交流电弧的熄灭原理.ppt

电器学 中南大学信息学院电气工程系 教学目的与要求 1 掌握近阴极效应 熟悉开关电器弧隙的介质恢复强度特性 2 掌握工频恢复电压 熟悉理想弧隙电压恢复过程 了解电弧参数对电压恢复过程的影响 3 掌握交流电弧的熄灭条件 了解交流电弧熄灭过程的计算方法教学重点与难点 1 近阴极效应与弧隙介质恢复强度特性 2 工频恢复电压及理想弧隙电压恢复过程 3 交流电弧的熄灭条件 第四章交流电弧的熄灭原理 教学基本内容 1 介质恢复过程的概念 2 开关电器弧隙的介质恢复强度特性 3 恢复电压的组成部分和工频恢复电压 4 理想弧隙上的电压恢复过程 5 电弧参数对电压恢复过程的影响 6 交流电弧的熄灭条件 7 交流电弧熄灭过程的计算方法 第四章讲授内容 本章讲授内容 其中红色内容是重点 1 弧隙中的介质恢复过程介质恢复过程的概念和介质恢复强度特性 2 弧隙上的电压恢复过程电压恢复过程及电弧参数对恢复过程的影响 3 交流电弧的熄灭条件交流电弧的熄灭条件和计算方法 第四章交流电弧的熄灭原理 概述 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和计算方法小结 概述 一 交流电弧过零后 存在两个过程 介质恢复过程和电压恢复过程 1 介质恢复过程 弧隙中电离气体从导电状态迅速变为绝缘状态 使弧隙能承受电压作用而不发生电弧重燃的过程 2 电压恢复过程 熄弧后电路将被开断 电源电压加到弧隙两端触头上的过程 若介质恢复强度曲线ujf大于电压恢复强度曲线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 概述 二 两过程在 竞赛 概述 一 介质恢复过程的概念 在交流电流过零后的熄弧过程中 弧隙中的介质恢复过程在近阴极区和弧柱区的情况不同 1 近阴极区的介质恢复过程 近阴极效应 重要概念 电流过零后 当弧隙两端电压极性改变时 新阴极较冷 要产生电弧电子只能靠阴极表面处存在的高电场进行发射 要求E0大于一定值 如106v cm 即Uj必须大于一定值 否则 E0就不足以产生场致发射 电弧便不能再产生 4 1弧隙中的介质恢复过程 从电路的角度看 好象弧隙在电流过零后立即获得一定的耐压强度 而电流过零后弧隙立即能承受的电压值就称为介质初始恢复强度Ujf0 4 1弧隙中的介质恢复过程 4 1弧隙中的介质恢复过程 2 弧柱区的介质恢复过程 1 当弧柱温度在3000 4000 以上时 电弧重燃的物理本质是电弧的Ph Ps 弧柱被加热使电弧重燃 称为热击穿 在临界状态 且Rz保持不变的情况下 弧柱上上的电压就代表了弧柱此时的介质恢复强度ujf 由此得热击穿阶段弧柱区的介质恢复强度为 4 1弧隙中的介质恢复过程 2 当弧柱温度在3000 4000 以下 热电离作用已基本上停止 Rz 无电弧 若此时外加电压 将产生电场 如电场强度足够高 则可能产生间隙击穿而使电弧重燃 即电击穿 电流过零后的这一阶段称为电击穿阶段 弧柱区的介质恢复过程对熄灭交流长弧具有重要意义 是所有高压电器和部分低压电器设计的理论基础 4 1弧隙中的介质恢复过程 综上所述 在电流过零后的熄弧过程中 电弧的熄灭基本上要经过两个阶段 热击穿阶段和电击穿阶段 前者弧隙具有一定的电阻 流过一定的电流 后者弧隙电阻趋于无穷大 但因介质温度高 击穿比较容易 二 开关电器弧隙的介质恢复强度特性 开关电器弧隙的介质恢复强度随时间变化的关系 称作弧隙介质恢复强度特性 不详述 4 1弧隙中的介质恢复过程 4 2弧隙中的电压恢复过程 一 恢复电压的组成部分和工频恢复过程 1 电压恢复过程 弧隙两端电压由零或反向电弧电压上升到此时的电弧电压的过程 相应于此时弧隙上的电压 称为恢复电压 用uhf表示 2 恢复电压由稳态分量和暂态分量组成 稳态分量又由直流电压和工频电压组成 若稳态分量仅有工频电压 称之为工频恢复电压 暂态分量只出现在电弧电流过零后的几百微妙内 包含有暂态分量的恢复电压 又称瞬态恢复电压 3 开断不同性质负载电路时 