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电 器 理 论 基 础-第四章天津工业大学 电气工程与自动化学院电气工程及其自动化专业

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第四章 交流电弧的熄灭原理教学目的与要求： 1、掌握近阴极效应，熟悉开关电器弧隙的介质恢复强 、掌握近阴极效应， 度特性； 度特性； 2、掌握工频恢复电压，熟悉理想弧隙电压恢复过程， 、掌握工频恢复电压，熟悉理想弧隙电压恢复过程， 了解电弧参数对电压恢复过程的影响； 了解电弧参数对电压恢复过程的影响； 3、掌握交流电弧的熄灭条件，了解交流电弧熄灭过程 、掌握交流电弧的熄灭条件， 的计算方法 教学重点与难点： 1、近阴极效应与弧隙介质恢复强度特性； 、近阴极效应与弧隙介质恢复强度特性； 2、工频恢复电压及理想弧隙电压恢复过程； 、工频恢复电压及理想弧隙电压恢复过程； 3、交流电弧的熄灭条件 、

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第四章 交流电弧的熄灭原理教学基本内容： 1、介质恢复过程的概念； 2、开关电器弧隙的介质恢复强度特性； 3、恢复电压的组成部分和工频恢复电压； 4、理想弧隙上的电压恢复过程； 5、电弧参数对电压恢复过程的影响； 6、交流电弧的熄灭条件； 7、交流电弧熄灭过程的计算方法。

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第四章 交流电弧的熄灭原理概 述 §4-1 §4-2 弧隙中的介质恢复过程 弧隙中的电压恢复过程

§ 4-3 交流电弧的熄灭条件和计算方法 小 结

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概

述

一、交流电弧过零后，存在两个过程： 介质恢复过程和电压恢复过程。 1、介质恢复过程： 弧隙中电离气体从导电状态迅速变为绝缘状态，使弧隙 能承受电压作用而不发生电弧重燃的过程。

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概

述

2、电压恢复过程：熄弧后电路将被开断，电源电压加到 弧隙两端触头上的过程。 若介质恢复强度曲线ujf 大于电压恢复强度曲线uhf,则 电弧趋于熄灭；否则，若某一瞬间ujf小于uhf,则电弧将 继续燃烧。

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概二、两过程在“竞赛” 两过程在“竞赛”ujf1 u u’jf1

述

uhf

t交流电弧过零后，弧隙中的介质恢复过程和弧隙上的电压恢复过程

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§4-1 弧隙中的介质恢复过程一、介质恢复过程的概念： 介质恢复过程的概念：在交流电流过零后的熄弧过程中，弧隙中的介质恢复过程在近阴 极区和弧柱区的情况不同。 1、近阴极区的介质恢复过程： 近阴极效应(重要概念) 近阴极效应(重要概念):电流过零期间，弧隙两端电压也过零，此 时弧隙中的正负带电粒子由于热运动而处于均匀分布状态。电流过零 后，当弧隙两端电压极性改变时，电子迅速向正极方向运动，而离子 由于质量很大，加速缓慢，如果新阴极较冷，要产生电弧电子只能靠 阴 极 表 面 处 存 在 的 高 电 场 进 行 发 射 ， 要 求 E0 大

于 一 定 值 ( 如 106v/cm)。电场E0随着电极上电压Uj 的增大而增大，所以Uj必须 大于一定值；否则，E0就不足以产生场致发射，电弧便不能再产生。

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§ 4 -1

弧隙中的介质恢复过程

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§ 4 -1

弧隙中的介质恢复过程

从电路的角度看， 从电路的角度看，好象弧隙在电流过零后立即获得一定的耐 压强度。这一现象叫做近阴极效应； 压强度。这一现象叫做近阴极效应；而电流过零后弧隙立即能 承受的电压值就称为介质初始恢复强度U 承受的电压值就称为介质初始恢复强度Ujf0。

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§4-1

弧隙中的介质恢复过程

介质初始恢复强度U 并非是一个固定值， 介质初始恢复强度Ujf0 并非是一个固定值，它和电流过零瞬间 原来的阳极(过零后变成阴极)温度关系很大。当电弧电流I 原来的阳极(过零后变成阴极)温度关系很大。当电弧电流Ih增 大时电流过零瞬间电极温度很高，因而Ujf0 下降。见表4-1: 大时电流过零瞬间电极温度很高，因而U 下降。见表4

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§4-1

弧隙中的介质恢复过程

交流电流过零瞬间， 的关系： 交流电流过零瞬间，E0 与Uj 的关系：

E0 =n:弧隙中正离子数密度 q:一个带电粒子的电量 Uj :相对于阴极的电位

2nqU j

ε

ε

:气体的介电常数

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§4-1P98

弧隙中的介质恢复过程

例题：设交流电流过零时，某空气介质短弧弧隙中正离子数密度n=1014 cm-3 ,在 阴极表面处的最大允许电场强度EX=30*104 V/cm。又 ε = ε 0 = 8.86 ×10 14 F / cm

计算弧隙的介质初始恢复强度Ujf0 。

q = 1.6 ×10 19 C

解：由式

E0 =ε 0 Ex 2

2nqU j

得：

ε

U jfo

8.86 ×10 14 × (300000) 2 = = V = 250V 2nq 2 ×1014 ×1.6 ×10 19

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§4-1 2、弧柱区的介质恢复过程： 、弧柱区的介质恢复过程：

