第三章电弧的基本特性

电器学任万滨办公室：电机楼20027联系电话：86412976，15804600270Email：[e-mail]第三章电弧的基本特性3.1气体放电的物理基础（概念）一、游离与激励气体原子和束缚电子•激励（激发）：中间状态。•发光与亚稳状态:受激发后的原子停留在激发状态的时间很短暂约为10-6秒•游离（电离）：电离几率，潘宁效应（荧光灯充入Ar气）•游离能，通常以游离电压表示。•ylylWeU1emeVEE3.1气体放电的物理基础21exp()aeUJATkT二、气体电离方式（电离度）（一）表面发射：金属电极表面发生1、热发射温度可使得电子超越金属表面晶格溢出热发射电流密度的Richardson公式3.1气体放电的物理基础2122()exp[]()aefeUJATAEkTAE2、场致发射外加电场，可使金属外部的电位曲线发生变化。隧道效应3.1气体放电的物理基础212ylmvW3、光发射—光电效应当光和红外线、紫外线，以及其它射线照射到金属表面时，引起电子从金属表面逸出。4、二次发射当正离子以很高的速度撞击阴极，或者电子以很高的速度撞击阳极时，可能引起金属表面发射电子。(二)空间电离——电极间的气体1、光电离2、电场电离（碰撞电离）电子作用明显；几率性；粘合ylhW3.1气体放电的物理基础3、热电离由于高速热运动，互相碰撞产生的电离。描述电离度与温度关系的沙哈公式**金属蒸汽的电离能比气体小得多，电离度大；三、气体消电离方式（一）复合1、表面复合2、空间复合（间接几率远远大于直接几率）3、负电性气体（SF6）4、温度的重要性58001.2521.5510/133ylWTTep3.1气体放电的物理基础(二)扩散电离气体中的带电粒子，由于热运动从浓度高的区域向浓度较低的周围气体中移动的现象。当游离气体中正负带电粒子数相等时，称为等离子体。相反带电离子的浓度自动维持平衡；粒子运动轨迹不同于一般中性气体；高温的（50000K）和低温的局部热平衡性的含义：包括粒子平均速度，电导率，辐射和导热能力在内的等离子特性是温度的单值函数，而温度对所有粒子形式几乎相同。3.1气体放电的物理基础四、气体放电的几个阶段非自持放电阶段OCOA段BC段：电场电离、二次发射自持放电阶段CFBD汤逊放电区DE辉光放电区EF弧光放电区3.1气体放电的物理基础四、气体放电的几个阶段雪崩游离示意图自持放电以中性粒子的碰撞形式为特征汤逊第一系数00BpTEApeTddNNx通过dx区域后，电子增量为若阴极表面x=0，N=N00xNNe阳极表面x=l0'lNNe电离产生的正离子数为000(1)llNNeNNe3.1气体放电的物理基础四、气体放电的几个阶段雪崩游离示意图正离子轰击阴极，产生二次发射。汤逊第二系数气体间隙击穿的条件击穿电压00(1)(1)1llNNeNe00ln[]1ln(1)jcBplUAplTT3.1气体放电的物理基础四、气体放电的几个阶段帕申曲线及相应说明存在一最小击穿电压，可解释说明。提高间隙的气压或者将间隙放在真空中可提高击穿电压。3.1气体放电的物理基础四、气体放电的几个阶段流注理论——长间隙气体放电过程电子崩的形成光子的辐射作用与快速性的对应3.1气体放电的物理基础四、气体放电的几个阶段弧光放电温度极高（热游离占主导）电流密度大阴极压降小阴极压降区、弧柱区、阳极压降区各区特点1、近阴极区（长度、电场、压降）2、近阳极区（长度、电场、压降）3、弧柱区（E为常数、负电阻特性）电弧三个区域的划分0hcazzzUUUUUEl3.1气体放电的物理基础四、气体放电的几个阶段弧柱的特性长弧与短弧弧柱的温度与散热形式弧柱电阻（直径、长度）弧根和斑点阳极斑点与阴极斑点电弧的等离子流3.2电弧的物理特性电弧的能量理论短弧情况—通过电极传导长弧情况—电极+弧柱（一）传导散发的功率002()lnhcdhlTTPrr气体的热传导系数与温度的关系3.2电弧的物理特性（二）对流散发的功率强迫吹弧：横吹和纵吹增大速度是加强对电弧冷却作用的有效手段。