第4章电弧及其与电路的相互作用

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1、第四章电弧及其与电路的相互作用电弧及其与电路的相互作用 本章要点：本章要点： 1. 电弧的性质 2. 弧光放电过程 3. 交直流电弧的伏安特性 4. 交直流电弧的熄灭方法 5. 交流电弧的过零现象 6. 电弧模型（不做要求）第一节 概述n开关开断过程中会产生电弧。开关开断过程中会产生电弧。此时电路中的电此时电路中的电流继续流通，一直到电弧熄灭触头间隙成为绝流继续流通，一直到电弧熄灭触头间隙成为绝缘介质后，电路才被分断缘介质后，电路才被分断 ，称为开关电弧。，称为开关电弧。n电弧是气体放电的一种形式电弧是气体放电的一种形式 特点特点: :电弧具有强光电弧具有强光 很高的热力学温度（可达几千至几万

2、度）很高的热力学温度（可达几千至几万度） n对于高于高电压大大电流流电路的分断来路的分断来说，只有，只有产生生电弧，才能弧，才能实现对电路的电路的控制控制。对开关电弧的要求 对对于于断断路路器器中中的的电电弧弧等等离离子子体体来来说说，希望具有下列特性：希望具有下列特性：n电电导导率率的的变变化化范范围围尽尽可可能能大大，即即要要在在导体至完全绝缘体之间变化；导体至完全绝缘体之间变化；n电导率的变化速度尽可能快电导率的变化速度尽可能快。 第二节第二节 电弧的产生和描述电弧的产生和描述 一一. 弧光放电及其特点弧光放电及其特点图4-1 气体间隙中的电流与电压的关系(a)有气体间隙的直流电路；（b

3、）气体放电的特性 1.放电种类n非自持性放电 n自持性放电 自持性放电有多种形式。从非自持性放电转变到自持性放电的过渡途径取决于气体压力、电极形状、电源功率及电极间的距离等多种因素 。2.转变为弧光放电的途径和条件 弧光放电就是自持性放电的一种形式弧光放电就是自持性放电的一种形式。从c点开始，转变为弧光放电的途径和条件有：n如电场比较均匀，则到达c点后间隙将被击穿，此时c点的电压就称为间隙的击穿电压，当电源功率足够大时，击穿将直接发展成为弧光放电。n在电场比较均匀，而气体压力较低时，气体间隙击穿后，将首先出现辉光放电，然后随着电流的增大逐步过渡到弧光放电。n在极不均匀电场中，当气体压力较高且回

4、路电阻较大时，先在电极表面电场较集中的区域出现电晕放电，只有电极间电压增大到一定值后，才可能通过火花放电过渡到弧光放电。3.电弧的形成n电弧的形成：大量带电质点在电场力的作用定向运动n带电质点的来源：带电质点的来源：n电极发射大量自由电子n强电场发射强电场n热电子发射高温n电极间弧柱气体游离产生大量的电子和离子n碰撞游离电场加速电子，由高速运动的电子与中性粒子碰撞产生新的带电粒子n热游离高温（起弧），由中性质点热运动碰撞产生3.弧光放电的特点n在辉光、电晕、弧光等自持性放电形式中，弧光放电的特点是电流密度大（伴随有高温和强光）、阴极位降低。形成的电弧是一种能量集中、温度很高、亮度很强的具有良好

5、导电性的游离气体。n除正负两个电极外，整个电弧可以分为三个部分：阴极位降区域、弧柱和阳极位降区域。图4-2给出了沿电弧轴向分布的电弧三个区域的电位降和电位梯度。电弧形成后，在阴极附近会有正空间电荷（正离子鞘层）的存在，使阴极附近的电位有一个很大的跃变，形成阴极电位降Uc；而在阳极附近则有未被补偿的负空间电荷（电子）存在，也有一个电位跃变，形成阳极电位降Ua。阴极和阳极位降区域都处于靠近电极的很小范围内，其长度约为10-4cm，因而其电位梯度可达到较大的数值。电弧的中间部分是弧柱，它的电位沿轴向基本上为均匀分布。 电弧的电位降及电位梯度的分布 图4-2 电弧的电位降及电位梯度的分布 .电弧的特点

