发电厂电气主系统

速度↓→复合加强→Q↓ 使温度降低的方法有：吹弧、拉长电弧、或与冷却介质表面接触。
②电场强度：E↓ →运动速度↓→复合↑ →Q↓→热游离↓
③气体介质的压力：F↓→自由行程缩短→离子浓度↑→复合↑
真空数目少→磁撞游离↓→扩散↑
④介质特性：包括气体的介电强度、导热系数、热容量、电负荷
⑤电极材料：铜、银、铜钨、银钨合金
ur

U0
1

1
1

2
2 e1t 1e2t

从上式可以看出，由于特征根为负实根，故弧隙电压恢复过 程为非周期性的，如图2-8曲线3所示。
一般 1 2 ， 1 e2t 2 e1t
略去不计，故上式最大值不会超过U0 ，进一步化简得
ur U0 (1 e1t )
（2）起始介质强度出现后的介质强度的恢复 这是一个复杂的过程，它与电弧电流、介质特性、冷却条 件和触头分断速度有关。
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2-14
电气设备及运行维护
2．弧隙电压恢复过程
1）电弧为纯电阻性质，电弧电流与弧隙电压同相位，电弧 电流过零时，弧隙电压接近零；
2）短路时电路电阻很小，电路呈感性 ，电弧电流与电源 电压不同相位，电弧电流过零时，电源电压不等于零；
第二节 交流电弧的特性
1）电弧电流交变，每半个周期过零一次，此时电弧因失去 能量而自然熄灭。
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2-11
电气设备及运行维护
2）由于热惯性，弧柱温度的变化滞后于快速变化的电流，
所以交流电弧的伏安特性是动态的，如图2-3所示。在电流增
大时，温度来不及增高，弧隙电阻来不及减小；在电流减小时，
温度来不及减小，弧隙电阻来不及增大。故图2-3a中正方向电
忽略R后，特征根为
1


1 2rC


1
2

1

1

1
2rC LC 2rC 2rC
4r 2C 1
L
■
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电气设备及运行维护
1 4r 2C 0， 4r 2C 1
L
L
根据近似计算，当x很小时，
1 x 1 x 2
1


1 2rC

1 2rC

隙电压恢复过程大于弧隙介质强度恢复过程，介质被击穿，电 弧重燃，如图2-6a所示。
2）如果弧隙介质强度恢复过程始终大于弧隙电压恢复过 程，则电弧熄灭，如图2-6b和2-6c所示。
故交流电弧熄灭的条件应为： Ud (t) > Ur (t)
■2-16Fra bibliotek电气设备及运行维护
如果能够采取措施，防止弧隙恢复电压振荡，将周期性振 荡特性的恢复电压转变为非周期性恢复过程，电弧就更容易熄 灭，如图2-6c所示。
④电弧是一束游离的气体，质量极轻，极易变形。 电弧在气体或液体的流动作用下或电动力作用下，能迅 速移动、伸长或弯曲。
■
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电气设备及运行维护
（二）电弧的产生与熄灭
游 离——中性质点分解成自由电子和正离子。
去游离——电子和正离子相互吸引还原为中性质点。
1. 电弧的产生
自由 中性 电子 质点
静触头
动触头
例：10kvQF断开20kA的电流，电弧功率达到 1万kw以上
② 电弧由阴极区，阳极区和弧柱区组成。
弧柱处温度最高，可达6~7k0C到1万度以上在弧柱周围 温度较低，亮度明显减弱的部分叫弧焰，电流几乎都从弧 柱内部流过。
阴极区
阳极区
弧柱
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③电弧的气体放电是自持放电，维持电弧燃烧的电压很低。 在大气中，1cm长的直流电弧的弧柱电压仅15~30v， 在变压器油中1cm长的直流电弧的弧柱电压仅 100~220v。
具有熔点高、导热能力强、热容量大的特点，可减少热电子发射和弧柱中 的金属蒸气。
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2-10
电气设备及运行维护
3）电弧的熄灭：电弧的燃烧是由游离过程维持的，但在 电弧中同时还进行着相反的使带电质点数量减少的去游离过程。
游离作用等于去游离作用，新增加的带电质点数量与中和 的数量相等，电弧稳定燃烧。
游离作用大于去游离作用，电弧燃烧加剧。 游离作用小于去游离作用，则电弧中的带电质点数量减少， 最终导致电弧熄灭。

