电弧理论学习.pptx

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1、3.1 电弧的产生和物理特性一、概述电弧的概念 大气中两个触头行将接触或开始分离时，只要它们之间的电压达1220V，电流达0.251A，触头间隙内就会产生一团温度极高发出强光和能导电的近似圆柱形的气体，称为电弧。 实验室模拟磁环爆发第1页/共96页3.1 电弧的产生和物理特性（续）一、概述 从断路器发展的初期认为。不希望在开断电路时触头间隙产生电弧，认为电孤的产生，一方面使电路仍旧保持导通状态，延迟了电路的开断；另一方面将烧损触头以及可能破坏绝缘，在最严重的情况下，甚至能引起开关电路的爆炸和火灾。 换句话说，研究电弧的目的是为了尽快地熄灭电弧。第2页/共96页3.1 电弧的产生和物理特性（续）

2、一、概述 随着高压断路器不断发展和对开关电弧研究的不断深入，认识到从导体到绝缘体的相互变换这个开关作用的根本观点来看，电弧等离子体具有极为重要的特性，对于高压大电流电路的分合来说、只有产生电弧才能完成这个作用，这样一种观点作为断路器的理论基础是极为重要的。第3页/共96页3.1 电弧的产生和物理特性（续）电弧的本质电弧的本质 生成于气体中的炽热电流，是高温气体中的离子化放电通道，是充满着电离过程和消电离过程的热电统一体。断路器在分断过程中产生的电弧是低温等离子体。 高压断路器电弧的熄灭就是要积极地利用电弧等离子体的温度控制来实现。低温等离子体广泛应用于多种生产领域，如等离子电视、婴儿尿布表面防

3、水涂层、增加啤酒瓶阻隔性、电脑芯片中的蚀刻运用。第4页/共96页电弧的本质电弧的本质 看似“神秘”的离子体其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99%。 等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除固、液、气外的物质存在的第四态。第5页/共96页等离子体等离子体第6页/共96页第7页/共96页3.1 电弧的产生和物理特性（续）对于断路器来说希望电弧这种等离子体具有如下特性； （1）电导率的变化范围尽可能大，即要在导体至完全绝缘体之间变化； （2）电导率的变化速度尽可能快。决定于等离子的材料更易于受到等离子

4、体控制方法的较大影响第8页/共96页3.1 电弧的产生和物理特性（续）二、气体放电的物理过程电离（或游离）消电离（去游离）第9页/共96页1. 电离（1）概念 原子吸收的能量足够大时，电子激发到自由态而离开原子轨道形成自由电子，原来的中性原子或分子变成正离子，这种过程称为电离或游离。第10页/共96页（2 2）电离的方式）电离的方式表面发射由金属表面发射电子；1） 热发射2） 高电场发射（场致发射）3） 光发射4） 二次发射空间电离电极间气体在外界力量影响下，其分子或原子分裂成自由电子和正离子的现象1） 光电离2） 电场电离（碰撞电离）3） 热电离电离过程是各种电离形式的综合表现。第11页/共

5、96页2. 消电离（去游离）（1）概念： 电离气体中的带电粒子离开区域，或者失去电荷变为中性粒子，这种现象叫消电离。（2）形式：复合复合扩散扩散 第12页/共96页复合 两个带有异性电荷的粒子相遇互相作用而消失电荷，形成中性粒子的现象叫复合。 1）表面复合 2）空间复合 影响复合因素最显著的是温度，冷却作用是加强复合的决定性因素。第13页/共96页扩散 弧柱中的带电粒子，由于热运动从弧柱中浓度高的区域移动到弧柱周围浓度较低的区域，叫扩散。 电弧电流恒定时，扩散速率与电弧直径成反比； 电弧电流恒定时，复合速率与电弧直径平方成反比。第14页/共96页气体放电的几个阶段 1. 非自持放电阶段（OD段

6、） 2. 自持放电阶段（从D点起）第15页/共96页三、电弧的组成部分1. 近阴极区长度极短（约等于电子的平均自由行程）。电子经过这段行程后，气体电离，电子运动快，正离子慢行成正离子层，电场强度很高。 2. 近阳极区长度为近阴极区数倍，阳极附近聚集大量电子，形成电子层。 阳极压降阴极压降数值相近，在20V以内，但阳极压降区较长，所以电场强度较小。第16页/共96页三、电弧的组成部分(续1） 电弧的阴极区域对电弧的发生和物理过程具有重要的意义，形成电弧放电的大部分电子是在阴极区产生或由阴极本身发射的。电弧放电时，实际上并不是整个阴极全部参加放电过程，阴极表面的放电只集中在一个很小的区域上，这个小

