05交流电弧的灭弧原理1.ppt

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1、交流电弧熄灭原理 思考题1 开关电器弧隙的介质恢复强度与哪些因素有关 2 何谓介质初始恢复强度 为什么介质初始恢复强度与交流电弧电流过零前的阳极温度有关 3 为什么交流开关电器弧隙的介质恢复强度关于触头分开起到电弧电流过零时间tf及此刻的触头开距存在一个最高值 4 在不考虑人工过零方法外 熄灭直流电弧时 有无介质恢复强度和恢复电压竞赛的问题 第5章交流电弧的灭弧原理 当交流电弧过零后 弧隙中同时存在两个相互联系的物理过程 1 介质恢复过程 弧隙中电离气体由导电状态迅速转变为绝缘状态的过程 2 电压恢复过程 电流过零后 电源及线路电压加到弧隙两端上的过程 HOME 若介质恢复强度曲线ujf大于电

2、压恢复强度曲线uhf 则电弧趋于熄灭 否则 若某一瞬间小于uhf 则电弧将继续燃烧 3 二 两过程在 竞赛 概述 5 1弧隙间的介质恢复过程 交流电弧电流过零后 弧隙中的介质恢复过程在近极区和弧柱区不同 1 近极区的介质恢复过程1 近极区 靠近电极的电弧区域 2 空间电荷区 当弧隙两端电压极性改变时 电子 质量小 将迅速向正极方向移动 而正离子由于质量较大 加速缓慢 故在极短时间内可以认为还停留在原来位置上 如果在电流过零期间新的阴极 原来的阳极 已冷却到基本上不产生热发射的温度 则在阴极附近就形成了正的空间电荷区 HOME 等离子体区 空间电荷区 5 1弧隙间的介质恢复过程 由于空间电荷区的

3、存在 在新阳极表面附近形成了电场 HOME 0 x E l 0 x U 5 1弧隙间的介质恢复过程 根据泊松方程 x 距阴极表面的距离 U 距阴极表面x处相对阴极的电位 n 正电荷密度 q 一个带电粒子的电量 气体的介电常数 设正空间电荷区长度为l 解方程 得 以电极表面处为参考电位 即x 0时 U 0 则 0 x l HOME 5 1弧隙间的介质恢复过程 根据空间电荷区的定义 在x l处 E 0 得 在弧隙中的其它区域 正负带电粒子数仍然相等 其导电率很大 因此 可以认为 当x l时 空间电荷层上作用的电压U等于此时加在电极上的电压Uj 即 由此可得电流过零瞬间近极区电场强度 HOME 5

4、1弧隙间的介质恢复过程 3 近极效应 电流过零时 阴极较冷 故电子只能靠阴极表面处的高电场发射电子 如果阴极表面处的电场强度不足够高 则将不足以产生场发射 电弧便不会重燃 宏观角度看 好像弧隙在电流过零后立即获得一定的耐压强度 这一现象 被称为近极效应 4 介质初始恢复强度Ujf0 电流过零后 弧隙立即能够承受的电压 Ujf0与电流过零瞬间原来的阳极的温度有关 原来的阳极的温度越高 Ujf0越低 Why 这是因为此时电极表面的热发射发生作用 当热发射很强时 电流过零后弧隙将类似一个阻值较高的导体 上述所谓的近极效应将不复存在 HOME 5 1弧隙间的介质恢复过程 2 弧柱区的介质恢复过程当电弧

5、电流过零时 尽管输入弧隙功率Ph 0 但由于弧柱具有热惯性 在过零瞬间和过零以后一定时间内 电弧电阻Rh并不为无穷大 而是随灭弧介质对电弧作用强烈程度的不同 而具有一定的数值 1 此时 若在弧隙上施加足够高的电压 使得Ph Ps 则Rh将迅速下降 直至电弧又剧烈燃烧 2 若施加在弧隙上的电压很小 使得Ph Ps 则Rh将继续增大 直至无穷大 此时 弧柱的温度不高于3000 4000K 即热电离已基本停止 即使在弧隙上再施加电压 弧隙中也不能再流过较大电流 电弧重燃 电弧熄灭 HOME 5 1弧隙间的介质恢复过程 弧隙击穿 弧隙的热击穿 弧隙的电击穿 1 弧隙的热击穿 电弧重燃的本质是由于电弧的