6、（归纳）A 电弧放电现象是一种气体自持放电。B 电弧是一种离子通道（载流通道）：只有触头间的电弧熄灭后，电流才真正切断。C 电弧的温度很高、能量大：容易烧坏触头，或使触头周围的绝缘材料遭受破坏。D 电弧燃烧时间过长，压力过高，有可能使电器发生爆炸事故。E电弧质量轻，在外力的作用下易变形，如气吹、磁吹情形下电弧长度容易发生变化二、高气压电弧与真空电弧比较n高气压电弧与真空电弧的定义n由于形成机理不同，二者在很多方面表现明显不同。1、外观形态上的区别 电弧形态示意图 从外观形态上来看，高气压电弧有集中的阴极斑点和阳极斑点。由于受到自身电流产生的磁场箍缩效应，在高气压电弧阴极斑点和阳极斑点之间，有一

7、根明亮而且集中的弧柱。而真空电弧却不同，在阴极表面上往往有许多明亮而分散的阴极斑点，阴极斑点作无规则运动。在阳极表面，只有当电流超过一定的数值时，才能出现阳极斑点。各个阴极斑点之间好象是独立的，弧柱呈锥状向阳极伸展。两极之间的弧柱亮度较弱。2、电弧伏安特性曲线上的区别 电弧伏安特性曲线 二者具有不同的伏安特性曲线。高气压电弧具有下降的伏安特性。电弧电流增加，电弧压降减少，具有“负”特性。真空电弧却相反，具有正伏安特性。弧压增加，电流增加3、电弧在横向磁场中的运动特性 电弧在横向磁场中的运动特性 从外加横向磁场中的电弧运动特性来看，高气压电弧的运动服从安培定律和左手定则，而真空电弧的运动与安培定

8、律和左手定则规定的方向相反。 在不同的气压范围内横向磁场中电弧运动的一般规律 在不同的气压范围内横向磁场中电弧运动的一般规律4、运行气体环境不同n高气压电弧运行在高气压状态下，一般指133Pa 以上的气体环境中，通常为大气电弧。带电粒子的自由程远远小于电极之间的距离，在两极之间，与气体分子间碰撞次数较多。气体电离以碰撞电离为主气体电离以碰撞电离为主，弧柱内有强烈的电磁发射。n真空电弧运行在真空状态下，一般指1.33Pa1.33X10-5Pa范围内。带电粒子的自由程大于电极之间的距离。在两极之间，带电粒子与气体分子间几乎不发生碰撞。气体电离以热电离为主。气体电离以热电离为主。5、带电粒子的能量区

9、别 n高气压电弧带电粒子与气体分子间碰撞频繁。带电粒子的能量相对较小，气体电离度小,主要以一次电离为主。n真空电弧以热电离为主，带电粒子与气体分子间几乎不发生碰撞，带电粒子的能量很高，含有较高的多次电离成份。 三、三、弧柱特性n弧柱是由高温、高游离化的气体形成的充满弧柱是由高温、高游离化的气体形成的充满了带电粒子的等离子体通道了带电粒子的等离子体通道，它的特性和物理过程对电弧起着重要的作用，开关电弧中主要的研究对象之一就是弧柱的特性。电弧的熄灭：带电质点不断消失电弧的熄灭：带电质点不断消失n关键是加强去游离作用n 介质的游离作用电弧产生 n 介质的去游离作用电弧熄灭n 去游离：正、负质点相互中

10、和为中性质点。n 游离与去游离n当游离去游离电弧电流（剧烈燃烧）n当游离=去游离电弧电流不变（稳定燃烧） n当游离去游离电弧电流（熄灭）电弧弧柱的游离过程电弧弧柱的游离过程气体游离的主要方式有：1. 碰撞游离因碰撞引起游离时，电子的动能需要满足以下条件2. 热游离其中Uy为游离电位热游离度n表征热游离强弱的指标是游离度，它是已游离的粒子密度n与气体初始粒子密度n0之比值，即影响游离度的因素很多，其中重要的有：温度：它起着决定性的作用，温度愈高，则游离度愈高，直至全部游离。 介质的游离电位：游离电位小，则同样条件下的游离度高。金属的游离 电位小，因而容易游离。气体压力：气体压力增大，则游离度减小