7、区域称为阴极斑点。它是一个非常集中，面积很小的光亮区域，其电流密度很大是电弧放电中强大电子流的来源。 阳极表面也存在阳极斑点，它接收从弧柱中过来的电子。弧柱是由高温、游离了的气体形成的充满了带电粒子的等离子休。第17页/共96页三、电弧的组成部分(续2）3. 弧柱区6000k以上高温，大量气体分子游离，因此具有良好的导电性。电流越大，弧温越高。热电离程度越大，电阻越小，伏安特性是负特性（但真空电弧是正特性），弧柱内气体全部电离，正负带电粒子数相等，为等离子体。第18页/共96页三、电弧的组成部分(续4） 电弧可分为短弧和长弧两种。电弧长度较短（即电弧弧芯中心线在毫米以下)电弧电压主要出阴极和阳

8、极位降构成的电弧称为短弧。在短弧中近极区域的过程起主要作用。电弧长度较长，电弧电压主要由弧柱压降构成的电弧称为长弧。在长弧中弧柱的过程起主要作用。 在高压开关中的电弧一般均属于长弧，以下主要分析长弧。第19页/共96页四、电弧发生的途径（）电路开断断电弧的发生。为了使电点燃，某一最低电流值是必需的。开断电路时电弧的产生过程开断电路时电弧的产生过程触头开始分断(存在超程实际未分断)接触点减小极限状态(仅一点接触)接触处金属熔融液态金属桥金属桥断裂(爆炸)(电流瞬时截断)产生过电压(击穿介质)电弧(各种熄弧因素)电弧熄灭触头分断 第20页/共96页四、电弧发生的途径（续1）（）触头闭合时电弧的发生

9、。击穿电压的最低值（对于银触头大约是15）、电弧建立的时间（大约为10-8s，与发生击穿时的触头间距无关）。（3）真空和气体间隙的击穿。电弧可以在真空的两电极间发生。这种电弧可以称为真空电弧。但电弧实际上并不是在绝对真空而是在金属蒸气中燃炽。第21页/共96页四、电弧发生的途径（续2）（4）从辉光放电到电弧放电的转变。从辉光放电过渡到热电子电弧的过程是随者电流的增加，阴极电位降逐渐增高，在阴极区放出的能量也就增加，如果这时阴极温度达到热电子发射开始起显著作用的数值，则放电的击穿电压开始下降。从辉光放电转变到冷阴极电弧的过程。在阴极电化显著增高的非正常辉光放电中阴极表面的个别部分在强电场影响下能

10、够发射电子，其数量足以使阴极电位降区域和气体显著地游离，由此产生电荷浓度较高的区域。电子比正离子更快离开这个区域，因此形成中间电荷的增加，促使场电子发射继续增加最后形成电弧放电。第22页/共96页四、电弧发生的途径（续3）（5）从火花放电到电弧放电的转变。当两电极之间的间隙被击穿形成火花放电时，就在间隙形成导电通道，开始输入能量，电流逐渐上升。电流上升速度一般决定于外部电路的参数，但在两电极间的电容经常有某些储藏的能量被迅速输入到通道中。通道强烈地被加热和扩展，并且扩展的速度在初始阶段可以近似地看作为冲击波的传播。火花放电可以引起具有大的压力跃变的冲击波。第23页/共96页五、电弧的物理特性在

11、电弧中可能在几个微秒的时间内达到大约4000K5000K的高温，电弧的燃炽与熄灭与温度有很大的关系。电弧温度与电流有重要的关系，电流的增加基本上标志着温度的上升。1. 1. 电弧的温度电弧的温度第24页/共96页五、电弧的物理特性(续1）弧柱本身，电弧中间明亮的部分，直径大致相当于弧柱，电弧的最大导电部分，几乎100的电流在它中间通过。光圈，周围较宽广而亮度较低的外壳。2. 2. 电弧的直径电弧的直径电弧的直径第25页/共96页五、电弧的物理特性(续2）电弧的直径与电流有关。对于在空气中自由燃炽的电弧，其直径d与电流I的平方根成正比。影响电弧直径的因素影响电弧直径的因素hId26. 0高气压弧

