东北农大变电工程设计课件第2章 电气设备-2交流电弧产生维持及波形特点

交流电弧产生维持及波形特点一、开关电器中电弧的产生及维持当开关电器开断电路时，只要电源电压不低于10-20伏，电流不小于80-100mA，在开关电器的触头间就会产生电弧。此时虽然开关电器的触头已经分来了，但是电流通过触头间的电弧仍然继续流通，一直到电弧熄灭后，电路才真正断开。因此电弧在开关电器开断过程中几乎是不可避免的。电弧具有导电性强、能量集中、温度高、亮度大、质量轻、易变形等特点。特别是电弧的温度常常超过金属的气化点（例如开断几十千安培的短路电流时，以焦耳热形式发出的功率可以达到上万kW,温度可达上万摄氏度），电气设备、开关触头或绝缘材料很容易遭受破坏，如果电弧燃烧时间过长，有可能使电器发生爆破事故。因此，出现电弧时必须尽快予以熄灭。一、开关电器中电弧的产生及维持一、开关电器中电弧的产生及维持一、开关电器中电弧的产生及维持（1）强电场发射当弧隙距离S很小时，在外施电压作用下，间隙上出现很高的电场强度E(E=U／S)，当电场强度超过3×106V／m时，阴极表面的自由电子在电场的作用下被强行拉出，形成放电空间的自由电子。这种游离方式称为强电场发射，也是在弧隙间最初产生电子的原因。一、开关电器中电弧的产生及维持（2）碰撞游离阴极表面发射出的电子和弧隙中原有的少量电子在电场的作用下，向阴极方向运动，不断与其他粒子(如气体原子、分子)发生碰撞。只要电子的运动速度u足够高，电子的动能大于原子或分子的游离能，则在电子与气体分子或原子碰撞时，就可以使束缚在原子核周围的电子释放出来，形成自由电子和正离子，这种现象称为碰撞游离。一、开关电器中电弧的产生及维持（2）碰撞游离一、开关电器中电弧的产生及维持新产生的电子也向阳极加速运动，同样也会使它所碰撞的中性质点游离。触头间电弧燃烧的间隙称为弧隙，碰撞游离连续进行就可能导致弧隙中充满电子和离子，介质中带电质点就会大量增加，使弧隙具有很大的电导，在外加电压的作用下，大量的带电质点向两端电极运动，形成了电流，触头间的介质即被击穿形成了电弧。（2）碰撞游离一、开关电器中电弧的产生及维持该机理是由英国物理学家汤森德(Townsend)在1903年提出的，也称为汤森德机理。（2）碰撞游离一、开关电器中电弧的产生及维持（3）热游离电弧形成后，弧隙间的温度很高，电弧中心的弧柱区温度可达5000开以上。高温使阴极表面的电子获得足够的能量而向外发射，形成热电场发射。在高温作用下，气体的不规则热运动速度增加，具有足够动能的中性质点互相碰撞，又可能游离出电子和离子，这种现象称为热游离。一、开关电器中电弧的产生及维持（3）热游离随着触头分开的距离增大，触头间的电场强度E逐渐减小，这时电弧的燃烧主要是依靠热游离维持的。此外，高温也会引起金属触头熔化、蒸发，以致在介质中混有金属蒸气，使弧隙的电导增加，电弧将继续炽热燃烧。一、开关电器中电弧的产生及维持（3）热游离介质中电弧的产生过程大致如图2-5所示。综合分析，电弧产生主要包括以下三个要素：高电场发射电子是产生电弧的主要条件。碰撞游离是产生电弧的主要原因。热游离是维持电弧燃烧的主要原因。一、开关电器中电弧的产生及维持二、开关电器中电弧波形特点在交流电路中，交流电弧电压及电流随时间t变化的波形如图所示。二、开关电器中电弧波形特点交流电弧在电流过零前后很短的时间内，电弧电阻变得相当大，电弧电流很小，所以波形偏离了正弦形。在电弧电流过零以前，其波形比正弦波形下降的快，而在零点附近变化缓慢，电弧电流几乎接近于零，这种现象称为电弧电流的“零休”。交流电弧电压在半周期起始时，迅速上升到最大值Urh（燃弧电压）。电弧点燃后，电弧电压迅速下降，在电弧电流半周期的中部达到最小位，并变得比较平坦。在半周期末，电压又上升到熄弧电压Uxh，随之很快下降到零。二、开关电器中电弧波形特点