交流电弧的熄灭和重燃机制探析

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：对于交流电弧的熄灭和重燃过程存在着两种理论：弧隙介质恢复理论和能量平衡理论。因此，交流电弧的熄灭条件是：电流过零后，弧隙介质恢复强度在任何时刻始终高于弧隙上的恢复电压。介质强度恢复过程能说明电弧熄灭过程和开断电器熄灭能力的特性。这种观点使对交流电弧的熄灭和重燃有了进一步的了解。

交流电弧电流过零这一段时间中，弧隙从导体逐渐变成介质，交流电弧的熄灭主要决定于这一过程。对于交流电弧的熄灭和重燃过程存在着两种理论：弧隙介质恢复理论（电击穿理论）和能量平衡理论（热击穿理论）。

弧隙介质强度恢复理论是斯列宾提出的，认为电弧的重燃是由于外加电场将间隙出穿的结果。这个理论认为：电弧电流过零后，弧隙已是介质，不存在电导。因此在弧隙上发生的电压恢复过程和介质强度恢复过程是互不影响和制约的。而电弧过零后的熄灭和重燃取决于这两个过程哪一个恢复得快。如果介质强度始终大于弧隙上的恢复电压，就不再发生击穿，电弧最终熄灭。因此，交流电弧的熄灭条件是：电流过零后，弧隙介质恢复强度在任何时刻始终高于弧隙上的恢复电压。

而实际上，从电流过零时刻开始，在弧隙上发生两个作用相反而又有联系的过程：即电压恢复过程和介质强度恢复过程。

当交流电弧最后熄灭时，在弧隙上的电压应当等于电源的电势。因此，当电流过零电弧熄灭时，弧隙上电压从熄弧电压上升变化到相应于电源电动势的瞬时值，这一变化过程就称为弧隙上电压恢复过程。

在电压恢复过程中，恢复电压由两个分量组成：即工频恢复电压和暂态恢复电压。在电弧熄灭时刻，在首先灭弧的一相触头上出现的工频电压有效值称为弧隙上（或为断路器触头上）的工频恢复电压。

暂态恢复电压是指电弧熄灭后，断路器一相触头上的暂态电压，它可以是周期性的（单频或几个频率）或非周期性的，这决定于电路的特性、断路器的特性（它的电导和电容）及电弧熄灭时立即出现在断路器触头上的工频恢复电压瞬态值。周期性暂态恢复电压的振荡是以工频恢复电压作为轴心而进行的。

在电流过零电弧熄灭时，弧隙有或大或小的介质强度，并随着去游离程度而继续上升，这就是间隙介质强度恢复过程。介质强度恢复过程能说明电弧熄灭过程和开断电器熄灭能力的特性。介质强度恢复过程决定于电弧间隙的内部过程，如间隙中能量的变化、灭弧介质的种类和状态、触头的状态和运动等；并且也与线路参数有关，电弧电流过零前的状态对它也有影响。电弧的开断过程主要是将弧隙中的能量移去，使去游离加强。开关电器灭弧装置的主要作用就在于将电弧开断，移去电弧的产物，将热的导电气体变成能承受线路电压的绝缘介质。

按照斯列宾的理论，电弧的熄灭或重燃决定于这两个过程中哪一个过程恢复得快。如图6-16中曲线u_j1与曲线u_hf所示，介质强度始终大于弧隙上的恢复电压，就不再发生击穿，电弧最终熄灭。反之，若在某一时刻恢复电压大于介质强度，如图6-16中曲线u_j2与曲线u_hf，它们相交于A点，则弧隙将因击穿而重燃，加在弧隙上的电压又转变为电弧电压u_h。这种理论只能用来解释电弧电流超前过零，弧隙电导预先消失的重燃现象，并不能普遍适用。

必须指出，在斯列宾提出介质强度恢复理论时，认为电压恢复过程与介质恢复过程是彼此无关的。但事实上由于弧隙剩余电流的作用，这两个过程是相互有联系的。这一点将在下面讨论。

图6-16 弧隙介质强度u_j与恢复电压u_hf曲线

弧隙能量平衡理论是克西提出的，认为电弧重燃不是电流过零后简单的电压击穿，而是电路及弧隙之间的能量平衡的性质。当弧隙中所产生的热能大于散出的热能时，弧隙就会因热击穿而使电弧重燃。这个理论认为在交流电流过零电弧暂时熄灭时，弧隙温度较高，热游离还未停止，弧隙仍是一个具有一定电导的通道，尚未恢复为真正的介质。因此在恢复电压作用下，就出现弧后电流，电源继续向弧隙输送能量，因而可能引起电弧的重燃。他们认为所有紧接于电流过零点后的重燃现象均是由于有显著的弧后电流而发生的，只有经过一定延时后的重燃才是没有先期的弧后电流，而是由电击穿引起的重燃。

热击穿的观点考虑了电弧的热过程，并且指出弧隙上的电压恢复过程和介质强度恢复过程并不是相互独立的，而是通过弧隙的残余电阻而相互联系和影响的。这种观点使对交流电弧的熄灭和重燃有了进一步的了解。然而这个理论也有局限性，它对于那些弧隙电导预先消失和因电击穿而发生重燃的现象并不能作出确切的解释。