12、柱的直径与气体的压力P有关。对于自由燃炽的电弧，其直径随压力升高而减小。在管道中稳定燃炽的电弧直径是与电弧在其中燃炽的气体的导热系数成反比的。显然这样的关系仅说明由于热传导而使电弧冷却的电弧特性。第26页/共96页五、电弧的物理特性(续3）3. 3. 电弧的电压方程电弧的电压方程 UA= Uc+Ua+Up式式中 Ua阳极压降 Uc阴极压降 Up弧柱压降 或 UA=U0+Eplp式中 Uo= Ua+Uc近极压降 Ep弧柱区电场强度 lp弧柱区长度，可近似取为电弧长度第27页/共96页五、电弧的物理特性(续4）3. 3. 电弧的电压方程电弧的电压方程 弧柱区的场强E与电弧电流Ih的关系EnebrI

13、eh2式中，r为弧柱通道半径；n为电子密度；be为电子迁移率；e为电子电荷。 除电流外，弧柱区场强还与许多因素有关，如电弧运动的速度、气体的可动性、气体的导热系数、气体的压力以及电弧所处的狭缝或管道直径等。第28页/共96页五、电弧的物理特性(续5）3. 3. 电弧的电压方程电弧的电压方程 电弧既是电的又是热的现象所以电弧所处热的条件，严重地影响到其电特性。如果散热条件好，则弧柱去游离过程强，弧柱区场强就升高、在许多情况下电弧热量的散出与电弧在其中燃炽的气体的可动性和导热系数密切相关，试验表明，弧柱区场强有随气体导热系数大致成正比上升的倾向。电弧与固体绝缘壁的接触使场强有很大的增高。如果迫使电

14、弧在绝缘板之间的狭缝或小直径的管道中燃炽能使弧柱区场强增加几倍。第29页/共96页五、电弧的物理特性(续6）4.4.电弧等离子体的热容与冷却电弧等离子体的热容与冷却 开关电弧的熄灭，主要是靠对电弧等离子体进行冷却来实现的。冷却方式主要有等熵冷却和热传导冷却两种。 等熵冷却就是所谓绝热膨胀。当气体沿着压力梯度进行膨胀运动时、由粒子运动形成的内部能量转变成流动能，使气体温度下降而被冷却。此时的冷却能力即每单位容积的散热功率，可用下式表示gradPvN式中，v为流速；P为压力。梯度热能除以温度所得的商，标志热量转化为功的程度第30页/共96页五、电弧的物理特性(续7）4.4.电弧等离子体的热容与冷却

15、电弧等离子体的热容与冷却 热传导冲却是由沿着温度梯度移动的热流造成的冷却。气体与等离子体的热传导和通常固体的情况大不相向，它与内部的能量密度梯度有关，在气体和等离子体中可由于多种原因将能量以能流的形式散出去。如把这些能量的散失都看成是广义的热传导，并以导热率来等效表示，那么每单位容积的散热功率可用下式表示gradTdivN式中导热率是温度的函数。第31页/共96页五、电弧的物理特性(续8）4.4.电弧等离子体的热容与冷却电弧等离子体的热容与冷却 电弧等离子体冷却的速度除与散热功率的大小有关外还与等离子体的热容有关在相同的冷却条件下，热容愈小，则冷却速度愈快。电弧等离子体的定压比热容也与固体和液

16、体的情况不同，它是相当复杂的温度函数，随温度的变化，定压比热容有很大的变化。设电弧等离子体所包含的能量（即热焓) 为hT。则定压比热容Cp为dTdhCTp焓是汽体的一个重要状态参数。焓的物理意义为：在某一状态下气体所具有的总能量，它等于内能和压力势能之和。比热容，是单位质量物质的热容量，即使单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。第32页/共96页五、电弧的物理特性(续9）4.4.电弧等离子体的热容与冷却电弧等离子体的热容与冷却 这是由于气体与等离子体在温度升高的同时将发生分解和游离，而分解和游离时所需要的能量，从外部看即表现为大的热容。第33页/共96页五、电弧的物理特性(续10）5.

