《电器学 教学课件 ppt 作者 夏天伟 丁明道 编 _电器学_第二章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电器学 教学课件 ppt 作者 夏天伟 丁明道 编 _电器学_第二章（72页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电器学 第二章 电接触与电弧理论,作者：欧阳森 EPC of SCUT,2019/5/19,2,本章概述,内容要点 电弧 产生原因 性质 熄灭方法 灭弧装置 电弧的优缺点 电接触 本质 触头在各种工作状态下的行为 延长触头寿命和改善触头工作性能的技术措施,2019/5/19,3,本章概述,触头与电弧 接触的过程 触头类型 电弧的形成和性质 触头的寿命 电弧的优缺点,2019/5/19,4,2.1 电接触与触头,电接触 概念 物理现象 触头 结构：两个或以上的导体 基本要求：P35 电阻不大且稳定 分类 连接触头 图21 机械性能；总电阻小；温升；电动力 换接触头 图22 通常意义上的触头,20
2、19/5/19,5,2.1 电接触与触头,触头的四种工作情况及要求 分断状态 过电压防电击穿 断口间隔和爬电距离足够 闭合状态 1）一定过载能力，控制温升； 2）抗电磁斥力和熔焊； 3）接触电阻的长期稳定 理论计算 如何尽量小,2019/5/19,6,2.1 电接触与触头,闭合过程 情况： mv2/2；弹跳过程预击穿引起的短弧 1）弹跳持续时间要短； 2）抗电弧熔焊性好； 分断过程 考虑电弧的破坏影响：触头、绝缘等 要求： 介质恢复强度高，燃弧时间短，过电压低，抗电弧焊。,2019/5/19,7,2.1 电接触与触头,触头的工作要求（开或断） 电动斥力 熔焊材料要求 温升结构 可靠熄灭电弧 多
3、方面，可围绕电击穿、热击穿阶段来分析 触头基本参数 开距、超程、初压力、终压力 接触压力力的全动态过程仿真或试验,2019/5/19,8,2.2 电弧及其产生过程,电弧 触头与电弧形成过程：P36 触头分离触点熔融液态金属桥的形成液体金属沸腾、爆炸触头间隙形成过电压击穿火花放电或电弧电弧熄灭 一种物质形态自然界第四态 本质：能量积聚/泻放过程形成的物质形态 Video 危害： 对系统、设备本身的性能、运行的影响 烧蚀、污染、发热、误动、据动等等 能量泻放 抑止过电压或者设备毁坏，区域电网崩溃,2019/5/19,9,2.2 电弧及其产生过程,电弧形成过程 危害 P37 其他工业和生活的用处 1
4、）气体的电离 电子的稳态 原轨道激励状态(持续0.11us)自由电子 式21 原轨道亚稳态(持续0.110ms) 自由电子 电离和电离能 电离概念 式22,2019/5/19,10,2.2 电弧及其产生过程,电离形式 表面发射 场所： 金属电极表面 种类： 热发射、场致发射、光发射、二次发射等四种形式 空间电离 场所： 触头间隙内 种类： 光电离、热电离、碰撞电离等三种形式,2019/5/19,11,2.2 电弧及其产生过程,各种电离的本质 P3738 热发射：加热，电子克服电场势垒；逸出功 场致发射：强电场使势垒减小 光发射：射线照射金属表面，电子获取能量 二次发射：粒子高速撞击 光电离 热
5、电离 碰撞电离：主要是电子,2019/5/19,12,2） 电离及其形式,消电离概念 P38 消电离形式 复合 概念： P38 形式： 表面复合 空间复合 复合概率：气体性质及纯度 惰性气体、氢气、氮气等不会负荷 SF6等极强的俘获电子的能力 能量过程： (中性)粒子增速；光量子辐射 扩散,2019/5/19,13,3）气体放电过程,原因及图24 OD非自持放电阶段 无自由电子，直至有外界作用 D以后自持放电阶段 各种电子较多，可形成持续放电 击穿电压Ub决定自持放电的主因 CE：汤逊放电区（无光放电、黑暗放电） EF：过渡阶段，辉光 电流增大、电离增强，维持放电所需电压下降 FG：辉光布满阴
