交流電弧熄滅原理

2008年4月17日2第四章交流電弧的熄滅原理

交流電弧的熄滅原理§4-0序§4-1弧隙中的介質恢復過程§4-2弧隙中的電壓恢復過程§4-3交流電弧的熄滅條件2008年4月17日3第四章交流電弧的熄滅原理§4-0序交流電流過零時，電弧的輸入功率為零，有利于熄弧大部分交流開關設備都利用該原理熄滅電弧 電流過零熄弧交流電流過零后，弧隙中和弧隙上同時進行著兩個相關的過程 介質恢復過程 電壓恢復過程2008年4月17日4第四章交流電弧的熄滅原理§4-0序介質恢復過程 弧隙中的電離氣體由導電狀態(tài)轉變?yōu)榻^緣狀 態(tài)，使弧隙能承受電壓而電弧不重燃的過程 介質恢復強度(dielectricrecoverystrength)

某一時刻弧隙介質所能承受的最高電壓：ujf電壓恢復過程 電源電壓加到弧隙兩端的過程 恢復電壓：uhf2023/2/432008年4月17日5第四章交流電弧的熄滅原理§4-0序若UjfUhf<電弧熄滅與否，取決于兩個過程的“競爭”

總是

若Ujf

>Uhf

電弧趨于熄滅

某一時刻電弧可能重燃2008年4月17日6第四章交流電弧的熄滅原理

第四章交流電弧的熄滅原理§4-0序§4-1弧隙中的介質恢復過程§4-2弧隙中的電壓恢復過程§4-3交流電弧的熄滅條件2008年4月17日7第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質恢復過程介質恢復過程的概念

介質恢復過程在近陰極區(qū)和弧柱區(qū)情況不同 近陰極區(qū)的介質恢復過程

交流電流過零后，電極換向+－電流過零+－2008年4月17日8第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質恢復過程

過零瞬間電弧電壓也過零正負粒子均勻分布（熱運動）介質恢復過程的概念

近陰極區(qū)的介質恢復過程 交流電流過零后，帶電粒子的運動

E

+++++++

電流過零

+++++

過零后

電極極性改變 電子迅速向新陽極運動 正離子加速緩慢，在極短時間內可認為停留在原位置 陰極附近形成正電荷層，在陰極表面作用一個電場E0=－++++++++l2008年4月17日14第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質恢復過程介質恢復過程的概念

近陰極區(qū)的介質恢復過程

電流過零瞬間陰極表面電場強度與電 極間施加電壓的關系

2nqUj

ε

產生電弧，需要陰極發(fā)射電子

若電流過零時

陰極較冷，只能依靠場致發(fā)射，

即E0要大于一定值，否則電弧不會重燃這種弧隙在電流過零后立即獲得一定耐壓強度的現(xiàn)象，稱為近陰極效應電流過零后弧隙立即能承受的電壓數(shù)值稱為介質初始恢復強度Ujf0

E+++++++

過零后x0E0

U

0Uj近陰極區(qū)的介質恢復過程E0=－++++++++2008年4月17日15第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質恢復過程

E+++++++

過零后xl0E0

U

0Uj介質恢復過程的概念

2nqUj

ε

介質初始恢復強度與電弧電流、電流過零 瞬間陰極（原陽極）的溫度有很大的關系Ih↑→Tcathode

ih

→0↑→Ujf

0↓原因：陰極溫度升高→熱發(fā)射作用很強時，陰極前不再缺電子，近陰極效應將不存在陰極溫度升高→場致熱發(fā)射增強→若需要一定的電流密度才可導致?lián)舸瑒t陰極溫度上升時需要的擊穿電壓減?。?+++++++2008年4月17日16第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質恢復過程

E+++++++

過零后xl

0E0

UjU

0介質恢復過程的概念

近陰極區(qū)的介質恢復過程

研究近陰極區(qū)的介質恢復過程，對熄滅交 流短弧有很大意義（參p.71）近陽極區(qū)

陽極只是一個被動、“消極”的電子收集器， 近陽極區(qū)對介質恢復過程一般不起作用2008年4月17日17第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質恢復過程擴散

過零時Ph=0

Rh≠∞

（熱慣性）Rh↓重燃介質恢復過程的概念

弧柱區(qū)的介質恢復過程

間隙電壓高Ph>PsRh↑→∞

熄滅間隙電壓低

Ph<Ps復合

弧柱溫度3000~4000K

熱電離 基本停止 不再流過 大電流2008年4月17日18第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質恢復過程介質恢復過程的概念

弧柱區(qū)的介質恢復過程

熱擊穿：電弧電流過零后，由于Ph>Ps，弧柱被加熱，電弧電 阻減小，而引起的擊穿復合擴散Rh↓重燃熱擊穿間隙電壓高Ph>Ps2008年4月17日19第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質恢復過程介質恢復過程的概念