17、5.电弧的能量平衡电弧的能量平衡 电弧燃炽时，电源不断地供给能量，并转变成热能和光能，同时电弧也不断地通过传导、对流和辐射三种方式向周围散出能量。在长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，即可忽略近极压降。发热量等于弧柱含热量的增加与散热损耗之和，电弧弧柱的动态能量平衡力程式为：shhPdtdQUI式中，Ih为电弧电流（A)，Uh为电弧电压（V）；Q为弧柱的内能（J）；t为时间（s）；Ps为弧柱散失的功率（W）。第34页/共96页五、电弧的物理特性(续11）5.5.电弧的能量平衡电弧的能量平衡 能量平衡也是形成电弧等离子体动态特性的基础，对于每单位容积等离子体，这一关系的一

18、般式为 gradTdivxTsgradPvdtdhNdtdhE2式中，为等离子体的电导率，E为电场强度； 为等离子体密度；h为热焓。单位容积等离子体散热功率等熵冷却造成的散热功率热辐射造成的散热功率热传导造成的散热功率第35页/共96页3.2 直流电弧一、直流电弧的伏安特性 当施加电压达到击穿电压Ub、电流亦达到燃弧电流Ib后，电弧便产生了，而且随着电流的增大，电弧电压反而降低。 电流增大会使弧柱内热电离加剧、离子浓度加大，故维持稳定燃弧所需电压反而减小。这种特性成为负电阻特性。第36页/共96页一、直流电弧的伏安特性（续1） 曲线1是在弧长不变的条件下逐渐增大电流测得的。 由于电弧本身的热惯

19、性，电弧电阻的增大总是滞后于电流的变化。当电流减至I2时，电弧电阻大抵仍停留在I1时的水平上。 极限情况下，即电流减小速度为无穷大，电弧电阻来不及变化，伏安特性即为曲线3。电流减小时伏安特性与纵轴相交处的电压Ue极为熄弧电压。第37页/共96页二、直流电弧的燃烧与熄灭或hudtdiLiRU0huiRUdtdiL01. 1. 直流电弧的燃烧直流电弧的燃烧第38页/共96页二、直流电弧的燃烧与熄灭(续1）电流减小时的电弧伏安特性曲线U0（U0-iR）0dtdiL0dtdiL直流电弧稳定燃烧后，dt/di=0，U0-iR=uh稳定燃烧点应为电路伏安特性和电弧静态伏安特性的交点B点为稳定燃烧点，i0，

20、U0-iR uh ，i；i uh ，iA点不是稳定燃烧点，i0，U0-iR0，U0-iR uh ，i i到BA点又称为视在稳定燃烧点第39页/共96页二、直流电弧的燃烧与熄灭（续2） 为消除直流电弧的稳定燃弧点应使其伏安特性处于特性U0-iR的上方，使电弧电压uh与电阻电压降iR之和超过电源电压U0，以致电弧无法稳定燃烧。2. 2. 直流电弧的熄灭直流电弧的熄灭第40页/共96页二、直流电弧的燃烧与熄灭（续3） 常采用以下措施来达到熄弧条件：（1）拉长电弧或对其实行人工冷却 借助增大弧柱电阻使电弧伏安特性上移，与特性U0-iR脱离。2. 2. 直流电弧的熄灭直流电弧的熄灭第41页/共96页二、

21、直流电弧的燃烧与熄灭（续4）增大纵向触头间隙法向拉长电弧借使弧斑上移拉长电弧（1）拉长电弧或对其实行人工冷却第42页/共96页二、直流电弧的燃烧与熄灭（续5）利用金属栅片(n片)将电弧分割成系列短弧（2）增大近极区电压降Uh=（n+1）U0+El这比无栅片时增大了nU0，所以也能起到使电弧伏安特性上移的作用。第43页/共96页二、直流电弧的燃烧与熄灭（续5）增大气体介质的压强增大电弧与介质间的相对运动速度使电弧与温度较低的绝缘材料紧密接触以加速弧柱冷却采用如SF6气体等具有强烈消电离作用的特殊灭弧介质采用真空灭弧室（3）增大弧柱电场强度Uh=U0+El第44页/共96页三、分断直流电路时的过电

22、压 分断直流电路时，电弧熄灭的瞬间i=0，uh=Ue。此时电路电压方程为1. 1. 过电压的产生过电压的产生ehUdtdiLudtdiLU0出现在触头间隙上的过电压为dtdiLUUUe0决定过电压的因素主要是灭弧强度。第45页/共96页三、分断直流电路时的过电压（续1）2. 2. 降低过电压的措施降低过电压的措施第46页/共96页3.3 交流电弧 交流电弧燃烧过程中电流每半周要过零值一次，电流经过零点时，弧隙的输入能量也就等于零，电弧的温度下降，造成熄弧的有利条件。同时在电流自然过零熄弧时，交流电弧的能量比直流电弧的能量要小得多。因此，交流电弧的熄灭比直流电弧要容易得多。第47页/共96页3.

