04气体放电的物理基础4解析.ppt

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1、交流电弧特性交流电弧特性思考题思考题 1.1.何谓交流电弧的零休现象？何谓交流电弧的零休现象？2.2.弧长不变的交流电弧，在稳定燃烧时为什么燃弧尖峰总是高于弧长不变的交流电弧，在稳定燃烧时为什么燃弧尖峰总是高于熄弧尖峰熄弧尖峰?3.3.在电流有效值相同条件下，直流电弧与交流电弧哪一个更容在电流有效值相同条件下，直流电弧与交流电弧哪一个更容易熄灭易熄灭?为什么？为什么？4.4.若开关若开关电电器分器分别别开断开断电电阻性交流阻性交流负载电负载电路和路和电电感性交流感性交流负载负载电电路，路，试问试问开断哪种开断哪种负载电负载电路更困路更困难难？为为什么？什么？5.在低压开关电器中，可以利用其开断

2、电路时触头间所产生的电在低压开关电器中，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。请问能否将这种限流方法应用于高压开关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？电器中？为什么？思考题思考题4-4 交流电弧的特性交流电弧的特性电弧电压随时间变化关系电弧电压随时间变化关系1.交流交流电电弧的伏安特性弧的伏安特性1）交流电弧的伏安特性）交流电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 交流电弧的特性交流电弧的特性HOMEuh 0ih电弧电压随电弧电流的变化关系电弧电压随电弧电流的变化关系U0ABCA

3、BC43、用用“能量平衡原理能量平衡原理”分析解释交流电弧的伏安特性曲线分析解释交流电弧的伏安特性曲线：1）暂时不考虑负载的影响。）暂时不考虑负载的影响。（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的的增长再下降，其最高点增长再下降，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 交流电弧的特性交流电弧的特性5（3）BC段段：ih到到最最大大值值（B点点）后后减减

4、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增增大大情情况况下下同同一一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逐逐渐渐上上升升。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又又开开始始随随ih减减小小而而下下降降。ih趋趋近近于于零零，ih也也趋近于零。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变化的波形变化的波形：见图见图3-33，为马鞍形。，为马鞍形。4-4 交流

5、电弧的特性交流电弧的特性2）负载对交流电弧伏安特性的影响）负载对交流电弧伏安特性的影响(1)电电阻性阻性负载负载6HOMEUxh tiUrhuuh请请注意注意电电流波形！流波形！为为什么出什么出现现“电电流零休流零休”？4-4 交流电弧的特性交流电弧的特性7 （1 1）纯电阻负载时，交流电弧的熄灭过程：）纯电阻负载时，交流电弧的熄灭过程：电阻电阻性负载下，性负载下，i ih h与电源电压与电源电压u u同相同相。a.a.当当i ih h过过零零以以后后、u urhrh到到来来之之前前（电电弧弧已已熄熄灭灭），因因R Rh h迅迅速速增增大大，加加在在弧隙上的电压即是弧隙上的电压即是u u的瞬时

6、值，的瞬时值，u uh h=u=u；i ih h值值很很小近似为零。小近似为零。b.b.随着随着u u上升，上升，i ih h逐渐增大逐渐增大。弧弧隙上的隙上的电压电压u uh h决定决定于相应的动态于相应的动态伏安特性。伏安特性。i ih h的大小由负载决定的大小由负载决定.c.c.在在i ih h半半波波末末了了时时，u u下下降降至至低低于于u uxhxh时时，电电弧弧u uh h又又随随u u变变化化（电电弧弧完完全全熄灭熄灭），），i ih h很很小小趋向于零。趋向于零。结结果果：u urhrh之之前前和和u uxhxh之之后后的的u uh h波波形形（实实际际是是弧弧熄熄的的波波形

7、形），皆皆与与u u的的波形基本重合。波形基本重合。4-4 交流电弧的特性交流电弧的特性4-4 交流电弧的特性交流电弧的特性(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容易熄灭。电路中的电弧更容易熄灭。HOMEUxh tiUrhuuh9（2）电感性负载下，交流电弧的熄灭过程：）电感性负载下，交流电弧的熄灭过程：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迅迅速速增增大大，电电路路相相当当于于完完全全开开断断，uh将将

