s后，开关触头以 速度 v 分开。
§4-4 交流电弧的特性
1. 交流电弧的伏安特性 1）交流电弧的伏安特性
uh, i 燃弧尖峰Urh
uh i 熄弧尖峰Uxh
0
ωt
电弧电压随时间变化关系
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§4-4 交流电弧的特性
uh
A C B
U0
0 B’ C’
ih
A’
电弧电压随电弧电流的变化关系
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§4-4 交流电弧的特性
3、用“能量平衡原理”分析解释交流电弧的伏安特性曲线：
1）暂时不考虑负载的影响。
（1）OA段： ih由0上升的零休期间，弧柱变冷、变细，Rh增大，因 此uh（= ih Rh）以很陡斜率上升；
（2）靠近A点与AB段： ih增大，Ph也增大，弧柱变热变粗，uh随 ih的
增长再下降，其最高点A点的电压称为燃弧尖峰Urh。
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§4-4 交流电弧的特性
（3）BC段： ih到最大值（B点）后减小，uh沿BC曲线上升，因弧柱 存在热惯性，Rh会比ih增大情况下同一ih时的数值为小，故曲线BC比AB
弧隙上的电压uh决定于相应的动态伏安特性。ih的大小由负载决定.
c. 在ih 半波末了时， u下降至低于 uxh 时，电弧uh又随u变化（电弧完全 熄灭），ih很小趋向于零。
结果： urh 之前和 uxh 之后的 uh 波形（实际是弧熄的波形），皆与 u
的波形基本重合。
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§4-4 交流电弧的特性
(2Βιβλιοθήκη Baidu 电感性负载
思考题
交流电弧特性
思考题
1. 何谓交流电弧的零休现象？ 2.弧长不变的交流电弧，在稳定燃烧时为什么燃弧尖峰总是高 于熄弧尖峰? 3. 在电流有效值相同条件下，直流电弧与交流电弧哪一个更容 易熄灭? 为什么？ 4. 若开关电器分别开断电阻性交流负载电路和电感性交流负载 电路，试问开断哪种负载电路更困难？为什么？ 5. 在低压开关电器中，可以利用其开断电路时触头间所产生的电 弧来限制短路电流的峰值。请问能否将这种限流方法应用于高压开关 电器中？为什么？
幅值，故urh出现较早，弧熄中通过较大负载电流的时间也提前。
b. 半波末了，弧隙上的电压由负载电感的自感电势产生，与电源
电压无关，此时电感变成电源。
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§4-4 交流电弧的特性
（3 ）在开断同一电流时，电阻性负载电路中的电弧比电感性负载电路 中的电弧容易熄灭的原因：
a. 电阻负载， ih过零时，U 也过零，触头间不存在电场，则电弧不
di L Ev(t t ) dt
1
初始条件t＝t1时，i ′ ′ ＝0 解：
i
Ev (t t ) 2L
1
2
(当t t 时）
1
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§4-4 交流电弧的特性
(3) 实际短路电流瞬时值:
i
i i
U Ev sin t (t t ) L 2L
代入初始条件
t 0, i 0
代入半波末了条件 t ，i 0
即
cos-1
U h
2U m
Uh：电弧电压；Um：电源电压幅值；Uh/Um：电弧电压占总电源幅值的比例。 如Uh/Um越大，则越小，故电弧的存在，相当于在电路中串联了电阻。21