第5章-电器的电弧理论

第5章

电器的电弧理论福州大学许志红王剑第5章电器的电弧理论5.1引言5.2气体放电的物理基础5.3电弧的物理特性5.4直流电弧的特性与熄灭原理5.5交流电弧的特性与熄灭原理5.6开关电器典型灭弧装置的工作原理5.1引言在大气中开断电路时：开断电流＞0.25～1A；开断电压＞12～20V。在触头间隙通常会产生一团温度极高、发出强光、能够导电、近似圆柱形的气体在开关电器中，电弧的存在具有两重性：1、给电路中磁能的释放提供通路，降低电路开断时产生的过电压或作为限流电阻串入电路；2、延迟电路开断、烧损触头，严重时，可能引起开关电器着火和爆炸。——电弧研究电器电弧的方法仿真：实验：从电弧机理和内部现象出发，通过描述电弧微观或者宏观过程的数学模型，利用数值方法实现电弧数学模型的求解，得到温度场、流体场特性。直接观测电弧的电、热、磁、光等现象，获得电弧形态、组分、温度等特性，通过测量电弧电压、电弧电流等外部特性，分析电弧所处金属相或气相阶段，以及电弧运动特性。电弧微观模型电弧宏观模型5.2气体放电的物理基础气体放电：弧隙中气体由绝缘状态变为导电状态的现象电弧：实质上就是气体放电的一种形式5.2.1电离和激励物质的原子——原子核+若干电子正常状态下：电子按照一定的数量规律分布在其最低能级的轨道上激励：受到外界的能量（热、光、碰撞等）作用——电子吸收能量——克服原子核的吸引力——跃迁到更外层较高能级的轨道电离：若能量足够大，电子跳出原子核的吸引力而成为自由电子，使原来的中性粒子变成正离子的现象电离能(Wyl):电离一个电子所需要的能量5.2.2气体的电离方式电离气体——含有带电粒子（电子、正离子和负离子），能够导电的气体电离度——带电粒子占气体粒子数的百分比。电离度越高，气体的导电率越大表面发射:金属电极表面在某种情况下，发射电子进入弧隙空间电离:电极间气体自身由绝缘状态变成导电状态气体电离方式热发射场致发射光发射二次发射光电离电场电离热电离表面发射热发射：当金属的温度升高时，其表面的自由电子可能获得足够的动能，以超越金属表面晶格电场造成的势垒而逸出对于一个洁净均匀的金属电极表面，其饱和热发射电流密度Jrf(A/cm2)为：表面发射场致发射(高电场发射)：当金属表面存在较高的电场强度(大于106V/cm)时，金属表面势垒厚度减小，自由电子可能在常温下穿过势垒(隧道效应)，逸出金属的现象在温度较高时，场致发射电流密度Jcf(A/cm2)为：光发射：光线和射线照到金属表面时，引起电子逸出的现象二次发射：正离子以很高的速度撞击阴极，或者电子、负电荷以很高的速度撞击阳极时，引起金属电极表面发射电子的现象空间电离光电离：中性粒子受到一定频率的光照射而被电离的现象光的频率v需满足条件：

电场电离(碰撞电离)：带电粒子在电场作用下加速，若动能超过电离能，当它在前进过程中撞击到另一中性粒子时，就可能使之电离粘合：电子碰撞中性粒子后，附着在上面构成负离子的现象空间电离热电离：气体粒子由于高速热运动相互碰撞而产生的电离当温度高达3000~4000K时，气体的热电离才显著起来温度越高，气体的热电离度x越高，其关系可用沙哈公式表示：

