弧隙介质恢复过程的优化方案

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：因此，交流电弧电流自然过零后的弧柱区介质恢复过程可分为热击穿和电击穿两个阶段。这一电压上升过程称为电压恢复过程，此过程中的弧隙电压则称为恢复电压。电压恢复过程进展情况与电路参数有关。

交流电质电流自然过零后，弧隙介质恢复过程便已开始，但在近阴板区和其余部分（弧柱区）恢复过程则有所不同。

1.近阴板区的介质恢复过程

电弧电流过零后弧隙两端的电极立即改变极性。在新的近阴极区内外，电子运动速度为正离子的1 000倍，故它们在刚改变极性时就迅速离开极面移向新的阳极，使此处仅留下正离子。同时，新阴极正是原来的阳极，附近正离子并不多，以致难以在新阴极表面产生场致发射以提供持续的电子流。另外，新阴极在电流过零前后的温度已降低到热电离温度以下，亦难以借热辐射提供持续的电子流。因此，电流过零后只需经过0.1～1μs，即可在近阴极区获得150～250 V的介质强度（具体量值视阴极温度而定，温度越低，介质强度越高）。

倘若在灭弧室内设若干金属栅片，将进入灭弧室内的电弧截割成许多段串联的短弧，则电流过零后每一短弧的近阴极区均将立即出现150～250 V的介质强度（由于弧隙热惯性的影响，实际介质强度要低一些）。当它们的总和大于电网电压（包括过电压）时，电弧便熄灭。

出现于近阴极区的这种现象称为近阴极效应，综合利用截割电弧和近阴极效应灭弧的方法称为短弧灭弧原理，它广泛用于低压交流开关电器。

2.弧柱区的介质恢复过程

电源电流自然过零前后的数十微秒内，电流已近乎等于0，故这段时间被称为零休期间。由于热惯性的影响，零休期间电弧电阻Rh并非无穷大，而是因灭弧强度不同而呈现不同的量值。

电弧电阻非无穷大意味着弧隙内尚有残留的带电粒子和它们形成的剩余电流，故电源仍向弧隙输送能量。当后者小于电弧散出的能量时，弧隙内温度降低，消电离作用增强，电弧电阻不断增大，直至无穷大，即弧隙变成了具有一定强度的介质，电弧也将熄灭；反之，若弧隙取自电源的能量大于其散出的能量，Rh将迅速减小，剩余电流不断增大，使电弧重新燃烧。这就是热击穿。

然而，热击穿存在与否还不是交流电弧是否能熄灭的唯一条件。不出现热击穿固然象征着热电离已基本停止，但当弧隙两端的电压足够高时，仍可能将弧隙内的高温气体击穿，重新燃弧，这种现象称为电击穿。因此，交流电弧电流自然过零后的弧柱区介质恢复过程可分为热击穿和电击穿两个阶段。交流电弧的熄灭条件则可归结为：在零休期间，弧隙的输入能量恒小于输出能量，因而无热积累；在电流过零后，恢复电压又不足以将已形成的弧隙介质击穿。

3.弧隙电压恢复过程

电弧电流过零后，弧隙两端的电压将由零或反向的电弧电压上升到此时的电源电压。这一电压上升过程称为电压恢复过程，此过程中的弧隙电压则称为恢复电压。

电压恢复过程进展情况与电路参数有关。当分断电阻性电路时，如图3-13（a）所示，电弧电流i与电源电压U同相，故电流过零时电压亦为0 V。这样，电流过零后作用于弧隙的电压（恢复电压）将自0开始按正弦规律上升，此时无暂态分量，只有稳态分量——工频正弦电压。

当分断电感性电路时，如图3-13（b）所示，因电流滞后于电源电压约90°，故电流过零时电源电压恰为幅值。因此，电流过零后加在弧隙上的恢复电压将自零跃升到电源电压幅值，并于此后按正弦规律变化。这时的恢复电压含上升很快的暂态分量。

当分断电容性电路时，如图3-13（c）所示，因电流超前电源电压约90°，电流过零时电压也处于幅值，因而电容被充电到具有约为电源电压幅值的电压，且因电荷于电路分断后无处泄放而保持着此电压。因此，当电弧电流为0时，恢复电压有一个几乎很少衰减的暂态分量和一工频正弦稳态分量，并且是从零开始随着u的变化逐渐增大，最终达到约2倍电源电压幅值。

图3-13中t0为触头分断的时刻。

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