电器学夏天伟丁明道华南理工大学第2章.ppt
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1、2022-6-281 电器学第二章 电接触与电弧理论作者:欧阳森EPC of SCUT2022-6-282本章概述n内容要点n电弧n产生原因n性质n熄灭方法n灭弧装置n电弧的优缺点n电接触n本质n触头在各种工作状态下的行为n延长触头寿命和改善触头工作性能的技术措施2022-6-283本章概述n触头与电弧n接触的过程n触头类型n电弧的形成和性质n触头的寿命n电弧的优缺点2022-6-2842.1 电接触与触头n电接触n概念n物理现象n触头n结构:两个或以上的导体n基本要求:P35n电阻不大且稳定n分类n连接触头 图21n机械性能;总电阻小;温升;电动力n换接触头 图22 n通常意义上的触头202
2、2-6-2852.1 电接触与触头n触头的四种工作情况及要求n分断状态n过电压防电击穿n断口间隔和爬电距离足够n闭合状态n1)一定过载能力,控制温升;n2)抗电磁斥力和熔焊;n3)接触电阻的长期稳定n理论计算n如何尽量小Input灭弧室电弧触头2022-6-2862.1 电接触与触头n闭合过程n情况: mv2/2;弹跳过程预击穿引起的短弧n1)弹跳持续时间要短;n2)抗电弧熔焊性好;n分断过程n考虑电弧的破坏影响:触头、绝缘等n要求:n介质恢复强度高,燃弧时间短,过电压低,抗电弧焊。2022-6-2872.1 电接触与触头n触头的工作要求(开或断)n电动斥力n熔焊材料要求n温升结构n可靠熄灭电
3、弧n多方面,可围绕电击穿、热击穿阶段来分析n触头基本参数n开距、超程、初压力、终压力n接触压力力的全动态过程仿真或试验2022-6-2882.2 电弧及其产生过程n电弧n触头与电弧形成过程:P36n触头分离触点熔融液态金属桥的形成液体金属沸腾、爆炸触头间隙形成过电压击穿火花放电或电弧电弧熄灭n一种物质形态自然界第四态n本质:能量积聚/泻放过程形成的物质形态nVideon危害:n对系统、设备本身的性能、运行的影响n烧蚀、污染、发热、误动、据动等等n能量泻放n抑止过电压或者设备毁坏,区域电网崩溃2022-6-2892.2 电弧及其产生过程n电弧形成过程n危害 P37n其他工业和生活的用处n1)气体
4、的电离n电子的稳态n原轨道激励状态(持续0.11us)自由电子n 式21n原轨道亚稳态(持续0.110ms) 自由电子n电离和电离能n电离概念n式2212WhvEEiiWeU2022-6-28102.2 电弧及其产生过程n电离形式n表面发射n场所:n金属电极表面n种类:n热发射、场致发射、光发射、二次发射等四种形式n空间电离n场所:n触头间隙内n种类:n光电离、热电离、碰撞电离等三种形式2022-6-28112.2 电弧及其产生过程n各种电离的本质 P3738n热发射:加热,电子克服电场势垒;逸出功n场致发射:强电场使势垒减小n光发射:射线照射金属表面,电子获取能量n二次发射:粒子高速撞击n光
5、电离n热电离n碰撞电离:主要是电子2022-6-28122) 电离及其形式n消电离概念 P38n消电离形式n复合n概念: P38n形式:n表面复合n空间复合n复合概率:气体性质及纯度n惰性气体、氢气、氮气等不会负荷nSF6等极强的俘获电子的能力n能量过程:n(中性)粒子增速;光量子辐射n扩散2022-6-28133)气体放电过程n原因及图24nOD非自持放电阶段n无自由电子,直至有外界作用nD以后自持放电阶段n各种电子较多,可形成持续放电n击穿电压Ub决定自持放电的主因nCE:汤逊放电区(无光放电、黑暗放电)nEF:过渡阶段,辉光n电流增大、电离增强,维持放电所需电压下降nFG:辉光布满阴极表
