交流電弧熄滅原理

2008年4月17日2第四章交流電弧的熄滅原理

交流電弧的熄滅原理§4-0序§4-1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程§4-2弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程§4-3交流電弧的熄滅條件2008年4月17日3第四章交流電弧的熄滅原理§4-0序交流電流過(guò)零時(shí)，電弧的輸入功率為零，有利于熄弧大部分交流開關(guān)設(shè)備都利用該原理熄滅電弧 電流過(guò)零熄弧交流電流過(guò)零后，弧隙中和弧隙上同時(shí)進(jìn)行著兩個(gè)相關(guān)的過(guò)程 介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程 電壓恢復(fù)過(guò)程2008年4月17日4第四章交流電弧的熄滅原理§4-0序介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程 弧隙中的電離氣體由導(dǎo)電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣狀 態(tài)，使弧隙能承受電壓而電弧不重燃的過(guò)程 介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度(dielectricrecoverystrength)

某一時(shí)刻弧隙介質(zhì)所能承受的最高電壓：ujf電壓恢復(fù)過(guò)程 電源電壓加到弧隙兩端的過(guò)程 恢復(fù)電壓：uhf2023/2/432008年4月17日5第四章交流電弧的熄滅原理§4-0序若UjfUhf<電弧熄滅與否，取決于兩個(gè)過(guò)程的“競(jìng)爭(zhēng)”

總是

若Ujf

>Uhf

電弧趨于熄滅

某一時(shí)刻電弧可能重燃2008年4月17日6第四章交流電弧的熄滅原理

第四章交流電弧的熄滅原理§4-0序§4-1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程§4-2弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程§4-3交流電弧的熄滅條件2008年4月17日7第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程的概念

介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程在近陰極區(qū)和弧柱區(qū)情況不同 近陰極區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程

交流電流過(guò)零后，電極換向+－電流過(guò)零+－2008年4月17日8第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程

過(guò)零瞬間電弧電壓也過(guò)零正負(fù)粒子均勻分布（熱運(yùn)動(dòng)）介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程的概念

近陰極區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程 交流電流過(guò)零后，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)

E

+++++++

電流過(guò)零

+++++

過(guò)零后

電極極性改變 電子迅速向新陽(yáng)極運(yùn)動(dòng) 正離子加速緩慢，在極短時(shí)間內(nèi)可認(rèn)為停留在原位置 陰極附近形成正電荷層，在陰極表面作用一個(gè)電場(chǎng)E0=－++++++++l2008年4月17日14第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程的概念

近陰極區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程

電流過(guò)零瞬間陰極表面電場(chǎng)強(qiáng)度與電 極間施加電壓的關(guān)系

2nqUj

ε

產(chǎn)生電弧，需要陰極發(fā)射電子

若電流過(guò)零時(shí)

陰極較冷，只能依靠場(chǎng)致發(fā)射，

即E0要大于一定值，否則電弧不會(huì)重燃這種弧隙在電流過(guò)零后立即獲得一定耐壓強(qiáng)度的現(xiàn)象，稱為近陰極效應(yīng)電流過(guò)零后弧隙立即能承受的電壓數(shù)值稱為介質(zhì)初始恢復(fù)強(qiáng)度Ujf0

E+++++++

過(guò)零后x0E0

U

0Uj近陰極區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程E0=－++++++++2008年4月17日15第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程

E+++++++

過(guò)零后xl0E0

U

0Uj介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程的概念

2nqUj

ε

介質(zhì)初始恢復(fù)強(qiáng)度與電弧電流、電流過(guò)零 瞬間陰極（原陽(yáng)極）的溫度有很大的關(guān)系Ih↑→Tcathode

ih

→0↑→Ujf

0↓原因：陰極溫度升高→熱發(fā)射作用很強(qiáng)時(shí)，陰極前不再缺電子，近陰極效應(yīng)將不存在陰極溫度升高→場(chǎng)致熱發(fā)射增強(qiáng)→若需要一定的電流密度才可導(dǎo)致?lián)舸瑒t陰極溫度上升時(shí)需要的擊穿電壓減?。?+++++++2008年4月17日16第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程