01dhTdlhTPvdlcT3.2电弧的物理特性（三）辐射散发的功率（四）电弧的能量平衡公式电弧的散发功率电弧的输入功率判断电弧的燃烧状态电弧电流变大，温度升高，弧径变粗电弧稳定燃烧，电弧电流恒定电弧逐渐熄灭0szhPPIU2hhhPIUQhsdWPPdthsPPhsPPhsPP3.3直流电弧的特性和熄灭原理一、直流电弧的电压-电流特性电弧特性（曲线）：•电弧电压电流之间的关系，是表征电弧放电的重要方法；•方程求解困难，故以试验方法为主；•静态和动态；•与周围介质、压力、温度、触头形状等有密切关系；•静态直流电弧特性适用于固定电极和平行弧道，是研究各种静态放电应用的基础。3.3直流电弧的特性和熄灭原理一、直流电弧的电压-电流特性1.静态特点：•小电流阶段呈负电阻特性•改变弧长，曲线上升•最小生弧电压、电流具有电弧的R-L电路10-1000A，5-160mm两钼电极0hnhclUUI2.电弧电压电流关系的经验公式c、n为常数3.3直流电弧的特性和熄灭原理一、直流电弧的电压-电流特性3.动态特点热惯性的原因使得电弧电压滞后电弧电流电流变化率不同，曲线特性不同动态的极限形式线3-4，U0为近极压降。3.3直流电弧的特性和熄灭原理二、直流电弧的熄灭原理ddhhhIELRIUt电压平衡方程式1.稳定燃烧点的确定1点与2点为电弧稳定燃烧状态！？ddhhhILERIUt3.3直流电弧的特性和熄灭原理二、直流电弧的熄灭原理2.熄弧方法增大电阻R；提高电弧静态伏安特性；Ⅰ增大近极压降U0Ⅱ增大电弧长度l机械方法；磁场作用；Ⅲ增大弧柱电场强度√提高气体介质压力；√增大电弧与流体介质间相对运动速度；√依靠绝缘材料0hUnUEl3.3直流电弧的特性和熄灭原理二、直流电弧的熄灭原理2.熄弧方法用金属栅片将电弧分割成许多短弧增大弧长的方法人工过零的方法3.3直流电弧的特性和熄灭原理三、直流电弧的能量和燃弧时间电源供给的能量直流电弧消耗的能量电弧电压电阻R消耗的能量ddhhhIUERILt220002rhrhrhttthhhhhLIUIdtEIdtRIdt电感储存的能量问题：直流电弧能够马上熄灭？3.3直流电弧的特性和熄灭原理四、直流电弧熄灭时的过电压电弧电压ddhhhIUERILt问题：直流电弧不能够熄灭过快？03.3直流电弧的特性和熄灭原理四、直流电弧熄灭时的过电压电弧电压ddhhhIUERILt问题：直流电弧不能够熄灭过快？0线路绝缘漏电阻线路的归算电容3.3直流电弧的特性和熄灭原理四、直流电弧熄灭时的过电压几种限压措施加电阻加电阻整流器加电阻电容器3.4交流电弧的特性一、交流电弧的伏安特性交流电路的电弧交流电路的伏安特性燃弧尖峰熄弧尖峰马鞍形曲线3.4交流电弧的特性一、交流电弧的伏安特性负载性质的影响电阻性负载电感性负载电流过零后，燃弧尖峰前燃弧尖峰后，熄弧尖峰前熄弧尖峰后，电流过零前问题：电阻性负载与电感性负载哪个更容易熄灭？3.4交流电弧的特性二、电弧电压对交流电路电流的影响1.零休现象电流过零后的零休电流过零前的零休电阻性负载与电感性负载的区别2.电流过零时的下降速度0ddhhmxhiiUUtL存在电弧时，电弧电流的下降速度会随熄弧电压的增大而加快。意味着零休时间过短，不利熄弧3.4交流电弧的特性二、电弧电压对交流电路电流的影响3.限流作用：电弧电压增大时，电路电流幅值与半波时间？'''iii叠加原理d'cosdmiLUtt'sinmUitL1d''()diLEvttt21''()2EvittL3.4交流电弧的特性二、电弧电压对交流电路电流的影响3.