04气体放电的物理基础4解析

沟通电弧特性思索题1.何谓沟通电弧的零休现象？

2.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?

3.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?为什么？4.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？5.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电器中？为什么？

思考题§4-4沟通电弧的特性电弧电压随时间变更关系1.沟通电弧的伏安特性1）沟通电弧的伏安特性燃弧尖峰Urh熄弧尖峰UxhHOME

ωtuh,i

0uhi§4-4沟通电弧的特性HOMEuh

0ih电弧电压随电弧电流的变更关系U0

A

B

C

A’

B’

C’4

3、用“能量平衡原理”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。（1）OA段：ih由0上升的零休期间，弧柱变冷、变细，Rh增大，因此uh（=ihRh）以很陡斜率上升；（2）靠近A点与AB段：ih增大，Ph也增大，弧柱变热变粗，uh随ih的增长再下降，其最高点A点的电压称为燃弧尖峰Urh。§4-4沟通电弧的特性5（3）BC段：ih到最大值（B点）后减小，uh沿BC曲线上升，因弧柱存在热惯性，Rh会比ih增大状况下同一ih时的数值为小，故曲线BC比AB低。C点电压为熄弧尖峰Uxh。（4）CO段：ih减小，Ph也减小，Rh渐渐上升。当ih下降速度比Rh上升速度要大于某一数值时，uh又起先随ih减小而下降。ih趋近于零，ih也趋近于零。（5）对应上图的电弧电压uh随时间t变更的波形：见图3-33，为马鞍形。§4-4沟通电弧的特性2）负载对沟通电弧伏安特性的影响(1)电阻性负载6HOMEUxh

ωtiUrhuuh请留意电流波形！为什么出现“电流零休”？§4-4沟通电弧的特性7（1）纯电阻负载时，沟通电弧的熄灭过程：电阻性负载下，ih与电源电压u同相。a.当ih过零以后、urh到来之前（电弧已熄灭），因Rh快速增大，加在弧隙上的电压即是u的瞬时值，uh=u；ih值很小近似为零。b.随着u上升，ih渐渐增大。弧隙上的电压uh确定于相应的动态伏安特性。ih的大小由负载确定.c.在ih半波末了时，u下降至低于uxh时，电弧uh又随u变更（电弧完全熄灭），ih很小趋向于零。结果：urh之前和uxh之后的uh波形（实际是弧熄的波形），皆与u的波形基本重合。§4-4沟通电弧的特性§4-4沟通电弧的特性

(2)电感性负载结论：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电路中的电弧更简洁熄灭。HOMEUxh

ωtiUrhuuh9（2）电感性负载下，沟通电弧的熄灭过程：ih落后电源电压u约90°。a.当ih过零时，电弧熄灭，u约为幅值。因Rh快速增大，电路相当于完全开断，uh将以很快的速度（比电阻性负载快得多）趋向u的幅值，故urh出现较早，弧熄中通过较大负载电流的时间也提前。b.半波末了，弧隙上的电压由负载电感的自感电势产生，与电源电压无关，此时电感变成电源。§4-4沟通电弧的特性10（3）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简洁熄灭的缘由：a.电阻负载，ih过零时，U也过零，触头间不存在电场，则电弧不能重燃。b.电感负载，ih过零时，U为最大，触头间电场很简洁击穿弧隙而重燃。

§4-4沟通电弧的特性11b.“零休期时间”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§4-4沟通电弧的特性3）沟通电路开断的特点（1）沟通电路中，电流在1s内要通过零点2f次。在ih过零旁边一段时间内，Ph＜Ps，弧柱要变冷、变细，甚至可能由导体状态变为绝缘状态。因此，沟通电弧要比直流电弧简洁熄灭。在熄灭同样电流的电弧时，前者对灭弧装置的要求比后者要低得多。（2）由于沟通开关电器（特殊是低压开关电器），大多是利用ih过零时熄弧的原理，电弧熄灭时电感中的能量趋近于零。所以，一般开断大电流时产生过电压的可能性较小。HOME§4-4沟通电弧的特性2.电弧电压对沟通电路电流的影响1）零休现象电流过零前后一小段时间内，Ph<Ps，弧隙被快速冷却，弧柱变细，Rh快速增大，使得此时的ih与负载额定电流相比，几乎可以认为是零。由于零休现象的存在，电流在过零前后，其波形不再表现为平滑的正弦波形，而是变更比较猛烈，甚至产生曲折的现象。这一状况，在电阻性负载电路中比电感性负载电路中要严峻得多。电流零休存在的时间最多只有几百微秒，假如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。结果：电弧熄灭这一现象通常称为电流的“零休现象”。HOME14a.电阻性负载：urh到来之前，Rh很大，ih为零，称其为电流过零后的“零休”；

而在uxh出现之后，u低于uxh，ih≈0，称其为电流过零前的“零休”。b.电感性负载：电感性负载的“零休”时间很短。urh到来之前，有电流过零后的“零休”，但因urh出现较早，故零休时间短得多；而在uxh出现之后，因uh可由电感中的自感电势维持而与u无关，因此，几乎不存在电流过零前的“零休”。比较二者可知，电阻性负载”零休”现象比电感性负载严峻得多，即零休时间长得多，这也从另一方面说明白电阻性负载电路比电感性的易于熄灭。§4-4沟通电弧的特性§4-4沟通电弧的特性2）限流作用HOMEuhiuL~K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。当开关K断开电路时，触头间产生电弧uh，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t1＜0.005s后，开关触头以速度v分开。§4-4沟通电弧的特性+HOMEi’uL~uhi’’LK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：§4-4沟通电弧的特性L

—

线路电感；Um—电压幅值；ω

—电源角频率；t

—

时间。

初始条件t＝0时，i′＝0解：(1)电路中不存在电弧时的短路电流瞬时值:HOME§4-4沟通电弧的特性假定弧长l＝v(t-t1)，弧柱电场强度E为常数，忽视近极压降U0，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:初始条件t＝t1时，i′′＝0解：HOME§4-4沟通电弧的特性(3)实际短路电流瞬时值:HOMEi’i’’it1

ωt电弧的限流作用将取决于电流i′与i′′数值的大小及其比例关系。若电流i′大小与i′′相当，则电弧的限流作用明显；低压开关电器若电流i′远大于i′′，则电弧的限流作用几乎不存在。高压开关电器203、电弧将使电路的