11、。沙哈公式 n理论上可以用沙哈公式来描述游离度与各因素间的关系在通常的电弧中，1，此时沙哈公式可简化为其中，p 气体压力（kPa） T 热力学温度（K） Uy 游离电位（V k 玻尔兹曼常数（k1.3810-23 JK）游离度与温度的关系图4-3 游离度与温度的关系图4-4 氮气等离子体的电导率与温度的关系四、弧柱的消游离过程四、弧柱的消游离过程1. 复合复合n两种带异性电荷的质点互相接触而形成中性质点称为复合，也就是正两种带异性电荷的质点互相接触而形成中性质点称为复合，也就是正负电荷的中和作用。负电荷的中和作用。 复合可以在电极的表面及灭弧栅板的表面上发生，称为表面复合，也可以在间隙的空间中

12、发生，称为空间复合。2. 扩散扩散 扩散就是带电粒子从电弧间隙中散出到周围介质中去。它也可使弧柱扩散就是带电粒子从电弧间隙中散出到周围介质中去。它也可使弧柱中的带电粒子减少，游离程度降低。中的带电粒子减少，游离程度降低。 通常扩散是双极性进行的，即正负粒子成对地向外扩散出去，以保持弧柱中正负电荷的数量相等。 扩散的速度与粒子浓度、正离子运动速度、弧柱直径、温度及压力等有关，其中以弧柱直径的影响为最大。弧柱直径越小，则扩散越强烈。影响游离和去游离的因素电弧温度电弧温度： 温度温度T热游离速度复合加强 降低温度的方法：吹弧、拉长电弧、或与冷却介质表面接触。电场强度电场强度：E运动速度复合热游离气体

13、介质的压力气体介质的压力介质特性介质特性：包括气体的介电强度、导热系数、热量量、电负荷电极材料电极材料：铜、银、铜钨、银钨合金具有熔点高、导热能力强、热容量大的特点，可减少热电子发射和弧柱中的金属蒸气。五、电弧的能量平衡五、电弧的能量平衡n在长弧（电弧长度较长，弧柱过程起主要作用的电弧）中，电弧的特性主要由弧柱决定，电弧电压主要由弧柱压降构成，可忽略近极压降，因而可写出电弧弧柱的动态能量平衡方程式，即发热量等于弧柱含热量的增加与散热损耗之和(4-7) 式中I h电弧电流 （A）U h电弧电压 （V）Q弧柱的内能（J） t时间（s）P s弧柱散失的功率（W）能量平衡n能量平衡也是形成电弧等离子体

14、动态特性的基础，对于单位容积等离子体这一关系的一般式为(4-8) 第三节第三节 直流电弧直流电弧一、直流电弧的伏安特性一、直流电弧的伏安特性 在直流电路中产生的电弧称为直流电弧。在直流电路中产生的电弧称为直流电弧。 伏安特性是直流电弧的基本特性，它表伏安特性是直流电弧的基本特性，它表示直流电弧两端示直流电弧两端 的电弧电压的电弧电压Uh与流过与流过它的电弧电流它的电弧电流Ih的关系。的关系。 1. 静态伏安特性n直流电弧在一定长度下稳定燃烧时所测得的伏安特性称为静态伏安特性静态伏安特性。 图4-5 静态伏安特性下降的电弧伏安特性曲线定性解释 从图4-5可见，电弧伏安特性是一条非线性的下降曲线。

15、可简要地对静态直流伏安特性作如下的定性解释，因为电弧电阻Rh取决于弧柱的热游离程度，热游离程度又与温度，也即是弧柱中的能量损耗有关，它与电弧电流Ih的平方成正比，因此电弧电阻与电流的二次方成反比。而电弧电压等于电流与电阻的乘积，因此可知电弧电压是随电弧电流的增加而减小的。 弧压nUh=阴极区压降Uc+弧柱区压降Us+阳极区压降Uan短弧：几个mm长、主要由阴极区压降Uc + 阳极区压降Ua区组成, Us近似于零n长弧：几个cm几个m长，主要由Us组成长弧中的电弧电压n实验指出，在其他条件不变时，当电弧电流增大到几十安时，电弧电压不再随电流的增加而下降，而是基本上保持为常数。因此在小电流范围时，