金属蒸汽的电离能比一般气体的小很多，相同温度下，其电离度大于一般气体在同一温度下，当气体中含有金属蒸汽时，其电离度提高，电导率增大。5.2.3气体的消电离方式消电离——电离气体中带电粒子自身消失或者失去电荷变为中性粒子的现象，叫做消电离复合:两个带有异号电荷的粒子相互作用，使电荷消失的现象。扩散:带电粒子由于热运动，从浓度较高的区域向浓度较低的区域移动的现象。消电离方式表面复合空间复合复合表面复合：电极表面、金属表面、绝缘材料表面都会产生复合现象电极表面复合金属表面复合绝缘材料表面复合图5-2金属表面的复合过程复合空间复合：可分为直接空间复合和间接空间复合直接空间复合：正离子和电子在空间相遇后形成一个中性粒子的过程间接空间复合：电子先和中性粒子粘合成负离子，再与正离子复合形成两个中性粒子图5-3间接空间复合过程扩散扩散：带电粒子由于热运动从浓度高区向浓度低区移动的现象扩散使电极间电离气体中带电粒子减少，而降低其电离度当电离气体中正负带电粒子数相等（等离子体）时，扩散必然是双极扩散——在同一时间内，扩散的正离子数和负带电粒子数相等通过以上分析可知：气体的电离与消电离与弧隙中气体性质、气体压力、电场强度、温度等因素有关设电离气体呈圆柱形，则扩散使带电粒子数密度降低的速度离子平衡方程式弧隙中的带电粒子数随时间的变化率为：式中，——弧隙中带电粒子随时间的变化率；——由于光、热发射和电离作用，带电粒子数的变化率；——由于扩散作用，带电粒子数的变化率；——由于复合作用，带电粒子数的变化率；——由于电场、二次发射和电场电离作用，带电粒子数的变化率弧隙中的离子平衡方程式离子平衡方程式——弧隙中的带电粒子数随时间增多。电离作用增强，电弧燃烧趋于炽烈；——弧隙中的带电粒子数随时间减少。电离作用减弱，电弧燃烧趋于熄灭；——弧隙中的带电粒子数保持不变，电弧将稳定燃烧因而，可根据的增减可用来来判别电弧燃烧情况：趋于炽烈、熄灭还是稳定5.2.4气体的放电特性在正常状态下，气体有良好的电气绝缘性能。但当在气体间隙的两端加上足够大的电场时，就可能引起电流通过气体以直流电路为例，研究电极1、电极2两端的电压U与流过间隙的电流I之间的关系——气体放电间隙的伏安特性UI图5-4直流电路图5-5气体放电间隙的伏安特性1、气体放电间隙伏安特性按照放电的性质不同，气体放电间隙的伏安特性可分为两个阶段：非自持放电阶段——OABC段自持放电阶段——CDEF段非自持放电阶段自持放电阶段巴申曲线巴申曲线：电极间空气的击穿电压与气体压强、极间距离的关系巴申曲线为什么会存在最低点？图5-7铜电极与的关系汤逊理论可以解释气体间隙击穿机理，但是，并不能很好的解释长间隙气体放电过程需要流注理论作为补充!!!5.3电弧的物理特性当开断的电流和电压大于触头材料的最小生弧电流和最小生弧电压(见表5-5和表5-6)时，气隙中将产生电弧开断电路时，电弧产生过程如下：5.3.1开断电路时电弧的产生过程触头开始分离接触面积减少电流密度增大金属强烈发热接触处金属熔化形成液态金属桥液态金属桥：蒸发进入间隙阴极：电场发射弧隙：电场电离产生大量带电粒子电子→阳极正离子→阴极电子→正离子阳极温度上升阳极形成高电场阴极温度上升弧隙温度上升二次发射加剧金属热发射热电离(主要)复合热发射电导率上升电弧电压下降电弧稳定燃烧复合复合waiting......5.3.2电弧的近极区和弧柱区特性对于稳定燃烧的直流电弧，电弧电压沿弧长分布不均匀，可将其分为三个区域：近阴极(Cathode)区：C近阳极(Anode)区：A弧柱区：Z各个区域具有不同的特点图5-10直流电弧特性示意图近阴极区特点：聚集着大量的正离子构成一个正空间电荷区电位有一急剧的改变长度约等于电子的平均自由行程(<10-4cm)电场强度很高(106~107V/m)利于二次发射和场致发射阴极区压降Uc与触头材料和气体介质有关低沸点阴极材料：阴极区压降约等于阴极材料蒸汽的电离电位高沸点阴极材料：阴极区压降约等于气体介质的电离电位图5-10直流电弧特性示意图近阳极区特点：聚集着大量的电子构成一个负空间电荷区电位也有一急剧的改变长度是近阴极区的几倍电场强度比近阴极区小阴极区压降Ua数值与阴极压降数值相近，也与触头材料有关电弧稳定燃烧时，Uc、Ua随I的变化不大，一般近似认为是常数。合起来称之为近极区压降U0图5-10直流电弧特性示意图弧柱区特点：自由状态下呈现圆柱形正负带电粒子数相等，为等离子体不存在空间电荷，单位长度上的电压降基本相等沿弧长的电场强度E可看成是常数电场强度E的大小与电极材料、电流大小、气体介质、气压、介质对电弧的作用强烈程度等有关弧柱区压降Uz为：图5-10直流电弧特性示意图其中，Ih——电弧电流；Rz——电弧电阻；——电弧长度根据弧柱区压降在电弧电压中所占的比例可将电弧分为长弧和短弧长弧：极间距离较长，在中所占的比例较大，大致与E成正比短弧：极间距离较短，在中所占的比例较小，针对长弧和短弧的特点，可引出相应的灭弧方法：长弧灭弧法：提高弧柱区压降，使电弧电压上升，外电路电源不足以维持电弧燃烧的灭弧方法短弧灭弧法：提高近极区压降，使电弧电压升高，电弧熄灭的灭弧方法电弧电压特性电弧电压Uh为：近极区压降：弧柱区压降：一般常用触头材料，可认为电弧长度近似等于极间距离5.3.3电弧的温度电弧弧柱具有很高的温度：>6000K任何材料与之长时间接触都可能汽化，很难直接测量其温度目前，研究电弧常用的手段：实验：通过电、磁、热、光等现象，获得电弧的形态、组份、温度特性仿真：采用三维场域计算在开关电器中，一般认为电弧的温度在6000K~20000K时，电弧炽热燃弧电弧的温度在3000K~4000K时，电弧趋于熄灭由图可知，电弧的中性面温度最高， 离开中性面越远，弧柱温度越低电弧温度的影响因素：电弧电流电极材料、尺寸、形状、放置位置介质对电弧的作用方式图5-11200A碳电极电弧的温度场5.3.3电弧的温度交流电弧时，弧柱温度随电流变化而变化，其特点为：不仅随着电流有效值的增大而增大而且随着电流相位角的变化而变化热惯性：电弧温度升高或降低，必须供给或从中散发一定的热量，而热量的供给或散发需要经过一定的时间近极区的温度受电极材料沸点的限制，低于弧柱温度压缩空气纵吹的电弧5.3.4电弧的直径与斑点电弧直径：当电弧电流给定时，弧柱都有一个极其明亮的呈圆柱形的边界和直径，即为电弧直径计算电弧直径的经验公式(铜电极)：1.电弧的直径大气中自由燃弧大气中横向运动的电弧2.电弧的弧根与斑点弧根：弧柱贴近电极的部分斑点：弧根在电极表面上形成的圆形明亮点阴极斑点：阳极斑点：阴极和阳极斑点的温度大致等于电极材料的沸点触头材料沸点低：燃弧时，弧隙中金属蒸汽较多，不利于灭弧(交流)电流过零后，阴极热发射电子的数量较少，对熄弧有利触头材料沸点高：燃弧时，弧隙中金属蒸汽较少，有利熄弧(交流)电流过零后，阴极热发射电子多，不利于灭弧金属蒸汽对长弧影响较大；热发射电子对短弧影响较大5.3.5电弧的能量电弧相当于一纯阻性的发热元件电弧消耗功率可表示为：短弧：电弧功率损耗变成的热量主要是先传给电极，然后由电极传给其它零件和散向周围介质长弧：电弧功率损耗变成的热量主要是由弧柱散向周围介质弧柱散发的功率Pz有三种方式：热传导Pcd热辐射Pfs热对流Pdl即1.热传导散发的功率Pcd热阻RT为：根据热路法得热传导散发的功率：实际上，气体的热导率并不是常数，与温度有关图5-14气体热导率与温度的关系电弧在氢气和氮气中燃烧，哪种气体中的电弧更易熄灭？自由燃弧时，热对流和热传导散发的功率在同一数量级强迫吹弧时，对流散热起主要作用横吹：流体介质运动方向与电弧轴线垂直纵吹：流体介质运动方向与电弧轴线平行2.热对流散发的功率Pdl横吹图5-15气体被冷却示意图纵吹Pdl1与电弧纵截面积成正比Pdl2与电弧横截面积成正比Pdl都与介质吹弧速度成正比自由燃弧时，Pfs占总散发功率的百分之几到十几强迫冷却时，Pfs可以忽略热辐射散发的功率Pfs与弧柱体积成正比长弧时，电弧总散发功率Ps为：3.热辐射散发的功率Pfs由电极散发由弧柱散发5.4直流电弧的特性与熄灭原理静态伏安特性：电弧长度固定时，稳定燃弧状态(

