04气体放电的物理基础4剖析优秀PPT.ppt

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1、沟通电弧特性沟通电弧特性思索题思索题 1.1.何谓沟通电弧的零休现象？何谓沟通电弧的零休现象？2.2.弧长不变的沟通电弧，在稳定燃烧时为什么燃弧弧长不变的沟通电弧，在稳定燃烧时为什么燃弧尖峰总是高于熄弧尖峰尖峰总是高于熄弧尖峰?3.3.在电流有效值相同条件下，直流电弧与沟通电弧在电流有效值相同条件下，直流电弧与沟通电弧哪一个更简洁熄灭哪一个更简洁熄灭?为什么？为什么？4.4.若开关电器分别开断电阻性沟通负载电路和电感性若开关电器分别开断电阻性沟通负载电路和电感性沟通负载电路，试问开断哪种负载电路更困难？为什么？沟通负载电路，试问开断哪种负载电路更困难？为什么？5.5.在低压开关电器中，可以利用

2、其开断电路时在低压开关电器中，可以利用其开断电路时触头间所产生的电弧来限制短路电流的峰值。请问能否将触头间所产生的电弧来限制短路电流的峰值。请问能否将这种限流方法应用于高压开关电器中？为什么？这种限流方法应用于高压开关电器中？为什么？思考题思考题4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性电弧电压随时间变更关系电弧电压随时间变更关系1.沟通沟通电电弧的伏安特性弧的伏安特性1）沟通）沟通电电弧的伏安特性弧的伏安特性燃弧尖峰燃弧尖峰Urh熄弧尖峰熄弧尖峰UxhHOME tuh,i 0uhi4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性HOMEuh 0ih电弧电压随电弧电流的变更关系电弧电压随电弧电流的变更关系U0A

3、BCABC43、用、用“能量平衡原理能量平衡原理”分析说明沟通电弧的伏安特性曲线：分析说明沟通电弧的伏安特性曲线：1）短暂不考虑负载的影响。）短暂不考虑负载的影响。（1）OA段段：ih由由0上上升升的的零零休休期期间间，弧弧柱柱变变冷冷、变变细细，Rh增增大大，因因此此uh（=ihRh）以很陡斜率上升；）以很陡斜率上升；（2）靠靠近近A点点与与AB段段：ih增增大大，Ph也也增增大大，弧弧柱柱变变热热变变粗粗，uh随随ih的增长再下降，其最高点的增长再下降，其最高点A点的电压称为燃弧尖峰点的电压称为燃弧尖峰Urh。4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性5（3）BC段段：ih到到最最大大值值（B点

4、点）后后减减小小，uh沿沿BC曲曲线线上上升升，因因弧弧柱柱存存在在热热惯惯性性，Rh会会比比ih增增大大状状况况下下同同一一ih时时的的数数值值为为小小，故故曲曲线线BC比比AB低。低。C点电压为熄弧尖峰点电压为熄弧尖峰Uxh。（4）CO段段：ih减减小小，Ph也也减减小小，Rh渐渐渐渐上上升升。当当ih下下降降速速度度比比Rh上上升升速速度度要要大大于于某某一一数数值值时时，uh又又起起先先随随ih减减小小而而下下降降。ih趋趋近近于于零零，ih也趋近于零。也趋近于零。（5）对应上图的电弧电压）对应上图的电弧电压uh随时间随时间t变更的波形：变更的波形：见图见图3-33，为马鞍形。，为马鞍

5、形。4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性2）负载对沟通电弧伏安特性的影响）负载对沟通电弧伏安特性的影响(1)电电阻性阻性负载负载6HOMEUxh tiUrhuuh请请留意留意电电流波形！流波形！为为什么出什么出现现“电电流零休流零休”？4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性7 （1 1）纯电阻负载时，沟通电弧的熄灭过程：）纯电阻负载时，沟通电弧的熄灭过程：电阻性负载下，电阻性负载下，ihih与电源电压与电源电压u u同相。同相。a.a.当当ihih过过零零以以后后、urhurh到到来来之之前前（电电弧弧已已熄熄灭灭），因因RhRh快快速速增增大大，加加在在弧隙上的电压即是弧隙上的电压即是u u的

