交流电弧熄灭原理

2008年4月17日2第四章交流电弧的熄灭原理

交流电弧的熄灭原理§4-0序§4-1弧隙中的介质恢复过程§4-2弧隙中的电压恢复过程§4-3交流电弧的熄灭条件2008年4月17日3第四章交流电弧的熄灭原理§4-0序交流电流过零时，电弧的输入功率为零，有利于熄弧大部分交流开关设备都利用该原理熄灭电弧 电流过零熄弧交流电流过零后，弧隙中和弧隙上同时进行着两个相关的过程 介质恢复过程 电压恢复过程2008年4月17日4第四章交流电弧的熄灭原理§4-0序介质恢复过程 弧隙中的电离气体由导电状态转变为绝缘状 态，使弧隙能承受电压而电弧不重燃的过程 介质恢复强度(dielectricrecoverystrength)

某一时刻弧隙介质所能承受的最高电压：ujf电压恢复过程 电源电压加到弧隙两端的过程 恢复电压：uhf2023/2/432008年4月17日5第四章交流电弧的熄灭原理§4-0序若UjfUhf<电弧熄灭与否，取决于两个过程的“竞争”

总是

若Ujf

>Uhf

电弧趋于熄灭

某一时刻电弧可能重燃2008年4月17日6第四章交流电弧的熄灭原理

第四章交流电弧的熄灭原理§4-0序§4-1弧隙中的介质恢复过程§4-2弧隙中的电压恢复过程§4-3交流电弧的熄灭条件2008年4月17日7第四章交流电弧的熄灭原理§4-1弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念

介质恢复过程在近阴极区和弧柱区情况不同 近阴极区的介质恢复过程

交流电流过零后，电极换向+－电流过零+－2008年4月17日8第四章交流电弧的熄灭原理§4-1弧隙中的介质恢复过程

过零瞬间电弧电压也过零正负粒子均匀分布（热运动）介质恢复过程的概念

近阴极区的介质恢复过程 交流电流过零后，带电粒子的运动

E

+++++++

电流过零

+++++

过零后

电极极性改变 电子迅速向新阳极运动 正离子加速缓慢，在极短时间内可认为停留在原位置 阴极附近形成正电荷层，在阴极表面作用一个电场E0=－++++++++l2008年4月17日14第四章交流电弧的熄灭原理§4-1弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念

近阴极区的介质恢复过程

电流过零瞬间阴极表面电场强度与电 极间施加电压的关系

2nqUj

ε

产生电弧，需要阴极发射电子

若电流过零时

阴极较冷，只能依靠场致发射，

即E0要大于一定值，否则电弧不会重燃这种弧隙在电流过零后立即获得一定耐压强度的现象，称为近阴极效应电流过零后弧隙立即能承受的电压数值称为介质初始恢复强度Ujf0

E+++++++

过零后x0E0

U

0Uj近阴极区的介质恢复过程E0=－++++++++2008年4月17日15第四章交流电弧的熄灭原理§4-1弧隙中的介质恢复过程

E+++++++

过零后xl0E0

U

0Uj介质恢复过程的概念

2nqUj

ε

介质初始恢复强度与电弧电流、电流过零 瞬间阴极（原阳极）的温度有很大的关系Ih↑→Tcathode

ih

→0↑→Ujf

0↓原因：阴极温度升高→热发射作用很强时，阴极前不再缺电子，近阴极效应将不存在阴极温度升高→场致热发射增强→若需要一定的电流密度才可导致击穿，则阴极温度上升时需要的击穿电压减小－++++++++2008年4月17日16第四章交流电弧的熄灭原理§4-1弧隙中的介质恢复过程

E+++++++

过零后xl

0E0

UjU

0介质恢复过程的概念

近阴极区的介质恢复过程

研究近阴极区的介质恢复过程，对熄灭交 流短弧有很大意义（参p.71）近阳极区

阳极只是一个被动、“消极”的电子收集器， 近阳极区对介质恢复过程一般不起作用2008年4月17日17第四章交流电弧的熄灭原理§4-1弧隙中的介质恢复过程扩散

过零时Ph=0

Rh≠∞

（热惯性）Rh↓重燃介质恢复过程的概念

弧柱区的介质恢复过程

间隙电压高Ph>PsRh↑→∞

熄灭间隙电压低

Ph<Ps复合

弧柱温度3000~4000K

热电离 基本停止 不再流过 大电流2008年4月17日18第四章交流电弧的熄灭原理§4-1弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念

弧柱区的介质恢复过程

热击穿：电弧电流过零后，由于Ph>Ps，弧柱被加热，电弧电 阻减小，而引起的击穿复合扩散Rh↓重燃热击穿间隙电压高Ph>Ps2008年4月17日19第四章交流电弧的熄灭原理§4-1弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念