)下测得的Uh-Ih的特性直流电弧的静态伏安特性的影响因素：电弧长度、电极材料、气体介质种类、压力、介质相对电弧的运动速度常用经验公式为：5.4.1直流电弧的伏安特性图5-16直流电路图5-17

直流电弧的静态伏安特性S1S2S1、S2哪个更大？5.4.1直流电弧的伏安特性动态伏安特性：电弧长度固定，Ih按一定的速度变化，Uh随之变化时，测得的Uh-Ih特性电弧在I1稳定燃烧图5-18

直流电弧的动态伏安特性I1I2I31023456AAIhUh曲线1-3和1-5称为电流以某一速度变化时的电弧动态伏安特性直线0-1-2称为电流变化速度为无穷大时的电弧动态伏安特性曲线A-A为直流电弧静态福安特性5.4.2直流电弧的熄灭原理研究开关电弧的目的是为了熄灭电弧据图，电路方程为：图5-19

带有电弧的直流电路C为折算到弧隙两端的线路电容，通常数值很小，当电弧电压变化不快时，可忽略电弧伏安特性电路伏安特性5.4.2直流电弧的熄灭原理点1和点2：Ih不随时间变化，为常数(即为电路方程的解)图5-20

直流电弧熄灭原理I1I21O2AAIhUhabcE电弧真的可以在I1和点I2处稳定燃烧吗？希望电弧熄灭，需要采取一些措施使点2不存在5.4.2直流电弧的熄灭原理可从两方面采取措施，促使电弧迅速熄灭：一、增大电阻R，使a(a=arctanR)增大，直线ac移到虚线的位置，不与曲线A-A相交，因而电弧不能维持而趋于熄灭二、提高电弧的静态伏安特性曲线A-A到虚线的位置，使之不与直线ac相交，这样，电弧也趋于熄灭图5-21

灭弧措施I1I21O2IhUhabcE增大R的方法熄弧时，在电路中串入另一电阻提高Uh方法增大近极区压降U0增大电弧长度l增大弧柱区的电场强度E5.4.3直流电弧的能量与熄弧过电压燃弧时间：从触头分开产生电弧到电弧熄灭的时间满足熄弧条件时，电弧也不会立即熄灭弧柱具有热惯性：电弧中的能量泄放需要一定的时间电路存在电感：电感L越大，储能就越多，弧隙需要散发的能量就越多，电弧就越难熄灭直流电弧能量的计算：1.直流电弧的能量带有电弧的直流电路其中，trh为燃弧时间；Ih0为电弧开始产生时的电流等式两边各乘以Ihdt，然后进行积分得电弧消耗的能量电源供给的能量电阻消耗的能量电感储存的能量2.直流电弧熄灭时的过电压当燃弧时间过短时，电路电感中会产生很大的自感电动势，从而形成过电压：若没有采取过电压限制措施，不可过分减少燃弧时间过电压计算：通常在电流过零时，过电压最大L越大，Ugmax越大弧隙的消电离作用越强，Ugmax越大图5-25

开断电感性负载时的波形<02.直流电弧熄灭时的过电压截流：弧隙的消电离作用过分强烈时，可能发生电弧电流小到某一数值时，电弧电流被强行截断电弧电流截断后，电感电流不能突变图5-26

UC或Ug的衰减过程Iht截断电流I0IL不能突变电流经过C导通截流过电压2.直流电弧熄灭时的过电压根据能量平衡原理得当振荡电流过零时，电场能量全部转变为磁场能量，UC(Ug)达到最大值：其中，I0——电弧电流被截断时的瞬时值；U0——电流截断时弧隙两端的电压值；Ugmax、UCmax——分别为弧隙两端、电容C上的电压峰值2.直流电弧熄灭时的过电压开断感性负载的限制过电压措施负载两端反并联续流二极管VDI主弧隙K1两端增加并联辅助弧隙K2图5-27