6、瞬时值，的瞬时值，uh=uuh=u；ihih值很小近似为零。值很小近似为零。b.b.随着随着u u上升，上升，ihih渐渐增大。渐渐增大。弧隙上的电压弧隙上的电压uhuh确定于相应的动态伏安特性。确定于相应的动态伏安特性。ihih的大小由负载确定的大小由负载确定.c.c.在在ihih半半波波末末了了时时，u u下下降降至至低低于于uxhuxh时时，电电弧弧uhuh又又随随u u变变更更（电电弧弧完完全全熄灭），熄灭），ihih很小趋向于零。很小趋向于零。结结果果：urhurh之之前前和和uxhuxh之之后后的的uhuh波波形形（实实际际是是弧弧熄熄的的波波形形），皆皆与与u u的波形基本重合。

7、的波形基本重合。4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性(2)电电感性感性负载负载结论：结论：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更简洁熄灭。电路中的电弧更简洁熄灭。HOMEUxh tiUrhuuh9（2）电感性负载下，沟通电弧的熄灭过程：）电感性负载下，沟通电弧的熄灭过程：ih落后电源电压落后电源电压u约约90。a.当当ih过过零零时时，电电弧弧熄熄灭灭，u约约为为幅幅值值。因因Rh快快速速增增大大，电电路路相相当当于于完完全全开开断断，uh将将以以很很快快的的速速度度（比比电电阻

8、阻性性负负载载快快得得多多）趋趋向向u的的幅值，故幅值，故urh出现较早，弧熄中通过较大负载电流的时间也提前。出现较早，弧熄中通过较大负载电流的时间也提前。b.半半波波末末了了，弧弧隙隙上上的的电电压压由由负负载载电电感感的的自自感感电电势势产产生生，与与电电源源电压无关，此时电感变成电源。电压无关，此时电感变成电源。4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性10 （3 3）在在开开断断同同一一电电流流时时，电电阻阻性性负负载载电电路路中中的的电电弧弧比比电电感感性性负负载载电电路路中中的电弧简洁熄灭的缘由：的电弧简洁熄灭的缘由：a.a.电电阻阻负负载载，ihih过过零零时时，U U也也过过零零，触

9、触头头间间不不存存在在电电场场，则则电电弧弧不不能重燃。能重燃。b.b.电电感感负负载载，ihih过过零零时时，U U为为最最大大，触触头头间间电电场场很很简简洁洁击击穿穿弧弧隙隙而而重燃。重燃。4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性11b.“零休期时间零休期时间”的长短对电弧的熄灭影响很大，时间越长，弧的长短对电弧的熄灭影响很大，时间越长，弧柱会越细越冷，甚至会消逝，电弧熄灭也越简洁。由于电阻性负载柱会越细越冷，甚至会消逝，电弧熄灭也越简洁。由于电阻性负载的零休期时间比电感性负载的零休期时间长，故熄灭电弧越简洁。的零休期时间比电感性负载的零休期时间长，故熄灭电弧越简洁。4-4 沟通电弧的特性沟

10、通电弧的特性4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性3）沟通）沟通电电路开断的特点路开断的特点（1）沟通）沟通电电路中，路中，电电流在流在1s内要通内要通过过零点零点2f次。次。在在ih过过零旁零旁边边一段一段时间时间内，内，PhPs，弧柱要，弧柱要变变冷、冷、变细变细，甚至可，甚至可能由能由导导体状体状态变为绝缘态变为绝缘状状态态。因此，沟通因此，沟通电电弧要比直流弧要比直流电电弧弧简洁简洁熄熄灭灭。在熄在熄灭灭同同样电样电流的流的电电弧弧时时，前者，前者对灭对灭弧装置的要求比后者要低得弧装置的要求比后者要低得多。多。（2）由于沟通开关）由于沟通开关电电器（特殊是低器（特殊是低压压开关开关电电器

11、），大多是利用器），大多是利用ih过过零零时时熄弧的原理，熄弧的原理，电电弧熄弧熄灭时电灭时电感中的能量感中的能量趋趋近于零。所以，一般近于零。所以，一般开断大开断大电电流流时产时产生生过电压过电压的可能性的可能性较较小。小。HOME4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性2.电电弧弧电压对电压对沟通沟通电电路路电电流的影响流的影响1）零休）零休现现象象 电电流流过过零前后一小段零前后一小段时间时间内，内，Ph Ps，弧隙被快速冷却，弧，弧隙被快速冷却，弧柱柱变细变细，Rh快速增大，使得此快速增大，使得此时时的的ih与与负载额负载额定定电电流相比，几乎流相比，几乎可以可以认为认为是零。是零。由于零

