05交流电弧的灭弧原理1

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。
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，若某一瞬间小于 uhf ，则电弧将继续燃烧。
nq
l nql2 U j U (l ) 2 2 nql
由此可得电流过零瞬间近极区电场强度
E0
2nqU j

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§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
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。
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§5.1 弧隙间的介质恢复过程
U
由于空间电荷区的存在， 在新阳极表面附近形成了电场。
0 l 0
x
x
E HOME
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§5.1 弧隙间的介质恢复过程
根据泊松方程 x — 距阴极表面的距离；
速下降，直至电弧又剧烈燃烧。 电弧重燃 2）若施加在弧隙上的电压很小，使得 Ph<Ps ，则Rh将继续增大，直 至无穷大。此时，弧柱的温度不高于3000 ～ 4000K，即热电离已基本停 止，即使在弧隙上再施加电压，弧隙中也不能再流过较大电流。 电弧熄灭
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§5.1 弧隙间的介质恢复过程
电弧重燃： 电弧电流过零后，在一定条件下又重新产生电弧。 弧隙击穿 ： 弧隙的热击穿， 弧隙的电击穿。
思考题
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?
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
§5.1 弧隙间的介质恢复过程
若能够在电流过零后，对电弧实行强冷，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
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思考题
交流电弧熄灭原理
思考题
5. 从理论上说，弧隙的固有介质恢复强度特性能否用试验方法 求得?为什么? 6. 交流电弧电流过零后，弧隙的实际介质恢复强度特性与其固有 介质恢复强度相比有什么不同？ 7. 对于非理想弧隙而言，电弧电流过零前的电弧特性对电弧电流 过零后弧隙的电压恢复过程是否存在影响？为什么？ 8. 请阐述弧隙热击穿的机理。 9. 请阐述弧隙电击穿的机理。 10. 当弧隙发生热击穿或电击穿时，试分析弧隙中的电阻、温度 以及主要电离方式。 11. 何谓交流电弧的重燃？如果发生电弧的重燃，其原因可能是 热击穿所造成的，也可能是由于电击穿造成的。请问通常情况下如何 能够做出判断？
tf
t
0
tm
tf
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介质恢复过程分为三个阶段： 1. 电弧电流过零到电极冷却不足以热发射 2. 近极区冷却 3. 全部弧柱冷却，3000K-4000K以下 表示方式：
U jf U jf 0 K jf t
U jf 0 K jf
为介质初始恢复强度
为介质恢复强度的上升速度
1、 U jf 0 的影响因素. a.开断电流 U jf 0 下降，因为开断电流增加，则电极温度升高，电流过 开断电流增加， 零后，新的电极依然保持较高的温度，有助于电子热发射，削弱阴极效应
E0
nql

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§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
x U x(l ) 2
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
（1）弧隙的热击穿：
电弧重燃的本质是由于电弧的热惯性，使得电流过零后Rh并不为无 穷大，而是具有一定的数值。而当弧隙被施加一定电压，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。
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b.
U jf 0
与触头材料有关
开断电流相同时，银的初始介质恢复强度最大， 银-石墨最小。 决定于材料的沸点和热导率。 热导率快，则冷却快。 对于银，有最高的热导率和最低的沸点。
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2 、K jf 的影响因素. a.开断电流 开断电流增加，K jf 下降，因为开断电流增加，则电极温度升高，电流过
§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， 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
d 2U dE nq 2 dx dx
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
E
nq

(l x)
0 ≦ x≦l
以电极表面处为参考电位，即 x = 0 时，U = 0 。则
即进入电击穿阶段。
热击穿和电击穿的击穿物理特性
弧隙电阻
热击穿 电击穿 具有一定的数值，较小 趋于无穷大
电弧温度
高 较高
主要电离方式
热电离 电场电离
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§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。 i 触头分开时刻 影响因素：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。 ujf 0
零后，能承受的击穿电压下降，所以
b.电弧长度
K jf
下降
随着弧长的增加，K jf 稍许下降，因为介质的恢复主要由近极区的介质恢
U jf 增长较快，弧柱中含有热量少。弧长较长 复强度决定。弧长较短时，
时，弧柱热量向近极区传递，则
U jf
增长较慢。
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§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，弧隙上不施加电压时的介质恢复过程（自由介质恢复过 程） 。 2) 固有介质恢复强度特性： 固有介质恢复过程中介质恢复强度 uj 随时间 t 变化关系。 3) 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。 4) 实际介质恢复特性： 实际介质恢复过程中介质恢复强度 uj 随时间 t 变化关系。 弧隙上施加电压的大小和波形的不同，实际介质恢复特性也将发生变 化。因此，在给定弧隙介质条件下，实际介质恢复特性有很多条。但固有 介质恢复强度特性是唯一的。
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概 二、两过程在“竞赛”
述
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§5.1 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：
空间电荷区
等离子体区
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。