《电器学原理 教学课件 ppt 作者 曹云东 04气体放电的物理基础3》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电器学原理 教学课件 ppt 作者 曹云东 04气体放电的物理基础3（28页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电弧的基本特性,1. 为了提高气体间隙的击穿电压，可以采用负电性高的气体，如含氟（F）气体。为什么？ 2. 在大气中自由燃弧的条件下，一个电极间能否存在两个并联稳定燃烧的电弧？为什么？ 3. 电弧电阻和金属导体电阻的伏安性质存在哪些不同? 为什么？ 4. 为什么电弧具有负伏安特性？ 5. 开关电器分断直流电弧电流时，如果被开断电路中的电感量很大，则不应采用过分强烈的灭弧措施。为什么？,4.2 电弧的物理特性,1. 开关电器开断电路时电弧的产生过程,触头分开做分离运动,接触面积逐渐减小,接触处的电流密度逐渐增大,金属强烈发热。,触头分开瞬间，,接触处的金属先是熔化,形成液态金属桥。,一部分变成蒸
2、汽进入触头间隙中。,炽热的金属表面加剧了电子的热发射。,触头间的电场强度极高,阴极表面将产生高电场发射。,这两种发射使大量的电子从阴极表面进入弧隙，它们在电场的作用下，弧隙中产生更多的电子和大量的正离子。 电子进入阳极与正电荷复合放出能量并加热阳极表面。 正离子奔向阴极，一方面在阴极附近产生高的电场和轰击阴极，一方面与阴极区的电子进行复合并释放能量加热阴极以维持电子的热发射。,HOME,4.2 电弧的物理特性,一部分正离子和电子在弧隙空间复合，放出能量以光的形式进行辐射或增加气体粒子的热运动。 弧隙中气体温度迅速升高，热电离越来越起主要作用，气体中带电粒子数越来越多，气体电导率越来越大，弧隙两
3、端的电压越来越低，直至电弧进入稳定燃烧。,HOME,4.2 电弧的物理特性,2. 电弧近极区和弧柱区的特性,电弧压降沿弧长并非均匀分布，而是分成三个区域：,近阴极区 C,近阳极区 A,弧柱区 Z,HOME,0,x,阴极,阳极,Uh,Eh,Uc,Uz,Ua,Uh,l,Uh,Eh,C,Z,A,4.2 电弧的物理特性,1）近阴极区,此处电场强度很高（平均达103104V/mm），对加速正粒子向阴极运动、轰击阴极表面以产生二次发射和形成场致发射起着重要的作用。,2）近阳极区 长度约为阴极区的几倍。,阳极压降Ua,阴极压降Uc,3）弧柱区 此区域内的电离气体中，正负带电粒子数相等。,等离子体,不存在空间
4、电荷，弧柱区的特性类似金属电阻，即每一单位长度上的压降基本相等，电场强度E沿弧长可以看作是常数。,HOME,长度约等于电子的平均自由行程（10-4cm）。,4.2 电弧的物理特性,弧柱区的电阻为：,Uz 弧柱电压降； Ih 流过电弧的电流。,电弧电压为：,式中：U0 近极压降，,E 弧柱的电场强度； l 电弧长度（近似等于极间距离）。,HOME,4.2 电弧的物理特性,电弧电阻为：,短弧： 极间距离很小，弧柱压降可以忽略不计，短弧的电弧电压几乎和电流无关； 长弧： 极间距离很长，Uz U0，长弧的电弧电压近似与 E 成正比。,HOME,4.2 电弧的物理特性,电弧的动态能量平衡方程：,Wh 电
5、弧所含的热能； Ph、PS 电弧功率、散发功率。,（1） PhPS，则Wh 逐渐增多。于是弧柱趋于温度增高和直径扩大，即电弧燃烧趋向炽烈； （2） PhPS，则Wh 逐渐减少。于是弧柱趋于温度降低和直径缩小，即电弧趋向熄灭； （3） Wh 保持不变，弧柱的温度和直径也保持不变，即电弧处于稳定燃烧状态。,HOME,4.3 直流电弧的特性和熄灭原理,1.直流电弧的静态和动态伏安特性,HOME,直流电弧伏安特性测量电路,E,R,Uh,Ih,UR,4.3 直流电弧的特性和熄灭原理,直流电弧的伏安特性,HOME,Uh,0,Ih,l1,l2,l2 l1,4.3 直流电弧的特性和熄灭原理,直流电弧静态伏安特
6、性具有和一般金属导体不同的性质，即当Ih增大时，Uh减小。 电弧电阻Rh 是随着Ih的增大而减小的。 Why? Ih 增大时，输入电弧的功率IhUh增加，于是弧柱的温度升高，直径增大，因而使Rh剧烈下降。 影响直流电弧的静态伏安特性主要因素: 电弧电流、电弧长度、电极材料、气体介质种类、压力和介质相对于电弧的运动速度等。,HOME,电弧具有热惯性,电弧动态伏安特性,4.3 直流电弧的特性和熄灭原理,直流电弧的动态伏安特性,HOME,Uh,0,Ih,I1,I2,I3,A,B,1,2,3,4,5,6,7,4.3 直流电弧的特性和熄灭原理,2.直流电弧的熄灭原理 1)稳定燃烧点,HOME,E,R,U