6、面n电流增大、电流密度稳定、阴极区电压降稳定nGH:异常辉光放电阶段n电流和电流密度皆增大nH以后:弧光放电阶段n电流密度和温度极高,热电离为主2022-6-28142.2 电弧及其产生过程n电弧的外观与本质n图25nAanodenCcathoden阴极斑点n温度极高(气化温度)、电流密度极高n在自身磁场作用下运动n阳极斑点2022-6-28152.2 电弧及其产生过程n近阴极区、近阳极区n两极区的电压降与电流无关,20Vn弧柱n其内部气体全部电离n等离子区:正负带电粒子电量相等n电场强度近乎恒值n图25n电弧本质n自持放电的一种形式nP412022-6-28162.3 电弧的特性和方程n电压
7、方程 式24n近极区压降n电场强度分布 图26n直流电弧的伏安特性 图27n该特性虽有各种经验公式,但最好由实验确定该特性虽有各种经验公式,但最好由实验确定n负阻特性n电流增大,而电弧电压降低n增大的电流使热电离加剧,离子浓度增大,维持稳定燃弧所需电压降低AcapUUUU0AUUEl2022-6-2817直流电弧的伏安特性n图27的伏安特性分析n曲线1中,设I2对应的电阻为R12,I1对应的电阻为R11;同理,设曲线2中,I2对应R22n方向:电流在曲线1上减小到I1,在曲线2上增加到I2n在曲线2上,是假定电流从I1减小到I2,而由于电弧的热惯性,有R22R11;n又由于负阻特性,有R11I
8、2R11n所以,曲线2在曲线1的下方2022-6-2818直流电弧的伏安特性n直流电弧的静态和动态伏安特性n图27中,参数为Uh、Ih,而Ih随时间t的变化情况决定了直流电弧的特性n当电流随时间缓慢变化时,有静态伏安特性n静态伏安特性只有一条:曲线1n经验公式:n当电流随时间有一定速度的变化时,形成动态伏安特性:P78图320n速度无限大时,曲线03:dIh/dt=无限大nIh变化期间,弧柱的温度、直径不变n动态特性有无数条:曲线1和曲线3之间,如曲线202hhclUUI2022-6-2819直流电弧的伏安特性n分析动态伏安特性n静态伏安特性 曲线1n动态伏安特性 曲线2n电流从I2I3时n若
9、快速变化,则从曲线2方向变化n电弧变化滞后,电阻维持较大n静态特性中的电弧电阻变小(弧柱变粗)n在I3时,快速趋向曲线1相应点n若瞬态变化,则沿曲线3方向n在I3时,快速趋向曲线1相应点n根据电流变化速度的不同,曲线2在1和3之间动态变化,谓之动态伏安特性2022-6-2820直流电弧的伏安特性n起弧条件n表22n燃弧电压、燃弧电流、电极材料、间隙介质等相关2022-6-2821交流电弧的伏安特性n交流电弧的伏安特性n图28n前提:n灭弧作用不太强烈,即电流过零期间,电弧电阻始终为一有限值n只有动态伏安特性交流变化的电流n原点对称伏安特性两次交流过零点n可以用下一小节“电弧的能量平衡”解释n图
10、29n电阻性负载:电压电流同相位n电感性负载:电流i落后于电压u相位90度;n注意弧压升高到击穿阶段弧压升高到击穿阶段n注意负阻特性负阻特性2022-6-28222.3 电弧的特性和方程n电弧的能量平衡n电弧功率计算n电弧电压公式25n电弧功率公式26n短弧:U0占主导地位金属件散热n长弧:UA占主导地位弧柱散热n电弧的动态热平衡方程n式27n电弧的熄灭取决于PA和Pdn灭弧指导AcapUUUU0AAAAAPU IU IElIAAddQPPdt2022-6-28232.3 电弧的特性和方程n用“电弧的能量平衡”解释图28n0A段nIh过零期间,PA0 ,此时dQA/dt=-Pdn弧柱变冷、变细