限制过电压措施a)b)5.5交流电弧的特性与熄灭原理假定：ih随时间按正弦规律变化，且ih过零期间Rh为一有限值5.5.1交流电弧的伏安特性图5-28

交流电弧伏安特性交流电弧电压和电流的波形假定：ih过零期间，Rh为有限值ih为正弦波形，与负载无关uh随时间的波形呈现马鞍形UrhUxhRh|ih→0≠∞Urh>Uxh图5-30

电弧电压随时间变化波形实际上：ih和uh的波形受负载影响交流电弧电压和电流的波形阻性负载：ih与电源电压u同相，ih过零时u也过零Uxh之后，Urh之前：Rh迅速增大，uh等于u的瞬时值，ih=u/Rh很小Urh之后，Uxh之前：uh按动态伏安特性变化图5-32a

交流电弧电压和电流波形——阻性负载图5-31

带有电弧的交流电路交流电弧电压和电流的波形感性负载：ih落后电源电压u大约90°，ih过零时u大约处于幅值0→Urh：uh以很高的速度从0趋向u的幅值(比阻性负载快的多)Urh出现较早，弧隙通过大负载电流的时间提前Uxh→

0：uh由电感的反电势维持，按照电弧的动态伏安特性变化图5-32b

交流电弧电压和电流波形——感性负载图5-31

带有电弧的交流电路在Urh之前和Uxh之后：感性负载下，uh的变化速度比电阻负载快得多交流电弧电压和电流的波形在开断同一电流时，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直流时：电感中储存的能量，不利于电弧的熄灭交流时：阻性负载中，在ih过零后，uh电压上升缓慢，更利于电弧冷却、变细，Rh将更加增大，提高Urh，使电弧更易熄灭交流电弧比直流电弧更容易熄灭交流电弧有自然过零点在ih过零附近一段时间内，弧柱变冷、变细，甚至熄灭电弧自然过零熄灭时，电感中的能量趋近于零，不易产生过电压感性负载阻性负载5.5.2交流电弧对电路的影响零休现象：交流电弧中，在ih过零前后一段时间内，Rh变得相当大，ih偏离正弦形，而是等于uh和Rh的比值，与负载电流相比，近似可以认为是零的现象交流时，阻性负载电路的电弧比感性负载电路的更易熄灭阻性负载中的电弧零休时间更长，更利于电弧熄灭1.电弧电压对交流电路电流的影响感性负载阻性负载1.电弧电压对交流电路电流的影响电流过零时的下降速度感性电路中，电弧电流过零时的变化率为：电路中不存在电弧：电路中存在电弧：其中，ih——电弧电流；Um——电源电压幅值；L——电路电感；Uxh——熄弧尖峰Uxh使电流过零时的速度增大，电弧在过零前的冷却时间缩短，从这一点来看，不利于电弧的熄灭感性负载1.电弧电压对交流电路电流的影响限流作用：uh与u可比拟时，电弧的限流作用才较显著假定：电源电压刚好处于幅值(y=90°)时，线路发生短路，短路电流中将不存在非周期分量(便于分析)在t=t1(t1<0.005s)时，开关触头以速度v分开采用叠加原理计算此时短路电流的波形：=+t≥0t≥t1图5-34电弧电压随着时间增长时的短路电流计算a)交流电路b)计算电路1c)计算电路2y=p/2

发生短路短路电流波形根据得到的i、、，可画出对应的波形：由于电弧电压的作用，减小了短路电流峰值，缩短了第一个半波的时间，称为限流作用限流峰值：i的幅值限流系数：i与的幅值之比限流的作用：减小短路电流的热和电动力作用应用：常用于低压开关电器，在高压开关电器中作用不明显图5-35电流波形1.电弧电压对交流电路电流的影响减小电路的功率因数角j感性电路若无电弧，功率因数角为：若有电弧，相当于电路中串入了电阻，功率因数角减小：图5-36

电弧电压对电路功率因数的影响a)b)其中，Um——电源电压u的幅值Uk——电弧电压uh为常数2.交流电弧能量计算开断交流电路时，弧隙中放出能量的多少对开关电器的工作性能有很大的影响：计算交流电弧能量Wh的基本公式为假定：ih为一幅值不变的正弦电流：ih=Imsinwt弧柱电场强度E为常数(忽略Urh和Uxh)，则uh=El+U0ts、tx

分别为燃弧时刻和熄弧时刻其中，n——燃弧半波数np——积分上限，大部分交流电弧总是在电流过零时熄灭5.5.3交流电弧的介质恢复过程在交流电流过零后，弧隙中和弧隙上同时进行着两个相互联系的过程：介质恢复过程：弧隙中电离气体从导体状态迅速转变为绝缘状态，使弧隙能够承受电压作用而不发生电弧重燃的过程，可用介质恢复强度ujf来表示电压恢复过程：电源电压加到弧隙两端触头上的过程，可用恢复电压uhf来表示电弧熄灭与否，取决于这两个过程的“竞争”：ujf