恢复电压的波形 见教材图2 16 a 电阻性负载 过零熄弧后 uhf由零按正弦形上升 只有稳态分量中的工频恢复电压 4 2弧隙中的电压恢复过程 b 电感性负载 ih落后于u ih过零时u约为幅值 若ih过零后电弧熄灭 电路开断 uhf将由零跃升到u的幅值 理想情况下 然后再按工频电压变化 故uhf常含有暂态分量 其上升速度比a 的快得多 c 电容性负载 ih超前于u 当ih过零时u是幅值 电容C被充电到u的幅值 电弧熄灭后 C将保持该电压 uhf在电流过零后其值为零 然后随着u变化逐渐增大 当u达反向幅值时 uhf达u幅值的两倍 不含暂态分量 其稳态分量为直流电压与工频电压之和 并且uhfmax 2ugp 4 2弧隙中的电压恢复过程 4 2弧隙中的电压恢复过程 4 举例说明 以开断电感性负载时弧隙的Uhf为例进行分析 Uhf的稳态分量即工频恢复电压 Ih过零瞬间 工频恢复电压的瞬时值Ugo 式中 工频恢复电压的幅值 电源电压相电压的有效值 被开断电路的电流和电源电压的相位差 4 2弧隙中的电压恢复过程 二 弧隙为理想弧隙时 弧隙上的电压恢复过程 1 理想弧隙的条件 电流过零前 电弧电阻等于零 电流过零后 电弧电阻立即变为无穷大 先作二点简化 1 电网短路电流过零时 设电路总的电阻为零 则电流过零时 工频恢复电压的瞬时值为 2 在电压恢复过程中 因时间短 则令电源电压 4 2弧隙中的电压恢复过程 2 开断单频电路 只有一个L R C电路 时 弧隙上的电压恢复过程 1 单频电路 只有一个L R C电路 及其等效电路 2 设电源容量无限大 在其不远处发生短路 3 R取不同值的时候 Uhf的变化情况分析 4 2弧隙中的电压恢复过程 4 2弧隙中的电压恢复过程 4 2弧隙中的电压恢复过程 4 对低压开关电器 如图4 13开断单频电路短路情况下的uhf波形 我国常用 振荡因数 和 振荡频率 二参数法表征uhf的波形特征 1 振荡因数 式中Uhfm Uhf的最大值 2 振荡频率f 式中tm是从电流过零起到Uhfm出现止所经历的时间 4 2弧隙中的电压恢复过程 5 高压开关电器 国标规定用恢复电压峰值Uc和峰值时间ts表示其特征 见下图 求法 过原点O作一直线OB和uhf曲线相切 过uhf曲线的峰值作一水平线AC与OB相交于A点 A点坐标即为 t3 Uc 标准还规定用时延td参数描述uhf曲线起始上升部分的凹度 求法 在OA右方作一与之平行的直线和曲线的凹部相切 此切线与横坐标交点的时间值即为td 4 2弧隙中的电压恢复过程 4 2弧隙中的电压恢复过程 3 开断多频电路时 弧隙上的电压恢复过程 1 变压器T的一次侧短路的情况分析 2 变压器T的二次侧短路的情况分析 4 2弧隙中的电压恢复过程 3 对多频电路的恢复电压 常用第一波幅值U1 第一波幅时间t1 峰值Uc和峰值时间t2四个参数表示 此方法称为四参数法 见下图 求法 从原点O作一直线OB与uhf曲线相切 又作一水平线AC与uhf曲线的峰值相切 再作一斜线AB与uhf曲线在D点相切并交直线OB于B点 交直线AC于A点 直线AB的斜率应使得在D点的两边 uhf曲线与直线AB OB AC所构成的带阴影的面积相等 则B点的坐标为 t1 U1 A点的坐标为 t2 Uc 4 2弧隙中的电压恢复过程 另外 用时延td描述Uhf曲线起始上升部分的凹度的求法同单频 4 2弧隙中的电压恢复过程 4 在开断理想电路时 弧隙恢复电压的幅值和波形只与电路参数有关 称为电路的固有恢复电压 我国低压电器基本标准中规定 试验中固有振荡频率f0 KHz 和固有振荡因数 0为 式中 I0 控制电器的开断电流 有效值 单位A Un 被开断电路的额定电压 单位为V 4 2弧隙中的电压恢复过程 4 3交流电弧的熄灭条件和计算方法 一 交流电弧的熄灭条件 1 交流电弧熄灭条件 在交流电流过零后 弧隙中的实际介质恢复强度特性总是高于加在弧隙上的实际恢复电压特性 即实际的ujf t 实际的uhf t 下图a和b中的实线分别为ujf和uhf的固有特性 