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1、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
2、过程的影响； 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） 1弧隙中的介质恢复过程 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。,第四章 交流电弧的熄灭原理,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
3、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. 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 述,二、两过程在“竞赛”,概 述,一、介质恢复过程的概念： 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/
4、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,4-1 弧隙中的介质恢复过程,近阴极效应,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Ujf0。,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,2. 弧柱区的介质恢复过程： 1）当弧柱温度在30004000以上时，电弧重燃的物理本质是电弧的PhPs，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
5、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：,4-1 弧隙中的介质恢复过程,2）当弧柱温度在30004000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。,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
6、，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,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。,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
7、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。,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
8、之和，并且uhfmax2ugp。,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： 式中 ：工频恢复电压的幅值； ：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,：线路因数， （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。,4-2 弧隙中的电压恢复过程,二、弧隙为理想弧隙时，弧隙上的电压恢复过程： 1. 理想弧隙
9、的条件：电流过零前，电弧电阻等于零；电流过零后，电弧电阻立即变为无穷大。 先作二点简化： （1） 电网短路电流过零时，设电路总的电阻为零，则电流过零时，工频恢复电压的瞬时值为 （2）在电压恢复过程中，因时间短，则令电源电压,4-2 弧隙中的电压恢复过程,4-2 弧隙中的电压恢复过程,4-2 弧隙中的电压恢复过程,2. 开断单频电路（只有一个L-R-C电路）时，弧隙上的电压恢复过程： 1）见教材图4-12。,单频电路（只有一个L-R-C电路）及其等效电路。,4-2 弧隙中的电压恢复过程,2）设电源容量无限大，在其不远处发生短路。 弧隙上的恢复电压uhf经推导计算，得： 式中 ：弧隙K中电流过零后
10、的恢复电压； 其中 ：电路固有衰竭系数； ：电路固有振荡角频率。,4-2 弧隙中的电压恢复过程,3）当R取不同值时，uhf的变化情况如下： （1）设 ，式中电路固有衰减系数，电路的固有衰减 角频率，结合欧拉公式，得： 波形图见教材图4-13，uhf由恒定分量（工频分量）和暂态分量组成。,4-2 弧隙中的电压恢复过程,4-2 弧隙中的电压恢复过程,（2）设 ，有 式中 ，则整理得恢复电压为： Uhf的波形图见教材图4-14。,4-2 弧隙中的电压恢复过程,4-2 弧隙中的电压恢复过程,5） 高压开关电器：国标规定用恢复电压峰值Uc和峰值时间ts表示其特征，图见教材图4-15。 求法：过原点O作一
11、直线OB和uhf曲线相切，过uhf曲线的峰值作一水平线AC与OB相交于A点，A点坐标即为（t3，Uc）。 标准还规定用时延td参数描述uhf曲线起始上升部分的凹度。 求法：在OA右方作一与之平行的直线和曲线的凹部相切，此切线与横坐标交点的时间值即为td。,4-2 弧隙中的电压恢复过程,4-2 弧隙中的电压恢复过程,3、开断多频电路时，弧隙上的电压恢复过程： 电路图见教材图4-16的a图。,4-2 弧隙中的电压恢复过程,1）变压器T的一次侧短路： 短路电流由S1断开。 等效电路见图4-16的b图。 当S1断开后，电路分裂为二个振荡回路L1-C1-R1和L2-C2-R2，故uhf包含二个频率的暂态
12、分量。,4-2 弧隙中的电压恢复过程,设R1=R2=，则： 式中 ， 。 例/P109 求双频振荡的恢复电压。,4-2 弧隙中的电压恢复过程,3）对多频电路的恢复电压，常用第一波幅值U1、第一波幅时间t1、峰值Uc和峰值时间t2四个参数表示，此方法称为四参数法。见教材图4-20。 求法：从原点O作一直线OB与uhf曲线相切，又作一水平线AC与uhf曲线的峰值相切，再作一斜线AB与uhf曲线在D点相切并交直线OB于B点，交直线AC于A点。直线AB的斜率应使得在D点的两边、uhf曲线与直线AB、OB、AC所构成的带阴影的面积相等，则B点的坐标为（t1，U1），A点的坐标为（t2，Uc）。,4-2 弧隙中的电压恢复过程,另外，用时延td描述uhf曲线起始上升部分的凹度的求法同单频。,4-2 弧隙中的电压恢复过程,4）在开断理想电路时，弧隙恢复电压的幅值和波形只与电路参数有关，称为电路的固有恢复电压。 我国低压电器基本标准中规定，试验中固有振荡频率f0（KHz）和固有振荡因数0为： 式中，I0：控制电器的开断电流（有效值），单位A； Un：被开断电路的额定电压，单位为V；,4-2 弧隙中的电压恢复过程,4-2 弧隙中的电压恢复过程,
