第六章-1电弧基本理论-good

一、电弧的基本理论
（一)电弧的产生、维持及物理过程 电弧的产生、 2.电弧的形成过程总结 2.电弧的形成过程总结 阴极在强电场作用下发射电子。 阴极在强电场作用下发射电子。发射的电子 强电场作用下发射电子 在触头电压作用下产生碰撞游离，就形成了电弧。 在触头电压作用下产生碰撞游离，就形成了电弧。 高温作用下 阴极产生热发射， 作用下， 在高温作用下，阴极产生热发射，并在介质中发 生热游离，使电弧维持和发展， 生热游离，使电弧维持和发展，这就是电弧形成 的过程。 的过程。
一、电弧的基本理论
(二)熄灭交流电弧的物理过程 决定交流电弧熄灭的基本因素是“ 决定交流电弧熄灭的基本因素是“弧隙介质强度的恢复 过程" 弧隙电压的恢复过程” 过程"和“弧隙电压的恢复过程”。 弧隙介质强度的恢复过程—— 弧隙介质强度的恢复过程——绝缘能力恢复过程 ——绝缘能力恢复过程 电弧电流过零时，输入弧隙的能量减少，弧隙温度剧降， 电弧电流过零时，输入弧隙的能量减少，弧隙温度剧降， 因而弧隙游离程度也下降。 因而弧隙游离程度也下降。当弧隙温度降低到热游离基 本停止时，弧隙重新转变为介质状态。此时， 本停止时，弧隙重新转变为介质状态。此时，虽然不会 出现热击穿而重燃， 出现热击穿而重燃，但是弧隙的绝缘能力或称介质强度 (以弧隙能耐受的电压表示)要恢复到正常状态仍需要一 以弧隙能耐受的电压表示) 定时间，此称为“弧隙介质强度的恢复过程” 定时间，此称为“弧隙介质强度的恢复过程”。
一、电弧的基本理论
（一)电弧的产生、维持及物理过程 电弧的产生、 1．弧柱中自由电子的来源 A．电极发射大量自由电子，对电弧的产生起决定作用。 电极发射大量自由电子，对电弧的产生起决定作用。 热电子的发射：动静触头分离时，触头间接触电阻增大， 热电子的发射：动静触头分离时，触头间接触电阻增大， 接触处大量发热，使阴极表面温度升高而发射电子。 接触处大量发热，使阴极表面温度升高而发射电子。其 数量取决于胜头材料和表面温度。 数量取决于胜头材料和表面温度。 冷电子发射(强电场发射) 动静触头分离时， 冷电子发射(强电场发射)：动静触头分离时，触头间的 间隙很小，触头间会形成很高的电场强度， 间隙很小，触头间会形成很高的电场强度，将阴极触头 金属表面中的自由电子从中拉出来。 金属表面中的自由电子从中拉出来。其数量取决于电场 强度的大小。 强度的大小。
第六章 电气设备的原理与选择
一、电弧的基本理论
电弧是一种气体游离放电现象。 电弧是一种气体游离放电现象。 能量集中，温度很高，亮度很强 能量集中，温度很高， 三部分组成：阴极区、 三部分组成：阴极区、阳极区和弧柱区 电弧的气体放电是自持放电，维持电弧稳定燃烧的电压 电弧的气体放电是自持放电， 很低 电弧是一束游离的气体， 电弧是一束游离的气体， 质量极轻，容易变形。在气 质量极轻，容易变形。 体或液体的流动作用下， 体或液体的流动作用下，或 在电动力的作用下， 在电动力的作用下，电弧能 迅速移动，伸长或弯曲。 迅速移动，伸长或弯曲。
一、电弧的基本理论
（一)电弧的产生、维持及物理过程 电弧的产生、 1．弧柱中自由电子的来源 B．弧柱区的气体游离，产生大量的自由电子和离子，对 弧柱区的气体游离，产生大量的自由电子和离子， 电弧的形成和维持起决定作用。 电弧的形成和维持起决定作用。 游离是指中性质点变成自由电子和正离子的过程 电场游离（碰撞游离）：在电场作用下．电子加速向阳 ）：在电场作用下 电场游离（碰撞游离）：在电场作用下． 极运动．途中与介质中的中性质点发生碰撞。 极运动．途中与介质中的中性质点发生碰撞。若自由电 子具有足够动能．就能与中性质点产生碰撞游离， 子具有足够动能．就能与中性质点产生碰撞游离，使其 游离为正离子和自由电子。这样的过程连续进行导致雪 游离为正离子和自由电子。 崩式碰撞．使触头间充满了自由电子。 崩式碰撞．使触头间充满了自由电子。在外加电压作用 下形成电子流，介质被击穿而形成电弧。 下形成电子流，介质被击穿而形成电弧。
一、电弧基本理论
