电器学第3版 教学课件 ppt 作者 贺湘琰 李靖 - 副本第3章

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1、电 器 学（第3版）,机械工业出版社出版,制作者: 贺湘琰 李 靖 黄家麟 罗小丽 李晓慧 吴举秀,第 1 篇 电器原理,学习要点： 第1章 电器的电动力 第2章 电器的发热 第3章 电弧的产生与熄灭 第4章 电接触 第5章 电磁铁的磁路计算 第6章 电磁铁的特性与设计方法,3.1 概 述,3.1.1 气体的游离与去游离 气体放电现象：气体由绝缘状态变为导电状态使电流得以通过的 现象，称为气体放电现象。 电弧产生的条件： 在大气中开断电路时，如果电源的电压超过 12V，被开断的电流超过0.25A， 在触头间隙会产生一团温度极高 的，发出强光的，能导电的近似于圆柱体的气体，称为电弧。,3.1 概

2、 述,3.1.1 气体的游离与去游离 1、游离与激励的概念 气体是一种绝缘的物质，正常情况，不导电，气体的质点为中性的，当在特殊条件下，气体 原子核外的电子吸收 能量跳到远离原子的轨道，这个过程为激励； 当电子继续吸收能量时，激发到自由电子离开轨道为自由电子，这个过程为游离。,3.1 概 述,游离出一个电子所需的最低能量叫游离能， 游离能的单位用电子伏eV， 氢的游离能为 比较表31中的气体和金属蒸气的游离能， 金属的游离能较小。,3.1.1 气体的游离与去游离 1、游离与激励的概念,3.1 概 述,3.1.1 气体的游离与去游离 1、游离与激励的概念,2、游离方式 热发射：20002500K

3、 高电场发射：常温、高电场 表面发射 光游离：特殊射线 二次发射：阴极表面发射 游离 光游离：特殊射线 空间游离 电场游离 ：碰撞游离 热游离：30004000K,3.1 概 述,名词解释,（1）热发射 当断路器的动、静触头分离时，触头间的接触压力及接触面积逐 渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致阴极表面温 度急剧升高而发射电子 ，形成热电子发射。 （2）高电场发射 开关电器分闸的瞬间，由于动、静触头的距离很小，触头间的电 场强度就非常大 ，使触头内部的电子在强电场作用下被拉出 来 ，就形成强电场发射。,（3）碰撞游离 从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极运动，在 运动过

4、程中不断地与中性质点（原子或分子）发生碰撞。当高速 运动的电子积聚足够大的动能时，就会从中性质点中打出一个或 多个电子，使中性质点游离，这一过程称为碰撞游离。 （4）热游离 弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很大的中性 质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象 为热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。,名词解释,表面复合 复合 空间复合 去游离 扩散,3.1 概 述,3、去游离方式冷却作用是关键,1） 复合 复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。由于弧柱中电子的运动速度很快，约为正离子的1000倍，所以电子直接与正离子复合的几率很小。一般情况下，先是电子碰撞

5、中性质点时，被中性质点捕获变成负离子，然后再与质量和运动速度相当的正离子互相吸引而接近，交换电荷后成为中性质点。还有一种情况就是电子先被固体介质表面吸附后，再被正离子捕获成为中性质点。,名词解释,名词解释,扩散是弧柱中的带电质点逸出弧柱以外，进入周围介质 的现象。扩散有三种形式： （1）温度扩散，由于电弧和周围介质间存在很大温差，使得电弧中的高温带电质点向温度低的周围介质中扩散，减少了电弧中的带电质点； （2）浓度扩散，这是因为电弧和周围介质存在浓度差，带电质点就从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使电弧中的带电质点减少； （3）利用吹弧扩散，在断路器中采用高速气体吹弧，带走电弧中的大量带电质点

6、，以加强扩散作用。,2） 扩散,3.1 概 述,3.1.2 气体放电的几个阶段 1、非自持放电阶段,适当改变电路中的电源电动势和电路的可调电阻，可测出电极板1和2之间的电压与电流的变化曲线。,3.1 概 述,3.1.2 气体放电的几个阶段 1、非自持放电阶段,分析： 1） OA段的游离方式？ 2） AB段的游离方式？ 3） 何谓非自持放电？,3.1 概 述,3.1.2 气体放电的几个阶段 2、自持放电阶段,分析： 1） BC段的游离方式？ 2） CD段的游离方式？ 3） DE段的游离方式？ 4） 何谓自持放电？ 5） 自持放电阶段可分为哪 几个阶段，各有何特征？,弧光放电阶段分析,分析： 1）

7、 近阴极区的特点 2） 近阳极区的特点 3） 弧柱区的特点,弧光放电阶段分析,弧光放电阶段分析, 电弧的概念 当开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头刚刚分离后，触头之间就会产生强烈的白光，称为电弧。 电弧的本质 电弧的实质是一种气体放电现象。 电弧放电的特征 （1）电弧由三部分组成。包括阴极区、阳极区和弧柱区。 （2）电弧温度很高。 （3）电弧是一种自持放电现象。 （4）电弧是一束游离的的气体。,3.2 电路开断时电弧的产生过程, 电弧的危害 （1）电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。 （2）电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料

8、。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。 （3）由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。,3.2 电路开断时电弧的产生过程,3.2 电路开断时电弧的产生过程, 开断直流电路时的最小起弧电压与电流,3.2 电路开断时电弧的产生过程, 开断交流电路时的最小起弧电流,3.2 电路开断时电弧的产生过程, 维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理,电弧相当于纯电阻性发热元件，电弧的燃烧从电源输入电弧内部的能量不断的变成热能，电弧的热量又通过传导、对流、辐射三种方式散失。, 电弧具有“热电”效应 “热”效应：电弧能量平衡原理 “电”效应：电弧离子平衡（游离与去游离的

