電弧及其與電路的相互作用-簡單回顧.ppt

1、第四章電弧及其與電路的相互作用,本章要點(diǎn)： 1. 電弧的性質(zhì) 2. 弧光放電過程 3. 交直流電弧的伏安特性 4. 交直流電弧的熄滅方法 5. 交流電弧的過零現(xiàn)象 6. 電弧模型（不做要求）,第一節(jié) 概述,開關(guān)開斷過程中會產(chǎn)生電弧。此時電路中的電流繼續(xù)流通，一直到電弧熄滅觸頭間隙成為絕緣介質(zhì)后，電路才被分?jǐn)?，稱為開關(guān)電弧。 電弧是氣體放電的一種形式 特點(diǎn):電弧具有強(qiáng)光 很高的熱力學(xué)溫度（可達(dá)幾千至幾萬度） 對于高電壓大電流電路的分?jǐn)鄟碚f，只有產(chǎn)生電弧，才能實現(xiàn)對電路的控制。,對開關(guān)電弧的要求,對于斷路器中的電弧等離子體來說，希望具有下列特性： 電導(dǎo)率的變化范圍盡可能大，即要在導(dǎo)體至完全絕緣體

2、之間變化； 電導(dǎo)率的變化速度盡可能快。,第二節(jié) 電弧的產(chǎn)生和描述,一. 弧光放電及其特點(diǎn),圖4-1 氣體間隙中的電流與電壓的關(guān)系 (a)有氣體間隙的直流電路；（b）氣體放電的特性,3.電弧的形成,電弧的形成：大量帶電質(zhì)點(diǎn)在電場力的作用定向運(yùn)動 帶電質(zhì)點(diǎn)的來源： 電極發(fā)射大量自由電子 強(qiáng)電場發(fā)射強(qiáng)電場 熱電子發(fā)射高溫 電極間弧柱氣體游離產(chǎn)生大量的電子和離子 碰撞游離電場加速電子，由高速運(yùn)動的電子與中性粒子碰撞產(chǎn)生新的帶電粒子 熱游離高溫（起弧），由中性質(zhì)點(diǎn)熱運(yùn)動碰撞產(chǎn)生,3.弧光放電的特點(diǎn),在輝光、電暈、弧光等自持性放電形式中，弧光放電的特點(diǎn)是電流密度大（伴隨有高溫和強(qiáng)光）、陰極位降低。形成的電

3、弧是一種能量集中、溫度很高、亮度很強(qiáng)的具有良好導(dǎo)電性的游離氣體。 除正負(fù)兩個電極外，整個電弧可以分為三個部分：陰極位降區(qū)域、弧柱和陽極位降區(qū)域。圖4-2給出了沿電弧軸向分布的電弧三個區(qū)域的電位降和電位梯度。電弧形成后，在陰極附近會有正空間電荷（正離子鞘層）的存在，使陰極附近的電位有一個很大的躍變，形成陰極電位降Uc；而在陽極附近則有未被補(bǔ)償?shù)呢?fù)空間電荷（電子）存在，也有一個電位躍變，形成陽極電位降Ua。陰極和陽極位降區(qū)域都處于靠近電極的很小范圍內(nèi)，其長度約為10-4cm，因而其電位梯度可達(dá)到較大的數(shù)值。電弧的中間部分是弧柱，它的電位沿軸向基本上為均勻分布。,電弧的電位降及電位梯度的分布,圖4-

4、2 電弧的電位降及電位梯度的分布,.,電弧的特點(diǎn)（歸納）,A 電弧放電現(xiàn)象是一種氣體自持放電。 B 電弧是一種離子通道（載流通道）：只有觸頭間的電弧熄滅后，電流才真正切斷。 C 電弧的溫度很高、能量大：容易燒壞觸頭，或使觸頭周圍的絕緣材料遭受破壞。 D 電弧燃燒時間過長，壓力過高，有可能使電器發(fā)生爆炸事故。 E電弧質(zhì)量輕，在外力的作用下易變形，如氣吹、磁吹情形下電弧長度容易發(fā)生變化,二、高氣壓電弧與真空電弧比較,高氣壓電弧與真空電弧的定義 由于形成機(jī)理不同，二者在很多方面表現(xiàn)明顯不同。,1、外觀形態(tài)上的區(qū)別,電弧形態(tài)示意圖 從外觀形態(tài)上來看，高氣壓電弧有集中的陰極斑點(diǎn)和陽極斑點(diǎn)。由于受到自身電