6、热惯性 使得电流过零后Rh并不为无穷大 而是具有一定的数值 而当弧隙被施加一定电压 使得Ph Ps 弧柱被加热而造成的 所以这种重燃被称为热击穿 2 弧隙的电击穿 当电弧过零后弧柱温度低于3000 4000K时 热电离作用已基本停止 Rh将趋于无穷大 此时弧隙中的气体已由电离状态转变为正常状态 从物理意义上讲 此时 电弧已不存在 弧隙中只存在一团温度较高的气体 若在弧隙上施加一足够高的电压 则也可能造成弧隙电弧的重燃 这种重燃被称为电击穿 HOME 电弧重燃 电弧电流过零后 在一定条件下又重新产生电弧 5 1弧隙间的介质恢复过程 若能够在电流过零后 对电弧实行强冷 则弧隙中的热电离作用基本上已

7、经停止 此时 如果发生电弧的重燃 则不存在热击穿阶段 而是立即进入电击穿阶段 热击穿和电击穿的击穿物理特性 HOME 5 1弧隙间的介质恢复过程 2 开关电器弧隙的介质恢复强度特性弧隙介质恢复强度特性 开关电器弧隙的介质恢复强度随时间变化的关系 影响因素 开断电流 触头材料 弧柱冷却以及从触头分开起到电流过零的时间tf及此刻的触头开距有关 随着tf的改变 存在一tm 使得ujf最大 HOME t i 0 tf 触头分开时刻 ujf 0 tf tm 13 介质恢复过程分为三个阶段 电弧电流过零到电极冷却不足以热发射近极区冷却全部弧柱冷却 3000K 4000K以下 表示方式 为介质初始恢复强度

8、为介质恢复强度的上升速度 1 的影响因素 a 开断电流开断电流增加 下降 因为开断电流增加 则电极温度升高 电流过零后 新的电极依然保持较高的温度 有助于电子热发射 削弱阴极效应 14 15 b 与触头材料有关 开断电流相同时 银的初始介质恢复强度最大 银 石墨最小 决定于材料的沸点和热导率 热导率快 则冷却快 对于银 有最高的热导率和最低的沸点 16 17 2 的影响因素 a 开断电流开断电流增加 下降 因为开断电流增加 则电极温度升高 电流过零后 能承受的击穿电压下降 所以下降 b 电弧长度随着弧长的增加 稍许下降 因为介质的恢复主要由近极区的介质恢复强度决定 弧长较短时 增长较快 弧柱中

9、含有热量少 弧长较长时 弧柱热量向近极区传递 则增长较慢 5 1弧隙间的介质恢复过程 1 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 自由介质恢复过程 2 固有介质恢复强度特性 固有介质恢复过程中介质恢复强度uj随时间t变化关系 3 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 4 实际介质恢复特性 实际介质恢复过程中介质恢复强度uj随时间t变化关系 弧隙上施加电压的大小和波形的不同 实际介质恢复特性也将发生变化 因此 在给定弧隙介质条件下 实际介质恢复特性有很多条 但固有介质恢复强度特性是唯一的 HOME 交流电弧熄灭原理 思考题5 从理论上说 弧隙的固有介质恢复强度特性能否用试验方法求得 为什么 6 交流电弧电流过零后 弧隙的实际介质恢复强度特性与其固有介质恢复强度相比有什么不同 7 对于非理想弧隙而言 电弧电流过零前的电弧特性对电弧电流过零后弧隙的电压恢复过程是否存在影响 为什么 8 请阐述弧隙热击穿的机理 9 请阐述弧隙电击穿的机理 10 当弧隙发生热击穿或电击穿时 试分析弧隙中的电阻 温度以及主要电离方式 11 何谓交流电弧的重燃 如果发生电弧的重燃 其原因可能是热击穿所造成的 也可能是由于电击穿造成的 请问通常情况下如何能够做出判断 HOME