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

1、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

2、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、电弧的产生（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=US)，当电场强度超过3106Vm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。1、电弧的产生一、开关电器中电弧的产生及维持（2）碰撞游离1、电弧的产生 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。

3、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1、电弧的产生（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1、电弧的产生一、开关电器中电

4、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1、电弧的产生一、开关电器中电弧的产生及维持（3）热游离1、电弧的产生 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1、电弧的产生 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

5、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1、电弧的产生 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）