23、3 交流电弧 在电流前半周结束和下半周结束时电弧中电流一般并不按照正弦波变化而是按照另外一个规律变化，即电流等于电弧电压与电弧电阻的比值。在电流自然过零前的一小段时间内，电流被电弧电阻限制得很小实际上等于零。同样。在下一个半周开始时也是如此。虽则电弧电流在事实上仅在某一瞬间过零点，但在电流自然过零前后整个一小段时间内，电流近似等于零，而整个这段时间就称为电流的零休时间。零休时间第48页/共96页3.3 交流电弧电弧用一非线件的电弧Rh来表示，令电源电压u=Emcost，电弧燃烧时的电路方程式为一、交流电弧电流过零现象hhhchhhmhidtduCiiiRiutEuiRddiLcos第49页/共

24、96页一、交流电弧电流过零现象（续1）简化假定(1) 通常触头两端的电容C很小，在电弧电压变化不大的情况下，电容电流ic可略去；(2)通常在电感电路中电阻R很小可将R略去；(3)以电流过零时为计时起点，此时电源电压为最大值；(4)当t=/时触头分离，电弧燃烧为起燃相位角；(5)电弧电压|uh|=Uh(常数)，并随电流改变正负号。第50页/共96页一、交流电弧电流过零现象（续2）在电流正半周内将上式直接积分得dtEUtLEdimhmhcostEUtLEtdEULEimhmttmhmhsincos00正弦分量i线性分量i”第51页/共96页一、交流电弧电流过零现象（续3）半周后电弧过零，ih=01

25、1sintEUtmh电流的正弦分量曲线i和直线分量i”的交点所对应的时刻即为电弧电流过零时刻t1。电弧电流的实际过零点早于正弦分量的电流零点电流的自然零点。第52页/共96页一、交流电弧电流过零现象（续4）dtduCiiiihCCLh当交流电流趋于零时，iL的数值很小、当 足够大以致iC的数值能与iL比拟时， iC对电弧电流的影响就不能不考虑。因为某一瞬间当iC达到iL的数值，即iC = iL时则ih0。此时电弧电流即被突然转移到电容中去使电弧熄灭。dtduh第53页/共96页一、交流电弧电流过零现象（续5） 由于弧隙两端存在电容，电容既可以吸收电流又可以放出电流，因此ih过零的时刻可发生在i

26、L过零时刻之前或之后。这主要取决于弧隙消游离的变化速率，而过零的先后又可反过来影响弧隙过零时的物理过程。（1）超前过零（2）同时过零第54页/共96页一、交流电弧电流过零现象（续6）（1）超前过零在电流零点瞬问弧隙上仍具有一定的电压值。而在电流过零后，出现电压零点。第55页/共96页一、交流电弧电流过零现象（续7）（2）同时过零图中0点为电流与电压共有的零点，随后，在弧隙恢复电压uhf的作用下，立即出现弧后电流ip，弧后电流是指电流和电弧电压过零、瞬态恢复电压开始上升之后流过弧隙的电流。第56页/共96页二、交流电弧的伏安特性因为交变电流总是随着时间变化，所以伏安特性只能是动态的。值得注意的是

27、交变电流每个周期有两次自然通过零位，而电弧也通常在电流过零时熄灭。若未能熄灭，则另一半周内电弧将重燃，且其伏安特性与原特件是关于坐标原点对称的。第57页/共96页二、交流电弧的伏安特性（续1）能量平衡原理OA段：电弧电流ih从零上升，由于ih过零期间，发热功率Ph=0，随着热量的散发，弧柱变冷、变细，Rh增大，uh以很陡的斜率上升。AB段：随着ih的增大，也Ph增大，当PhPs时，电弧积聚热量增多，弧柱变热、变粗，也Rh减小。当Rh减小的速度比的增ih长速度大的多时，uh随着ih的增大而减小。第58页/共96页二、交流电弧的伏安特性（续2）能量平衡原理OA段：当ih到达最大值B点后开始减小，u

28、h沿着曲线BC上升。由于热惯性的作用，此时Rh要比增大ih时同一ih对应的数值要小，因此曲线BC要比AB低。CO段：随着ih的减小，也Ph减少，Rh逐渐上升。当ih减小的速度比Rh上升的速度大的多，uh又开始随着ih的减小而下降。第59页/共96页三、交流电弧的熄灭和重燃理论交流电弧电流过零这段时间中弧隙从导体逐渐变成介质，交流电弧的熄灭主要决定于这过程。对于交流电弧的熄灭和重燃过程存在着两种理论：弧隙介质恢复理论（电击穿理论）斯列宾能量平衡理论(热击穿理沦)克西第60页/共96页弧隙介质恢复理论交流电弧的熄灭条件是电流过零后，弧隙介质恢复强度在任何时创刻始终高于弧隙上的恢复电压。第61页/共