9、平衡）观点,3.3 直流电弧的产生与熄灭,3.3.1 直流电弧的伏安特性,直流电路起弧后的电压平衡方程式：,（35）,3.3 直流电弧的产生与熄灭,3.3.1 直流电弧的伏安特性分析,3.3 直流电弧的产生与熄灭,3.3.2 直流电弧的稳定燃烧点及熄灭条件 1、直流电弧的稳定燃烧点,分析： 1） A点为何是视在稳定燃烧点？ 2） B点为何是稳定稳定燃烧点？,3.3 直流电弧的产生与熄灭,3.3.2 直流电弧的稳定燃烧点及熄灭条件 2、直流电弧的熄灭条件：根据直流电弧的稳定燃烧点分析得到：,（38）,3.3 直流电弧的产生与熄灭,3.3.3 电弧能量及开断直流电弧时的过电压, 开断直流电感电路性

10、负载时电弧电压和电弧电流的示波图,3.3 直流电弧的产生与熄灭,3.3.3 电弧能量及开断直流电弧时的过电压, 开断直流电感电路性负载时能量分析,（39）,3.3 直流电弧的产生与熄灭,3.3.3 电弧能量及开断直流电弧时的过电压, 开断直流电感电路性负载时能量分析,（310）,3.3 直流电弧的产生与熄灭,3.3.3 电弧能量及开断直流电弧时的过电压,（310）, 开断直流电感电路性负载时的特征： 1） 当其他条件不变时，电感越大，触头两端电压越大。电弧能量 也越多，延长电弧熄灭的时间。 2） 当电弧电流下降趋近于零时，弧隙中的去游离作用越强，会产 生过电压。使电弧重燃，并危及电路的绝缘。,

11、3.3 直流电弧的产生与熄灭,3.3.3 电弧能量及开断直流电弧时的过电压, 限制直流过电压的措施,分析： 1） Rb 的作用？ 2） 如何限制直流过电压？,3.3 直流电弧的产生与熄灭,3.3.3 电弧能量及开断直流电弧时的过电压, 直流直流过电压的措施,分析： 1） VD的作用？ 2） 如何限制直流过电压？,3.3 直流电弧的产生与熄灭,3.3.3 电弧能量及开断直流电弧时的过电压, 直流直流过电压的措施,分析： 1）C 的作用？ 2） 如何限制直流过电压？,3.4 交流电弧的产生与熄灭,3.4.1 交流电弧的伏安特性,3.4 交流电弧的产生与熄灭,3.4.1 交流电弧的伏安特性,分析：

12、1） 交流电弧是稳定燃烧吗？ 2） 为何AB段高于BC段？ 3） 何谓零休期间？,3.4 交流电弧的产生与熄灭,3.4.2 交流电弧的熄灭条件与熄灭过程 1） 交流电弧的熄灭条件:弧隙中的介质恢复过程与电压恢复过程的比较,重燃,熄灭,3.4 交流电弧的产生与熄灭,3.4.2 交流电弧的熄灭条件与熄灭过程 2） 交流电弧的熄灭过程电阻性负载交流电弧的熄灭过程分析,3.4 交流电弧的产生与熄灭,3.4.2 交流电弧的熄灭条件与熄灭过程 2） 交流电弧的熄灭过程电感性负载交流电弧的熄灭过程分析,3.4 交流电弧的产生与熄灭,3.4.3 交流电弧零休期间的物理过程 1） 弧隙中的介质强度的恢复, 近阴

13、极效应,3.4 交流电弧的产生与熄灭,3.4.3 交流电弧零休期间的物理过程 1） 弧隙中的介质强度的恢复, 弧柱区的介质恢复的过程,3.4 交流电弧的产生与熄灭,3.4.3 交流电弧零休期间的物理过程 2） 弧隙中的电压强度的恢复过程, 开断电阻性负载分析（图315）, 开断电感性负载分析（图316）, 开断电容性负载分析（图318）,3.4 交流电弧的产生与熄灭,3.4.3 交流电弧零休期间的物理过程, 开断电容性负载分析（图318）,3.4 交流电弧的产生与熄灭,交流电弧熄灭过程的特点：, 交流电弧零休期间为最有利的灭弧时机，此时输入弧隙的能量 趋近于零，若电弧的散失功率大于电源的输入功

14、率，则电弧熄灭。, 若熄弧措施强有力，往往在交流电弧自然过零前强迫电弧骤然 熄灭，称为截流。但由于电流不为零，由于电感的存在，会产生过 电压。,3.4 交流电弧的产生与熄灭,影响交流电弧熄灭的电路参数：, 电源电压, 电弧电流, 功率因数角, 振幅系数, 线路固有振荡频率,3.4 交流电弧的产生与熄灭,影响交流电弧熄灭的弧隙因素：, 电弧长度, 触头分开速度, 灭弧介质, 灭弧介质运动速度, 气体灭弧介质的压力, 触头的材料与触头形状,3.5 电器常用的灭弧方法,3.5.1 熄灭长弧的方法：, 拉长电弧, 绝缘缝隙灭弧, 固体产气灭弧, 利用变压器油灭弧, 利于SF6（六氟化硫）气体灭弧, 利用真空灭弧室灭弧,3.5 电器常用的灭弧方法,3.5.2 熄灭短弧的方法金属栅片灭弧, 熄灭直流电弧：采用金属栅片熄灭直流电弧的原理,3.5 电器常用的灭弧方法,3.5.2 熄灭短弧的方法金属栅片灭弧, 熄灭交流电弧：采用金属栅片熄灭交流电弧的原理,第三章 结束,