16、电弧电阻随电流的增加而急剧地（近似为二次方）减小；而在大电流范围时，电弧电阻只随电流的增加而缓慢减小。n在长弧中，电弧电压主要是弧柱的电压降在长弧中，电弧电压主要是弧柱的电压降，即(4-9) 式中 Eh 弧柱的电场强度（Vcm） lh 电弧的长度（cm） 近阴极效应近阴极效应（短弧原理）（短弧原理）n将长弧切割成多段电弧串联，每一段即构成一个短弧，获得一个阴极区压降。n如果加在触头间的电压小于各段短弧的阴极电压之和，则电弧就不能维持而熄灭。大电流时弧柱电场强度n弧柱电场强度弧柱电场强度Eh也将随电弧电流变化也将随电弧电流变化。在大电流情况下，弧柱的电场强度基本上保持为一常数。几个典型的弧柱电场

17、强度数值示于表4-3中 2. 影响伏安特性的因素n电弧电压的大小取决于电弧长度和弧柱电场强度的乘积，因此电弧长度和弧柱电场强度将直接影响到电弧的伏安特性。 在其他条件不变时，电弧电压Uh随电弧长度l的增大而升高，伏安特性曲线向上移冷却条件对伏安特性的影响 n冷却情况有关 n冷却条件越好，伏安特性冷却条件越好，伏安特性曲线越向上移。曲线越向上移。这是因为外界对电弧冷却作用的增强会使弧柱内的消游离过程加强，在相同的电流下，必须有较高的电场强度（在一定弧长时，也即要有较高的电弧电压）才能给弧道提供足够的能量来加强热游离，继续维持电弧的稳定燃烧。3. 动态伏安特性n图中曲线1为为静态伏安特性，当电流较

18、快增加时，由于热惯性的作用，弧柱中的温度上升得较慢，使游离作用的变化赶不上电流的相应变化，因此电阻值较大，动态伏安特性曲线偏于静态伏安特性曲线之上。n图中曲线图中曲线2即为电流增加时的动态伏安特性曲线即为电流增加时的动态伏安特性曲线。n图中曲线图中曲线3即为电流尖小时的动态伏安特性曲线即为电流尖小时的动态伏安特性曲线。 动态伏安曲线动态伏安曲线n对于长度不变的直流电弧，对于长度不变的直流电弧，其静态伏安曲线只有一条，其静态伏安曲线只有一条，而动态伏安曲线可以有千万而动态伏安曲线可以有千万条！条！注意事项 实际上开关中的直流电弧在熄灭过实际上开关中的直流电弧在熄灭过程中电流的变化都是较快的，因此

19、程中电流的变化都是较快的，因此在讨论电弧电压与电流的关系时必在讨论电弧电压与电流的关系时必须采用须采用动态伏安特性动态伏安特性。 二、直流电弧的稳定燃烧与熄灭二、直流电弧的稳定燃烧与熄灭等效回路等效回路它的电压平衡方程式为 (4-10) 电弧伏安特性曲线 (4-11) 电弧伏安特性曲线 n对于稳定燃烧情况，电流Ih保持不变 曲线A与直线B有两个交点1和2 关于点1的分析n关于点1也就是说，当电路稍有干扰时，电弧并不能在点1稳定下来，因此点点1实际上不是一个稳定工作点实际上不是一个稳定工作点。 关于点2的分析n关于点2表明当电路稍有干扰时，电弧仍能稳定燃烧，因此点点2是一个真实的稳定燃烧点是一个

20、真实的稳定燃烧点。 直流电弧的熄灭条件 n如要使直流电弧熄灭，则必须减小电流，使即(4-14) 因此，式（4-14）即为直流电弧的熄灭条件。它说明当电路中电源电压不足以维持电弧电压与线路压降之和时，直流电弧将被熄灭。 两条曲线无交点情形n两条曲线无交点情形分析和结论直流电弧的熄灭条件直流电弧的熄灭条件开关中熄灭直流电弧 在开关中熄灭电弧时，线路内的参数一般是不变的，因此常采用下面方法来提高电弧的伏安特性曲线，以满足电弧的熄灭条件。（1）拉长电弧；拉长电弧；触头的分断过程，就可把电弧拉长，另外还可采用吹弧（磁吹气吹）的办法使燃弧路径增长，从而拉长电弧。当电弧实际长度超过熄灭所要求的临界长度时，电