6、极表面 电流增大、电流密度稳定、阴极区电压降稳定 GH：异常辉光放电阶段 电流和电流密度皆增大 H以后：弧光放电阶段 电流密度和温度极高，热电离为主,2019/5/19,14,2.2 电弧及其产生过程,电弧的外观与本质 图25 Aanode Ccathode 阴极斑点 温度极高（气化温度）、电流密度极高 在自身磁场作用下运动 阳极斑点,2019/5/19,15,2.2 电弧及其产生过程,近阴极区、近阳极区 两极区的电压降与电流无关，20V 弧柱 其内部气体全部电离 等离子区：正负带电粒子电量相等 电场强度近乎恒值 图25 电弧本质 自持放电的一种形式 P41,2019/5/19,16,2.3
7、电弧的特性和方程,电压方程 式24 近极区压降 电场强度分布 图26 直流电弧的伏安特性 图27 该特性虽有各种经验公式，但最好由实验确定 负阻特性 电流增大，而电弧电压降低 增大的电流使热电离加剧，离子浓度增大，维持稳定燃弧所需电压降低,2019/5/19,17,直流电弧的伏安特性,图27的伏安特性分析 曲线1中，设I2对应的电阻为R12，I1对应的电阻为R11；同理，设曲线2中，I2对应R22 方向：电流在曲线1上减小到I1，在曲线2上增加到I2 在曲线2上，是假定电流从I1减小到I2，而由于电弧的热惯性，有R22R11； 又由于负阻特性，有R11I2R11 所以，曲线2在曲线1的下方,2
8、019/5/19,18,直流电弧的伏安特性,直流电弧的静态和动态伏安特性 图27中，参数为Uh、Ih，而Ih随时间t的变化情况决定了直流电弧的特性 当电流随时间缓慢变化时，有静态伏安特性 静态伏安特性只有一条：曲线1 经验公式： 当电流随时间有一定速度的变化时，形成动态伏安特性：P78图320 速度无限大时，曲线03：dIh/dt=无限大 Ih变化期间，弧柱的温度、直径不变 动态特性有无数条：曲线1和曲线3之间，如曲线2,2019/5/19,19,直流电弧的伏安特性,分析动态伏安特性 静态伏安特性 曲线1 动态伏安特性 曲线2 电流从I2I3时 若快速变化，则从曲线2方向变化 电弧变化滞后，电
9、阻维持较大 静态特性中的电弧电阻变小（弧柱变粗） 在I3时，快速趋向曲线1相应点 若瞬态变化，则沿曲线3方向 在I3时，快速趋向曲线1相应点 根据电流变化速度的不同，曲线2在1和3之间动态变化，谓之动态伏安特性,2019/5/19,20,直流电弧的伏安特性,起弧条件 表22 燃弧电压、燃弧电流、电极材料、间隙介质等相关,2019/5/19,21,交流电弧的伏安特性,交流电弧的伏安特性 图28 前提： 灭弧作用不太强烈，即电流过零期间，电弧电阻始终为一有限值 只有动态伏安特性交流变化的电流 原点对称伏安特性两次交流过零点 可以用下一小节“电弧的能量平衡”解释 图29 电阻性负载：电压电流同相位
10、电感性负载：电流i落后于电压u相位90度； 注意弧压升高到击穿阶段 注意负阻特性,2019/5/19,22,2.3 电弧的特性和方程,电弧的能量平衡 电弧功率计算 电弧电压公式25 电弧功率公式26 短弧：U0占主导地位金属件散热 长弧：UA占主导地位弧柱散热 电弧的动态热平衡方程 式27 电弧的熄灭取决于PA和Pd 灭弧指导,2019/5/19,23,2.3 电弧的特性和方程,用“电弧的能量平衡”解释图28 0A段 Ih过零期间，PA0 ，此时dQA/dt=-Pd 弧柱变冷、变细，Rh增大，因而0A段斜率（电阻）较大 AB段 Ih增大，PA增大，一直到dQA/dt0 那么弧柱变热、变粗，Rh
11、迅速下降 Rh的下降速度和ih的上升速度形成AB段 BC段 Ih减小，UA沿曲线BC上升 但弧柱的热惯性使得曲线BC比AB低（图27） C0段 Rh的上升。 特殊点： A燃弧尖峰 C熄弧尖峰,2019/5/19,24,2.4 直流电弧及其熄灭,电路模型图213 电压平衡方程：式28 图解 210 横线是电源电势U 曲线1为静态伏安特性 曲线2为U-iR特性 曲线2与横线U之间的夹角为,2019/5/19,25,2.4 直流电弧及其熄灭,两个稳定点 虚假稳定点A 真正稳定点B AB之间，有Ldi/dt0,2019/5/19,26,2.4 直流电弧及其熄灭,熄弧方法（根据图210及其解释） 电弧伏