7、h,Ih,UR,UL,L,4.3 直流电弧的特性和熄灭原理,HOME,Uh,0,Ih,I1,I2,B,A,C,D,UR,Uh,E,1,2,稳定燃烧点：2,4.3 直流电弧的特性和熄灭原理,2)直流电弧的熄灭条件,不存在电弧的稳定燃烧点。,3)直流电弧的熄灭措施,(1) 增大线路电阻R； (2) 提高电弧静态伏安特性；,(3) 人工过零的方法。,HOME,Uh,0,Ih,B,A,C,D,D,A,B,E,4.3 直流电弧的特性和熄灭原理,增大近极压降U0 采用金属栅片灭弧室。,n 串联的短弧数； l 全部短弧的长度之和。,HOME,提高电弧静态伏安特性,4.3 直流电弧的特性和熄灭原理,(2) 增
8、大电弧长度l, 用机械方法增加触头之间的距离；, 依靠导电回路自身的磁场或外加磁场使电弧横向拉长；,HOME,4.3 直流电弧的特性和熄灭原理, 在磁场作用下，使弧根在电极上移动以拉长电弧。,HOME,4.3 直流电弧的特性和熄灭原理,(3) 增大弧柱电场强度E, 增高气体介质的压力p ；, 增大电弧与流体介质之间的相对运动速度 。,电弧与流体介质之间相对运动的方式： a) 使电弧在磁场作用下在静止的流体介质中横向运动； b) 利用高速运动的流体介质横吹或纵吹电弧。, 使电弧与耐弧的绝缘材料密切接触，依靠后者对电弧的冷却作用以及其表面对带电粒子复合能力的加强，使E增大。,HOME,4.3 直流
9、电弧的特性和熄灭原理,熄灭直流电弧的人工过零方法,HOME,4.3 直流电弧的特性和熄灭原理,3. 直流电弧的能量和燃弧时间 1)燃弧时间trh 从开关电器触头分开产生电弧起到电弧熄灭为止的时间。 2)直流电弧不能立即熄灭的原因 弧柱具有热惯性； 电路存在电感。,整个燃弧期间, 电感中储存的能量不能返回到电源，而必须泄放到弧隙中。,HOME,4.3 直流电弧的特性和熄灭原理,电感对直流电弧的影响： (1) 电感越大，其中储能越多，要使得电弧熄灭必须泄放的能量也越多，故电弧难以熄灭； (2) 电感中能量的泄放需要一定的时间，由于存在电感，电弧不能立即熄灭。,4. 直流电弧熄灭时的过电压 1）过电
10、压 电路中不可避免地存在一定的电感，当燃弧时间过短，亦即电弧电流从某一起始值下降到零的速度过快时，电感中将产生很大的自感电势 。它连同电源电势一起加在弧隙两端以及与之相连的线路和电气设备上，其电压可能比电源电压大好多倍，通常称之为过电压。,HOME,4.3 直流电弧的特性和熄灭原理,2）过电压的危害 一方面可能击穿弧隙，使电弧继续燃烧； 另一方面，可能将电气设备的绝缘击穿，引起破坏性事故。 在直流电路中，如没有采取措施限制过电压的数值，则不可以过分减少燃弧时间。 3）过电压的计算 加在弧隙两端的过电压：,在Ih0时，Uh最高，亦即此时过电压Ug最大，所以Ug为,HOME,4.3 直流电弧的特性
11、和熄灭原理,(1) L越大，Ugmax越大，因而一般需将电弧拉得越长才能熄灭； (2) 电弧电流趋近于零时的下降速度越快，亦即弧隙的消电离作用越强，则Ugmax越大。 所以，在未采取限制过电压措施时，采用消电离作用过分强烈的灭弧方法，非但无益，反而可能有害。,HOME,4.3 直流电弧的特性和熄灭原理,4）截流过电压 (1)截流现象 在弧隙的消电离作用过分强烈的情况下，甚至可能发生电弧电流小到某一数值时，由于弧隙中电离气体被强行吹走、电弧电流被强行截断的情况。 (2) 截流过电压的计算 设电流被截断时的瞬时值为I0，此时弧隙两端的电压U0，则按能量平衡原理,在最不利的情况下，弧隙两端的过电压峰值：,HOME,4.3 直流电弧的特性和熄灭原理,5）限制过电压的措施,HOME,4.3 直流电弧的特性和熄灭原理,HOME,电弧的基本特性,思考题 6. 影响直流电弧的静态伏安特性的主要因素有哪些？ 7. 试列出直流电路方程，并叙述直流电弧的熄灭条件。 8. 阐述提高直流电弧静态伏安特性的措施 。 9.从电量平衡的观点解释，怎样才能熄灭电弧？ 10.何谓“近阴极效应”？它对熄灭何种电弧有作用？,