总是大于

uhf

，电弧趋于熄灭ujf

某一瞬间小于uhf，电弧可能重燃1.介质恢复过程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：ih过零前：电极极性为左正右负ih过零瞬间：弧隙电压也过零，正负粒子因热运动而均匀分布ih过零后：电极极性变成左负右正，电子迅速向新阳极运动，在阴极附近形成正空间电荷层，在阴极表面作用一个电场E过零后过零前+-+++---+-+++---+-+-++++--++++--+-+-++++过零瞬间电流过零电极E正空间电荷层近阴极区的介质恢复过程阴极效应：弧隙在电流过零后立即获得一定耐压强度的现象介质初始恢复强度Ujf0：电流过零后弧隙立即能够承受的电压数值与电弧电流和电流过零瞬间阴极的温度有关过零后++++--++++--+-+-++++ExEE00lU0Ujx近阳极区：电子汇集的场所，对介质恢复过程一般不起作用1.介质恢复过程弧柱区的介质恢复过程电流过零后，一般电弧的熄灭都要经过两个阶段：热击穿阶段：Rh≠∞，加上电压后，弧隙中可以流过电流电击穿阶段：Rh→∞，但由于介质温度较高，弧隙耐压强度低2.介质恢复强度特性弧隙介质恢复强度特性：弧隙的介质恢复强度ujf随时间t变化的关系低压电器中，弧隙的介质恢复过程可分为三步：电流过零开始，到阴极斑点冷却至不足以热发射电子近极区逐渐冷却整个弧柱区冷却到3000~4000K以下，热电离基本停止2.介质恢复强度特性电弧熄灭与否的关键阶段：电流过零后0~300ms内(对于低压开关电器)弧隙的介质恢复强度ujf为：其中，Ujf0——介质初始恢复强度(V)；Kjf——介质恢复强度的上升速度(V/s)；t——从电流过零时计起(s)图5-38

介质恢复强度特性a)小电流b)大电流初始介质恢复强度Ujf0的影响因素Ujf0随开断电流I0的增加而下降I0↑→弧柱温度Th↑，直径dh↑→电流过零后，新阴极受温度↑→热发射↑

→阴极效应↓→Ujf0↓触头材料对Ujf0的影响触头材料沸点越高，新阴极(原阳极)斑点的温度就越高(原阳极斑点温度约等于材料沸点)，Ujf0越低触头材料热导率越大，电流过零后，新阴极冷却就越迅速，Ujf0越高介质恢复强度上升速度Kjf的影响因素Kjf0与I0有关，但主要决定于弧柱的冷却情况I0<70~80A：I0↑

→弧柱温度Th↑，直径dh↑→Kjf↓I0>70~80A：Kjf随I0增大有所上升，随后趋于一恒定值低压开关电器中，触头开距小，弧隙间的电弧不可避免的要受到触头回路磁场产生的电动力的影响随着弧长的增大，ujf有所下降ujf的增长主要由近极区的介质恢复强度所决定弧长较短时：弧隙中含有的热量较少——近极区的热量容易传向电极而散发——ujf增长较快弧长较长时：弧柱中的热量向近极区传送——近极区的温度下降较慢——ujf的增长也较慢图5-41a)不同弧长下ujf随时间变化规律弧长：1——5mm2——12mm3——24mm弧长对介质恢复强度ujf的影响高压开关电器中，弧隙的ujf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，电流过零后隔一定时间ujf才开始上升真空中，ujf在电流过零后立即具有很高的数值介质灭弧能力：真空>SF6>压缩空气(N2)>变压器油(H2)灭弧介质对介质恢复强度ujf的影响根据电流过零后，弧隙上是否施加电压，可将介质恢复过程分为两种：固有介质恢复过程：弧隙上不加电压时的介质恢复过程ujf随t变化的关系称为固有介质恢复强度特性(或称自由恢复强度特性)在给定的弧隙介质条件下，ujf~t特性仅有一条实际介质恢复过程：弧隙上施加某一电压是的介质恢复过程ujf随t变化的关系称为实际介质恢复强度特性，随所加电压的大小和波形不同而不同在给定的弧隙介质条件下，ujf~t特性有很多条介质恢复强度过程分类5.5.4交流电弧的电压恢复过程电压恢复过程：电流过零，电弧熄灭后，弧隙两端的电压将由零或反向电弧电压上升到此时的电源电压的过程恢复电压uhf：电压恢复过程中弧隙上的电压若稳态分量仅为工频电压，则称为工频恢复电压包含暂态分量的恢复电压，常称为瞬态恢复电压1.恢复电压的组成部分时间短、频率高、对熄弧影响大恢复电压稳态分量暂态分量工频电压直流电压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，u也过零uhf在由零按正弦波形上升uhf只有工频恢复电压，无暂态分量图5-42a)开断电阻性负载电路时弧隙上恢复电压的变化情况开断不同性质负载的恢复电压感性负载：ih落后u约90°，ih过零时，u约处于反向幅值理论上：