弧柱區(qū)的介質恢復過程

熱擊穿：電弧電流過零后，由于Ph>Ps，弧柱被加熱，電弧電 阻減小，而引起的擊穿 熱擊穿階段弧柱介質恢復強度（Ujf）能量平衡原理PsRz↓Pz↑重燃zszzsP<PP=Uz

2

/RzP>PRz↑不重燃Pz↓2008年4月17日20第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質恢復過程介質恢復過程的概念

弧柱區(qū)的介質恢復過程

熱擊穿階段弧柱介質恢復強度（Ujf）的計算能量平衡原理PsRz↓Pz↑重燃zszzsP<PP=Uz2/RzP>PRz↑不重燃Pz↓臨界情況：Uz2

Rz=PssUjf

=PRz2008年4月17日21第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質恢復過程

過零時Ph=0

Rh≠∞

（熱慣性）Rh↑→∞

熄滅間隙電壓低

Ph<Ps復合

弧柱溫度3000~4000K

熱電離 基本停止 不再流過 大電流溫度仍然較高 耐壓強度低介質恢復過程的概念

弧柱區(qū)的介質恢復過程

電擊穿：電弧電流過零后，Rh

→∞，但由于介質溫度較高，弧隙耐壓強度低，而引起的擊穿

擴散2008年4月17日22第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質恢復過程介質恢復過程的概念

弧柱區(qū)的介質恢復過程

一般而言，電弧的熄滅都要經過兩個過程 熱擊穿（Thermalbreakdown）階段：電弧電流過零后，弧隙具 有一定的電阻，加大電壓后，弧隙可流過電流（弧后電流）

電擊穿（Dielectricbreakdown）階段：電弧電流過零后，Rh

→∞，但由于介質溫度較高，弧隙耐壓強度低 熱擊穿和電擊穿有過渡過程，很難明確地區(qū)分

特殊情況：滅弧介質對電弧的冷卻作用過強，ih→0時，弧隙中 的熱電離作用已經停止。電流過零后，不存在熱擊穿階段，而

直接進入電擊穿階段

弧柱的介質恢復過程對長弧的熄滅有很重要的意義（參p.71）2008年4月17日31第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質恢復過程開關電器弧隙的介質恢復強度特性

高壓開關電器中，弧隙的介質恢復強度主要依賴于滅弧介 質對弧柱的冷卻和消電離作用

氣體介質中，電流過零后一定時間

Ujf

才開始上升

真空中立即恢復，滅弧性能好

SF6（電負性氣體）差一些

變壓器油（燃弧時提供氣體介質，主要為

H2）、壓縮空氣（主要為N2）更差2008年4月17日32第四章交流電弧的熄滅原理§4-1弧隙中的介質恢復過程開關電器弧隙的介質恢復強度特性?弧隙中的介質恢復過程與電流過零后弧隙上是否施加電壓有關，可分為兩類

固有介質恢復過程：不加電壓 在給定弧隙介質條件下，Ujf～t特性僅有一條 實際介質恢復過程：施加某一電壓 電壓（大小、波形）不同，Ujf～t特性不同 在給定弧隙介質條件下，Ujf～t特性有很多條2008年4月17日33第四章交流電弧的熄滅原理

第四章交流電弧的熄滅原理§4-0序§4-1弧隙中的介質恢復過程§4-2弧隙中的電壓恢復過程§4-3交流電弧的熄滅條件2008年4月17日34第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復過程電源線路電感線路電阻負載開關電弧過零熄滅電源線路電感線路電阻負載開關電壓恢復過程

電流過零后，弧隙兩端的電壓由零或反向電弧電壓上升到

電源電壓的過程稱為電壓恢復過程 恢復電壓（recoveryvoltage）：電壓恢復過程中弧隙上的 電壓

恢復電壓2008年4月17日36第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復過程穩(wěn)態(tài)分量工頻電壓直流電壓恢復電壓的組成

若穩(wěn)態(tài)分量只有工頻電壓，稱為工頻恢復電壓

包含暫態(tài)分量的恢復電壓，稱為瞬態(tài)恢復電壓（TRV） （TransientRecoveryVoltage）恢復電壓 暫態(tài)分量時間短、頻率高、對熄弧極為關鍵2008年4月17日38第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復過程開斷不同性質負載的恢復電壓

阻性負載

ih與u同相

ih過零時，u也過零

uhf由零按正弦波形上升

uhf無暫態(tài)分量，只有工頻恢復電壓2008年4月17日40第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復過程開斷不同性質負載的恢復電壓

