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第四章 交流电弧的熄灭原理
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。
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；
§4-2
弧隙中的电压恢复过程
若稳态分量仅有工频电压，称之为工频恢复电压。 暂态分量只出现在电弧电流过零后的几百微妙内。 包含有暂态分量的恢复电压，又称瞬态恢复电压。 3. 开断不同性质负载电路时，恢复电压的波形：见教材 图4-10。 a）电阻性负载：过零熄弧后，uhf由零按正弦波形上升， 只有稳态分量中的工频恢复电压。
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，若某一瞬间小于uhf，则电弧将
继续燃烧。
概
二、两过程在“竞赛”
述
§4-1
弧隙中的介质恢复过程
一、介质恢复过程的概念： u jf f (t )
§4-2
弧隙中的电压恢复过程
§4-1
弧隙中的介质恢复过程
近阴极效应
§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；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UFra Baidu bibliotekf0。
§4-1
弧隙中的介质恢复过程
P98
例题：计算弧隙的介质初始恢复强度 Ujf0 。
§4-1
弧隙中的介质恢复过程
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
本章讲授内容 （其中红色内容是重点） 介质恢复过程的概念和 介质恢复强度特性。 2．弧隙上的电压恢复过程 电压恢复过程及电弧参数 对恢复过程的影响。 3．交流电弧的熄灭条件 交流电弧的熄灭条件 计算方法。
1．弧隙中的介质恢复过程
§4-2
弧隙中的电压恢复过程
b）电感性负载：ih落后于u，ih过零时u约为幅值。若 ih 过零后电弧熄灭，电路开断， uhf 将由零跃升到 u 的幅值 （理想情况下），然后再按工频电压变化，故 uhf 常含有暂
态分量，其上升速度比 a）的快得多。
c）电容性负载：ih超前于u。当ih过零时u是幅值，电 容C被充电到u的幅值。电弧熄灭后，C将保持该电压。uhf在 电流过零后其值为零，然后随着 u 变化逐渐增大。当 u 达反 向幅值时，uhf达u幅值的两倍，不含暂态分量，其稳态分量
为直流电压与工频电压之和，并且uhfmax≈2ugp。
§4-2
弧隙中的电压恢复过程
4. 举例说明：以开断电感性负载时弧隙的 Uhf 为例进行分析。 Uhf的稳态分量即工频恢复电压。Ih过零瞬间，工频恢 复电压的瞬时值Ugo： U 式中
g0
U gm sin 2K xU sin
U gm：工频恢复电压的幅值；
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：电流过零后，当弧隙两端电压极性改变 时，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 ）， 即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。
§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。 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。
§4-1
弧隙中的介质恢复过程
2 ）当弧柱温度在 3000 ～ 4000℃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。
u jf f (t )
§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。
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 §4-2 弧隙中的电压恢复过程 § 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。
2. 弧柱区的介质恢复过程： 1）当弧柱温度在 3000 ～4000℃以上时，电弧重燃的 物理本质是电弧的Ph>Ps，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
U ：电源电压相电压的有效值；
：被开断电路的电流和电源电压的相位差；
§4-2
弧隙中的电压恢复过程
U gp U
K x ：线路因数， K x
（Ugp是电路开断后加在
弧隙上的工频电压有效值）。对三相电器，Kx取1.5。只有在
超高压电网中由于电源中性点接地，线路发生三相短路时必
伴有接地短路时，Kx取1.3。
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。
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；
§4-2
弧隙中的电压恢复过程
若稳态分量仅有工频电压，称之为工频恢复电压。 暂态分量只出现在电弧电流过零后的几百微妙内。 包含有暂态分量的恢复电压，又称瞬态恢复电压。 3. 开断不同性质负载电路时，恢复电压的波形：见教材 图4-10。 a）电阻性负载：过零熄弧后，uhf由零按正弦波形上升， 只有稳态分量中的工频恢复电压。
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，若某一瞬间小于uhf，则电弧将
继续燃烧。
概
二、两过程在“竞赛”
述
§4-1
弧隙中的介质恢复过程
一、介质恢复过程的概念： u jf f (t )
§4-2
弧隙中的电压恢复过程
§4-1
弧隙中的介质恢复过程
近阴极效应
§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；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UFra Baidu bibliotekf0。
§4-1
弧隙中的介质恢复过程
P98
例题：计算弧隙的介质初始恢复强度 Ujf0 。
§4-1
弧隙中的介质恢复过程
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
本章讲授内容 （其中红色内容是重点） 介质恢复过程的概念和 介质恢复强度特性。 2．弧隙上的电压恢复过程 电压恢复过程及电弧参数 对恢复过程的影响。 3．交流电弧的熄灭条件 交流电弧的熄灭条件 计算方法。
1．弧隙中的介质恢复过程
§4-2
弧隙中的电压恢复过程
b）电感性负载：ih落后于u，ih过零时u约为幅值。若 ih 过零后电弧熄灭，电路开断， uhf 将由零跃升到 u 的幅值 （理想情况下），然后再按工频电压变化，故 uhf 常含有暂
态分量，其上升速度比 a）的快得多。
c）电容性负载：ih超前于u。当ih过零时u是幅值，电 容C被充电到u的幅值。电弧熄灭后，C将保持该电压。uhf在 电流过零后其值为零，然后随着 u 变化逐渐增大。当 u 达反 向幅值时，uhf达u幅值的两倍，不含暂态分量，其稳态分量
为直流电压与工频电压之和，并且uhfmax≈2ugp。
§4-2
弧隙中的电压恢复过程
4. 举例说明：以开断电感性负载时弧隙的 Uhf 为例进行分析。 Uhf的稳态分量即工频恢复电压。Ih过零瞬间，工频恢 复电压的瞬时值Ugo： U 式中
g0
U gm sin 2K xU sin
U gm：工频恢复电压的幅值；
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：电流过零后，当弧隙两端电压极性改变 时，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 ）， 即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。
§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。 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。
§4-1
弧隙中的介质恢复过程
2 ）当弧柱温度在 3000 ～ 4000℃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。
u jf f (t )
§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。
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 §4-2 弧隙中的电压恢复过程 § 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。
2. 弧柱区的介质恢复过程： 1）当弧柱温度在 3000 ～4000℃以上时，电弧重燃的 物理本质是电弧的Ph>Ps，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
U ：电源电压相电压的有效值；
：被开断电路的电流和电源电压的相位差；
§4-2
弧隙中的电压恢复过程
U gp U
K x ：线路因数， K x
（Ugp是电路开断后加在
弧隙上的工频电压有效值）。对三相电器，Kx取1.5。只有在
超高压电网中由于电源中性点接地，线路发生三相短路时必
伴有接地短路时，Kx取1.3。