ih过零，电弧熄灭后，uhf将从零跃升到u的幅值实际上：由于弧隙两端等效电容的存在，uhf将按一快速过渡过程上升，然后再按工频电压变化uhf含有稳态分量(工频电压)和暂态分量，为瞬态恢复电压uhf的上升速度：感性负载>电阻负载图5-42b)开断电感性负载电路时弧隙上恢复电压的变化情况开断不同性质负载的恢复电压容性负载：ih超前u约90°，ih过零时，u约处于幅值ih过零时，电容C被充电到约为u的幅值；电弧熄灭后，uC保持为u的幅值uhf随u变化，最大值可达到约两倍u的幅值uhf无暂态分量，稳态分量为直流电压(电容电压uC)与工频电压之和图5-42c)开断电容性负载电路时弧隙上恢复电压的变化情况开断不同性质负载的恢复电压实际情况中，开关电器多是工作与非电容性电路的开断电感性负载电路对弧隙的要求远比开断电阻性负载电路更高一般电网中短路电流的性质都是电感性的因此，除特殊情况外，开关电器灭弧装置的设计和试验都以开断电感性电路为准阻性负载感性负载容性负载开断电感性负载时的工频恢复电压开断感性电路时，uhf的稳态分量即为工频恢复电压ihf过零瞬间工频恢复电压的瞬时值Ugo为影响线路因数Kx的因素有：被开断电路的相数每相电路的弧隙数弧隙在电路中的工作情况Kx与线路的关系开断一相单弧隙电路弧隙上的工频电压为相电压Kx=1开断两相两弧隙电路两弧隙上的工频电压为线电压理论上：实际上： (两弧隙工作情况不一样)图5-43不同开断情况下线路因数的确定a)开断一相单弧隙电路b)开断两相两弧隙电路Kx与线路的关系开断电源和负载中性点都不接地的三相三弧隙电路存在电流先过零的首开相(设A相)弧隙两端电位：一个与A相电压同电位；另一个与m点同相位首开相承受的工频电压为1.5倍相电压Kx=1.5电源或负载有一方中性点接地的情况，线路因数Kx也为1.5图5-43不同开断情况下线路因数的确定c)开断电源和负载中点不接地三相三弧隙电路Kx与线路的关系开断电源和负载中性点都接地的三相三弧隙电路首开相(设A相)电流先过零电源和负载中性点的接地阻抗非无穷大负载侧触头的电位点落在0、m的连线上1<Kx<1.5三相开关电器中，每相弧隙都应按Kx=1.5进行考核在超高压电网中，可取Kx=1.3图5-43不同开断情况下线路因数的确定d)开断电源和负载中点都接地三相三弧隙电路2.理想弧隙的电压恢复过程电流过零后极短时间(几百微秒)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→∞为了便于分析，进行两点简化：电路为纯电感，电流落后电源电压90°电压恢复过程时间很短，在此期间电源电压变化很小，忽略不计(1)开断单频电路时弧隙电压恢复过程由基尔霍夫定律得：图5-44等效电路图a)单频电路b)等效电路L：整个回路的等效电感C：折算到弧隙两端的等效电容R：等效电阻Rs：电弧电阻(也称为剩余电阻)特征根为：对t微分二阶常系数齐次微分方程2.理想弧隙的电压恢复过程(1)开断单频电路时弧隙电压恢复过程特征方程的判别式为：当△>0时，特征方程具有两个不相等的实数根