E+++++++

過(guò)零后xl

0E0

UjU

0介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程的概念

近陰極區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程

研究近陰極區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程，對(duì)熄滅交 流短弧有很大意義（參p.71）近陽(yáng)極區(qū)

陽(yáng)極只是一個(gè)被動(dòng)、“消極”的電子收集器， 近陽(yáng)極區(qū)對(duì)介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程一般不起作用2008年4月17日17第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程擴(kuò)散

過(guò)零時(shí)Ph=0

Rh≠∞

（熱慣性）Rh↓重燃介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程的概念

弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程

間隙電壓高Ph>PsRh↑→∞

熄滅間隙電壓低

Ph<Ps復(fù)合

弧柱溫度3000~4000K

熱電離 基本停止 不再流過(guò) 大電流2008年4月17日18第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程的概念

弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程

熱擊穿：電弧電流過(guò)零后，由于Ph>Ps，弧柱被加熱，電弧電 阻減小，而引起的擊穿復(fù)合擴(kuò)散Rh↓重燃熱擊穿間隙電壓高Ph>Ps2008年4月17日19第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程的概念

弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程

熱擊穿：電弧電流過(guò)零后，由于Ph>Ps，弧柱被加熱，電弧電 阻減小，而引起的擊穿 熱擊穿階段弧柱介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度（Ujf）能量平衡原理PsRz↓Pz↑重燃zszzsP<PP=Uz

2

/RzP>PRz↑不重燃Pz↓2008年4月17日20第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程的概念

弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程

熱擊穿階段弧柱介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度（Ujf）的計(jì)算能量平衡原理PsRz↓Pz↑重燃zszzsP<PP=Uz2/RzP>PRz↑不重燃Pz↓臨界情況：Uz2

Rz=PssUjf

=PRz2008年4月17日21第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程

過(guò)零時(shí)Ph=0

Rh≠∞

（熱慣性）Rh↑→∞

熄滅間隙電壓低

Ph<Ps復(fù)合

弧柱溫度3000~4000K

熱電離 基本停止 不再流過(guò) 大電流溫度仍然較高 耐壓強(qiáng)度低介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程的概念

弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程

電擊穿：電弧電流過(guò)零后，Rh

→∞，但由于介質(zhì)溫度較高，弧隙耐壓強(qiáng)度低，而引起的擊穿

擴(kuò)散2008年4月17日22第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程的概念

弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程

一般而言，電弧的熄滅都要經(jīng)過(guò)兩個(gè)過(guò)程 熱擊穿（Thermalbreakdown）階段：電弧電流過(guò)零后，弧隙具 有一定的電阻，加大電壓后，弧隙可流過(guò)電流（弧后電流）

電擊穿（Dielectricbreakdown）階段：電弧電流過(guò)零后，Rh

→∞，但由于介質(zhì)溫度較高，弧隙耐壓強(qiáng)度低 熱擊穿和電擊穿有過(guò)渡過(guò)程，很難明確地區(qū)分

特殊情況：滅弧介質(zhì)對(duì)電弧的冷卻作用過(guò)強(qiáng)，ih→0時(shí)，弧隙中 的熱電離作用已經(jīng)停止。電流過(guò)零后，不存在熱擊穿階段，而

直接進(jìn)入電擊穿階段

弧柱的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程對(duì)長(zhǎng)弧的熄滅有很重要的意義（參p.71）2008年4月17日31第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程開關(guān)電器弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性

高壓開關(guān)電器中，弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度主要依賴于滅弧介 質(zhì)對(duì)弧柱的冷卻和消電離作用

氣體介質(zhì)中，電流過(guò)零后一定時(shí)間

Ujf

才開始上升

真空中立即恢復(fù)，滅弧性能好

SF6（電負(fù)性氣體）差一些

變壓器油（燃弧時(shí)提供氣體介質(zhì)，主要為

H2）、壓縮空氣（主要為N2）更差2008年4月17日32第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程開關(guān)電器弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性?弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程與電流過(guò)零后弧隙上是否施加電壓有關(guān)，可分為兩類