A2t ) e1t
■
2-19
电气设备及运行维护
①当 1 R 1 2 1 时，特征根为不等负实根。
4 L rC LC
根据初始条件：t 0时，uC 可解得

ur 0

0，i1

C
d uC dt
0
A1

2 1 2
ur0

rU 0 Rr

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第二章 电弧与电气触头的基本知识
第一节 电弧的形成与熄灭 第二节 交流电弧的特性及熄灭 第三节 开关电器中熄灭交流电弧的基本方法 第四节 电气触头的基本知识
本章计划学时：4 学时
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2-1
电气设备及运行维护
本章教学要求
了解电弧的危害，熟悉电弧的形成过程 熟悉交流电弧的特性，交流电弧的熄灭条件 了解交流电弧的开断过程 掌握熄灭交流电弧的基本方法 熟悉电气触头的基本要求，及触头的分类和结构
穿而产生电弧。
➢电弧形成小结
①自由电子的来源 (即游离方式) 电极发射大量自由电子：热电子+强电场发射 弧柱区的气体游离：碰撞游离+热游离
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②电弧的形成
阴极发射
加速磁撞游离 温度 热游离 电弧
热电子、强电场发射
其中：阴极发射（起因）→碰撞游离（重要因素）→击穿 （量变到质变）→热游离（主要因素）→维持发展
1．弧隙介质强度恢复过程
（1）起始介质强度（近阴极效应） 在电流过零后的0.1 ~ 1μs 的短暂时间内，阴极附近出现
150 ~ 250V的起始介质强度，称为近阴极效应。
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2-13
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原因：在电流过零的瞬间，弧隙电压的极性发生变化，弧
隙中的自由电子立即向新阳极运动，正离子质量大，基本未动， 在新阴极附近就形成了只有正电荷的不导电薄层，阻碍阴极发 射电子，呈现出一定的介质强度，如图2-4所示。
（五）断路器开断短路电流时的弧隙电压恢复过程
目的：找出恢复电压不振 荡的条件及防止振荡的方法。
断路器开断短路电流时的 电路如图2-7a所示，其等效电 路如图2-7b所示，R、L为电源 和变压器的电阻和电感，C可以 认为是变压器绕组及连接线对 地的分布电容，r为断路器触头 并联电阻。
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2-17
电气设备及运行维护
图2-2
1）强电场发射：E=U / s 大于3×106 V/m时，金属触头阴 极表面就会发射自由电子。
2）热电子发射：在开关分闸时，动静触头之间的接触压
力和接触面积减小，接触电阻增大，接触表面发热严重，产生 局部高温，阴极金属材料中的电子获得动能而逸出成为自由电 子。
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2-6
电气设备及运行维护
3）加速运动：自由电子，在强电场的作用下，向阳极作
1
2

1
时，特征根为共轭复根。
4 L rC LC
1,2


1 2
R L

1 rC


1 R 1 2 1 4 L rC LC
1 R 1 j 2 L rC
1 LC

1 4
R L
1 rC
2


j0
4) 电弧的利用：电弧在工业上有很多有益的应用，例如，
利用其高温的电弧焊接机，电弧炼钢炉等。
5) 电弧的危害：在开关电器中，电弧是有害的，要求尽快
地熄灭，否则会烧坏开关触头，误拉隔离开关会造成相间短路 和人身伤亡。
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2-3
电气设备及运行维护
6) 特征：
① 气体导电（轻、易变形）；
电弧的能量集中，温度很高，亮度很强
2．电弧的维持与发展 1）由于电弧的 r 小，电弧形成后，触头间的电压和电场 强度很低，强电场发射停止。 2）由于电弧在燃烧过程中温度很高，可达到几千度甚至 上万度，阴极表面继续进行热电子发射。
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2-8
电气设备及运行维护
3）另一方面介质的分子和原子在高温下将产生强烈的 分子热运动，获得动能的中性质点之间不断地发生碰撞，游 离成自由电子和正离子，此即所谓热游离。
4）热发射和热游离给弧隙提供了大量的自由电子，电 流继续流过，电弧的燃烧得以维持。
3．电弧的熄灭
1）复合去游离：正离子和负离子相互吸引而中和成为中 性质点的过程。自由电子的 v 远大于正离子，它们直接复合的 可能性很小，往往是自由电子先附着在中性质点上，形成负离 子，运动速度大大减慢，此时正离子和负离子更容易复合。
加速运动。
4）碰撞游离：加速运动获得动能的自由电子在运动中与
中性质点发生碰撞，中性质点中的电子获得能量产生跃迁，跳 到能级更高的轨道上，如果获得的能量足够大，自由电子就能 脱离原子核的束缚，游离成自由电子和正离子。
5）雪崩：游离的结果导致触头间自由电子数量剧增 。 6）介质击穿产生电弧：剧增的电子形成电流，介质被击
2）扩散去游离：自由电子和正离子逸出电弧而进入周围 介质中，被周围介质冷却而复合的过程。
由于电弧内外的电荷浓度及温差的不同，自由电子和正离
子将向浓度和温度都低的周围介质中扩散，在低温处，电子和 离子的v减慢而复合成为中性质点。
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电气设备及运行维护
➢ 影响游离和去游离的因素
①电弧温度：热游离↓→Q↓