21、弧必然熄灭。（2）增强冷却；增强冷却可使Eh增大，从而把伏安特性曲线提高。油、SF6、真空、压缩空气开关中熄灭电弧（续）n3) 将长弧分割成多段短弧n4) 提高触头的开断速度（分闸弹簧）n5) 将触头置于真空灭弧室中直流电弧的熄灭注意事项直流电弧的熄灭注意事项 在直流电路中不能采用灭弧能力太强的开关电器，避免产生过电压。三、开断直流电弧的几个参数三、开断直流电弧的几个参数 1. 燃弧时间 从起弧瞬间起到电弧最终熄灭瞬间止的时从起弧瞬间起到电弧最终熄灭瞬间止的时间间隔称为燃弧时间间间隔称为燃弧时间 (4-17) 2. 电弧能量n燃弧过程中电弧的能量(4-18) 燃弧过程中电弧的能量 3. 过电压

22、n在开断直流电路时，通常希望燃弧时间越短越好，但若燃弧时间过短，即电弧电流从某一值下降到零的速度过快时，电感中将产生很大的自感电势，它与电源电压一起加在弧隙两端以及与之相连的线路和电气设备上，其数值可以比电源电压大，通常称之为过电压。可得自感电势 (4-19) 开断感性负载时，直流电弧电流、电压波形示意图n图4-9 开断电感性负载时，直流电弧电流、电压波形示意图第四节第四节 交流电弧交流电弧n一、交流电弧的特点一、交流电弧的特点交流电弧的特性及熄灭交流电弧的特性及熄灭n电弧在自然过零时将自动熄灭，但下半周期随着电压的升高，电弧会重燃。n若电流过零时，电弧不再重燃，电弧就此熄灭。n热惯性：电弧温

23、度的变化滞后于电流的变化弧隙介质电强度的恢复过程电流过零前电弧的温度高，热游离强烈，弧隙的导电性能好电流过零时弧隙温度剧降，热游离减弱，弧隙失去导电性能而恢复为绝缘介质。电流过零后温度继续下降，弧隙介质电强度逐渐回升。这种现象称为交流电路的这种现象称为交流电路的近近阴极效应阴极效应。交流电弧的熄灭条件弧隙此时恢复电压小于此时弧隙击穿电压交流电弧伏安特性 n图4-11 交流电弧在一周期内的伏安特性 电弧的温度曲线 图4-12 电弧的温度曲线（a）在空气中自由燃烧的电弧；（b）具有强烈气吹的电弧由于热惯性，温度的变化稍落后于电流 二、交流电弧对电路的影响二、交流电弧对电路的影响n图4-13示出具有

24、电弧的交流电路，电路中的电阻、电感、触头两端的电容均为线性元件，电弧可以用一非线性的电弧电阻 Rh表示。图4-13 具有电弧的交流电路 弧燃烧时的电路方程式为 n通常触头两端的电容很小，因此在电弧电压变化不大的情况下，电容电流可以略去，此时电路中电流就等于电弧电流，从而有 (4-22) 忽略电容电流所满足方程n由于Rh是一个可变的非线性参数，只要电弧电压存在，电流就不会按正弦规律变化。 (4-23) (4-24)电弧的影响 n为了清楚地看到电弧的影响，可再作如下的一些简化假定：推导n按上述假定，则式（4-23）可改写为(4-25) 在电流正半周内将上式直接积分，得简化后的结论电弧电流的变化曲线

25、 图4-14 电弧电流的变化曲线 电弧电流零点比自然电流零点提前的现象 (4-27) 提前过零的相位角 因为 所以有 (4-28) 图4-15其它情况的处理n对于其他电弧电压不为常数的情况，只要能写出近似表达式，例如电弧电压随时间线性增长，也可用类似的方法加以分析。n当电弧电压很小以至可以忽略不计时，由于电弧电流中的线性变化分量，此时电弧电流可被近似地看为按正弦变化 理想电弧的概念n可见电弧的存在将使电路的分析变得困难。考虑到在电流足够大，弧隙游离程度足够高时，电弧电阻很小，以至可以略去，即把电弧近似地看成是一个短接的导体。而电弧一旦熄灭，触头间隙能很快变成气体介质，则可假设间隙的电阻立即趋于