固有介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程：不加電壓 在給定弧隙介質(zhì)條件下，Ujf～t特性僅有一條 實(shí)際介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程：施加某一電壓 電壓（大小、波形）不同，Ujf～t特性不同 在給定弧隙介質(zhì)條件下，Ujf～t特性有很多條2008年4月17日33第四章交流電弧的熄滅原理

第四章交流電弧的熄滅原理§4-0序§4-1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程§4-2弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程§4-3交流電弧的熄滅條件2008年4月17日34第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程電源線路電感線路電阻負(fù)載開關(guān)電弧過(guò)零熄滅電源線路電感線路電阻負(fù)載開關(guān)電壓恢復(fù)過(guò)程

電流過(guò)零后，弧隙兩端的電壓由零或反向電弧電壓上升到

電源電壓的過(guò)程稱為電壓恢復(fù)過(guò)程 恢復(fù)電壓（recoveryvoltage）：電壓恢復(fù)過(guò)程中弧隙上的 電壓

恢復(fù)電壓2008年4月17日36第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程穩(wěn)態(tài)分量工頻電壓直流電壓恢復(fù)電壓的組成

若穩(wěn)態(tài)分量只有工頻電壓，稱為工頻恢復(fù)電壓

包含暫態(tài)分量的恢復(fù)電壓，稱為瞬態(tài)恢復(fù)電壓（TRV） （TransientRecoveryVoltage）恢復(fù)電壓 暫態(tài)分量時(shí)間短、頻率高、對(duì)熄弧極為關(guān)鍵2008年4月17日38第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程開斷不同性質(zhì)負(fù)載的恢復(fù)電壓

阻性負(fù)載

ih與u同相

ih過(guò)零時(shí)，u也過(guò)零

uhf由零按正弦波形上升

uhf無(wú)暫態(tài)分量，只有工頻恢復(fù)電壓2008年4月17日40第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程開斷不同性質(zhì)負(fù)載的恢復(fù)電壓

感性負(fù)載

ih落后于u約90o

ih過(guò)零時(shí)u約處于反向幅值

理論上：ih過(guò)零后，uhf應(yīng)從0跳變 至u的反向幅值

實(shí)際上：由于弧隙兩端等效電容的 存在，uhf將按一快速的 過(guò)渡過(guò)程上升，此后再按 工頻變化

uhf含有穩(wěn)態(tài)分量（工頻電壓）和暫態(tài)分量，為瞬態(tài)恢復(fù)電壓2008年4月17日41第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程開斷不同性質(zhì)負(fù)載的恢復(fù)電壓

容性負(fù)載

ih超前于u約90o

ih過(guò)零時(shí)u約處于幅值

ih過(guò)零時(shí)電容C被充電且保持，約為u的幅值

uhf隨u變化，最大值可達(dá)到u幅值的2倍

uhf無(wú)暫態(tài)分量，穩(wěn)態(tài)分量為直流電壓與 工頻電壓之和恢復(fù)電壓阻性負(fù)載感性負(fù)載容性負(fù)載穩(wěn)態(tài)分量工頻電壓工頻電壓直流電壓＋工頻電壓暫態(tài)分量無(wú)有無(wú)2008年4月17日42第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程開斷不同性質(zhì)負(fù)載的恢復(fù)電壓

小結(jié)2008年4月17日43第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程開斷不同性質(zhì)負(fù)載的恢復(fù)電壓

實(shí)際情況下，開關(guān)電器大多工作于非容性電路

開斷感性電路比阻性電路對(duì)電器弧隙的要求更嚴(yán)

一般電網(wǎng)中短路電流為感性 一般而言，開關(guān)電器滅弧裝置的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)都以開斷感性 電路為準(zhǔn)。阻性負(fù)載感性負(fù)載容性負(fù)載2008年4月17日50第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程理想弧隙的電壓恢復(fù)過(guò)程