即是在弧隙上未加uhf的ujf和弧隙中Rs为无穷大时的uhf 4 3交流电弧的熄灭条件和计算方法 1 看上去 a图的弧隙会熄弧 b图的交流电弧将重燃 2 实际上 由于介质恢复过程和电压恢复过程相互联系 相互影响 实际的ujf和uhf分别如图虚线所示的曲线 结果 上图中 看上去会熄弧的a图的弧隙将重新击穿 看上去将重新击穿的b图的交流电弧将熄灭 4 3交流电弧的熄灭条件和计算方法 2 开断交流电路时 弧隙ih uh ujf和uhf等参数的综合波形图 4 3交流电弧的熄灭条件和计算方法 电弧燃烧共约3个半波 i1 i2 i3分别表示这三个半波的电弧电流ih 而t1 t2 t3分别表示三个电流半波的过零时刻 1 2 3分别表示i1 i2和i3过零之后落后于电源电压u过零之后的相角 触头分开前 uh为零 触头分开后 在第一个电流半波 lh很短 弧隙上的电压uh 0 故电流波形基本不变 ujf也较小 在t1时刻 ih第一次过零 因ujf不大 当弧隙上uhf上升到Urh 时 弧隙发生重燃 电流继续流通 4 3交流电弧的熄灭条件和计算方法 第二个电流半波 ih和uh较前增大 故ih幅值减小 过零附近波形有些畸变 u与ih的相位差角为 2 ujf也较前增大 在t2时刻ih第二次过零 因ujf仍不够高 故uhf上升到Urh 时 电弧又发生重燃 ih又继续流通 第三个电流半波 lh和uh继续增大 故ih幅值又减小 过零附近波形畸变更剧烈 ujf继续增高 t3时刻ih第三次过零 因uhf在较低的工频恢复电压瞬时值作用下上升 呈振荡性且有剩余电流is通过 但因实际ujf总是大于实际的uhf数值 电弧不再重燃 电路终被开断 4 3交流电弧的熄灭条件和计算方法 二 交流电弧熄灭过程的计算方法 1 电弧熄灭与否由介质恢复过程和电压恢复过程决定 2 前者主要决定于弧隙参数 后者主要决定于电路参数 3 二者通过Rs相互联系 4 计算公式 模型待定 4 3交流电弧的熄灭条件和计算方法 小结 弧隙中的介质恢复过程 在近阴极区和弧柱区有着本质的不同 在电流过零时 如果新的阴极已冷却到基本上不产生热发射的温度 则近阴极区立即产生由近阴极效应决定的ujf0 其数值视阴极的温度高低而变 弧柱区的ujf在热击穿阶段决定于Rh和Ps 在电击穿阶段决定于电极形状 极间距离 介质种类及其在极间的压力和流速的分布情况等 低压开关电器弧隙的uif特性可用式 4 8 表示 它随开断电流 触头材料等不同而不同 低压开关电路弧隙的uif特性主要决定于近阴极的冷却情况 高压开关电路弧隙的uif主要决定于弧柱的冷却情况 在相同的开断情况下 uif最高的介质是高真空 其次为SF6 再次为压缩空气和油 最差的是大气 小结 开断电阻性负载电路时 uhf仅有工频分量 开断电感性负载电路时 uhf由工频分量和暂态分量组成 开断电容性负载电路时 uhf由工频分量和直流分量组成 在开关电器通常工作时的几种开断情况中 以开断电源或负载中点不接地 或两者都不接地 的三相电路时 首开相的工频恢复电压最大 其线路系数Kx 1 5 在理想弧隙开断电路时 弧隙上产生的uhf叫做电路的固有uhf 视电路中等效电阻的大小 固有uhf的暂态分量可以是振荡性的 也可以是单调变化的 对单频Uhf 通常用两参数法表示 对多频uhf 通常用四参数法表示 小结 实际弧隙的电弧参数对电压恢复过程的影响表现在 1 电弧的Uxh使uhf的幅值增高 2 Rs使uhf的暂态分量的振荡受到阻尼 甚至可能使之由振荡性的变为单凋变化的 交流电弧的熄灭条件为 在交流电流过零后 弧隙中的实际ujf特性总是高于弧隙上的实际uhf特性 小结 借助于测量实际uhf波形和Rs波形 可以在电弧重燃时确定重燃的原因是由于热击穿还是电击穿 理论上计算交流熄灭过程的方法是将描写电压恢复过程和描写介质恢复过程的微分方程进行联解 目前 由于还不能用数学公式正确地描写介质恢复过程 所以交流电弧的熄灭过程一般还不能精确地进行计算 只能将测得的实际ujf特性和弧隙应能承受的固有uhf特性通过图形比较 近似地进行估价 小结