26、无限大。这种在燃弧时电弧电阻为零、熄弧这种在燃弧时电弧电阻为零、熄弧后电阻立即变为无限大的电弧称为理想电弧后电阻立即变为无限大的电弧称为理想电弧。为了分析上的方便，在某些情况下可近似地用理想电弧来取代实际电弧。显然，理想电弧的电流零点将与自然电流零点重合。三、电压恢复过程与介质强度恢复过程三、电压恢复过程与介质强度恢复过程n交流电弧电流过零时，电弧功率也为零，此时弧隙得不到能量，却仍以对流、传导等方式继续散出能量，这样弧隙内的消游离将大大增强，使弧隙温度迅速下降，电弧会暂时熄灭n（条件： 触头开距间的击穿电压大于系统电压）n因此交流电弧电流的过零，给熄灭电弧造成了有利的条件，只要在电流过零后能

27、不发生重燃，电弧就会最终熄灭。故而熄灭交流电弧要比熄灭直流电弧容易。 n电弧的熄灭与否，就取决于这两个同时发生而又电弧的熄灭与否，就取决于这两个同时发生而又作用相反的过程的作用相反的过程的“竞赛竞赛”。弧后过程n电流过零电弧熄灭后，弧隙从原来的电弧通道逐渐变成绝缘介质的过程就是介质强度恢复过程介质强度恢复过程介质强度恢复过程介质强度恢复过程。弧隙介质强度用弧隙所能耐受的电压来表征。 n由于实际电路中总存在着某些电容、电感，使电压不可能直接跃变，因此弧隙上的电压在从熄弧电压变到电源电压时将发生过渡过程。弧隙上的这一过渡过程称为弧隙的电压恢复过程电压恢复过程。在这个过程中，弧隙两端出现的电压就称为

28、弧隙的恢复电压。电压恢复过程与电路参数和弧隙性能有关，可以是周期性的，也可以是非周期性的 。热态介质强度恢复特性 图-17 弧隙介质强度恢复特性 四、交流电弧电流过零现象四、交流电弧电流过零现象n电压恢复过程和介质强度恢复过程与线路参数和灭弧装置有关，并与弧隙在电流过零时的物理过程有关。n前面分析时因假定电弧电压为常数且电容很小，因而忽略了电容电流ic的影响，但电弧电压Uh并不为常数，尤其在小电流阶段内因电弧电压Uh的显著变化而引起的流过电容的电流将不能忽略。 小电流电弧时，电容电流的影响不能忽略！由图4-18所示电路，可写出如下关系 (4-30) (4-31) 电流过零现象 n (1)超前过

29、零：电弧电流的零点出现在电压零点之前。 n（2)同时过零：电弧电流与电弧电压同时通过零点 图4-19 两种电流过零现象的原理图（a）超前过零；（b）同时过零 电流过零现象定性解释n弧柱中绝缘介质层的形成时刻，将会影响电弧电流零点附近的现象。若在电流零点前，因灭弧装置的作用，使间隙若在电流零点前，因灭弧装置的作用，使间隙的电导预先消失，电弧电流为零，电流转移到电容中，此的电导预先消失，电弧电流为零，电流转移到电容中，此时间隙上就会有一定的电压值，从而出现超前过零现象。时间隙上就会有一定的电压值，从而出现超前过零现象。n若在电流零点前，散失功率小，弧隙热游离没有停止，仍有一定的电导，那么电弧电流将

30、按交流电路所决定的特性过零，此时弧隙两端的电压将和电流同时过零。在在过零瞬零瞬间，尽管弧隙上没有，尽管弧隙上没有电场的作用，但由于的作用，但由于热惯性，残余弧性，残余弧柱中的游离气体在短柱中的游离气体在短时间内仍然会内仍然会维持一定的游离程度，持一定的游离程度，弧隙弧隙电导并不消失。因此并不消失。因此过零后，在恢复零后，在恢复电压作用下，弧作用下，弧隙中就会立即出隙中就会立即出现弧后弧后电流。流。 近阴极效应 n由于电弧两极极性的更换（零前的阳极要转变为新的阴极），弧隙残余带电粒子的运动倒向，使新阴极的近极区出现正离子鞘层（见图8-9a）鞘层的电压耐受能力即弧隙的起始介质恢复强度。这种与电极反