電流過(guò)零后極短的時(shí)間內(nèi)，弧隙上恢復(fù)電壓的幅值和波形

與兩方面參數(shù)有關(guān)

電路參數(shù) 接線方式 集中或分布的電感、電容、電阻的數(shù)值 電弧參數(shù) 電弧電壓 剩余電阻

理想弧隙

過(guò)零前：Rh＝0

過(guò)零后：

Rh→∞2008年4月17日52第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程理想弧隙的電壓恢復(fù)過(guò)程

開斷單頻電路時(shí)弧隙上的電壓恢復(fù)過(guò)程

等效電路L：整個(gè)回路的等效電感（電源自身和線路電感）C：折算到弧隙兩端的等效電容（電源繞組和線路對(duì)地、線間）R:折算到弧隙兩端的等效電阻（電源、線路等各種電、磁損耗折算）2008年4月17日64第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程理想弧隙的電壓恢復(fù)過(guò)程

開斷單頻電路時(shí)弧隙上的電壓恢復(fù)過(guò)程欠阻尼：減幅振蕩過(guò)阻尼：無(wú)振蕩、單調(diào)變化實(shí)際開斷單頻電路短路電流時(shí)，uhf多為振蕩衰減的波形這種恢復(fù)電壓常用兩參數(shù)來(lái)表征2008年4月17日65第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程理想弧隙的電壓恢復(fù)過(guò)程

開斷單頻電路時(shí)弧隙上的電壓恢復(fù)過(guò)程

實(shí)際開斷單頻電路短路電流時(shí)，uhf多為振蕩衰減的波形

這種恢復(fù)電壓常用兩參數(shù)來(lái)表征 在

低壓電器中振幅因數(shù)Uhfm

Ugmγ=振蕩頻率

12tmf=描述恢復(fù)電壓幅值的大小描述恢復(fù)電壓上升速度的快慢2008年4月17日67第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程理想弧隙的電壓恢復(fù)過(guò)程

開斷單頻電路時(shí)弧隙上的電壓恢復(fù)過(guò)程

實(shí)際開斷單頻電路短路電流時(shí)，uhf多為振蕩衰減的波形

這種恢復(fù)電壓常用兩參數(shù)來(lái)表征 在

高壓電器中 恢復(fù)電壓峰值：Uc

峰值時(shí)間：t3

延遲時(shí)間：td（表征起始上升 部分的凹度）

固有瞬態(tài)恢復(fù)電壓參數(shù)（p.111，表4-4）2008年4月17日68第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程理想弧隙的電壓恢復(fù)過(guò)程

開斷多頻電路時(shí)弧隙上的電壓恢復(fù)過(guò)程

恢復(fù)電壓中有多個(gè)頻率的暫態(tài)分量（雙頻、三頻……）

采用四參數(shù)來(lái)表征 第一波幅值：U1

第一波幅時(shí)間：t1

峰值：Uc

峰值時(shí)間：t2

延遲時(shí)間：td（表征起 始上升部分的凹度）

固有瞬態(tài)恢復(fù)電壓參數(shù)（p.112，表4-5）2008年4月17日82第四章交流電弧的熄滅原理

第四章交流電弧的熄滅原理§4-0序§4-1弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程§4-2弧隙中的電壓恢復(fù)過(guò)程§4-3交流電弧的熄滅條件2008年4月17日83第四章交流電弧的熄滅原理§4-3交流電弧的熄滅條件若UjfUhf<電弧熄滅與否，取決于兩個(gè)過(guò)程的“競(jìng)爭(zhēng)”

總是

若Ujf

>Uhf

電弧趨于熄滅

某一時(shí)刻

電弧可能重燃介質(zhì)恢復(fù)和電壓恢復(fù)相互影響2008年4月17日84第四章交流電弧的熄滅原理§4-3交流電弧的熄滅條件交流電弧的熄滅條件固有特性實(shí)際特性不加恢復(fù)電壓時(shí)的 介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度

恢復(fù)電