5、流產(chǎn)生的磁場箍縮效應(yīng)，在高氣壓電弧陰極斑點(diǎn)和陽極斑點(diǎn)之間，有一根明亮而且集中的弧柱。而真空電弧卻不同，在陰極表面上往往有許多明亮而分散的陰極斑點(diǎn)，陰極斑點(diǎn)作無規(guī)則運(yùn)動。在陽極表面，只有當(dāng)電流超過一定的數(shù)值時，才能出現(xiàn)陽極斑點(diǎn)。各個陰極斑點(diǎn)之間好象是獨(dú)立的，弧柱呈錐狀向陽極伸展。兩極之間的弧柱亮度較弱。,2、電弧伏安特性曲線上的區(qū)別,電弧伏安特性曲線 二者具有不同的伏安特性曲線。高氣壓電弧具有下降的伏安特性。電弧電流增加，電弧壓降減少，具有“負(fù)”特性。真空電弧卻相反，具有正伏安特性?；涸黾?，電流增加,3、電弧在橫向磁場中的運(yùn)動特性,電弧在橫向磁場中的運(yùn)動特性 從外加橫向磁場中的電弧運(yùn)動特性來看

6、，高氣壓電弧的運(yùn)動服從安培定律和左手定則，而真空電弧的運(yùn)動與安培定律和左手定則規(guī)定的方向相反。,在不同的氣壓范圍內(nèi)橫向磁場中電弧運(yùn)動的一般規(guī)律,在不同的氣壓范圍內(nèi)橫向磁場中電弧運(yùn)動的一般規(guī)律,4、運(yùn)行氣體環(huán)境不同,高氣壓電弧運(yùn)行在高氣壓狀態(tài)下，一般指133Pa 以上的氣體環(huán)境中，通常為大氣電弧。帶電粒子的自由程遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電極之間的距離，在兩極之間，與氣體分子間碰撞次數(shù)較多。氣體電離以碰撞電離為主，弧柱內(nèi)有強(qiáng)烈的電磁發(fā)射。 真空電弧運(yùn)行在真空狀態(tài)下，一般指1.33Pa1.33X10-5Pa范圍內(nèi)。帶電粒子的自由程大于電極之間的距離。在兩極之間，帶電粒子與氣體分子間幾乎不發(fā)生碰撞。氣體電離以熱電離為

7、主。,5、帶電粒子的能量區(qū)別,高氣壓電弧帶電粒子與氣體分子間碰撞頻繁。帶電粒子的能量相對較小，氣體電離度小,主要以一次電離為主。 真空電弧以熱電離為主，帶電粒子與氣體分子間幾乎不發(fā)生碰撞，帶電粒子的能量很高，含有較高的多次電離成份。,三、弧柱特性,弧柱是由高溫、高游離化的氣體形成的充滿了帶電粒子的等離子體通道，它的特性和物理過程對電弧起著重要的作用，開關(guān)電弧中主要的研究對象之一就是弧柱的特性。,電弧的熄滅：帶電質(zhì)點(diǎn)不斷消失,關(guān)鍵是加強(qiáng)去游離作用 介質(zhì)的游離作用電弧產(chǎn)生 介質(zhì)的去游離作用電弧熄滅 去游離：正、負(fù)質(zhì)點(diǎn)相互中和為中性質(zhì)點(diǎn)。 游離與去游離 當(dāng)游離去游離電弧電流（劇烈燃燒） 當(dāng)游離=去游

