金 江电气专 家介绍交流电弧的开断

金江电气专 家介绍交流电弧的开断

金江电气 当前,高 压交流断路器得到广泛的应用,因此,分 析交流电弧开断过程有重要的现实 意义。
金江电气专 家指出交流电弧熄灭过程主要有以下三种: (1) 强迫熄弧 在这种情况下,电弧电压《s很髙,电源电压不能维持,电 弧电流很快被减小到零而熄 灭。这 种灭弧过程与直流电弧熄灭情况相同。 填 充苔英砂的熔断器在开断交流短路电流时,就 会出现这神强迫熄弧现象,这种熔断器 熔丝很长,如10kV石 英砂熔断器的熔丝长度 近lm。石 英砂有很强的散热能力,熔丝又很 细,因 此电弧电任超过电源电S,电弧电流不能 维 持而急剧减小导致熄弧,如图5.35。与直流 熄弧情况相同,在 电感元件上将出现过电压。 (2) 截流开断 在此情况下,电弧因不稳定而熄灭。 图5.35交流电®L强 迫熄灭时的电流波形 (3)过零熄弧  在大多数高tt断路器开断过程中,电 弧电压远低于电源电压,也 即电源电压足以维持电 弧 燃烧而不致发牛强迫熄弧。在 电淹较大的情况下也不会出现截流。在这种情况下,电弧是 在电流零点时熄灭的s这 种熄弧过程称为过零熄弧,过零熄弧原理如图5. 36所示,, 图5.36(a)是纯电阻电路,图5.36(b)是灭弧过程的波形图,图中是触头分离瞬间,电 源电压⑽,在 触头分离前触头分离后,产生电弧,在电路中除电阻 外,又 增加电弧的非线性电阻。电流应为 , U + . u 一 uv f 二 或 ^ 对于开关电弧般《及 或所以波形仍近似为正弦形。只有在电流, 的零点前后,电 流波形才较正弦形有较大畸变。 对频率为50Hz的交流电路,电流每秒有100次零值,因 此不管开关熄弧能力如何差, 电弧电压心如何低,电流都要过零,电弧N然熄灭,至少是暂时地熄灭。这时对交流电弧 来说,不 是电弧电流能不能降低到零,而 是电流过零后电弧间隙(简称弧隙)是否会重新被击 穿而复燃的问题。如电流过零后,弧隙未复燃,电弧就最后熄灭;反之,如发生复燃,则电弧在 电 流此次过零时不能熄灭,至 少需燃烧至电弧电流下次过零时再熄灭。 弧 隙是否复燃决定于两方面:一 是弧隙的介质强度心,另 一是加在弧隙上的电压,通常 称为恢复电压。两者的单位都是[kV]。显然,介 质强度和恢复电压都是时间/的函 数,通 常称为介质强度恢复过程和电压恢复过程。 几 种典型的断路器介质恢复过程见图5. 37,图5.38。介 质恢复过程决定于电流及断路 器性能。 电 压恢复过程主要决定干电阿的结构和参数。图5.39是;1种 典型电路的电压恢复 过程。 m 5.37断 路器的介质恢复过程 1 -压缩宁气断路埔;2 —油断路器真空断路器 显然.在 电弧电流过零后电弧是最终熄灭还是复燃决定于介质强度和恢复电压心。 图5. 40示 出电弧过零后出现复燃和熄灭的两种情况。 由此,可以得到*5直 流电弧熄灭条件完全不同的交流电弧过零熄灭条件如下: Ui.it) > ulT{t) (fi. 32) 图5. 4i表 示布开断电阻回路时的波形图,图中包括电源电压a,电弧电流,_,电弧电版 介质强度⑹和恢复电压。 在图5.41中,是触头分离瞬N,/,是 电流笫一次过零瞬间,心以后的弧隙介质强 度.《,,为当时的恢复电压•当时.W(t]=,弧隙击穿,电弧复燃,存 波形网上又出现马鞍 形的电弧电压。G是电弧第二次过;时刻,的2是 弧隙介质强度是恢复电压。由于动触头 不断拉开等原因,《d2比《n来得大,在此情况下,实 现了交流熄弧条件电弧最 后熄灭。
