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1、4-4 交流电弧的特性电弧电压随时间变化关系1.交流电弧的伏安特性1）交流电弧的伏安特性燃弧尖峰Urh熄弧尖峰UxhHOME tuh,i 0uhi第1页/共21页4-4 交流电弧的特性HOMEuh 0ih电弧电压随电弧电流的变化关系U0 A B C A B C第2页/共21页33、用“能量平衡原理”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。（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 交流电弧的
2、特性第3页/共21页4 （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增大情况下同一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逐渐上升。当ih下降速度比Rh上升速度要大于某一数值时，uh又开始随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变化的波形：见图3-33，为马鞍形。4-4 交流电弧的特性第4页/共21页2）负载对交流电弧伏安特性的影响(1)电阻性负载5HOMEUxh tiUrhuuh请注意电流波形！为什么出现“电流零休”？4-4 交流电弧的特
3、性第5页/共21页6 （1 1）纯电阻负载时，交流电弧的熄灭过程：电阻性负载下，i ih h与电源电压u u同相。a.a.当i ih h过零以后、u urhrh到来之前（电弧已熄灭），因R Rh h迅速增大，加在弧隙上的电压即是u u的瞬时值，u uh h=u=u；i ih h值很小近似为零。b.b.随着u u上升，i ih h逐渐增大。弧隙上的电压u uh h决定于相应的动态伏安特性。i ih h的大小由负载决定.c.c.在i ih h半波末了时，u u下降至低于u uxhxh时，电弧u uh h又随u u变化（电弧完全熄灭），i ih h很小趋向于零。结果：u urhrh之前和u uxhx
4、h之后的u uh h波形（实际是弧熄的波形），皆与u u的波形基本重合。4-4 交流电弧的特性第6页/共21页4-4 交流电弧的特性(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容易熄灭。HOMEUxh tiUrhuuh第7页/共21页8（2）电感性负载下，交流电弧的熄灭过程：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迅速增大，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
5、时电感变成电源。4-4 交流电弧的特性第8页/共21页9 （3 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容易熄灭的原因：a.a.电阻负载，ih过零时，U U也过零，触头间不存在电场，则电弧不能重燃。b.b.电感负载，ih过零时，U U为最大，触头间电场很容易击穿弧隙而重燃。4-4 交流电弧的特性第9页/共21页10 b.“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。4-4 交流电弧的特性第10页/共21页4-4 交流电弧的特性3）交流电路开断的
6、特点（1）交流电路中，电流在1s内要通过零点2f次。在ih过零附近一段时间内，PhPs，弧柱要变冷、变细，甚至可能由导体状态变为绝缘状态。因此，交流电弧要比直流电弧容易熄灭。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）由于交流开关电器（特别是低压开关电器），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第11页/共21页4-4 交流电弧的特性2.电弧电压对交流电路电流的影响1）零休现象电流过零前后一小段时间内，Ph Ps，弧隙被迅速冷却，弧柱变细，Rh迅速增大，使得此时的ih与负载额定电流相比，几乎可
7、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。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。结果：电弧熄灭这一现象通常称为电流的“零休现象”。HOME第12页/共21页13a.a.电阻性负载：u urhrh到来之前，R Rh h很大，i ih h为零，称其为电流过零后的“零休”；而在u uxhxh出现之后，u u低于u uxhxh，i ih h00，称其为电流过零前的“零休”。b.b.电感性负载：电感性负载的“零休”时
8、间很短。u urhrh到来之前，有电流过零后的“零休”，但因u urhrh出现较早，故零休时间短得多；而在u uxhxh出现之后，因u uh h可由电感中的自感电势维持而与u 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重得多，即零休时间长得多，这也从另一方面说明了电阻性负载电路比电感性的易于熄灭。4-4 交流电弧的特性第13页/共21页4-4 交流电弧的特性2）限流作用HOMEuhiuLK物理模型：忽略线路电阻。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分量。
9、设经过t10.005s后，开关触头以速度v 分开。第14页/共21页4-4 交流电弧的特性+HOMEiuLuhiLK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：第15页/共21页4-4 交流电弧的特性L 线路电感；Um电压幅值；电源角频率；t 时间。初始条件t0时，i 0解：(1)电路中不存在电弧时的短路电流瞬时值:HOME第16页/共21页4-4 交流电弧的特性假定弧长lv(t-t1)，弧柱电场强度E为常数，忽略近极压降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tt1时，i 0解：HOME
10、第17页/共21页4-4 交流电弧的特性(3)实际短路电流瞬时值:HOMEiiit1 t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。高压开关电器第18页/共21页193、电弧将使电路的功率因数提高（即减小功率因数角）：4-4 交流电弧的特性第19页/共21页20 Uh：电弧电压；Um：电源电压幅值；Uh/Um：电弧电压占总电源幅值的比例。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。4-4 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第20页/共21页21谢谢大家观赏！第21页/共21页