8、離電弧電流不變（穩(wěn)定燃燒） 當(dāng)游離去游離電弧電流（熄滅）,四、弧柱的消游離過程,1. 復(fù)合 兩種帶異性電荷的質(zhì)點(diǎn)互相接觸而形成中性質(zhì)點(diǎn)稱為復(fù)合，也就是正負(fù)電荷的中和作用。 復(fù)合可以在電極的表面及滅弧柵板的表面上發(fā)生，稱為表面復(fù)合，也可以在間隙的空間中發(fā)生，稱為空間復(fù)合。 2. 擴(kuò)散 擴(kuò)散就是帶電粒子從電弧間隙中散出到周圍介質(zhì)中去。它也可使弧柱中的帶電粒子減少，游離程度降低。 通常擴(kuò)散是雙極性進(jìn)行的，即正負(fù)粒子成對地向外擴(kuò)散出去，以保持弧柱中正負(fù)電荷的數(shù)量相等。 擴(kuò)散的速度與粒子濃度、正離子運(yùn)動速度、弧柱直徑、溫度及壓力等有關(guān)，其中以弧柱直徑的影響為最大?；≈睆皆叫?，則擴(kuò)散越強(qiáng)烈。,第三節(jié) 直

9、流電弧,一、直流電弧的伏安特性 在直流電路中產(chǎn)生的電弧稱為直流電弧。 伏安特性是直流電弧的基本特性，它表示直流電弧兩端 的電弧電壓Uh與流過它的電弧電流Ih的關(guān)系。,1. 靜態(tài)伏安特性,直流電弧在一定長度下穩(wěn)定燃燒時所測得的伏安特性稱為靜態(tài)伏安特性。,圖4-5 靜態(tài)伏安特性,下降的電弧伏安特性曲線定性解釋,從圖4-5可見，電弧伏安特性是一條非線性的下降曲線。可簡要地對靜態(tài)直流伏安特性作如下的定性解釋，因為電弧電阻Rh取決于弧柱的熱游離程度，熱游離程度又與溫度，也即是弧柱中的能量損耗有關(guān)，它與電弧電流Ih的平方成正比，因此電弧電阻與電流的二次方成反比。而電弧電壓等于電流與電阻的乘積，因此可知電弧

10、電壓是隨電弧電流的增加而減小的。,弧壓,Uh=陰極區(qū)壓降Uc+ 弧柱區(qū)壓降Us+ 陽極區(qū)壓降Ua 短?。簬讉€mm長、主要由陰極區(qū)壓降Uc + 陽極區(qū)壓降Ua區(qū)組成, Us近似于零 長弧：幾個cm幾個m長，主要由Us組成,長弧中的電弧電壓,實驗指出，在其他條件不變時，當(dāng)電弧電流增大到幾十安時，電弧電壓不再隨電流的增加而下降，而是基本上保持為常數(shù)。因此在小電流范圍時，電弧電阻隨電流的增加而急劇地（近似為二次方）減??；而在大電流范圍時，電弧電阻只隨電流的增加而緩慢減小。 在長弧中，電弧電壓主要是弧柱的電壓降，即,(4-9),式中 Eh 弧柱的電場強(qiáng)度（Vcm） lh 電弧的長度（cm）,近陰極效應(yīng)（

11、短弧原理）,將長弧切割成多段電弧串聯(lián)，每一段即構(gòu)成一個短弧，獲得一個陰極區(qū)壓降。 如果加在觸頭間的電壓小于各段短弧的陰極電壓之和，則電弧就不能維持而熄滅。,大電流時弧柱電場強(qiáng)度,弧柱電場強(qiáng)度Eh也將隨電弧電流變化。在大電流情況下，弧柱的電場強(qiáng)度基本上保持為一常數(shù)。幾個典型的弧柱電場強(qiáng)度數(shù)值示于表4-3中,2. 影響伏安特性的因素,電弧電壓的大小取決于電弧長度和弧柱電場強(qiáng)度的乘積，因此電弧長度和弧柱電場強(qiáng)度將直接影響到電弧的伏安特性。, 在其他條件不變時，電弧電壓Uh隨電弧長度l的增大而升高，伏安特性曲線向上移,冷卻條件對伏安特性的影響,冷卻情況有關(guān),冷卻條件越好，伏安特性曲線越向上移。這是因為