感性負載

ih落后于u約90o

ih過零時u約處于反向幅值

理論上：ih過零后，uhf應從0跳變 至u的反向幅值

實際上：由于弧隙兩端等效電容的 存在，uhf將按一快速的 過渡過程上升，此后再按 工頻變化

uhf含有穩(wěn)態(tài)分量（工頻電壓）和暫態(tài)分量，為瞬態(tài)恢復電壓2008年4月17日41第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復過程開斷不同性質負載的恢復電壓

容性負載

ih超前于u約90o

ih過零時u約處于幅值

ih過零時電容C被充電且保持，約為u的幅值

uhf隨u變化，最大值可達到u幅值的2倍

uhf無暫態(tài)分量，穩(wěn)態(tài)分量為直流電壓與 工頻電壓之和恢復電壓阻性負載感性負載容性負載穩(wěn)態(tài)分量工頻電壓工頻電壓直流電壓＋工頻電壓暫態(tài)分量無有無2008年4月17日42第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復過程開斷不同性質負載的恢復電壓

小結2008年4月17日43第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復過程開斷不同性質負載的恢復電壓

實際情況下，開關電器大多工作于非容性電路

開斷感性電路比阻性電路對電器弧隙的要求更嚴

一般電網(wǎng)中短路電流為感性 一般而言，開關電器滅弧裝置的設計和試驗都以開斷感性 電路為準。阻性負載感性負載容性負載2008年4月17日50第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復過程理想弧隙的電壓恢復過程

電流過零后極短的時間內，弧隙上恢復電壓的幅值和波形

與兩方面參數(shù)有關

電路參數(shù) 接線方式 集中或分布的電感、電容、電阻的數(shù)值 電弧參數(shù) 電弧電壓 剩余電阻

理想弧隙

過零前：Rh＝0

過零后：

Rh→∞2008年4月17日52第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復過程理想弧隙的電壓恢復過程

開斷單頻電路時弧隙上的電壓恢復過程

等效電路L：整個回路的等效電感（電源自身和線路電感）C：折算到弧隙兩端的等效電容（電源繞組和線路對地、線間）R:折算到弧隙兩端的等效電阻（電源、線路等各種電、磁損耗折算）2008年4月17日64第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復過程理想弧隙的電壓恢復過程

開斷單頻電路時弧隙上的電壓恢復過程欠阻尼：減幅振蕩過阻尼：無振蕩、單調變化實際開斷單頻電路短路電流時，uhf多為振蕩衰減的波形這種恢復電壓常用兩參數(shù)來表征2008年4月17日65第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復過程理想弧隙的電壓恢復過程

開斷單頻電路時弧隙上的電壓恢復過程

實際開斷單頻電路短路電流時，uhf多為振蕩衰減的波形

這種恢復電壓常用兩參數(shù)來表征 在

低壓電器中振幅因數(shù)Uhfm

Ugmγ=振蕩頻率

12tmf=描述恢復電壓幅值的大小描述恢復電壓上升速度的快慢2008年4月17日67第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復過程理想弧隙的電壓恢復過程

開斷單頻電路時弧隙上的電壓恢復過程

實際開斷單頻電路短路電流時，uhf多為振蕩衰減的波形

這種恢復電壓常用兩參數(shù)來表征 在

高壓電器中 恢復電壓峰值：Uc

峰值時間：t3

延遲時間：td（表征起始上升 部分的凹度）

固有瞬態(tài)恢復電壓參數(shù)（p.111，表4-4）2008年4月17日68第四章交流電弧的熄滅原理§4-2弧隙中的電壓恢復過程理想弧隙的電壓恢復過程

開斷多頻電路時弧隙上的電壓恢復過程

恢復電壓中有多個頻率的暫態(tài)分量（雙頻、三頻……）

采用四參數(shù)來表征 第一波幅值：U1

第一波幅時間：t1

峰值：Uc

峰值時間：t2

延遲時間：td（表征起 始上升部分的凹度）

固有瞬態(tài)恢復電壓參數(shù)（p.112，表4-5）2008年4月17日82第四章交流電弧的熄滅原理

第四章交流電弧的熄滅原理§4-0序§4-1弧隙中的介質恢復過程§4-2弧隙中的電壓恢復過程§4-3交流電弧的熄滅條件2008年4月17日83第四章交流電弧的熄滅原理§4-3交流電弧的熄滅條件若UjfUhf<電弧熄滅與否，取決于兩個過程的“競爭”

總是

若Ujf

>Uhf

電弧趨于熄滅

某一時刻

電弧可能重燃介質恢復和電壓恢復相互影響2008年4月17日84第四章交流電弧的熄滅原理§4-3交流電弧的熄滅條件交流電弧的熄滅條件固有特性實際特性不加恢復電壓時的 介質恢復強度

恢復電