12、安特性上移，至稳定点2不存在为止 根据式25 增大近极压降 图212 d）的方法：长弧短弧 增大电弧长度 图212的方法 增大弧柱电场强度E 增大气体介质压强、速度、材料等等 增大电弧电阻 拉长电弧、冷却等 增大回路电阻 斜直线的角变大，至稳定点2不存在为止,2019/5/19,27,2.4 直流电弧及其熄灭,直流电弧熄弧/分断电路时的过电压 那么： 1）L越大，过电压越高（储能多）； 2）熄弧速度越快，过电压越高,2019/5/19,28,2.4 直流电弧及其熄灭,灭弧措施及图213 灭弧强度 过强则导致高的过电压 过低则延长灭弧时间，甚至灭弧失败 213 a）负载并联电阻 熄弧后回路方程：
13、,其他情况,2019/5/19,29,2.4 直流电弧及其熄灭,理论上：增大与负载并联的电阻Rs可减小I0，以减小可能的过电压 但增大了正常情况下的功率损耗 213 b） 二极管：避免正常时的功率损耗 此时可采用较大的Rs 213 c） 双断口以降低过电压 C1为主灭弧机构 C2为辅助灭弧机构 电阻Rs用于减小电弧电流（减少电感中的能量） C2较弱的灭弧能力使熄弧过程延长，防止高的过电压产生,2019/5/19,30,2.5 交流电弧及其熄灭,电弧熄灭原理 直流电弧 方法： 电弧伏安特性上移 拉长电弧冷却 增大弧阻和弧压 特点：电流过零熄灭 交流电弧 电流过零时的两种竞争过程 图214 介质恢
14、复过程 弧隙电压恢复过程 特点：每工频周期存在两个过零点 共同点：提高介质恢复强度,2019/5/19,31,2.5 交流电弧及其熄灭,介质恢复过程 了解近阴极区和弧柱区的不同 1）近阴极区的介质恢复 图215 近阴极效应 由于电子移动速度快，故介质恢复过程快：0.11us 过零前后，电极位置互换，电子速度快于正离子，浓度的变化使得在新阴极表面的场致发射很弱甚至没有 温度低于热电离温度 金属栅截割电弧 短弧灭弧原理 综合利用两者灭弧的方法,2019/5/19,32,2.5 交流电弧及其熄灭,近阴极区的电场和电位分布 假定在x=l处E=0 正离子和电子浓度一样 泊松方程 图215 b） n: 电
15、荷的数密度；: 介电常数 假定x=0处U=0 对泊松方程进行x的积分： x=l时有最大值：,2019/5/19,33,2.5 交流电弧及其熄灭,2）介质恢复过程的弧柱区 零休时间 电弧电流自然过零前后数十微秒内 电弧电阻并非无穷大 残存带电粒子形成剩余电流 电源仍向弧隙输送能量 热击穿及热击穿阶段 弧隙能量获取大于散发 电击穿及其阶段 弧隙间电压足够高,2019/5/19,34,2.5 交流电弧及其熄灭,弧隙电压恢复过程 恢复电压 稳态恢复电压直流和工频 暂态恢复电压 不同性质电路的分断 图216 电阻性：只有稳态分量 电压电流同相位 电感性负载：电流i落后于电压u相位90度； 电流为零时，电
16、压处于幅值最大时刻,2019/5/19,35,2.5 交流电弧及其熄灭,电容性负载：电流i超前于电压u相位90度； 注意： 虚线为电容电压Uc 实线在过零前是电弧电流i，过零后为电弧电压Uhf 因为电弧电流过零后，且电弧熄灭，故 电容电压达到最大 电容和电源隔离，无放电回路，电容电压不变 电流过零电弧后，电源电压继续变化，使Uhf最终达到最大为两倍的电源幅值 选择：电感性为设计、试验代表,2019/5/19,36,2.5 交流电弧及其熄灭,电感性弧隙恢复电压分析 假设条件：电阻为零，且过程极短暂 解特征：工频暂态量稳态量Ugm 实际上，电弧总存在等效并联电阻和电容，则有：,2019/5/19,37,2.5 交流电弧及其熄灭,根据解的实根或虚根情况，有两种恢复电压曲线 共同点：恒定量Ugm暂态分量 实根：存在暂态衰减量 虚根：存在单