12、外界對電弧冷卻作用的增強(qiáng)會使弧柱內(nèi)的消游離過程加強(qiáng)，在相同的電流下，必須有較高的電場強(qiáng)度（在一定弧長時，也即要有較高的電弧電壓）才能給弧道提供足夠的能量來加強(qiáng)熱游離，繼續(xù)維持電弧的穩(wěn)定燃燒。,3. 動態(tài)伏安特性,圖中曲線1為為靜態(tài)伏安特性，當(dāng)電流較快增加時，由于熱慣性的作用，弧柱中的溫度上升得較慢，使游離作用的變化趕不上電流的相應(yīng)變化，因此電阻值較大，動態(tài)伏安特性曲線偏于靜態(tài)伏安特性曲線之上。 圖中曲線2即為電流增加時的動態(tài)伏安特性曲線。 圖中曲線3即為電流尖小時的動態(tài)伏安特性曲線。,動態(tài)伏安曲線,對于長度不變的直流電弧，其靜態(tài)伏安曲線只有一條，而動態(tài)伏安曲線可以有千萬條！,注意事項,實際上開

13、關(guān)中的直流電弧在熄滅過程中電流的變化都是較快的，因此在討論電弧電壓與電流的關(guān)系時必須采用動態(tài)伏安特性。,二、直流電弧的穩(wěn)定燃燒與熄滅,等效回路,它的電壓平衡方程式為,(4-10),電弧伏安特性曲線,(4-11),直流電弧的熄滅條件,如要使直流電弧熄滅，則必須減小電流，使 即,(4-14),因此，式（4-14）即為直流電弧的熄滅條件。它說明當(dāng)電路中電源電壓不足以維持電弧電壓與線路壓降之和時，直流電弧將被熄滅。,兩條曲線無交點(diǎn)情形,兩條曲線無交點(diǎn)情形,分析和結(jié)論,直流電弧的熄滅條件,開關(guān)中熄滅直流電弧,在開關(guān)中熄滅電弧時，線路內(nèi)的參數(shù)一般是不變的，因此常采用下面方法來提高電弧的伏安特性曲線，以滿足

14、電弧的熄滅條件。 （1）拉長電?。挥|頭的分?jǐn)噙^程，就可把電弧拉長，另外還可采用吹弧（磁吹氣吹）的辦法使燃弧路徑增長，從而拉長電弧。當(dāng)電弧實際長度超過熄滅所要求的臨界長度時，電弧必然熄滅。 （2）增強(qiáng)冷卻；增強(qiáng)冷卻可使Eh增大，從而把伏安特性曲線提高。油、SF6、真空、壓縮空氣,開關(guān)中熄滅電?。ɡm(xù)）,3) 將長弧分割成多段短弧 4) 提高觸頭的開斷速度（分閘彈簧） 5) 將觸頭置于真空滅弧室中,直流電弧的熄滅注意事項 在直流電路中不能采用滅弧能力太強(qiáng)的開關(guān)電器，避免產(chǎn)生過電壓。,第四節(jié) 交流電弧,一、交流電弧的特點(diǎn),交流電弧的特性及熄滅,電弧在自然過零時將自動熄滅，但下半周期隨著電壓的升高，電弧

15、會重燃。 若電流過零時，電弧不再重燃，電弧就此熄滅。 熱慣性：電弧溫度的變化滯后于電流的變化,交流電弧的熄滅條件,弧隙此時恢復(fù)電壓小于此時弧隙擊穿電壓,交流電弧伏安特性,圖4-11 交流電弧在一周期內(nèi)的伏安特性,電弧的溫度曲線,圖4-12 電弧的溫度曲線 （a）在空氣中自由燃燒的電弧；（b）具有強(qiáng)烈氣吹的電弧 由于熱慣性，溫度的變化稍落后于電流,二、交流電弧對電路的影響,圖4-13示出具有電弧的交流電路，電路中的電阻、電感、觸頭兩端的電容均為線性元件，電弧可以用一非線性的電弧電阻 Rh表示。,圖4-13 具有電弧的交流電路,弧燃燒時的電路方程式為,通常觸頭兩端的電容很小，因此在電弧電壓變化不大