8、以以很很快快的的速速度度（比比电电阻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 交流电弧的特性交流电弧的特性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容易熄灭的原因：的电弧容易熄灭的原因：a a.电电阻阻负负载载，ih过过零

9、零时时，U U也也过过零零，触触头头间间不不存存在在电电场场，则则电电弧弧不不能能重燃。重燃。b.b.电电感感负负载载，ih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容容易易击击穿穿弧弧隙隙而而重燃。重燃。4-4 交流电弧的特性交流电弧的特性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，甚至会消失，电弧熄灭也越容易。由于电阻性负载柱会越细越冷，甚至会消失，电弧熄灭也越容易。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，故熄灭电弧越容易。的零休期时间比电感性负载的零休期时间长，故熄灭电弧越容易

10、。4-4 交流电弧的特性交流电弧的特性4-4 交流电弧的特性交流电弧的特性3）交流）交流电电路开断的特点路开断的特点（1）交流）交流电电路中，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过过零附近一段零附近一段时间时间内，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，交流因此，交流电电弧要比直流弧要比直流电电弧容易熄弧容易熄灭灭。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弧装置的要求比后者要低得多。得多。（2）由于交流开关）由于交流开关电电器（特器（特别别

11、是低是低压压开关开关电电器），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，一近于零。所以，一般开断大般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 交流电弧的特性交流电弧的特性2.电电弧弧电压对电压对交流交流电电路路电电流的影响流的影响1）零休）零休现现象象 电流过零前后一小段时间内，电流过零前后一小段时间内，Ph Ps，弧隙被迅速冷却，弧柱，弧隙被迅速冷却，弧柱变细，变细，Rh迅速增大，使得此时的迅速增大，使得此时的ih与负载额定电流相比，几乎可与负载额定电流相比，几乎可以

12、认为是零。以认为是零。由于零休现象的存在，电流在过零前后，其波形不再表现为由于零休现象的存在，电流在过零前后，其波形不再表现为平滑的正弦波形，而是变化比较剧烈，甚至产生曲折的现象。这平滑的正弦波形，而是变化比较剧烈，甚至产生曲折的现象。这一情况，在电阻性负载电路中比电感性负载电路中要严重得多。一情况，在电阻性负载电路中比电感性负载电路中要严重得多。电流零休存在的时间最多只有几百微秒，如果电流零休时间电流零休存在的时间最多只有几百微秒，如果电流零休时间超过这一数值，则电弧一般已经不会再产生了。超过这一数值，则电弧一般已经不会再产生了。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

13、称为电流的“零零休休现现象象”。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。u urhrh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u urhrh出出现现较较早早，故故零零休休时时间短得多；间短得多；而而在在u u

14、xhxh出出现现之之后后，因因u uh 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重重得得多多，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了了电电阻阻性性负负载载电电路路比比电电感感性性的的易于熄灭。易于熄灭。4-4 交流电弧的特性交流电弧的特性4-4 交流电弧的特性交流电弧的特性2）限流作用）限流作用HOMEuhiuLK物理模型：物理模型：忽略线路电阻。假定电源电压处于幅值

15、时，线路发生短路。忽略线路电阻。假定电源电压处于幅值时，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分量。设经过路电流中将不存在非周期分量。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 交流电弧的特性交流电弧的特性+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。根据叠加原理可以建立下列等效电路模型：根据叠加原理可以建立下列等效电路模型：根据叠加原理：根据叠加原理：4-4 交流电弧的特性交流电弧的特性L

16、 线线路路电电感；感；Um 电压电压幅幅值值；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 交流电弧的特性交流电弧的特性 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，忽略近极压降为常数，忽略近极压降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 交流电弧的特性交流电弧的特性(3)实际短路电流

17、瞬时值实际短路电流瞬时值:HOMEiiit1 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 交流电弧的特性交流电弧的特性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 交流电弧的特性交流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