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1、第四章交流电弧的熄灭原理()第一页，共八十五页。优选第四章交流电弧的熄灭原理()第二页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的熄第四章交流电弧的熄灭原理灭原理3第四章第四章 交流电弧的熄灭原理交流电弧的熄灭原理本章教学重点与难点：本章教学重点与难点：近阴极效应与弧隙介质恢复强度特性；工频恢复电压及理想弧隙电压恢复过程；交流电弧的熄灭条件 。本章教学基本内容：本章教学基本内容：序弧隙中的介质恢复过程弧隙中的电压恢复过程交流电弧的熄灭条件第三页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的第四章交流电弧的熄灭原理熄灭原理4第四章第四章 交流电弧的熄灭原理交流电弧的熄灭原理-0 -0 序序
2、-1 -1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程-2 -2 弧隙中的电压恢复过程弧隙中的电压恢复过程-3 -3 交流电弧的熄灭条件交流电弧的熄灭条件第四页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的熄第四章交流电弧的熄灭原理灭原理54-0 4-0 序序交流电流过零时，电弧的输入功率为零，有利于熄弧大部分交流开关设备都利用该原理熄灭电弧l直流开断时采用的人工过零技术交流电流过零后，弧隙中和弧隙上同时进行着两个相关的过程l介质恢复过程l电压恢复过程第五页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的第四章交流电弧的熄灭原理熄灭原理64-0 4-0 序序介质恢复过程l介质恢复强度（diel
3、ectric recovery strength）电压恢复过程l电源电压加到弧隙两端的过程l恢复电压：uhfl弧隙中的电离气体由导电状态转变为绝缘状态，使弧隙能承受电压而电弧不重燃的过程某一时刻弧隙介质所能承受的最高电压：ujf第六页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的第四章交流电弧的熄灭原理熄灭原理74-0 4-0 序序电弧熄灭与否，取决于两个过程的“竞争”l若 ujf uhf ，总是某一时刻则：电弧趋于熄灭则：电弧可能重燃第七页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的第四章交流电弧的熄灭原理熄灭原理8第四章第四章 交流电弧的熄灭原理交流电弧的熄灭原理-0 -0 序序-1
4、 -1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程-2 -2 弧隙中的电压恢复过程弧隙中的电压恢复过程-3 -3 交流电弧的熄灭条件交流电弧的熄灭条件第八页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的第四章交流电弧的熄灭原理熄灭原理94-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念l近阴极区的介质恢复过程l介质恢复过程在近阴极区和弧柱区的情况不同交流电流过零后，电极换向电流过零第九页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的熄第四章交流电弧的熄灭原理灭原理104-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念l近阴极区的介质恢复过程交流
5、电流过零后，带电粒子的运动电流过零过零瞬间 电弧电压也过零 正负粒子均匀分布（热运动）过零后E 电极极性改变 电子迅速向新阳极运动 正离子加速缓慢，在极短时间内可认为停留在原位置 在阴极附近形成正电荷层，在阴极表面作用一个电场第十页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的熄第四章交流电弧的熄灭原理灭原理114-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念l近阴极区的介质恢复过程阴极附近电场强度的计算 x: 距离阴极的距离U：x处相对于阴极的电位 n: 正电荷的数密度 q: 一个正电荷的电量:气体的介质常数泊松方程一维情况第十一页，共八十五页。2022/4/23
6、第四章交流电弧的第四章交流电弧的熄灭原理熄灭原理124-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念l近阴极区的介质恢复过程阴极附近电场强度的计算设正电荷层厚度为l假定：|x=l指向阴极阴极表面（x=0）, E的绝对值最大第十二页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的第四章交流电弧的熄灭原理熄灭原理134-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念l近阴极区的介质恢复过程阴极附近电场强度的计算边界条件U|x=l电位分布第十三页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的第四章交流电弧的熄灭原理熄灭原理144-1 4-1 弧隙中
7、的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念l近阴极区的介质恢复过程电位分布E|x=l假定：注意：仅适用于正空间电荷层（ ）弧隙中其他部分为等离子体，电导率很大，认为空间电荷层即加在电极两端的电压x=l:Uj第十四页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的第四章交流电弧的熄灭原理熄灭原理154-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念l近阴极区的介质恢复过程阴极表面（x=0）的电场强度电极间的电压电流过零瞬间阴极表面电场强度与电极间施加电压的关系Uj随着电极间施加电压的增大，阴极表面电场强度提高第十五页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧
8、的熄第四章交流电弧的熄灭原理灭原理164-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念l近阴极区的介质恢复过程产生电弧，需要阴极发射电子电流过零瞬间阴极表面电场强度与电极间施加电压的关系Uj若电流过零时阴极较冷，只能依靠场致发射，即0要大于一定值，否则电弧不会重燃这种弧隙在电流过零后立即获得一定耐压强度的现象，称为近阴极效应电流过零后弧隙立即能承受的电压数值称为介质初始恢复强度Ujf0第十六页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的熄第四章交流电弧的熄灭原理灭原理174-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念l近阴极区的介质恢复
