第4章电弧及其与电路的相互作用简单回顾.ppt

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1、第四章电弧及其与电路的相互作用,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,开关开断过程中会产生电弧。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缘介质后，电路才被分断 ，称为开关电弧。 电弧是气体放电的一种形式 特点:电弧具有强光 很高的热力学温度（可达几千至几万度） 对于高电压大电流电路的分断来说，只有产生电弧，才能实现对电路的控制。,对开关电弧的要求,对于断路器中的电弧等离子体来说，希望具有下列特性： 电导率的变化范围尽可能大，即要在导体至完全绝缘体

2、之间变化； 电导率的变化速度尽可能快。,第二节 电弧的产生和描述,一. 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）气体放电的特性,3.电弧的形成,电弧的形成：大量带电质点在电场力的作用定向运动 带电质点的来源： 电极发射大量自由电子 强电场发射强电场 热电子发射高温 电极间弧柱气体游离产生大量的电子和离子 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 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,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

3、弧是一种能量集中、温度很高、亮度很强的具有良好导电性的游离气体。 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-

4、2 电弧的电位降及电位梯度的分布,.,电弧的特点（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,高气压电弧与真空电弧的定义 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

5、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

6、，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,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，弧柱内有强烈的电磁发射。 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

7、主。,5、带电粒子的能量区别,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。 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、弧柱特性,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，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,关键是加强去游离作用 介质的游离作用电弧产生 介质的去游离作用电弧熄灭 去游离：正、负质点相互中和为中性质点。 游离与去游离 当游离去游离电弧电流（剧烈燃烧） 当游离=去游

8、离电弧电流不变（稳定燃烧） 当游离去游离电弧电流（熄灭）,四、弧柱的消游离过程,1. 复合 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。 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发生，称为空间复合。 2. 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。,第三节 直

9、流电弧,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。 伏安特性是直流电弧的基本特性，它表示直流电弧两端 的电弧电压Uh与流过它的电弧电流Ih的关系。,1. 静态伏安特性,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。,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。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

10、电压是随电弧电流的增加而减小的。,弧压,Uh=阴极区压降Uc+ 弧柱区压降Us+ 阳极区压降Ua 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 长弧：几个cm几个m长，主要由Us组成,长弧中的电弧电压,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，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。 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（

11、短弧原理）,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。 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,弧柱电场强度Eh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强度数值示于表4-3中,2. 影响伏安特性的因素,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,冷却情况有关,冷却条件越好，伏安特性曲线越向上移。这是因为

12、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,图中曲线1为为静态伏安特性，当电流较快增加时，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。 图中曲线2即为电流增加时的动态伏安特性曲线。 图中曲线3即为电流尖小时的动态伏安特性曲线。,动态伏安曲线,对于长度不变的直流电弧，其静态伏安曲线只有一条，而动态伏安曲线可以有千万条！,注意事项,实际上开

13、关中的直流电弧在熄灭过程中电流的变化都是较快的，因此在讨论电弧电压与电流的关系时必须采用动态伏安特性。,二、直流电弧的稳定燃烧与熄灭,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),直流电弧的熄灭条件,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,两条曲线无交点情形,分析和结论,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

14、电弧的熄灭条件。 （1）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）,3) 将长弧分割成多段短弧 4) 提高触头的开断速度（分闸弹簧） 5) 将触头置于真空灭弧室中,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。,第四节 交流电弧,一、交流电弧的特点,交流电弧的特性及熄灭,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

15、会重燃。 若电流过零时，电弧不再重燃，电弧就此熄灭。 热惯性：电弧温度的变化滞后于电流的变化,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,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,图4-13示出具有电弧的交流电路，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,通常触头两端的电容很小，因此在电弧电压变化不大

16、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,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,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,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,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,对于其他电弧电压不为常数的情况，只要能写

17、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。 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,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无限大。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。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

18、恢复过程与介质强度恢复过程,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 （条件： 触头开距间的击穿电压大于系统电压） 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。 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“竞赛”。,弧后过程,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。弧隙介质强度用弧隙所能耐受的电压来表征。 由于实际电路中总存在着

19、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。在这个过程中，弧隙两端出现的电压就称为弧隙的恢复电压。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,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。 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

20、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,(1)超前过零：电弧电流的零点出现在电压零点之前。 （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,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。 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，

21、那么电弧电流将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。在过零瞬间，尽管弧隙上没有电场的作用，但由于热惯性，残余弧柱中的游离气体在短时间内仍然会维持一定的游离程度，弧隙电导并不消失。因此过零后，在恢复电压作用下，弧隙中就会立即出现弧后电流。,近阴极效应,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。这种与电极反伴生的初始介质恢复强度称之为近阴极效应。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

22、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： 1、介质强度恢复理论（电击穿理论） 2、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

23、。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,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

24、质强度Uj,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,这两个理论并不是完全对立的，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，交流电弧的重燃既可以是由于“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

25、化，具体情况要具体分析。,使电弧不重燃的措施,主要从两个方面着手： 1、减慢弧隙上的电压恢复过程和降低其数值。 2、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)提高触头的分闸进度 迅速拉长电弧，E，冷却与扩散 (2)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)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,(4)利用固体介质的狭缝狭沟灭弧 冷却,表面吸附电子，加强复合。 如：介质纵缝灭弧罩 介质填料灭弧管 (5)利用短弧原理灭弧 交流电路：电流自然过零时，每一短弧有150250v电压。 直流电路：每一短弧的阴极区有811v电压降。,(6)磁吹 利用电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)高压力气体介质灭弧 磁撞游离，复合 (8)真空灭弧 碰撞游离，热游离，扩散,