初始条件：t=0时，iC=0，uhf=-Uxh；t=时，uhf=Ugm，a1<<a2

此时，恢复电压呈现非周期变化过程图5-45非周期变化过程(1)开断单频电路时弧隙电压恢复过程当△<0时，特征方程具有两个共轭虚根衰减系数为： ；振荡角频率为：

恢复电压呈现周期变化过程图5-46周期变化过程理想弧隙：Rs=∞当△=0时，特征方程具有两个相等的实数根，为临界状态仅考虑剩余电阻Rs，认为R=0，则临界剩余电阻为：Rs具有两重性：当Rs<Rs0时，uhf呈非周期过程变化，电弧容易熄灭。而Rs小也说明弧隙温度比较高，介质恢复过程慢，又不利于电弧熄灭若Rs大，弧隙的恢复电压将呈现周期性变化，uhf较高，不利于熄弧仅考虑线路电阻R，认为Rs=∞，则临界电阻为：R也具有两重性：当R>Rk0时，uhf呈非周期过程变化，电弧容易熄灭。而线路电阻是一个耗能元件，希望其越小越好若R很小，弧隙中的恢复电压呈现周期振荡变化，造成电弧熄灭困难(1)开断单频电路时弧隙电压恢复过程实际开断单频电路短路电流时，uhf大多数为振荡波形单频振荡的电压恢复过程常用二参数法描述其特征低压开关电器中：当t=tm=p/w0时，可得：振幅因数振荡频率描述恢复电压幅值的大小描述恢复电压上升速度的快慢固有振幅因数，一般1≤g≤2(1)开断单频电路时弧隙电压恢复过程高压开关电器中：用恢复电压峰值Uc和峰值时间t3描述特性Uc和t3的求取方法：过点O作一直线OB与uhf曲线相切过uhf曲线峰值作一水平切线AC，与直线OB相交与点AA点的纵坐标即为恢复电压峰值Uc；A点的横坐标即为峰值时间t3图5-47高压开关而参数取值BACUct3td标准还规定了用参数时延td来描述uhf曲线起始上升部分的凹度作一与OA平行的直线和uhf曲线的凹部相切，该切线与横坐标相交的时间点即为td(1)开断单频电路时弧隙电压恢复过程(2)开断多频电路时弧隙电压恢复过程在多数实际情况下，开关电器开断的是双频或多频电路双频电路一次侧发生短路，短路电流由开关S1开断uhf包含两个频率的暂态分量，设R1=R2=∞时：二次侧发生短路，短路电流由开关S2开断uhf也包含两个频率的暂态分量，但其计算公式很复杂，需要查阅相关手册在其他更复杂的电网接线中，uhf可能包含更多频率的暂态分量图5-48双频电路a)电路图b)一次侧短路时的等效电路2.理想弧隙的电压恢复过程c)二次侧短路时的等效电路(2)开断多频电路时弧隙电压恢复过程对多频振荡的恢复电压，采用四参数法来表征其特性第一波幅值U1、第一波幅时间t1、峰值Uc、峰值时间t2求取U1、U2、t1、t2的方法：图5-50四参数法作一直线OB与uhf相切再过uhf峰值作一水平切线AC然后再作一斜线AB与uhf在D点相切，且所构成的带有阴影的面积相等B点的纵、横坐标即为U1、t1；A点的纵、横坐标即为Uc、t2BACD5.5.5交流电弧的熄灭条件电压熄灭与否取决于介质恢复过程和电压恢复过程的“竞争”固有特性固有ujf特性：未考虑uhf时的ujf特性固有uhf特性：弧隙剩余电阻Rs=∞时的uhf特性实际上，介质恢复过程和电压恢复过程同时进行，相互影响两者相互影响的结果：使ujf和uhf特性的高度都降低熄灭条件：电流过零后，弧隙实际ujf特性总高于实际uhf特性固有特性实际特性电弧1、电弧2谁熄灭，谁重燃?弧隙1弧隙2图5-51ujf特性与uhf特性剩余电阻Rs的“两重性”剩余电阻Rs是联系介质恢复过程和电压恢复过程的基本参数，具有二重性能：负面作用：Rs的存在说明弧柱的冷却作用不够，弧隙的ujf增长不快，不利于熄弧正面作用：使电路的uhf特性降低，有助于电弧的熄灭在开关电器开断能力试验标准中规定的是试验电路的固有uhf特性，而不是实际uhf特性重燃原因的判定可根据实际uhf波形和剩余电流is波形来判定重燃是热击穿阶段还是电击穿阶段的介质恢复强度不够a)有剩余电流，不击穿b)热击穿图5-52实际恢复电压和剩余电流的波形c)电击穿d)有剩余电流，电击穿交流弧隙上各参数的综合波形电弧燃烧共约三个半波图5-53开断交流电路时弧隙上各参数的综合波形5.6开关电器典型灭弧装置的工作原理在大气中分开触头，以拉长电弧使电弧熄灭的方法原理：电弧拉长后，电弧电压就增大，其静态伏安特性向上移动，高于电路特性时，电弧就趋于熄灭，属于长弧灭弧法临界长度llj：使电弧恰好熄灭所需的电弧长度开断交流电弧所需的临界长度比开断直流电弧时的小交流情况下，电弧电流有自然过零点5.6.1简单开断I1I21O2IhUhac拉长电弧的方向：切向：沿电弧轴向，靠触头分开拉长电弧法向：沿垂直于弧轴的方向，靠电磁力使电弧弯曲来拉长电弧法向拉弧不仅增加电弧长度，还时电弧横向运动，受空气冷却，灭弧效果较好，被广泛应用于低压开关电器中刀开关同时利用了触头分开运动切向拉弧和导电回路产生的磁场法向拉弧闸刀1向下扳动——静触头2和闸刀1之间产生电弧3——电弧一方面被闸刀沿轴向拉长——另一方面受回路电动力作用向上运动5.6.1简单开断图5-54沿切向和法向拉长电弧图5-55刀开关中的电弧情况1-闸刀2-静触头3-电弧电磁式交流接触器结构示意图交流接触器触头系统采用了双断点桥式触头系统动触头2与静触头1分离时，在两个弧隙中产生两个串联的电弧电弧一方面沿切向拉长；另一方面电磁场产生的电动力沿法向运动还有的触头系统设计成引弧角形状触头分开产生电弧时，弧根在磁场作用下迅速移至引弧角3上燃烧不仅使电弧迅速拉长、冷却，还可大大减小电弧对触头的烧损5.6.1简单开断图5-57电动力吹弧示意图1-静触头 2-动触头 3-引弧角磁吹线圈产生附加磁场，使电弧迅速移动和拉长磁吹线圈1由几匝粗导体绕成，与静触头7相串联，称为串联磁吹铁心2和钢夹板5形成导磁回路，减小了磁路的磁阻磁通方向与弧轴垂直，电弧4在电动力作用下转移至引弧角上燃烧串联磁在开断直流和交流电路时均适用在开断交流电路时，为了减小涡流损耗和避免由于钢夹板中磁通与电弧电流相位不同而产生反向电动力，铁性2上可开一槽，或者用硅钢片叠成5.6.2磁吹灭弧图5-58磁吹线圈的结构1-磁吹线圈2-铁心3-引弧角4-电弧5-钢夹板6-动触头7-静触头若磁吹线圈设计成在开断大电流时产生的磁场适当则在小电流时将因电动力过小而引起吹弧困难，存在最难熄弧区若设计成磁吹线圈在开断小电流时产生的磁场适当使磁吹线圈的匝数增加，增大了线圈体积和多用了有色金属使开断大电流时产生的磁场过强，不仅会扩大燃弧区和产生过电压，而且还会吹走液态金属桥，增加触头的电磨损解决最难熄弧区问题的方法：选择适当的磁吹线圈匝数及铁心和钢夹板的截面积，使得在开断小电流时磁场加强，在开断大电流时因磁路饱和而使磁场不至于过强5.6.2磁吹灭弧图5-59最难熄弧区Ilj为临界电流电弧螺线管式磁吹断路器的灭弧装置原理：利用绝缘灭弧片和小弧角(装在灭弧片下端的U型钢片)将电弧分割，形成连续的螺线管电弧，并产生强磁场，从而驱使电弧在灭弧片狭缝中迅速运动，直至熄灭电弧运动除受到电流磁场的作用之外，还有压气皮囊的气吹作用。