(二)熄灭交流电弧的物理过程 熄灭交流电弧的物理过程
因此，在电弧电流过零后，存在着两个相互联 因此，在电弧电流过零后， 系的对立过程。在恢复过程中， 系的对立过程。在恢复过程中，如果恢复电压高 于介质强度弧隙被电击穿，电弧重燃； 于介质强度弧隙被电击穿，电弧重燃；如果恢复 电压低于介质强度，电弧就会真正熄灭。 电压低于介质强度，电弧就会真正熄灭。 弧隙介质强度的恢复过程：以耐受电压Ud(t)表示 弧隙介质强度的恢复过程：以耐受电压U (t)表示 弧隙电压的恢复过程：以弧隙电压Ur(t)表示 弧隙电压的恢复过程：以弧隙电压U (t)表示 交流电弧熄灭的条件： 交流电弧熄灭的条件：Ud（t）>Ur（t） >Ur
一、电弧的基本理论
（一)电弧的产生、维持及物理过程 电弧的产生、 3.去游离过程（带电质点减少） 3.去游离过程（带电质点减少） 去游离过程
在电弧中，发生游离过程的同时还进行着使带 在电弧中， 电质点减少的去游离过程。 电质点减少的去游离过程。 游离过程>去游离过程：电弧电流增大， 游离过程>去游离过程：电弧电流增大，炽热燃烧 游离过程=去游离过程：电弧电流不变， 游离过程=去游离过程：电弧电流不变，稳定燃烧 游离过程<去游离过程：电弧电流减小， 游离过程<去游离过程：电弧电流减小，最终熄灭 因此，要想使电弧熄灭，就必须设法加强去游离 因此，要想使电弧熄灭， 过程，使其大于游离过程。 过程，使其大于游离过程。
一、电弧的基本理论
(二)熄灭交流电弧的物理过程 交流电弧的特性
如果在电流过零电弧自然 熄灭时，采取有效措施加 熄灭时， 强弧隙的冷却． 强弧隙的冷却．使弧隙介 质的绝缘能力达到不会被 弧隙外加电压击穿的程度， 弧隙外加电压击穿的程度， 则在下半周电弧就不会重 燃而最终熄灭。 燃而最终熄灭。
电弧电压、电流波形 电弧电压、
一、电弧的基本理论
（一)电弧的产生、维持及物理过程 电弧的产生、 触头的周围原本是空气或它绝缘介质。 触头的周围原本是空气或它绝缘介质。 为什么在动静触头分离瞬间会变成导电的电弧呢? 为什么在动静触头分离瞬间会变成导电的电弧呢? 原因就在于在绝缘介质 原因就在于在绝缘介质 中出现了大量的自由电子。 中出现了大量的自由电子。 大量自由电子由阴极向阳极 的定向运动形成了电弧。 的定向运动形成了电弧。
一、电弧的基本理论
(二)熄灭交流电弧的物理过程 熄灭交流电弧的物理过程 决定交流电弧熄灭的基本因素是 决定交流电弧熄灭的基本因素是“弧隙介质强 度的恢复过程" 弧隙电压的恢复过程” 度的恢复过程"和“弧隙电压的恢复过程”。 弧隙电压的恢复过程 电弧电流过零后． 电弧电流过零后．弧隙电压将由熄弧电压经 过一个由电路参数所决定的振荡过程，逐渐恢 过一个由电路参数所决定的振荡过程， 复到电源电压，此称为“ 复到电源电压，此称为“弧隙电压的恢复过 程”。
一、电弧基本理论
(二)熄灭交流电弧的物理过程 熄灭交流电弧的物理过程
介质强度和弧隙电压的恢复过程图示 (a)在t1时刻发生 (a)在t1时刻发生 击穿． 击穿．电弧重燃 (b)电弧熄灭 (b)电弧熄灭 (c)电弧熄灭 (c)电弧熄灭
弧隙介质强度的恢复过程 介质强度的恢复过程与下列因素有关： 介质强度的恢复过程与下列因素有关： 电弧电流的大小（电弧温度） 电弧电流的大小（电弧温度） 弧隙的冷却条件(灭弧装置的结构) 弧隙的冷却条件(灭弧装置的结构) 灭弧介质的特性（SF6气体和真空介质） 灭弧介质的特性（SF6气体和真空介质） 气体和真空介质 触头分离的速度（电阻） 触头分离的速度（电阻） 近阴极效应：交流低压电器常利用近阴极效应来灭弧 近阴极效应：交流低压电器常利用近阴极效应来灭弧 150～250伏的起始介质强度（0.1微秒 微秒）。 150～250伏的起始介质强度（0.1微秒-1微秒）。 微秒伏的起始介质强度 在电流过零后在阴极附近的薄 层空间介质强度突然升高的现象。
一、电弧的基本理论