16、的情況下，電容電流可以略去，此時電路中電流就等于電弧電流，從而有,(4-22),忽略電容電流所滿足方程,由于Rh是一個可變的非線性參數(shù)，只要電弧電壓存在，電流就不會按正弦規(guī)律變化。,(4-23) (4-24),電弧的影響,為了清楚地看到電弧的影響，可再作如下的一些簡化假定：,推導(dǎo),按上述假定，則式（4-23）可改寫為,(4-25),在電流正半周內(nèi)將上式直接積分，得,簡化后的結(jié)論,電弧電流的變化曲線,圖4-14 電弧電流的變化曲線,電弧電流零點(diǎn)比自然電流零點(diǎn)提前的現(xiàn)象,(4-27),提前過零的相位角,因為,所以有,(4-28),圖4-15,其它情況的處理,對于其他電弧電壓不為常數(shù)的情況，只要能寫

17、出近似表達(dá)式，例如電弧電壓隨時間線性增長，也可用類似的方法加以分析。 當(dāng)電弧電壓很小以至可以忽略不計時，由于電弧電流中的線性變化分量，此時電弧電流可被近似地看為按正弦變化,理想電弧的概念,可見電弧的存在將使電路的分析變得困難。考慮到在電流足夠大，弧隙游離程度足夠高時，電弧電阻很小，以至可以略去，即把電弧近似地看成是一個短接的導(dǎo)體。而電弧一旦熄滅，觸頭間隙能很快變成氣體介質(zhì)，則可假設(shè)間隙的電阻立即趨于無限大。這種在燃弧時電弧電阻為零、熄弧后電阻立即變?yōu)闊o限大的電弧稱為理想電弧。為了分析上的方便，在某些情況下可近似地用理想電弧來取代實際電弧。顯然，理想電弧的電流零點(diǎn)將與自然電流零點(diǎn)重合。,三、電壓

18、恢復(fù)過程與介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程,交流電弧電流過零時，電弧功率也為零，此時弧隙得不到能量，卻仍以對流、傳導(dǎo)等方式繼續(xù)散出能量，這樣弧隙內(nèi)的消游離將大大增強(qiáng)，使弧隙溫度迅速下降，電弧會暫時熄滅 （條件： 觸頭開距間的擊穿電壓大于系統(tǒng)電壓） 因此交流電弧電流的過零，給熄滅電弧造成了有利的條件，只要在電流過零后能不發(fā)生重燃，電弧就會最終熄滅。故而熄滅交流電弧要比熄滅直流電弧容易。 電弧的熄滅與否，就取決于這兩個同時發(fā)生而又作用相反的過程的“競賽”。,弧后過程,電流過零電弧熄滅后，弧隙從原來的電弧通道逐漸變成絕緣介質(zhì)的過程就是介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程?；∠督橘|(zhì)強(qiáng)度用弧隙所能耐受的電壓來表征。 由于實際電路中總存在著

19、某些電容、電感，使電壓不可能直接躍變，因此弧隙上的電壓在從熄弧電壓變到電源電壓時將發(fā)生過渡過程?；∠渡系倪@一過渡過程稱為弧隙的電壓恢復(fù)過程。在這個過程中，弧隙兩端出現(xiàn)的電壓就稱為弧隙的恢復(fù)電壓。電壓恢復(fù)過程與電路參數(shù)和弧隙性能有關(guān)，可以是周期性的，也可以是非周期性的 。,熱態(tài)介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)特性,圖-17 弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)特性,四、交流電弧電流過零現(xiàn)象,電壓恢復(fù)過程和介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程與線路參數(shù)和滅弧裝置有關(guān)，并與弧隙在電流過零時的物理過程有關(guān)。 前面分析時因假定電弧電壓為常數(shù)且電容很小，因而忽略了電容電流ic的影響，但電弧電壓Uh并不為常數(shù)，尤其在小電流階段內(nèi)因電弧電壓Uh的顯著變化而引起的流過電