12、休由于零休现现象的存在，象的存在，电电流在流在过过零前后，其波形不再表零前后，其波形不再表现为现为平滑的正弦波形，而是平滑的正弦波形，而是变变更比更比较较猛烈，甚至猛烈，甚至产产生曲折的生曲折的现现象。象。这这一状况，在一状况，在电电阻性阻性负载电负载电路中比路中比电电感性感性负载电负载电路中要路中要严严峻得多。峻得多。电电流零休存在的流零休存在的时间时间最多只有几百微秒，假如最多只有几百微秒，假如电电流零休流零休时间时间超超过这过这一数一数值值，则电则电弧一般已弧一般已经经不会再不会再产产生了。生了。结果：结果：电弧熄灭电弧熄灭这一现象通常称为电流的这一现象通常称为电流的“零零休休现现象象”

13、。HOME14a.a.电阻性负载：电阻性负载：u urhrh到来之前，到来之前，R Rh h很大，很大，i ih h为零，称其为电流过零后的为零，称其为电流过零后的“零休零休”；而在而在u uxhxh出现之后，出现之后，u u低于低于u uxhxh，i ih h00，称其为电流过零前的称其为电流过零前的“零休零休”。b.b.电感性负载：电感性负载的电感性负载：电感性负载的“零休零休”时间很短。时间很短。urhurh到到来来之之前前，有有电电流流过过零零后后的的“零零休休”，但但因因urhurh出出现现较较早早，故故零零休休时间短得多；时间短得多；而而在在uxhuxh出出现现之之后后，因因uhu

14、h可可由由电电感感中中的的自自感感电电势势维维持持而而与与u u无无关关，因因此此，几乎不存在电流过零前的几乎不存在电流过零前的“零休零休”。比比较较二二者者可可知知，电电阻阻性性负负载载”零零休休”现现象象比比电电感感性性负负载载严严峻峻得得多多，即即零零休休时时间间长长得得多多，这这也也从从另另一一方方面面说说明明白白电电阻阻性性负负载载电电路路比比电电感性的易于熄灭。感性的易于熄灭。4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性2）限流作用）限流作用HOMEuhiuLK物理模型：物理模型：忽视线路电阻。假定电源电压处于幅值时，线路发生短路。忽视线路电阻。假定电源

15、电压处于幅值时，线路发生短路。当当开关开关K断开电路时，触头间产生电弧断开电路时，触头间产生电弧 uh，设电弧电压为。此时，短，设电弧电压为。此时，短路电流中将不存在非周期重量。设经过路电流中将不存在非周期重量。设经过 t10.005s后，开关触头以后，开关触头以速度速度 v 分开。分开。4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性+HOMEiuLuhiLK弧隙可等效为一电压源，其电压为弧隙可等效为一电压源，其电压为uh。依据叠加原理可以建立下列等效电路模型：依据叠加原理可以建立下列等效电路模型：依据叠加原理：依据叠加原理：4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性L 线线路路电电感；感；Um 电压电压幅幅

16、值值；电电源角源角频频率；率；t 时间时间。初始条件初始条件t0时，时，i0解：解：(1)电路中不存在电弧时的短路电流瞬时值电路中不存在电弧时的短路电流瞬时值:HOME4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性 假定弧长假定弧长lv(t-t1)，弧柱电场强度，弧柱电场强度E为常数，忽视近极压降为常数，忽视近极压降U0，可得电弧电压，可得电弧电压 uh=El=Ev(t-t1)。(2)不计电源、仅考虑电弧时的短路电流瞬时值不计电源、仅考虑电弧时的短路电流瞬时值:初始条件初始条件tt1时，时，i 0解：解：HOME4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性(3)实际短路电流瞬时值实际短路电流瞬时值:HOMEii

17、it1 t电弧的限流作用将取决电弧的限流作用将取决于电流于电流 i与与i数值的大数值的大小及其比例关系。小及其比例关系。若电流若电流 i大小与大小与i相当，相当，则电弧的限流作用明显；则电弧的限流作用明显；低压开关电器低压开关电器若电流若电流 i远远大于大于i，则，则电弧的限流作用几乎不电弧的限流作用几乎不存在。存在。高压开关电器高压开关电器203、电弧将使电路的功率因数提高（即减小功率因数角）：、电弧将使电路的功率因数提高（即减小功率因数角）：4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性21Uh：电弧电压；电弧电压；Um：电源电压幅值；电源电压幅值；Uh/Um：电弧电压占总电源幅值的比例。电弧电压占总电源幅值的比例。如如Uh/Um越大，则越小，故电弧的存在，相当于在电路中串联了电阻。越大，则越小，故电弧的存在，相当于在电路中串联了电阻。4-4 沟通电弧的特性沟通电弧的特性设电弧电压设电弧电压 为常数为常数代入初始条件代入初始条件代入半波末了条件代入半波末了条件即即