弧柱区的介质恢复过程

热击穿：电弧电流过零后，由于Ph>Ps，弧柱被加热，电弧电 阻减小，而引起的击穿 热击穿阶段弧柱介质恢复强度（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第四章交流电弧的熄灭原理§4-1弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念

弧柱区的介质恢复过程

热击穿阶段弧柱介质恢复强度（Ujf）的计算能量平衡原理PsRz↓Pz↑重燃zszzsP<PP=Uz2/RzP>PRz↑不重燃Pz↓临界情况：Uz2

Rz=PssUjf

=PRz2008年4月17日21第四章交流电弧的熄灭原理§4-1弧隙中的介质恢复过程

过零时Ph=0

Rh≠∞

（热惯性）Rh↑→∞

熄灭间隙电压低

Ph<Ps复合

弧柱温度3000~4000K

热电离 基本停止 不再流过 大电流温度仍然较高 耐压强度低介质恢复过程的概念

弧柱区的介质恢复过程

电击穿：电弧电流过零后，Rh

→∞，但由于介质温度较高，弧隙耐压强度低，而引起的击穿

扩散2008年4月17日22第四章交流电弧的熄灭原理§4-1弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念

弧柱区的介质恢复过程

一般而言，电弧的熄灭都要经过两个过程 热击穿（Thermalbreakdown）阶段：电弧电流过零后，弧隙具 有一定的电阻，加大电压后，弧隙可流过电流（弧后电流）

电击穿（Dielectricbreakdown）阶段：电弧电流过零后，Rh

→∞，但由于介质温度较高，弧隙耐压强度低 热击穿和电击穿有过渡过程，很难明确地区分

特殊情况：灭弧介质对电弧的冷却作用过强，ih→0时，弧隙中 的热电离作用已经停止。电流过零后，不存在热击穿阶段，而

直接进入电击穿阶段

弧柱的介质恢复过程对长弧的熄灭有很重要的意义（参p.71）2008年4月17日31第四章交流电弧的熄灭原理§4-1弧隙中的介质恢复过程开关电器弧隙的介质恢复强度特性

高压开关电器中，弧隙的介质恢复强度主要依赖于灭弧介 质对弧柱的冷却和消电离作用

气体介质中，电流过零后一定时间

Ujf

才开始上升

真空中立即恢复，灭弧性能好

SF6（电负性气体）差一些

变压器油（燃弧时提供气体介质，主要为

H2）、压缩空气（主要为N2）更差2008年4月17日32第四章交流电弧的熄灭原理§4-1弧隙中的介质恢复过程开关电器弧隙的介质恢复强度特性?弧隙中的介质恢复过程与电流过零后弧隙上是否施加电压有关，可分为两类

固有介质恢复过程：不加电压 在给定弧隙介质条件下，Ujf～t特性仅有一条 实际介质恢复过程：施加某一电压 电压（大小、波形）不同，Ujf～t特性不同 在给定弧隙介质条件下，Ujf～t特性有很多条2008年4月17日33第四章交流电弧的熄灭原理

第四章交流电弧的熄灭原理§4-0序§4-1弧隙中的介质恢复过程§4-2弧隙中的电压恢复过程§4-3交流电弧的熄灭条件2008年4月17日34第四章交流电弧的熄灭原理§4-2弧隙中的电压恢复过程电源线路电感线路电阻负载开关电弧过零熄灭电源线路电感线路电阻负载开关电压恢复过程

电流过零后，弧隙两端的电压由零或反向电弧电压上升到

电源电压的过程称为电压恢复过程 恢复电压（recoveryvoltage）：电压恢复过程中弧隙上的 电压

恢复电压2008年4月17日36第四章交流电弧的熄灭原理§4-2弧隙中的电压恢复过程稳态分量工频电压直流电压恢复电压的组成

若稳态分量只有工频电压，称为工频恢复电压

包含暂态分量的恢复电压，称为瞬态恢复电压（TRV） （TransientRecoveryVoltage）恢复电压 暂态分量时间短、频率高、对熄弧极为关键2008年4月17日38第四章交流电弧的熄灭原理§4-2弧隙中的电压恢复过程开断不同性质负载的恢复电压