31、伴生的初始介质恢复强度称之为近近阴阴极极效效应应。由近阴极效应所造成的弧起始介质恢复强度的高低取决于弧隙的消游离程度、电极温度和导热能力等。五、交流电弧的熄灭和重燃五、交流电弧的熄灭和重燃 对于交流电弧的熄灭和重燃过程存在着两种解释：n1、介质强度恢复理论（电击穿理论）n2、能量平衡理论（热击穿理论）。 两种击穿理论的区别电击穿理论电击穿理论认为交流电弧的重燃是在加在弧隙上的电场作用下形成电子崩的结果，也即弧隙因击穿而引起重燃。 适用范围：这种理论只能用来解释电弧电流超前过零、弧隙电导预先消失时的重燃现象，并不能普遍适用。热击穿理论热击穿理论认为电弧的熄灭或重燃取决于弧隙中的能量平衡。当弧隙种

32、所产生的热能大于散出的热能时，弧隙就会因热击穿而使电弧重燃。这个理论认为在交流电流过零电弧暂时熄灭时，弧隙温度较高，热游离还未停止，弧隙仍是一个具有一定电导的导电通道，尚未恢复为真正的介质。因此在恢复电压作用下，就出现弧后电流，电源继续向弧隙输入能量，因而可能引起电弧的重燃。 局限性：对于那些弧隙电导预先消失和因电击穿而发生重燃的现象并不能作出确切的解释。 关于这两种观点的合理解释n在弧后电流流通时，弧隙是一个特殊的导电通道，它虽然还不是绝缘介质，但毕竟与燃弧通道不同。它存在这样两种可能的结果：一是随着输入能量的增大，弧隙的电导增大而发生热击穿，从而转变成燃弧的通道；另一是在恢复电压作用下，它

33、确实能耐受一定的电压而不被热击穿，仍能转变为绝缘介质而使电弧最终熄灭。对于后者，可以认为此时弧隙也具有一定的“介质”强度等效介质强度，用这个等效的概念来表示弧隙耐受恢复电压的能力。等效介质强度Ujn若电弧电流过零后，弧隙的残余电阻为Rp，弧隙的散失功率为N，弧隙上的恢复电压为，Uhf则输入弧隙的功率为P(4-32) 根据能量平衡理论，要使弧隙不发生重燃的临界条件为 把此时弧隙上的恢复电压称为弧隙的等效介质强度Uj (4-33) (4-34) 这两个理论的关系n这这两两个个理理论论并并不不是是完完全全对对立立的的，它们只是从不同的方面去说明交流电弧的熄灭和重燃的现象。综合各种实验结果，交流电弧的

34、重燃既可以是由于“电电”的的作作用用，也可以是由于“热热”的的作作用用；而且还存在着可以由弧隙电击穿后转变成热击穿而引起重燃，或在弧后电流消失后再发生电击穿而发生重燃，这个复杂的物理是弧隙多方面因素相互作用的结果，不能简单模式化，具体情况要具体分析。使电弧不重燃的措施n主要从两个方面着手：1 1、减慢弧隙上的电压恢复过程和降低其数值。、减慢弧隙上的电压恢复过程和降低其数值。2 2、加速弧隙的介质强度恢复并提高其数值。、加速弧隙的介质强度恢复并提高其数值。 在各种断路器中提高弧隙介质强度的主要措施有： 采用介质强度高的灭弧介质； 加速拉长电弧，提高介质强度恢复速度； 采用各种结构的灭弧装置来加强

35、电弧的冷却， 并尽量减小弧能的输入。交流电弧的灭弧方法(1)(1)提高触头的分闸进度提高触头的分闸进度 迅速拉长电弧，E，冷却与扩散(2)(2)采用多断口灭弧采用多断口灭弧 拉长迅速，行程， 灭弧时间提高了灭弧能力(3)(3)吹弧吹弧加强冷却和扩散 横吹将电弧吹弯吹长 纵吹将电弧吹细灭弧方法n(4)利用固体介质的狭缝狭沟灭弧利用固体介质的狭缝狭沟灭弧n 冷却,表面吸附电子，加强复合。n 如：介质纵缝灭弧罩n 介质填料灭弧管n(5)利用短弧原理灭弧利用短弧原理灭弧 n交流电路：电流自然过零时，每一短弧有150250v电压。n直流电路：每一短弧的阴极区有811v电压降。(6)(6)磁吹磁吹 利用电