该气吹技术多应用于高压断路器中5.6.2磁吹灭弧图5-60电弧螺线管式磁吹灭弧装置低压断路器的气动吹弧技术主要依靠电弧自身的能量，使灭弧室内外产生大气压力差，从而形成气吹作用：一是对电弧产生冷却作用；二是产生驱动力使电弧进入栅片产生气吹作用的方法：利用电弧高温加热灭弧室内气体形成气吹放置产气材料，在电弧高温侵蚀后产生大量气体，形成气吹灭弧室内的栅片有两大类：金属栅片：又称为去离子栅片，广泛应用于低压断路器中绝缘栅片5.6.3栅片灭弧图5-61小型断路器的内部结构金属栅片灭弧装置金属栅片厚2~3mm，外表面镀铜，以增大传热能力和防止钢片生锈栅片上冲有三角形的缺口，安装时缺口错开，减小电弧初始碰到的栅片数，从而减小进入的阻力由于栅片的存在，电弧电流在周围空间产生的磁通路径发生畸变，从而产生一将电弧拉向栅片的吸力电弧进入栅片后被分割成许多串联的短弧，Uh=nU0+El，提高了电弧电压，适用于熄灭交流和直流电弧的情况5.6.3栅片灭弧图5-63金属栅片装置灭弧原理结构示意a)装置的原理结构b)栅片形状c)串联短弧1-灭弧室2-金属栅片3-电弧4、5-动、静触头金属栅片灭弧原理属于典型的短弧灭弧方式ih过零前，将电弧分割成许多串联短弧，提高电弧电压，可以减小电弧电流幅值、改善被开断电路的功率因数、降低电流过零时的工频恢复电压瞬时值ih过零后，n个短弧就有n个近极区效应，从而大大提高介质恢复强度特性5.6.3栅片灭弧图5-64开断350A电流时Ujf0的变化情况若将金属栅片换成绝缘栅片，就变成了长弧灭弧方式绝缘栅片用耐弧绝缘材料制成，栅片边缘与电弧轴线垂直开断电流时，电弧在导电回路磁场作用下向上运动，受到绝缘栅片的阻挡，电弧弯曲成如曲线A~G的形状5.6.3栅片灭弧图5-65绝缘栅片的灭弧示意纵缝灭弧：利用磁吹线圈的吹弧力将电弧驱入用耐弧绝缘材料制成的具有纵缝的灭弧室中进行灭弧缝隙按照尺寸和形式可分为单纵缝：电弧与缝壁紧密接触，弧柱受到强烈冷却和消电离，电弧电压迅速上升多纵缝：可将电弧平行分割，但并联电弧不能稳定的燃烧，灭弧室内实际上仍仅存在一个电弧多纵缝可减小电弧进入窄缝的阻力低压交流接触器灭弧室多采用多纵缝5.6.4纵缝灭弧图5-66纵缝灭弧室a)单纵缝b)多纵缝弧柱电场强度E与电弧电流Ih的关系当电流较大时，纵缝灭弧装置中的电弧伏安特性随Ih增加而下降的程度比自由燃弧时的伏安特性下降程度要缓慢的多，甚至可以认为E等于常数随着缝宽的减小和电弧横向运动速度的提高，电弧的伏安特性也升高，表明灭弧能力随之增强5.6.4纵缝灭弧图5-67纵缝中弧柱电场强度和电流的关系缝宽：A-1mmB-2mmC-4mm虚线——自由燃弧电弧运动速度：1-200m/s2-150m/s3-100m/s4-50m/s5-0m/s纵向曲缝(迷宫式)灭弧装置灭弧室内腔缝壁制成凹凸相间的齿状，上下齿相互错开，在电弧进入处齿长较短，越往深处，齿长越长随着电弧的运动深入，电弧不仅与缝壁的接触面积越来越大，而且长度也越来越长，大大加强了弧柱的冷却和消电离作用，显著提高了电弧的伏安特性，具有很强的灭弧效果5.6.4纵缝灭弧图5-69纵向曲缝灭弧装置熔断器：当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一种电器，是一种电流保护器(短路和过载)主要由熔体、熔管以及外加填料等部分组成具有反时限特性：过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短；在一定过载电流范围内，熔断器不会熔断5.6.5熔断器图5-70部分熔断器石英砂熔断器采用了一系列灭弧措施，灭弧能力很强，限流效果非常显著：多断口串联：当短路电流通过时，熔片4狭颈处熔断、汽化，形成几个串联的短弧狭缝冷却：每一段短弧都相当于在石英砂包围的狭缝中燃烧，与石英砂紧密接触而受到强烈的冷却提高弧隙中气压：熔片变成气态后，体积受周围石英砂的限制，不能自由膨胀，于是燃弧区形成很高的压力加强电离气体的扩散：燃弧区的高气压推动电离气体向周围石英砂中扩散，受到石英砂的冷却和消电离5.6.5熔断器图5-71石英砂熔断器的结构喷射式熔断器熔体装在由固体产气材料(电工反白纸或有机玻璃)制成的绝缘管内，绝缘管通常装在绝缘支架上，组成熔断器整体熔体因短路电流熔断产生电弧，高温电弧使固体产气材料迅速分解成大量高压气体高压气体将电离的气体和电弧从管子两端喷出，发出极大的声光，并在电流过零时熄灭电弧而分断电流跌落式熔断器：绝缘管上端做成可活动式，在分断电流后随即脱开而跌落的喷射式熔断器喷射式熔断器一般适用于电压>6kV的户外场合5.6.5熔断器图5-72喷射式熔断器真空灭弧室：又名真空开关管，利用真空管内优良的绝缘性能使开关切断电源后能迅速熄灭电弧、抑制电流断路器用灭弧室：主要用于电力部门中的变电站和电网设施负荷开关用灭弧室：主要用于电网的终端用户5.6.6真空灭弧图5-73

真空灭弧室的外形及结构a)玻璃外壳b)陶瓷外壳c)内部结构气密绝缘系统：由气密绝缘外壳(玻璃或陶瓷)、动端盖板、定端盖板、不锈钢波纹管组成导电系统：由静导电杆、静跑弧面、静触头、动触头、动跑弧面、动导电杆构成屏蔽系统：由屏蔽筒、屏蔽罩和其他零部件组成防止金属蒸汽和液滴喷溅，污染绝缘外壳的内壁，造成绝缘强度下降或产生闪络改善真空灭弧室内部的电场分布，有利于真空灭弧室绝缘外