（一)电弧的产生、维持及物理过程 电弧的产生、 3.去游离过程 3.去游离过程 利用各种方法， 利用各种方法，人工地强迫冷却电弧的内 部和表面，不仅可增强复合去游离的速度， 部和表面，不仅可增强复合去游离的速度，同 时也能增强扩散去游离的强度， 时也能增强扩散去游离的强度，使电弧很快熄 灭。
一、电弧的基本理论
(二) 熄灭交流电弧的物理过程 交流电弧的特性
一、电弧的基本理论
(二)熄灭交流电弧的物理过程 交流电弧的特性
随着正弦交流电流的 周期性变化，交流电 周期性变化， 弧电流也将随之每半 周过零一次。 周过零一次。
电弧电压、电流波形 电弧电压、
*在电弧电流自然过零时，电弧向弧隙输送能量减少，电 在电弧电流自然过零时，电弧向弧隙输送能量减少， 弧温度和热游离下降，电弧将自动暂时熄灭。 弧温度和热游离下降，电弧将自动暂时熄灭。
高压断路器熄灭电弧的基本方法
1．采用特殊金属材料作灭弧触头 电弧中的去游离强度很大程度上取决于觚头 材料。若采用熔点高， 材料。若采用熔点高，导热系数和热容量大的耐 高温金属作触头材料， 高温金属作触头材料，可以减少热电子发射和电 弧中的金属蒸气，抑制游离作用。同时， 弧中的金属蒸气，抑制游离作用。同时，触头材 料还要求有较高的抗电弧，抗熔焊能力。 料还要求有较高的抗电弧，抗熔焊能力。 常用的触头材料有：铜钨合金，银钨合金。 常用的触头材料有：铜钨合金，银钨合金。
弧隙电压的恢复过程分析 （毫秒内的变化） 毫秒内的变化） 1. 单相交流电路的电压恢复过程 电容电压的恢复过程即为断路器触头 电容电压的恢复过程即为断路器触头 两端的电压恢复过程
2. 三相交流电路的电压恢复过程
三相断路器开断三相短路电流， 三相断路器开断三相短路电流，首先开断的一相触头两端的恢复电压 最为严重，其工频恢复电压有效值为相电压的1.5倍 最为严重，其工频恢复电压有效值为相电压的 倍；后两相在经过 0.005S后开断，此时工频恢复电压为线电压的一半（0.866倍相电压） 后开断， 倍相电压） 后开断 此时工频恢复电压为线电压的一半（ 倍相电压
一、电弧的基本理论
（一)电弧的产生、维持及物理过程 电弧的产生、 1．弧柱中自由电子的来源
B．弧柱区的气体游离．产生大量的自由电子和离子．对 弧柱区的气体游离．产生大量的自由电子和离子． 电弧的形成和维持起决定作用。 电弧的形成和维持起决定作用。 游离是指中性质点变成自由电子和正离子的过程
热游离：电弧形成后，触头间电压立刻降低， 热游离：电弧形成后，触头间电压立刻降低， 但弧柱的温度很高。 但弧柱的温度很高。处于高温下的介质分子和 原子产生剧烈运动，不断发生碰撞， 原子产生剧烈运动，不断发生碰撞，也会游离 出自由电子和离子(这就是热游离过程) 出自由电子和离子(这就是热游离过程)，可以 维持电弧的燃烧。 维持电弧的燃烧。 的燃烧
一、电弧的基本理论
（一)电弧的产生、维持及物理过程 电弧的产生、 3.去游离过程 3.去游离过程
A．复合去游离：带电质点的电荷彼此中和的现象。电子 复合去游离：带电质点的电荷彼此中和的现象。 碰撞中性质点— 碰撞中性质点—速度慢的负离子与正离子中和 复合去游离进行的快慢与弧隙电场强度的大小、电弧 复合去游离进行的快慢与弧隙电场强度的大小、 的温度及电弧的表面积有关。 的温度及电弧的表面积有关。 B.扩散去游离 B.扩散去游离：弧柱中的自由电子和正离子由于热运动 扩散去游离： 而从弧柱内部逸出进入周围冷介质的现象。 而从弧柱内部逸出进入周围冷介质的现象。 浓度扩散；温度扩散；高速冷气吹弧。 浓度扩散；温度扩散；高速冷气吹弧。
弧隙电压的恢复过程 弧隙电压的恢复过程与线路参数和负荷性质有关。 弧隙电压的恢复过程与线路参数和负荷性质有关。 弧隙电压的恢复过程可能是周期性或非周期性的 弧隙电压的恢复过程可能是周期性或非周期性的。
周期性振荡过程
非周期性过程
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恢复电压： 恢复电压：瞬变恢复电压和工频恢复电压组成 瞬变恢复电压： 瞬变恢复电压：首先出现 存在几十微秒至几毫秒 暂态分量 工频恢复电压：恢复电压稳态值 工频恢复电压：