11、,Rh增大,因而0A段斜率(电阻)较大nAB段nIh增大,PA增大,一直到dQA/dt0n那么弧柱变热、变粗,Rh迅速下降nRh的下降速度和ih的上升速度形成AB段nBC段nIh减小,UA沿曲线BC上升n但弧柱的热惯性使得曲线BC比AB低(图27)nC0段nRh的上升。n特殊点:nA燃弧尖峰nC熄弧尖峰2022-6-28242.4 直流电弧及其熄灭n电路模型图213n电压平衡方程:式28n图解 210n横线是电源电势Un曲线1为静态伏安特性n曲线2为U-iR特性n曲线2与横线U之间的夹角为AdiUiRLudt2022-6-28252.4 直流电弧及其熄灭n两个稳定点n虚假稳定点An真正稳定点B
12、nAB之间,有Ldi/dt02022-6-28262.4 直流电弧及其熄灭n熄弧方法(根据图210及其解释)n电弧伏安特性上移,至稳定点2不存在为止n根据式25n增大近极压降n图212 d)的方法:长弧短弧n增大电弧长度n图212的方法n增大弧柱电场强度En增大气体介质压强、速度、材料等等n增大电弧电阻n拉长电弧、冷却等n增大回路电阻n斜直线的角变大,至稳定点2不存在为止2022-6-28272.4 直流电弧及其熄灭n直流电弧熄弧/分断电路时的过电压n那么:n1)L越大,过电压越高(储能多);n2)熄弧速度越快,过电压越高hghhdIUUURILdtm ax0hhgIdIUULdt 2022-
13、6-28282.4 直流电弧及其熄灭n灭弧措施及图213n灭弧强度n过强则导致高的过电压n过低则延长灭弧时间,甚至灭弧失败n213 a)负载并联电阻n熄弧后回路方程:()0hhsdILIRRdt00/|stIUR()sRRtLhsUIeRsRRtLabhsUI RUe()0sRRtLhII emax000|sRRtLhsstUUI R eUI Rmax02|sRRtLhabtUUUUUeU其他情况其他情况2022-6-28292.4 直流电弧及其熄灭n理论上:增大与负载并联的电阻Rs可减小I0,以减小可能的过电压n但增大了正常情况下的功率损耗n213 b)n二极管:避免正常时的功率损耗n此时可
14、采用较大的Rsn213 c)n双断口以降低过电压nC1为主灭弧机构nC2为辅助灭弧机构n电阻Rs用于减小电弧电流(减少电感中的能量)nC2较弱的灭弧能力使熄弧过程延长,防止高的过电压产生2022-6-28302.5 交流电弧及其熄灭n电弧熄灭原理n直流电弧n方法:n电弧伏安特性上移n拉长电弧冷却n增大弧阻和弧压n特点特点:电流过零熄灭n交流电弧n电流过零时的两种竞争过程 图214n介质恢复过程n弧隙电压恢复过程n特点特点:每工频周期存在两个过零点n共同点共同点:提高介质恢复强度2022-6-28312.5 交流电弧及其熄灭n介质恢复过程n了解近阴极区和弧柱区的不同n1)近阴极区的介质恢复 图2
15、15n近阴极效应n由于电子移动速度快,故介质恢复过程快:0.11usn过零前后,电极位置互换,电子速度快于正离子,浓度的变化使得在新阴极表面的场致发射场致发射很弱甚至没有n温度低于热电离热电离温度n金属栅截割电弧n短弧灭弧原理n综合利用两者灭弧的方法2022-6-28322.5 交流电弧及其熄灭n近阴极区的电场和电位分布n假定在x=l处E=0n正离子和电子浓度一样n泊松方程 图215 b)nn: 电荷的数密度;: 介电常数n假定x=0处U=0n对泊松方程进行x的积分:nx=l时有最大值:()nqElx ()2jnqxxUl22jnqlU2022-6-28332.5 交流电弧及其熄灭n2)介质恢



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