两种理论的基本不同点在于：电弧电流过零前后是否有剩余电流。在斯列宾提出理论时，尚不知有剩余电流，而克西则是在剩余电流的基础上提出其理论。

在理想的开关电器中，在电弧燃炽时，弧隙电阻等于零，而在电弧熄灭后，弧隙电阻就立刻等于无限大。事实上，在交流电流自然过零前的几百μs，电流已接近于零，弧隙上已有相当的电阻，而在电流过零电弧熄灭时，弧隙还是个有相当大电阻的导体。正因为熄弧后间隙有剩余电导的存在，在恢复电压的影响下，弧隙中有电流通过，这一电流叫做剩余电流，或称弧后电流。剩余电流就等于恢复电压与剩余电导的乘积关系。通常用两个参数来表示剩余电流的特征，即剩余电流的最大幅值和剩余电流的持续时间。持续时间是从电弧熄灭瞬间到剩余电流最后一次等于其最大值的10%瞬间的时间间隔。

由于存在着剩余电导，间隙上电压恢复过程和间隙介质强度恢复过程才彼此互有联系。弧隙剩余电导起着弧隙并联电阻的作用，即对电压恢复过程起阻尼作用，而电压决定了弧隙剩余电流，由此而影响间隙介质强度的恢复。能量平衡理论也是从弧隙电导出发的，认为从电流下降开始电导逐渐减小，而在电流过零时达到某一数值。电流过零后立刻引起电流通过间隙而将能量输入间隙中，输入的能量自然与线路参数及间隙本身的剩余电导有关。

在弧后电流流通时，弧隙是一个特殊的导电通道，它虽然还不是绝缘介质，但毕竟与燃弧通道不同。它存在这样两种可能的结果：一是随着输入能量增大，弧隙电导增大而发生热击穿，从而转变成燃弧通道；另一是在恢复电压作用下，它确实能耐受一定的电压而不被热击穿，仍能转变为绝缘介质而使电弧最终熄灭。对于后者，可以认为此时弧隙也具有一定的“介质”强度—等效介质强度，用这个等效的概念来表示弧隙耐受恢复电压的能力。

若电弧电流过零后，弧隙的残余电阻为R_p，弧隙的散失功率为N，弧隙上的恢复电压为u_hf，则输入弧隙的功率P为

根据能量平衡理论，要使弧隙不发生重燃的临界条件为

P=N （6-42）

把此时弧隙上的恢复电压称为弧隙的等效介质强度u_j，则有

等效介质强度也可理解为使弧隙残余电阻保持为恒定的恢复电压值。式（6-43）是一个定性的概念，要精确定量较为困难，因N和R_p都不能确切地表示为时间的函数，只能在某些条件下予以简化考虑。

这两个理论（电击穿理论和热击穿理论）并不是完全对立的，它们只是从不同方面去说明交流电弧的熄灭或重燃现象。综合各种实验结果，交流电弧的重燃既可以由于“电”的作用，也可以是由于“热”的作用；而且还存在着可以由弧隙电击穿后转变成热击穿而引起重燃，或在弧后电流消失后再发生电击穿而重燃，它们的转化条件就是弧隙中能量的大小。

能量平衡理论不仅是对电弧的熄灭过程，还是对电弧的燃炽过程，都能够比较全面地解释电弧的现象。它对电弧理论的发展和应用有重大的意义。但并不是所有开断过程都出现剩余电流，所以电流过零后能量平衡理论不是各种情况都适用的。

介质强度恢复理论仅能说明电弧的熄灭过程，并且严格地说，只是说明了电弧熄灭过程的一个阶段，它不能解释出现剩余电流的现象。实验证明，弧隙的击穿并不一定跟着发生电弧的重燃，而重燃并不一定必须由放电（如火花放电）所引起，它也可以由热击穿所引起。但介质强度恢复理论将电弧电流过零时发生的过程明确地区分为两种过程（介质强度恢复过程及电压恢复过程），使问题简单明确，也有其重要意义。

现在根据这两种理论说明交流电弧的熄灭过程。电流自然过零时，交流电弧的熄灭过程基本上可以分为两大阶段：

第一阶段是弧隙电阻增加阶段。在电流过零前电弧燃炽时，弧隙的电阻很低。当电流接近自然过零时，弧隙的温度还是很高的，弧隙中还存在着热游离和大量离子，但这时输入弧隙的能量是减少了，电弧电阻由低向高过渡。当电弧电流过零以后，电弧电阻很快上升，达到相当高的数值，为弧隙从导体状态转变成介质状态创造了条件。

第二阶段是介质强度恢复阶段。这时热游离早已停止，导体变成介质，介质强度增加。

在这两个阶段中，电弧熄灭的条件也不同。在第一阶段，弧隙还是个导体，有剩余电流通过，因此弧隙仍得到能量。为了保证电弧熄灭，就必须使电弧能量扩散大于能量输入，迅速去游离。在第二阶段，介质强度恢复始终高于电压恢复时，电弧熄灭。

由此可见，介质强度恢复理论是有严重缺点的，它将电流过零后的弧隙就当作介质，它实际上仅是指电弧熄灭的第二阶段。同时，弧隙介质强度的概念也仅在第二阶段有物理上的意义。对第一阶段来说，它只是一个假定的概念，尚不足以说明外部效应的情况。从外部现象而言，这时从有一定电阻弧隙两端来看，可以认为与介质相似，它可以承受一定的电压而不重燃，只要在这个电压下输入弧隙的能量小于弧隙散出的能量。因此，弧隙介质恢复强度就可理解为，弧隙在这个时刻所承受的外加电压下，弧隙的输入能量与散出能量应相等。

交流电弧的熄灭和重燃机制探析

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