29、96页弧隙介质恢复过程（1 1）近阴极区介质恢复过程）近阴极区介质恢复过程 电弧电流过零后弧隙两端的电极立即改变极性。在新的近阴极区附近仅留下正离子，同时，新阴极正是原来的阳极，附近正离子并不多，以致难以在新阴极表而产生场致发射以提供持续的电子流。另外，新阴极在电流过零前后的温度已降低到热电离温度以下，亦难以借热发射提供持续的电子流。因此，电流过零后只需经过0.11s，即可在近阴极区获得150250V的介质强度。第62页/共96页弧隙介质恢复过程（续1）（1 1）近阴极区介质恢复过程）近阴极区介质恢复过程 倘若在灭弧室内设若干金属栅片，将进入灭弧室内的电弧截割成许多段串联的短弧，则电流过零后每

30、一短弧的近阴极区均将立即出现150-250V的介质强度(。当它们的总和大于电网电压(包括过电压)时，电弧便熄灭。 出现于近阴极区的这种现象称为近阴极效应，综合利用截割电弧和近阴极效应灭弧的方法称为短弧灭弧原理，它广泛用于低压交流开关电器。第63页/共96页弧隙介质恢复过程（续2） 在低压开关电器中，弧隙的介质恢复过程可分为三步：第一步是从电流过零开始到阴极斑点冷却至不足以热发射电子为止；第二步是近极区逐渐冷却；第三步是全部弧柱区冷却到3000一4000K以下，其中热电离停止。 通常对低压开关电器熄弧过程最有影响的是第一步的末尾和整个第二步。第64页/共96页弧隙介质恢复过程（续3）（2 2）弧

31、柱区的介质恢复过程）弧柱区的介质恢复过程一般来说，电弧的熄灭过程要经历两个阶段：热击穿电击穿弧柱的介质恢复过程，对交流长弧的熄灭具有很重要的意义，因为它是几乎所有高压开关电器和部分低压开关电器设计的理论基础。第65页/共96页弧隙介质恢复过程（续4） 热击穿 由于热惯性的影响，零休期间电弧电阻Rh并非无穷大，故电源仍向弧隙输送能量。当电源输送能量小于电弧散出的能量时，孤隙内温度降低，消电离作用增强，弧隙电阻不断增大，直至无穷大，也即弧隙变成了具有一定强度的介质，电孤也将熄灭。反之，若弧隙取自电源的能量大于其散出的能量， Rh将迅速减小，剩余电流不断增大，使电弧重新燃烧。这就是所谓热击穿。第66

32、页/共96页弧隙介质恢复过程（续5） 电击穿 热击穿存在与否还不是交流电弧是否能熄灭的唯一条件。 当弧隙两端的电压足够高时，仍可能将孤隙内的高温气体击穿，重新燃弧，这种现象称为电击穿。第67页/共96页弧隙电压恢复过程弧隙电压恢复过程1.开断电阻性负载：弧隙恢复电压为电源电压；2.开断电感性负载：电流过零，弧隙恢复电压跃升到电源电压幅值；第68页/共96页弧隙电压恢复过程（续弧隙电压恢复过程（续1 1）3.开断电容性负载：电流过零时， 电容C被充电到约为电源压的幅值u。电弧熄灭后，电容C和电源隔离，电容上电荷无法释放，一直保持u，此时弧隙电压为零，随着电源电压的逐渐变化，弧隙电压逐渐增大，当电

33、源电压到达反向最大值时，弧隙电压约为两倍电源电压幅值。第69页/共96页熄灭过程的特点熄灭过程的特点1.零休时间是最好的灭弧时机：输入功率近似为零，若散失功率输入功率，则无热积累；电流过零后，恢复电压又不足以将弧隙介质击穿；则熄灭。2.若熄弧措施过程中出现截流，导致过电压。3.未必均能首次自然过零时熄灭，有时需23个半周才熄灭。第70页/共96页能量平衡理论 与介质恢复理论基本不同点在于：电弧电流过零前后是否有剩余电流。在斯列宾提出理论时，尚不知有剩余电流，而克西则是在剩余电流的基础上提出其理论。第71页/共96页能量平衡理论（续1） 当弧隙中所产生的热能大于散出的热能时，弧隙就会因热击穿而使

