3 第三讲 交流电弧的过零熄灭和重燃理论和自能式灭弧室的开断原理

第三讲 交流电弧的过零熄灭和重燃理论和自能式灭弧室的开断原理

1. 交流电流过零熄弧

工业交流电每半周电流要过零一次，交流电流总是在电流过零时熄灭的，这与直流电弧不同，熄灭交流电弧比熄灭直流电弧要容易得多。交流电弧过零的详细过程分下列两种情况来说明：

1.1 用图1（a ）所示的电阻电路来分析。由于电弧电压远低于电源电压，也就是说电源电压足以维持电弧燃烧而不致发生强制熄弧，因此电弧电流i 与电源电压u 同时过零，见图1（b ），0t 是产弧时刻，此时断口间产生电弧电压a u 。由于电源电压u 远远地大于电弧电压a u ，电弧电流i 仍近似于为正弦波，因此它与电弧电压a u 同时过零。电流过零详细情况见图2。

图1 电阻分析电路的电弧电流过零

图2 实际电弧电流h i 与电弧电压h u 同时过零

1.2 用图3所示的电感电路来分析。图中，u 是电源电压，令wt E u m cos =，（m E 是电源电压的幅值），L 是分析电路中的电感，QF 表示断口，n R 表示电弧电阻，电弧电压h h h R i u =（h u 随h i 改变正负号）。h i 是电路电流（即电弧电流）

图4表示此时电弧电流的变化曲线。图4中e 表示电源电压随时间变化的曲线（瞬时值），h i 是电弧电流的瞬时值。h i 可分解为两个分量组成：一

个分量是滞后于电源电压e 90°的的正弦电源分量wt wL E i m sin =';另一个分量是随时间线性（假设电弧电阻是恒定值）变化的分量 )(α-=''wt wL u i h ，α表示起始燃烧时刻的相位角，π和2π表示一个半波和一个周波的相位角。

由电路数学分析得出i i i h ''-'=。

实际电弧电流h i 比其正弦电流分量i '过零提前过零1wt 相位角，这是由于在电感电路中，由于有电弧压降存在而导致了实际电弧电流h i 比电弧电压h u 提前过零，其提前过零的相位角是ξ，ξ的数值为若干μs 至数十μs 数量级。 电流过零详细情况见图5。

图3 电感分析电路

图4 电感分析电路中电弧电流的变化曲线

图5 电感分析电路中实际电弧电流h i 比电弧电压h u 提前过零

断路器短路开断时，既有负荷电阻，又有负荷电感，负荷的功率因数是0.2左右，因此电弧电流过零的情况介于上述两种情况之间。

对频率为50Hz 的交流电路，电流每秒有100次零值，因此不管开关的熄弧能力如何差，电流都要过零，至少是暂时地熄灭。如电流过零后，弧隙未复燃，电弧就熄灭；反之，如发生复燃，则电弧此次过零时不能熄灭，至少需燃烧至电弧电流下次过零时再熄灭。

2. 交流电弧的熄灭与重燃理论

交流电弧电流过零这一段时间中，弧隙从导体逐渐变成介质，交流电弧的熄灭主要决定于这一过程。对于交流电弧的熄灭和重燃过程存在着两种理论：弧隙介质恢复理论（电击穿理论）和能量平衡理论（热击穿理论）。

弧隙介质强度恢复理论是斯列宾提出的，认为电弧的重燃是由于外加电场将间隙击穿的结果。这个理论认为：电弧电流过零后，弧隙已是介质，不存在电导。因此在弧隙上发生的电压恢复过程和介质强度恢复过程是互不影响和制约的。而电弧过零后的熄灭和重燃取决于这两个过程哪一个恢复得快。如果介质强度始终大于弧隙上的恢复电压，就不再发生击穿，电弧最终熄灭。因此，交流电弧的熄灭条件是：电流过零后，弧隙介质恢复强度在任何时刻始终高于弧隙上的恢复电压。

而实际上，从电流过零时刻开始，在弧隙上发生两个作用相反而又有联系的过程：即电压恢复过程和介质强度恢复过程。

当交流电弧最后熄灭时，在弧隙上的电压应当等于电源电势。因此，当电流过零电弧熄灭时，弧隙上电压从熄弧电压上升变化到相应于电源电动势的瞬时值，这一变化过程就称为弧隙上电压恢复过程。