限流作用由于电弧的迅速拉长，电弧电压使得短路电流的峰值与第一个半波电流时间减小。限流峰值限流系数3.4交流电弧的特性二、电弧电压对交流电路电流的影响4.减小电路的功率因数角起始条件得得d'sin()dhmiLUUttcos()mhUUittKLL0,0ticoshUKL,0ti1cos2hmUU3.4交流电弧的特性三、交流电弧能量的计算假定：1、ih为一幅值不变的正弦形电流，即2、不计每一电流半波开始时出现的燃弧尖峰和熄弧尖峰dxsthhhtWuitsinhmiIt0huElU0()sintdxsthmtWElUIt第四章交流电弧的熄灭原理介质恢复过程电压恢复过程4.1弧隙中的介质恢复过程一、介质恢复过程的概念（一）近阴极区的介质恢复过程电流过零后，电压极性变更，弧隙上可承受几百伏的电压而不会重燃的现象。——短弧隙介质强度快速恢复效应过零前，阳极前电位降区域中存在着负的空间电荷，阴极前是正的空间电荷。过零时刻，电位降区域和准中性弧柱区域一样，处于热平衡状态。过零后，阳极变为新的阴极。电压驱使电子快速运动，惰性离子可近似看作静止不动。（一）近阴极区的介质恢复过程22ddUnqx引入泊松方程计算电位和电场强度在空间电荷层中的分布ddUnqxCx一、介质恢复过程的概念(,0)nqlxlEC对x作一次积分0,0xUd()()dUnqExlxx对x积分()2nqxxUl（一）近阴极区的介质恢复过程22jnqlU近阴极效应Uj与E0的关系说明了，电流过零时冷阴极状态下，电子发射形成电弧需要电压满足条件。xl0x02jnqUE介质初始恢复强度Ujf0：与温度有很大关系一、介质恢复过程的概念一、介质恢复过程的概念（二）弧柱区的介质恢复过程热击穿阶段：由于电弧的输入功率大于其散发功率，弧柱被加热引起的电弧重燃的结果。弧柱介质恢复强度电击穿阶段：温度较低时，若施加电压可产生电场，强度足够高可将间隙击穿，使电弧重燃。jfzzuRP二、开关电器弧隙的介质恢复强度特性1、定义：介质恢复强度随时间变化的关系。2、影响因素Ujf0与电流的关系Kjf与电流的关系0jfjfjfuUKtUjf0与材料的关系热导率和沸点触头分开起到电流过零时间对ujf的影响二、开关电器弧隙的介质恢复强度特性弧长对ujf的影响灭弧介质对弧柱的冷却和消电离作用包括变压器油、压缩空气、SF6、高度真空二、开关电器弧隙的介质恢复强度特性1、压缩空气断路器2、油断路器二、开关电器弧隙的介质恢复强度特性固有介质恢复过程•电流过零，弧隙上不加电压实际介质恢复过程•电流过零，弧隙施加某一电压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电压1、恢复过程：弧隙两端的电压由零或反向电弧电压上升到电源电压。稳态分量+暂态分量2、负载性质的影响3、工频恢复电压瞬时值02singxUKU电源电压相电压的有效值电压与电流的相角差线路因数UxK单项单弧隙1xK两项两弧隙3/2xK4.2弧隙中的电压恢复过程3、工频恢复电压瞬时值三项三弧隙1.5xK三项三弧隙中点接地11.5xK4.2弧隙中的电压恢复过程二、理想弧隙时弧隙上的电压恢复过程4.2弧隙中的电压恢复过程1、假定：弧隙为理想弧隙，即电流过零前，电弧电阻为零；电流过零后，电弧电阻立即变为无穷大。2、开断单频电路时弧隙上的电压恢复过程ddhfhfLCRUUiiiCtR22ddddddhfhfLgmhfhfUUiLULuLCUttRt122121()gmtthfgmUUUee二、理想弧隙时弧隙上的电压恢复过程4.2弧隙中的电压恢复过程/2RLC/2RLC两参数法：振幅因数和振荡频率二、理想弧隙时弧隙上的电压恢复过程4.2弧隙中的电压恢复过程变压器短路2、开断多频电路时弧隙上的电压恢复过程二、理想弧隙时弧隙上的电压恢复过程4