交流长弧熄灭的扩散理论与轨道原理分析

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：扩散理论符合于能量平衡理论，能正确地说明流体对熄弧过程的作用，尤其对自吹弧油断路器、熔断器以及自能式SF6断路器中的熄弧过程，同时也符合于前述交流电弧熄灭的两个阶段的原理。其中，在SF6和真空中熄弧有重要的发展意义。

在交流长弧中电流过零时，虽则近阴极效应还是有瞬时介质恢复强度160～250V，但对整个电弧熄灭过程，这种效应已不起作用。在这种情况下，弧柱中的过程对熄弧起主要作用，因此，要迅速熄灭电弧，就必须加强弧柱的去游离过程，使介质恢复强度很快上升。

去游离过程和间隙介质强度恢复过程与许多条件有关，但特别与弧隙的冷却条件有关。在高压开关电器中，广泛应用液流和气流来熄灭电弧，因此，研究在这种条件下电弧熄灭的情况极其重要。对于采用流体的熄弧效果存在着两种不同的观点，即移替理论和扩散理论。

移替理论（或称楔体理论）是柏林斯（Prince）在1931年提出的，认为在电流过零时弧柱收缩，并在某一几何点上被冷的未游离的流体所折断，在折断处为新的介质层所替代。从这一时刻起，弧隙介质强度就完全是这种流体层的介质强度，因此认为弧隙介质强度的恢复是由于流体的机械作用。流体层的厚度迅速上升，并且由流体流动的速度与时间的乘积决定。流体层的介质强度增长的速度，也就是弧隙的介质强度恢复速度将决定于流体层的击穿强度与其流速的乘积。电弧的熄灭将决定于在折断处充入的新鲜流体的介质强度恢复速度与电压恢复速度的对比。

根据移替理论，电流过零后，在电弧被新鲜流体充入折断后，弧柱电导就将消失，并且消失的速度主要取决于流体的流动速度，而与开断电流值关系不大。同时认为，弧隙介质强度的增加完全决定于流体的流动速度及其击穿强度。因此，为了增加弧隙介质恢复强度就应采用绝缘强度高的灭弧介质。

但是，对电弧所拍摄的照片表明，在狭缝中用流体吹弧只能使电弧直径减小，而不能使弧柱机械拉断。同时，实验证明，弧隙介质强度恢复速度与流体的绝缘强度关系并不大，甚至相反，氢气的绝缘强度比空气低，但熄弧能力却比空气强。这些情况是与移替理论矛盾的。移替理论无法解释。

1941年斯列宾提出的扩散理论，认为电流过零后弧隙介质强度恢复不是由于高速流体的机械切断作用，而是弧隙中能量和离子的扩散作用。根据扩散理论，流体的湍流作用是使热的流体与冷的流体迅速混合，以加速热的扩散，并且使强烈游离的气体与未游离的气体迅速混合，使离子扩散到周围较大的空间中去。扩散理论认为流体的作用是加强扩散效应，尤其是加强了热的传导和离子的扩散，既然弧隙介质强度的恢复主要决定于能量的扩散，因此，对于增加熄弧能力而言，灭弧介质的散热能力较其绝缘强度更为重要，这对于在熄弧装置中要增加电弧冷却作用有很大的实际意义。

扩散理论符合于能量平衡理论，能正确地说明流体对熄弧过程的作用，尤其对自吹弧油断路器、熔断器以及自能式SF₆断路器中的熄弧过程，同时也符合于前述交流电弧熄灭的两个阶段的原理。

根据电弧的性质及交流电弧燃炽和熄灭的特点，为了增加弧隙去游离速度及介质强度恢复速度，可以有下列一些方法：①增加电弧的长度；②磁场吹弧，使电弧在空气中迅速运动；③靠电弧本身的能量或靠外界的能量使气流（如SF₆、压缩空气）或液流（如油）纵向或横向吹弧；④将电弧引入狭缝中或电弧在管道中与介质密切接触；⑤在真空中熄弧；⑥将长弧分成一系列短弧。其中，在SF₆和真空中熄弧有重要的发展意义。

目前，各种断路器、熔断器、负荷开关、避雷器等电器的灭弧装置都是应用上述某种或几种方法而设计的。

交流长弧熄灭的扩散理论与轨道原理分析

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