金江电气专 家指出电弧电流过零后的介质恢复过程是相当复杂的过程,一 般把介质恢复过程分为热击穿 阶段和电击穿阶段。 (1) 热击穿阶段 通常,特 别是在开断大电流时,电弧电流过零后,弧 隙的介质温度仍很髙,高于金属蒸气 的开始热游离温度。在此情况下,弧 隙仍有一定的电导率。当恢复电压《„加在弧隙上时,弧 暸 中即有一小电流流过,这 一电流称为弧后电流。此时,在 弧腺中同时逬行着两个过程:- 方面,电源供给弧隙以能量;另一方面,弧 隙又将能量传给周围介质《如 果电源供给弧隙的能 量超出传出的能量,弧隙温度将不断上升,最后导致击穿,这称为热击穿。反之,弧隙温度将 不断降低v最后,弧 暸将转变为不导电的介质5此后,弧隙进人电击穿阶段。 在 弧隙热平衡的情况下,可得 ul = rKN 或 = V r,N (5. 33) 式中:——加 在弧腺上的恢复电压; N,rB弧隙散热功率及电阻„ 在此情况下,可 以认为弧隙具有一定的介质强度为 ;£„ = Vr,N (5- 34) 显然,在热击穿阶段,介 质强度大于恢复电压《,r,即不出现复燃。因此,在热右穿阶段的熄 弧条件为 > «tr (5. 35) 在热击穿阶段,电 弧未出现复燃或复燃的弧隙电流和电压的波形见图5.42 „ 图5.42热 击穿阶段弧隙电压和弧后电流波形 图5•'丨3电弧电舐过零系电弧 电阻变化的几■种波形 电弧电流过零后,弧隙电阻n变化的几神波形见5.43。图中曲线1是电弧电阻不断 增加,弧隙未复燃的情况。曲线2表 示电弧电阻先增后减,镟后导致复燃的情况,曲线3的 变化更复杂,但未导致复燃。 防 止热右穿阶段复燃的基本措施是加强冷却,增加电弧散热功率, (2) .电击穿阶段 当弧隙温度降低到3 000K4 000K以下.热游离基本停it•弧隙转变为介质》在此阶 段中,如发生复燃,则 与气体介质击穿过程相似。电 击穿阶段恢复电压及电流波形见图 5. 4^在图中,电 弧电流过零后没有出现弧后电流,也即没有热击穿阶段。 提 高电击穿阶段弧隙介质强度的主要措施与提髙气体间隙耐压强度一致,即与介质的 种类、状态(包括压力、温度、流动情况),电极材料、形状,表面状况等存关。 电 压恢复过程与电网结构参数等有直接关系。由于电网结构复杂,不同电网、不同断路 器 安装地点以及不同的负荷情况或故障情况,恢复电压均不同。这 将在以下儿章专门讨论。 为 估计恢复电压对断路器开断的严電程度,通 常主要用恢复电压最大值和恢复电 压平均上升率^两个参数.如对图5.45的电阻电路,上 述两参数可表示如下。 图5. 44电击穿阶段波形 ① 恢复电压最大值 由图5.45, f/lrln为电源电压最大值f/以即 Utrm Um C 5 ■ 36) ② 恢复电压平均上升率f 恢复电K平均上升率$可 用坐标原点与电源电压最大值C/m的连线的斜率表示, 即 或 对频率为50Hz的电源,电压周期T=20rm,当[7,„以kV为单位,则  智=0.2[/m「V/p] (5,37) 由式d6)、(5.37)+柯见,电网电压升高,恢复电压最大值t/^及恢复电压平均h升率$均 加大,使熄弧更困难。

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