34、电弧重燃。这个理论认为在交流电流过零电弧暂时熄火时、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，电源继续向弧隙输送能量因而可能引起电弧的重燃。第72页/共96页能量平衡理论（续2） 热击穿的观点考虑了电弧的热过程并且指出弧隙上的电压恢复过程和介质强度恢复过程并不是相互独立的而是通过弧隙的残余电阻而相互联系和影响的。这种观点使对交流电弧的熄灭和重燃有了进一步的了解。 然而这个理论也有局限性，它对于那些弧隙电导预先消失和因电击穿发生重燃的现象并不能作出确切的解释。第73页/共96页能量平衡理论（续3） 这两个理论(电击穿

35、理论和热击穿理论)并不是完全对立的，它们只是从不同方面去说明交流电弧的熄灭或重燃现象。综合各种实验结果，交流电弧的重燃既可以由于“电”的作用，也可以是由于“热”的作用；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重燃，它们的转化条件就是弧隙中能量的大小。第74页/共96页交流电弧熄灭的过程交流电弧熄灭的过程 第一阶段是弧隙电阻增加阶段。在电流过零前电弧燃炽时，弧隙的电阻很低。当电流接近自然过零时，弧隙的温度还是很高的，弧隙中还存在着热游离和大量离子，但这时输入弧隙的能量是减少了，电弧电阻由低向高过渡。当电弧电流过零以后，电弧电阻很快上升，达到相当高的数

36、值，为弧隙从导体状态转变成介质状态创造了条件。第75页/共96页交流电弧熄灭的过程（续交流电弧熄灭的过程（续1 1） 第二阶段是介质强度恢复阶段。这时热游离早巳停止，导体变成介质，介质强度增加。 在这两个阶段中电弧熄灭的条件也不同。在第一阶段弧隙还是个导体，有剩余电流通过，因此弧隙仍得到能量。为了保证电弧熄灭，就必须使电弧能量扩散大于能量输入，迅速去游离。在第二阶段，介质强度恢复始终高于电压恢复时，电弧熄灭。介质强度恢复理论解释的是电弧熄灭的第二阶段。第76页/共96页3.4 灭弧装置一、熄灭交流电弧的方法增加电弧的长度；磁场吹弧，使电弧在空气中迅速运动；靠电弧本身的能量或靠外界的能量使气流(

37、如SF6、压缩空气），或液流(如油)纵向或横向吹弧；将电弧引入狭缝或电孤在管道中与介质密切接触在真空中熄弧；将长弧分成一系列短弧。第77页/共96页二、灭弧装置1.灭火花电路 多用于保护直流继电器的触头系统，降低其电侵蚀、提高其分断能力，进而保证其安全运行。第78页/共96页二、灭弧装置（续1）2.简单灭弧 在大气中开触头拉长电弧使熄灭。借机械力或电弧电流本身产生的电动力拉长电弧（l增大），并使之在运动中不断与新鲜空气接触而冷却（E增大），从而UA增大，大于u-iR时，电弧熄灭。（多用于低压电器中的刀开关和直动式交流接触器）第79页/共96页二、灭弧装置（续2）2.简单灭弧弧角第80页/共96

38、页3.3.磁吹灭弧装置磁吹灭弧装置二、灭弧装置（续3）第81页/共96页4.4.弧罩与纵缝灭弧装置弧罩与纵缝灭弧装置 为限制弧区扩展并加速冷却以消弱热电离，常采用陶土或耐弧塑料制造的灭弧罩作为灭弧室。有些灭弧室还设有狭窄的纵缝，使电弧进入后在于缝壁的紧密接触中被冷却。多用于低压开关电器。二、灭弧装置（续4）第82页/共96页4.4.弧罩与纵缝灭弧装置弧罩与纵缝灭弧装置二、灭弧装置（续5）第83页/共96页5.5.栅片灭弧装置栅片灭弧装置绝缘栅片：拉长电弧并使迅速冷却金属栅片：将电弧截割为多段短弧，增大近极区电压降（特别是交流电弧近阴极效应）。金属栅片为钢质，对电弧有吸引的作用和冷却作用。多用于

39、低压交流开关电器。二、灭弧装置（续6）第84页/共96页6.6.固体产气式灭弧装置固体产气式灭弧装置 利用能产生气体的固体绝缘材料兼作绝缘管和灭弧室。该材料在电弧高温作用下迅速分解气化，产生含氢高压气体。 主要用于高低压熔断器。二、灭弧装置（续7）第85页/共96页低压封闭管式熔断器 当流过短路电流时，熔片的所有狭颈部分迅速熔化、汽化，形成几个串联的短孤。在电弧的高温作用下，狭颈部分的金属进一步剧烈气化，短弧的长度逐渐延长。同时，钢纸管内壁分解，产生气体使管内的压力迅速升高。 二、灭弧装置（续8）这种熔断器由于采用了串联短弧和提高介质气压两种措施，电弧电压上升很快，它甚至可使短路电流上升到稳定