9、过程介质初始恢复强度与电弧电流，电流过零瞬间阴极（原阳极）的温度有很大关系Uj阴极温度升高原因:热发射作用很强时，阴极前不再缺电子近阴极效应将不存在阴极温度升高场致发射增强若需要一定的电流密度才可导致击穿，则阴极温度上升时需要的击穿电压减小IhUjf0第十七页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的第四章交流电弧的熄灭原理熄灭原理184-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念l近阴极区的介质恢复过程研究近阴极区的介质恢复过程，对熄灭交流短弧有很大意义（参.71）Uj阳极只是一个被动、“消极”的电子收集器，近阳极区对介质恢复过程一般不起作用l近阳极区第十八
10、页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的熄第四章交流电弧的熄灭原理灭原理194-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念l弧柱区的介质恢复过程间隙电压高Ph Ps复合扩散Rh重燃过零时Ph 0（热惯性）间隙电压低Ph Ps复合扩散Rh重燃热击穿热击穿：电弧电流过零后，由于Ph Ps，弧柱被加热，电弧电阻减小，而引起的击穿第二十页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的第四章交流电弧的熄灭原理熄灭原理214-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念l弧柱区的介质恢复过程热击穿：电弧电流过零后，由于Ph Ps，弧柱被加热
11、，电弧电阻减小，而引起的击穿热击穿阶段弧柱介质恢复强度（Ujf）的计算能量平衡原理RzPz PsRzPsPzPz不重燃重燃第二十一页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的熄第四章交流电弧的熄灭原理灭原理224-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念l弧柱区的介质恢复过程热击穿阶段弧柱介质恢复强度（Ujf）的计算能量平衡原理RzPz PsRzPsPzPz不重燃重燃临界情况：第二十二页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的第四章交流电弧的熄灭原理熄灭原理234-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念l弧柱区的介质恢
12、复过程复合扩散过零时Ph 0（热惯性）间隙电压低Ph Ps熄灭Rh 弧柱温度30004000热电离基本停止不再流过大电流温度仍然较高耐压强度低电击穿：电弧电流过零后，h ，但由于介质温度较高，弧隙耐压强度低，而引起的击穿第二十三页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的第四章交流电弧的熄灭原理熄灭原理244-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念l弧柱区的介质恢复过程一般而言，电弧的熄灭都要经过两个过程热击穿（Thermal breakdown）阶段：电弧电流过零后，弧隙具有一定的电阻，加大电压后，弧隙可流过电流（弧后电流）电击穿（Dielectric
13、breakdown）阶段：电弧电流过零后，Rh ，但由于介质温度较高，弧隙耐压强度低热击穿和电击穿有过渡过程，很难明确地区分特殊情况：灭弧介质对电弧的冷却作用过强， ih 0时，弧隙中的热电离作用已经停止。电流过零后，不存在热击穿阶段，而直接进入电击穿阶段弧柱的介质恢复过程对长弧的熄灭有很重要的意义（参.71）第二十四页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的熄第四章交流电弧的熄灭原理灭原理254-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程开关电器弧隙的介质恢复强度特性l定义：弧隙的介质恢复强度随时间变化的关系Ujf（t）电流过零到阴极斑点冷却至不足以热发射电子l低压开关电器
14、中，弧隙的介质恢复过程分为三个阶段近阴极区逐渐冷却全部弧柱区冷却到30004000以下，热电离停止对于低压开关电器：对熄弧最重要的是第一步末尾和第二步第二十五页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的第四章交流电弧的熄灭原理熄灭原理264-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程开关电器弧隙的介质恢复强度特性l低压开关电器，电流过零后0300 us内ujf Ujf0 + Kjf t 介质恢复强度的上升速度（V/s）介质恢复强度（V）介质初始恢复强度（V）介质恢复强度的上升速度（V/s）第二十六页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的熄第四章交流电弧的熄灭原理灭原理
15、274-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程开关电器弧隙的介质恢复强度特性l电弧电流第一次过零后Ujf 和t 的关系ujf Ujf0 + Kjf t 小电流 大电流 第二十七页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的第四章交流电弧的熄灭原理熄灭原理284-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程开关电器弧隙的介质恢复强度特性lUjf 0和Kjf 随开断电流 I0变化的关系电流过零后新阴极温度 随着I0增大，Ujf0减小（参考p.99公式）原因：I0Thdh热发射 近阴极效应 Ujf0 第二十八页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的熄第四章交流电弧
16、的熄灭原理灭原理294-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程开关电器弧隙的介质恢复强度特性lUjf 0和Kjf 随开断电流 I0变化的关系Kjf与电弧电流有关但主要取决于弧柱的冷却情况电流弧柱温度电流相对较小磁吹冷却作用小Kjf电流弧柱温度电流较大磁吹冷却作用显著Kjf上升或基本不变l第二次（或多次）过零时，Kjf减小第二十九页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的第四章交流电弧的熄灭原理熄灭原理304-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程开关电器弧隙的介质恢复强度特性l触头材料对Ujf 0的影响（参p.100 图4-5）电极材料的沸点越低，热导率高，则Uj越高沸点银的沸点：2123石墨的沸点：5100热导率新阴极温度 电极冷却 热发射 Ujf0第三十页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的第四章交流电弧的熄灭原理熄灭原理314-1 4-1 弧隙中的介质恢复过程弧隙中的介质恢复过程开关电器弧隙的介质恢复强度特性l触头材料对Ujf 的影响受燃弧能量和电弧开距的综合作用第三十一页，共八十五页。2022/4/23第四章交流电弧的第四章交流电