弧隙中的介质恢复过程

1) 当弧柱温度在 ) 当弧柱温度在3000~4000K以上时 ， 电弧重燃的物理本质是电弧的 以上时， 以上时 Ph>Ps(输入功率大于散发功率),弧柱被加热使电弧重燃，称为热击穿。 输入功率大于散发功率) 弧柱被加热使电弧重燃，称为热击穿 热击穿。 在临界状态， 保持不变的情况下， 在临界状态，且Rz保持不变的情况下，弧柱上的电压就代表了弧柱此时 的介质恢复强度u 由此得热击穿阶段弧柱区的介质恢复强度为： 的介质恢复强度 jf。由此得热击穿阶段弧柱区的介质恢复强度为：

u jf = Rz Pz

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§4-1

弧隙中的介质恢复过程

2) 当弧柱温度在 ) 当弧柱温度在3000~4000K以下 ， 热电离作用已基本上停止 ， 以下， 以下 Rz→∞,无电弧。若此时外加电压，将产生电场。 ,无电弧。若此时外加电压，将产生电场。 如电场强度足够高，则可能产生间隙击穿而使电弧重燃， 电击穿。 如电场强度足够高，

则可能产生间隙击穿而使电弧重燃，即电击穿。 电流过零后的这一阶段称为电击穿阶段。 电流过零后的这一阶段称为电击穿阶段。 弧柱区的介质恢复过程对熄灭交流长弧具有重要意义， 弧柱区的介质恢复过程对熄灭交流长弧具有重要意义，是所有高压 电器和部分低压电器设计的理论基础。 电器和部分低压电器设计的理论基础。

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§4-1

弧隙中的介质恢复过程

综上所述，在电流过零后的熄弧过程中， 综上所述，在电流过零后的熄弧过程中，电弧的熄灭基本上要经过两 个阶段：热击穿阶段和电击穿阶段。 前者弧隙具有一定的电阻， 个阶段：热击穿阶段和电击穿阶段。 前者弧隙具有一定的电阻，流过 一定的电流；后者弧隙电阻趋于无穷大，但因介质温度高，击穿比较 一定的电流； 后者弧隙电阻趋于无穷大， 但因介质温度高， 容易。 容易。

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§4-1

弧隙中的介质恢复过程

二、开关电器弧隙的介质恢复强度特性： 开关电器弧隙的介质恢复强度特性：开关电器弧隙的介质恢复强度随时间变化的关系， 开关电器弧隙的介质恢复强度随时间变化的关系，称作弧隙介质恢 复强度特性。 复强度特性。 大气自由燃弧的情况下，开断电流越大，介质初始恢复强度Ujf0 大气自由燃弧的情况下 ， 开断电流越大 ， 介质初始恢复强度 Ujf0 越小。除开关电流外， jf0 还与触头材料的热导率、沸点有一定的关系。 越小。除开关电流外，Ujf0 还与触头材料的热导率、沸点有一定的关系。 高压电器中， 高压电器中，弧隙的介质恢复强度主要依赖于灭弧介质对弧柱的 冷却和消电离作用。 冷却和消电离作用。

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§4-1

弧隙中的介质恢复过程

按照弧隙上是否施加电压来分类： 按照弧隙上是否施加电压来分类：固有介质恢复过程：电流过零后， 固有介质恢复过程：电流过零后，弧隙上不施加电压时的介质恢复过 程，相应的ujf 随t变化的关系，也称自由恢复强度特性，这种特性在给 相应的u 变化的关系，也称自由恢复强度特性， 定的弧隙介质条件下仅有一条。 定的弧隙介质条件下仅有一条。 实际介质恢复过程：电流过零后， 实际介质恢复过程：电流过零后，弧隙上施加某一电压时的介质恢复 过程，相应的u 变化的关系， 过程，相应的ujf 随t变化的关系，这种特性随所加电压的大小和波形不 同而不同，因此即使在给定的弧隙介质条件下，它也有多条。 同而不同，因此即使在给定的弧隙介质条件下，它也有多条。

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§4-2 弧隙中的电压恢复过程一、恢复电压的组成部分和工频恢复过程： 恢复电压的组成部分和工频恢复过程：1、电压恢复过程：弧隙两端电压由零

或反向电弧电压上升到此时的 电压恢复过程： 电弧电压的过程。相应于此时弧隙上的电压，称为恢复电压， 电弧电压的过程。相应于此时弧隙上的电压，称为恢复电压，用uhf 表示。 表示。 恢复电压由稳态分量和暂态分量组成。 2、恢复电压由稳态分量和暂态分量组成。稳态分量又由直流电压和 工频电压组成。若稳态分量仅有工频电压，称之为工频恢复电压。 工频电压组成。若稳态分量仅有工频电压，称之为工频恢复电压。 暂态分量通常是复杂的波形， 暂态分量通常是复杂的波形，只出现在电弧电流过零后的几百微妙 内。包含有暂态分量的恢复电压，又称瞬态恢复电压。 包含有暂态分量的恢复电压，又称瞬态恢复电压。

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§4-2

弧隙中的电压恢复过程

3、开断不同性质负载电路时，恢复电压的波形：见教材图4-10。 开断不同性质负载电路时，恢复电压的波形：见教材图4 10。 电阻性负载：电弧电流与电源电压同相，电流过零电压也过零。 a )电阻性负载： 电弧电流与电源电压同相，电流过零电压也过零。所 以过零熄弧后， 以过零熄弧后， 由零按正弦形上升， uhf由零按正弦形上升， 没有暂态分量，只有 没有暂态分量， 稳态分量中的 工频恢复电压。 工频恢复电压。

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§4-2

弧隙中的电压恢复过程

电感性负载： b)电感性负载：ih落后于u,ih过零时u约为幅值。若ih过零后电弧熄灭， 电路开断，uhf将由零跃升到u的幅值(理想情况下),然后再按工频电 压变化， 故uhf常含有暂态分量， 其上升速度比 (a) 的快得多。