20、容的電流將不能忽略。,小電流電弧時，電容電流的影響不能忽略！,由圖4-18所示電路，可寫出如下關(guān)系,(4-30),(4-31),電流過零現(xiàn)象,(1)超前過零：電弧電流的零點(diǎn)出現(xiàn)在電壓零點(diǎn)之前。 （2)同時過零：電弧電流與電弧電壓同時通過零點(diǎn),圖4-19 兩種電流過零現(xiàn)象的原理圖 （a）超前過零；（b）同時過零,電流過零現(xiàn)象定性解釋,弧柱中絕緣介質(zhì)層的形成時刻，將會影響電弧電流零點(diǎn)附近的現(xiàn)象。若在電流零點(diǎn)前，因滅弧裝置的作用，使間隙的電導(dǎo)預(yù)先消失，電弧電流為零，電流轉(zhuǎn)移到電容中，此時間隙上就會有一定的電壓值，從而出現(xiàn)超前過零現(xiàn)象。 若在電流零點(diǎn)前，散失功率小，弧隙熱游離沒有停止，仍有一定的電導(dǎo)，

21、那么電弧電流將按交流電路所決定的特性過零，此時弧隙兩端的電壓將和電流同時過零。在過零瞬間，盡管弧隙上沒有電場的作用，但由于熱慣性，殘余弧柱中的游離氣體在短時間內(nèi)仍然會維持一定的游離程度，弧隙電導(dǎo)并不消失。因此過零后，在恢復(fù)電壓作用下，弧隙中就會立即出現(xiàn)弧后電流。,近陰極效應(yīng),由于電弧兩極極性的更換（零前的陽極要轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌年帢O），弧隙殘余帶電粒子的運(yùn)動倒向，使新陰極的近極區(qū)出現(xiàn)正離子鞘層（見圖8-9a）鞘層的電壓耐受能力即弧隙的起始介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度。這種與電極反伴生的初始介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度稱之為近陰極效應(yīng)。由近陰極效應(yīng)所造成的弧起始介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度的高低取決于弧隙的消游離程度、電極溫度和導(dǎo)熱能力等。,五、交流

22、電弧的熄滅和重燃,對于交流電弧的熄滅和重燃過程存在著兩種解釋： 1、介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)理論（電擊穿理論） 2、能量平衡理論（熱擊穿理論）。,兩種擊穿理論的區(qū)別,電擊穿理論認(rèn)為交流電弧的重燃是在加在弧隙上的電場作用下形成電子崩的結(jié)果，也即弧隙因擊穿而引起重燃。 適用范圍：這種理論只能用來解釋電弧電流超前過零、弧隙電導(dǎo)預(yù)先消失時的重燃現(xiàn)象，并不能普遍適用。 熱擊穿理論認(rèn)為電弧的熄滅或重燃取決于弧隙中的能量平衡。當(dāng)弧隙種所產(chǎn)生的熱能大于散出的熱能時，弧隙就會因熱擊穿而使電弧重燃。這個理論認(rèn)為在交流電流過零電弧暫時熄滅時，弧隙溫度較高，熱游離還未停止，弧隙仍是一個具有一定電導(dǎo)的導(dǎo)電通道，尚未恢復(fù)為真正的介質(zhì)。因此在恢復(fù)電壓作用下，就出現(xiàn)弧后電流，電源繼續(xù)向弧隙輸入能量，因而可能引起電弧的重燃。 局限性：對于那些弧隙電導(dǎo)預(yù)先消失和因電擊穿而發(fā)生重燃的現(xiàn)象并不能作出確切的解釋。,關(guān)于這兩種觀點(diǎn)的合理解釋,在弧后電流流通時，弧隙是一個特殊的導(dǎo)電通道，它雖然還不是絕緣介質(zhì)，但畢竟與燃弧通道不同。它存在這樣兩種可能的結(jié)果：一是隨著輸入能量的增大，弧隙的電導(dǎo)增大而發(fā)生熱擊穿，從而轉(zhuǎn)變成燃弧的通道；另一是在恢復(fù)電壓作用下，它確實能耐受一定的電壓而不被熱擊穿，仍能轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣介質(zhì)而使電弧最終熄滅。對于后者，可以認(rèn)為此時弧隙也具有一定的“介質(zhì)”強(qiáng)度等效介質(zhì)強(qiáng)度，用這個等效的概念來表示弧隙耐受恢復(fù)電壓的能力。,