在电压恢复过程中，恢复电压由两个分量组成：即工频恢复电压和暂态恢复电压。在电弧熄灭时刻，在首先灭弧的一相触头上出现的工频电压有效值称为弧隙上（或为断路器触头上）的工频恢复电压。

暂态恢复电压是指电弧熄灭后，断路器一相触头上的暂态电压，它可以是周期性的（单频或几个频率）或非周期性的，这决定于电路的特性、断路器的特性（它的电导和电容）及电弧熄灭时立即出现在断路器触头上的工频恢复电压瞬态值。周期性暂态恢复电压的振荡是以工频恢复电压作为轴心而进行的。

在电流过零电弧熄灭时。弧隙有或大或小的介质强度，并随着去游离程度而继续上升。这就是间隙介质强度恢复过程。介质强度恢复过程能说明电弧熄灭过程和开断电器熄灭能力的特性。介质强度恢复过程决定于电弧间隙的内部过程，如间隙中能量的变化、灭弧介质的种类和状态、触头的状态和运动等：并且也与线路参数有关，电弧电流过零前的状态对它也有影响。电弧的开断过程主要是将弧隙中的能量移去，使去游离加强。开关电器灭弧装置的主要作用就在于将电弧开断，移去电弧的产物，将热的导电气体变成能承受线路电压的绝缘介质。

按照斯列宾的理论。电弧的熄灭或重燃决定于这两个过程中哪一个过程恢复得快。如图6中曲线1j u 与曲线hf u 所示，介质强度始终大于弧隙上的恢复电压，就不再发生击穿，电弧最终熄灭。反之，若在某一时刻恢复电压大于介质强度，如图6中2j u 与曲线hf u ，它们相交于A 点，则弧隙将击穿而重燃，加在弧隙上的电压又转变为电弧电压h u 。这种理论只能用来解释电弧电流超前过零，弧隙电导预先消失的重燃现象，并不能普遍适用。

图6 弧隙介质强度j u 与恢复电压hf u 曲线

必须指出，在斯列宾提出介质强度恢复理论时，认为电压恢复过程与介质恢复过程是彼此无关的。但事实上由于弧隙剩余电流的作用，这两个过程是相互联系的。

弧隙能量平衡理论是克西提出的，认为电弧重燃不是电流过零后简单的电压击穿，而是电路和弧隙之间的能量平衡的性质。当弧隙中所产生的热能大于散出的热能时，弧隙就会因热击穿而使电弧重燃。这个理论认为在交流电流过零电弧暂时熄灭时，弧隙温度较高，热游离还未停止，弧隙仍是一个具有一定电导的通道，尚未恢复为真正的介质。因此在恢复电压作用下，就出现弧后电流，电源继续向弧隙输送能量，因而可能引起电弧的重燃。他们认为所有紧接于电流过零点后的重燃现象均是由于有显著的弧后电流而发生的，只有经过一定延时后的重燃才是没有先期的弧后电流，而由电击穿引起的重燃。

热击穿的观点考虑了电弧的热过程，并且指出弧隙上的电压恢复过程和介质强度恢复过程并不是相互独立的，而是通过弧隙的残余电阻而相互联系和影响的。这种观点使对交流电弧的熄灭和重燃有了进一步的了解。然而这个理论也有局限性，它对于那些弧隙电导预先消失和因电击穿而发生重燃并不能做出确切的解释。

两种理论的根本不同点在于：电弧电流过零前后是否有剩余电流。在斯列宾提出理论时，尚不知有剩余电流，而克西则是剩余电流的基础上提出其理论。

在理想的开关电器中，在电弧燃炽时，弧隙电阻等于零，而在电弧熄灭后，弧隙电阻就立刻等于无限大。事实上，在交流电流自然过零前的几百s ，电流已接近于零，弧隙上已有相当的电阻，而在电流过零电弧熄灭时，弧隙还是有个相当大电阻的导体。正因为熄弧后间隙有剩余电导的存在，在恢复电压的影响下，弧隙中有电流通过，这一电流叫做剩余电流，或称弧后电流。剩余电流就等于恢复电压与剩余电导的乘积关系。通常用两个参数来表示剩余电流的特性，及剩余“热”的作用；而且还存在着可以由弧隙电击穿后转变成热击穿而引起重燃，或在弧后电流消失后再发生电击穿而重燃，它们的转化条件就是弧隙中能量的大小。

能量平衡理论不仅是对电弧的熄灭过程，还是对电弧的燃炽过程，都能够比较全面地解释电弧的现象。它对电弧理论的发展和应用有重大的意义。