阻性负载

ih与u同相

ih过零时，u也过零

uhf由零按正弦波形上升

uhf无暂态分量，只有工频恢复电压2008年4月17日40第四章交流电弧的熄灭原理§4-2弧隙中的电压恢复过程开断不同性质负载的恢复电压

感性负载

ih落后于u约90o

ih过零时u约处于反向幅值

理论上：ih过零后，uhf应从0跳变 至u的反向幅值

实际上：由于弧隙两端等效电容的 存在，uhf将按一快速的 过渡过程上升，此后再按 工频变化

uhf含有稳态分量（工频电压）和暂态分量，为瞬态恢复电压2008年4月17日41第四章交流电弧的熄灭原理§4-2弧隙中的电压恢复过程开断不同性质负载的恢复电压

容性负载

ih超前于u约90o

ih过零时u约处于幅值

ih过零时电容C被充电且保持，约为u的幅值

uhf随u变化，最大值可达到u幅值的2倍

uhf无暂态分量，稳态分量为直流电压与 工频电压之和恢复电压阻性负载感性负载容性负载稳态分量工频电压工频电压直流电压＋工频电压暂态分量无有无2008年4月17日42第四章交流电弧的熄灭原理§4-2弧隙中的电压恢复过程开断不同性质负载的恢复电压

小结2008年4月17日43第四章交流电弧的熄灭原理§4-2弧隙中的电压恢复过程开断不同性质负载的恢复电压

实际情况下，开关电器大多工作于非容性电路

开断感性电路比阻性电路对电器弧隙的要求更严

一般电网中短路电流为感性 一般而言，开关电器灭弧装置的设计和试验都以开断感性 电路为准。阻性负载感性负载容性负载2008年4月17日50第四章交流电弧的熄灭原理§4-2弧隙中的电压恢复过程理想弧隙的电压恢复过程

电流过零后极短的时间内，弧隙上恢复电压的幅值和波形

与两方面参数有关

电路参数 接线方式 集中或分布的电感、电容、电阻的数值 电弧参数 电弧电压 剩余电阻

理想弧隙

过零前：Rh＝0

过零后：

Rh→∞2008年4月17日52第四章交流电弧的熄灭原理§4-2弧隙中的电压恢复过程理想弧隙的电压恢复过程

开断单频电路时弧隙上的电压恢复过程

等效电路L：整个回路的等效电感（电源自身和线路电感）C：折算到弧隙两端的等效电容（电源绕组和线路对地、线间）R:折算到弧隙两端的等效电阻（电源、线路等各种电、磁损耗折算）2008年4月17日64第四章交流电弧的熄灭原理§4-2弧隙中的电压恢复过程理想弧隙的电压恢复过程

开断单频电路时弧隙上的电压恢复过程欠阻尼：减幅振荡过阻尼：无振荡、单调变化实际开断单频电路短路电流时，uhf多为振荡衰减的波形这种恢复电压常用两参数来表征2008年4月17日65第四章交流电弧的熄灭原理§4-2弧隙中的电压恢复过程理想弧隙的电压恢复过程

开断单频电路时弧隙上的电压恢复过程

实际开断单频电路短路电流时，uhf多为振荡衰减的波形

这种恢复电压常用两参数来表征 在

低压电器中振幅因数Uhfm

Ugmγ=振荡频率

12tmf=描述恢复电压幅值的大小描述恢复电压上升速度的快慢2008年4月17日67第四章交流电弧的熄灭原理§4-2弧隙中的电压恢复过程理想弧隙的电压恢复过程

开断单频电路时弧隙上的电压恢复过程

实际开断单频电路短路电流时，uhf多为振荡衰减的波形

这种恢复电压常用两参数来表征 在

高压电器中 恢复电压峰值：Uc

峰值时间：t3

延迟时间：td（表征起始上升 部分的凹度）

固有瞬态恢复电压参数（p.111，表4-4）2008年4月17日68第四章交流电弧的熄灭原理§4-2弧隙中的电压恢复过程理想弧隙的电压恢复过程

开断多频电路时弧隙上的电压恢复过程

恢复电压中有多个频率的暂态分量（双频、三频……）

采用四参数来表征 第一波幅值：U1

第一波幅时间：t1

峰值：Uc

峰值时间：t2

延迟时间：td（表征起 始上升部分的凹度）

固有瞬态恢复电压参数（p.112，表4-5）2008年4月17日82第四章交流电弧的熄灭原理

第四章交流电弧的熄灭原理§4-0序§4-1弧隙中的介质恢复过程§4-2弧隙中的电压恢复过程§4-3交流电弧的熄灭条件2008年4月17日83第四章交流电弧的熄灭原理§4-3交流电弧的熄灭条件若UjfUhf<电弧熄灭与否，取决于两个过程的“竞争”

总是

若Ujf

>Uhf

电弧趋于熄灭

某一时刻

电弧可能重燃介质恢复和电压恢复相互影响2008年4月17日84第四章交流电弧的熄灭原理§4-3交流电弧的熄灭条件交流电弧的熄灭条件固有特性实际特性不加恢复电压时的 介质恢复强度

恢复电