40、值之间就被强迫下降，并使电弧熄灭。第86页/共96页7.7.石英砂灭弧装置石英砂灭弧装置 石英砂充填在绝缘管内作灭弧介质。熔体融化后产生的金属蒸汽扩散与石英砂缝隙内，迅速冷却复合。灭弧能力强，截流作用显著。 主要用于高低压熔断器。二、灭弧装置（续9）第87页/共96页8.8.油吹灭弧装置油吹灭弧装置 以变压器油为介质，产生电弧后，油气化为氢气，利用氢气的高导热性和低粘度加强对弧柱的冷却作用。 多用于高压开关电器。曾在高压断路器中占重要地位，现已逐渐被其他灭弧装置所取代。 二、灭弧装置（续10）第88页/共96页9.9.压缩空气灭弧装置压缩空气灭弧装置 开断电路时，以压缩空气向弧区强烈吹弧。一方

41、面带走大量热量，另一方面吹散电离气体。多用于高压开关电器（现已较少使用）。 二、灭弧装置（续11）第89页/共96页10.SF10.SF6 6气体灭弧装置气体灭弧装置 SF6气体作为灭弧介质具有下列优点：它在电弧高温下生成的等离子体电离度很高，故弧隙能量小，冷却特性好；介质强度恢复快，绝缘及灭弧性能好，有利于缩小电器的体积和重量；基本上无腐蚀作用；无火灾及爆炸危险；采用全封闭结构时易实现免维修运行；可在较宽的温度和压力范围内使用；无噪声及无线电干扰。二、灭弧装置（续12）第90页/共96页11.11.真空灭弧装置真空灭弧装置 当灭弧室真空度在1.33x10-3Pa以下时，电子的自由行程达43m

42、，发生碰撞电离的概率极小。因此，电弧是靠电极蒸发的金属蒸气电离生成的。若电极材料选用得当，且表面加工良好，金属蒸气就既不多又易扩散，故真空灭弧效果比其他方式都强得多。 目前，高低压电器均有利用真空灭弧装置的产品，以高压为主。 二、灭弧装置（续13）第91页/共96页1.1.弧隙两端并联低值电阻弧隙两端并联低值电阻三、提高灭弧装置开断能力的辅助方法第92页/共96页2. 2. 同步开关同步开关 若发生短路，KA触头闭合，接通饱和电流互感器TA二次电路。当待分断电流很大时，TA铁心处于饱和状态，其二次绕组无输出；电流减至一定值时，铁心转入非饱和状态，二次绕组有输出。TS给出触发脉冲，令晶闸管导通，

43、而电容器C经VS对静止线圈放电，产生强大的磁通，使金属盘出现感应电流，产生轴向电动斥力F，使金属盘连同动触头起右移。同时，压缩空气功；吹向弧隙，使其介质强度于电流过零后迅速恢复。三、提高灭弧装置开断能力的辅助方法第93页/共96页3.3.混合式开关混合式开关三、提高灭弧装置开断能力的辅助方法 晶闸管具有可控单向导电的性质。如果将它和开关电器S并联，并且当交流电流I的流向如图所示的方向时，将开关S的触头分开，同时使晶闸管v触发导通，于是开断电流将从v中流过。由于v的电压降大大低于生弧电压，弧隙中将无电弧。此后，当晶闸管v中交流电流过零时，它将自动闭锁，于是电路被开断。这种综合有触头开关电器和晶闭管而成的开关，通常称为混合式开关。第94页/共96页3.3.混合式开关混合式开关三、提高灭弧装置开断能力的辅助方法 电路闭合后，电流全由触头S中流过。此时TA的二次线圈中产生电流交替流过vl和v2的控制极，为电路开断时vI或v2导通做好准备。当开断电路时，触头S两端的电压同时也加于晶闸管的两端，v1或v2导通，电流由触头S转流入晶闸管中。电流过零后，已导通的晶闸管闭锁。同时，由于主线路中已无电流，TA的二次线圈也无电流流过，因而另一个晶闸管不能导通，电路被完全开断。第95页/共96页感谢您的观看！第96页/共96页