电弧的基本特征

学习重点：交流电弧的特性；交流电弧的伏安特性及电弧电压对电路电流的影响。学习难点：学习方法：理论知识与实验相结合arcvoltagearcCurrentzerocrossing本次课的重点、难点及学习方法：直流电弧的静伏安特性曲线（见图3-19）：I1U1U1‘I2U2Ihuh1uh2ImUrhUxh图3-31ih过零时Rh为有限值情况下交流电弧的伏-安特性AB高于BC？Why?12hhuu热惯性一、交流电弧的伏安特性()hhufi1.伏安特性：交流电弧伏安特性是指一个周期内uh与ih关系曲线，用uh-ih表示。条件：①ih随时间按正弦规律变化；②在稳定燃弧的情况下；③弧长不变；④介质对电弧的冷却作用不太强烈，Rh为有限值。一、交流电弧的伏安特性()hhufi1.伏安特性：3、用“能量平衡原理”分析解释交流电弧的伏安特性曲线：1）暂时不考虑负载的影响。（1）OA段：ih由0上升的零休期间，弧柱变冷、变细，Rh增大，因此uh（=ihRh）以很陡斜率上升；（2）靠近A点与AB段：ih增大，Ph也增大，弧柱变热变粗，uh随ih的增长再下降，其最高点A点的电压称为燃弧尖峰Urh。（3）BC段：ih到最大值（B点）后减小，uh沿BC曲线上升，因弧柱存在热惯性，Rh会比ih增大情况下同一ih时的数值为小，故曲线BC比AB低。C点电压为熄弧尖峰Uxh。（4）CO段：ih减小，Ph也减小，Rh逐渐上升。当ih下降速度比Rh上升速度要大于某一数值时，uh又开始随ih减小而下降。ih趋近于零，ih也趋近于零。图3-32ih过零时Rh=∞情况下交流电弧的伏-安特性一、交流电弧的伏安特性()hhufi1.伏安特性：2）考虑负载（电阻性与电感性）影响后的uh-ih波形：图3-33和图3-35。图3-33图3-31情况下电弧电压uh随时间t变化的波形一、交流电弧的伏安特性()huft()hift2.电压和电流的波形：（1）、纯电阻负载时，交流电弧的熄灭过程：电阻性负载下，ih与电源电压u同相。当ih过零以后、urh到来之前（电弧已熄灭），因Rh迅速增大，加在弧隙上的电压即是u的瞬时值，uh乃是u的波形；ih=u/Rh，值很小。随着u上升，ih逐渐增大。当uh＝urh后，ih的大小由u/Rh决定，是逐渐增大的。在ih半波末了时，ih减小，uh上升；当u下降至低于uxh时，电弧uh又随u变化（电弧完全熄灭）。结果：urh之前和uxh之后的uh波形（实际是弧熄的波形），皆与u的波形基本重合。（2）、电感性负载下，交流电弧的熄灭过程：ih落后电源电压u约90°。当ih过零时，电弧熄灭，u约为幅值。因Rh迅速增大，电路相当于完全开断，uh将以很快的速度（比电阻性负载快得多）超过u的幅值，故urh出现较早，弧熄中通过较大负载电流的时间也提前。（3）在开断同一电流时，电阻性负载电路中的电弧比电感性负载电路中的电弧容易熄灭的原因：一是：“电压比较”的结果。见P85第二段的说明，加上“在ih过零前的一段时间内，PhPs，弧柱是变冷、变细的。如ih过零后加在弧熄上的电压缓慢上升，则在较长时间内电弧的PhPs，弧柱将变冷、变细，Rh将更加增大，也使urh更加增高。如urh的增高大于u的幅值，Rh将不再迅速下降，因此电弧将不再重燃”。二是：“零休期时间”的长短对电弧的熄灭影响很大，时间越长，弧柱会越细越冷，甚至会消失，电弧熄灭也越容易。由于电阻性负载的零休期时间比电感性负载的零休期时间长，故熄灭电弧越容易。a)b)图3-35交流电弧电压和电流的波形a)电阻性负载b)电感性负载一、交流电弧的伏安特性()huft()hift2.电压和电流的波形：在开断同一电流时，哪个容易熄灭？Why?t2t1二、电弧电压对交流电路电流的影响1、零休现象：1）电阻性负载：urh到来之前，Rh很大，ih为零，称其为电流过零后的“零休”；而在uxh出现之后，u低于uxh，ih≈0，称其为电流过零前的“零休”。2）电感性负载：电感性负载的“零休”时间很短。urh到来之前，有电流过零后的“零休”，但因urh出现较早，故零休时间短得多；而在uxh出现之后，因uh可由电感中的自感电势维持而与u无关，因此，几乎不存在电流过零前的“零休”。比较二者可知，电阻性负载”零休”现象比电感性负载严重得多，即零休时间长得多，这也从另一方面说明了电阻性负载电路比电感性的易于熄灭。2、电弧将使电路的功率因数角减小：123(),hhhhhhhhhhIRIRIRIRdIITdthhhhh、快速，来不及减小，则U新稳态时的U值；、快速，来不及增大，则U新稳态时的U值；、变化期间，弧柱的、直径保持不变，R也不变，为直线。式中Uh：电弧电压；Um：电源电压幅值；Uh/Um：电弧电压占总电源幅值的比例。如Uh/Um越大，则越小，故电弧的存在，相当于在电路中串联了电阻。三、开断过程中，交流电弧能量的计算xsthhhtWuidt式中uh：电弧电压；ih：电弧电流；ts：从t=0至电弧产生所需的时间；tx：从t=0至电弧熄灭所需的时间。t：以触头分开瞬间前电流过零为起点计算的时间。式中n是半波个数。如设（指触头的平均运动速度），则：mIsnxOhtElUW（）sintd（t）0mIhElUWs（）（2n-1+cost）在理想情况下（即若干假设下），电弧能量Wh为：§3-4交流电弧的特性例题：设一开关电器中流过的工频短路电流波形如图3-39所示。短路电流有效值I为10000A，ts=0.005s=5ms，U0=20V。问：（1）当电弧电压Uh=40V时；（2）当触头分开平均速度=200cm/s和弧柱电场强度E=10v/cm时,电弧的能量Wh各为多少？§3-4交流电弧的特性解：由图可知，（1）由，得（2）因式（3-79），得：mI14140Am2500.005/2t040hUElUV0mI9000hElUWJs（）（2n-1+cost）m2IphEW2ss[n（2n-1）t-sint]0mI10065UJs（2n1）+cost）§3-4交流电弧的特性