36、磁力驱动和拉长电弧至固体介质灭弧罩或金属栅灭弧罩中(7)(7)高压力气体介质灭弧高压力气体介质灭弧 磁撞游离，复合(8)(8)真空灭弧真空灭弧 碰撞游离，热游离，扩散第五节第五节 电弧黑盒模型电弧黑盒模型 （自学）n从热平衡原理出发，可得电弧方程为(4-35) 电弧黑盒模型推导n将式（4-35）进一步转化 (4-36) (4-37) 式中 g为单位长度电弧的电导 ，令(4-38) 电弧黑盒模型 n则得 (4-39) 式（4-39）为电弧黑盒模型的普遍数学形式。由于式中对和g未作任何限制，因而在不同的假设条件下可得出不同的电弧黑盒模型。其中，比较主要的有Cassie模型和Mayr模型两种。一、一

37、、Cassie模型模型 Cassie在考虑电弧模型时假定：（1）电弧是具有圆柱形的气体通道，其截面有均匀 分布的温度；（2）这通道有相当明确的界限，即直径，在通道以 外电导很小；（3）假如通过这电弧通道的电流变化，则其直径也 同时变化，但是温度没有变化，认为电弧的温 度在空间和时间上都保持不变； （4）能量和能量散失速度与弧柱横截面的变化成正 比，能量散出是因为气流或与气流有关的弧柱 变化过程所造成，不考虑从电极散出的能量。 Cassie模型模型n根据以上假定有 (4-40) (4-41) Cassie方程所以(4-42) 令(4-43) 将（4-43）代入式（4-39）并考虑式（4-36），

38、则有 (4-44) 式（4-44）中为Cassie方程中定义的电弧时间常数，为电弧电压梯度。 二、二、Mayr方程方程 nMayr在考虑电弧模型时假定：（1）弧柱为一直径不变的圆柱体弧柱为一直径不变的圆柱体，其中温度随离 开轴线距离的增大而降低；（2）只研究长弧情况，即认为电弧电压等于弧柱 压降，不计沿轴向和从电极散出的热量；（3）弧柱功率的散发主要是由于传导和一部分辐 射，不考虑对流，从电弧间隙散发的能量是 常数；（4）不考虑弧柱中气体的热物理性质随温度变化 的关系； （5）弧柱中的热游离情况，可按沙哈方程式确定 Mayr方程方程n沙哈方程式 (4-45) (4-46) 将式（4-46）代入

39、式（4-38）得 (4-47) Mayr提出的电弧微分方程n将（4-47）代入式（4-39）得 (4-47) 自Cassie和Mayr分别提出前述的电弧微分方程以来，许多学者将它们用于断路器的电弧研究时发现，Cassie模型主要适用于电弧过零前的大电流燃弧期间模型主要适用于电弧过零前的大电流燃弧期间，而Mayr方程适合于电流过零时的小电流期间方程适合于电流过零时的小电流期间。而且随着对开关电弧理解的日益深入，在这两个模型的基础上也提出了不少的改进和完善方案。 思考题与习题思考题与习题思考题与习题思考题与习题1. 直流电弧的动态伏安特性为什么与静态伏安特性不 同?2. 直流电弧的稳定燃烧条件和熄

40、灭条件是什么?为什 么？3. 电击穿理论和热击穿理论是怎样解释交流电弧的熄 灭和重燃的?4. 提高交流电弧的电弧电压对熄弧有些什么影响?5. 为什么说交流电弧的熄灭实质上是阻止电弧的重燃? 它的熄灭条件是什么?与直流电弧有什么区别?参参 考考 书书 目目 n1 陈慈萱等. 高压电器. 北京: 水利电力出版社, 1987n2 过增元. 热等离子体与电弧. 北京: 科学出版社, 1982n3 张冠生编，电器学理论基础，第一版，北京：机械 工业出版社，1988年11月n4 王仁甫. 电弧现象模型的发展. 高压电器, 1991年第4 期 5 李天和著, 程礼椿等译. 大功率开关装置的物理基础n 与工程应用. 北京: 电力工业出版社, 1982n作业：n第三章：2，5，7n第四章：2，3，4，5