1、学习重点：交流电弧的特性；交流电弧的伏安特性及电弧电学习重点：交流电弧的特性；交流电弧的伏安特性及电弧电压对电路电流的影响。压对电路电流的影响。学习难点：学习难点：学习方法：理论知识与实验相结合学习方法：理论知识与实验相结合arc voltage arcCurrent zero crossing本次课的重点、难点及学习方法：直流电弧的静伏安特性曲线（见图直流电弧的静伏安特性曲线（见图3-193-19）：I1U1U1I2U2Ihuh1uh2ImUrhUxh图图3-31 i3-31 ih h过零时过零时R Rh h为有限值情况下交流电弧的伏为有限值情况下交流电弧的伏-安特性安特性AB高于高于BC？
2、Why?12hhuu热惯性热惯性一、交流电弧的伏安特性一、交流电弧的伏安特性()hhuf i1.伏安特性：伏安特性：交流电弧伏安特性是指一个周期内交流电弧伏安特性是指一个周期内u uh h与与 i ih h关系曲线，用关系曲线，用u uh h-i-ih h表示。表示。条件条件：i ih h随时间按正弦规律变化；随时间按正弦规律变化；在稳定燃弧的情况下；在稳定燃弧的情况下；弧长不变；弧长不变；介质对电弧的冷却作用不太强烈，介质对电弧的冷却作用不太强烈，RhRh为有限值。为有限值。一、交流电弧的伏安特性一、交流电弧的伏安特性()hhuf i1.伏安特性：伏安特性：3、用用“能量平衡原理能量平衡原理
3、”分析解释交流电弧的伏安特性曲线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。）暂时不考虑负载的影响。（1）OA段段：ih由由0上升的零休期间，弧柱变冷、变细，上升的零休期间，弧柱变冷、变细，Rh增大，增大，因此因此uh（=ih Rh）以很陡斜率上升；）以很陡斜率上升；（2）靠近靠近A点与点与AB段段：ih增大，增大，Ph也增大，弧柱变热变粗，也增大，弧柱变热变粗，uh随随 ih的增长再下降，其最高点的增长再下降，其最高点A点的电压称为燃弧尖峰点的电压称为燃弧尖峰Urh。（3）BC段段：ih到最大值（到最大值（B点）后减小，点）后减小，uh沿沿BC曲线上升，曲线上升，因弧柱存在热惯
4、性，因弧柱存在热惯性，Rh会比会比ih增大情况下同一增大情况下同一ih时的数值为小，故曲时的数值为小，故曲线线BC比比AB低。低。C点电压为熄弧尖峰点电压为熄弧尖峰Uxh。（4）CO段段：ih减小，减小，Ph也减小，也减小，Rh逐渐上升。当逐渐上升。当ih下降速度下降速度比比Rh上升速度要大于某一数值时，上升速度要大于某一数值时，uh又开始随又开始随ih减小而下降。减小而下降。ih趋近趋近于零，于零，ih也趋近于零。也趋近于零。图图3-32 i3-32 ih h过零时过零时R Rh h=情况下交流电弧的伏情况下交流电弧的伏-安特性安特性一、交流电弧的伏安特性一、交流电弧的伏安特性()hhuf
5、i1.伏安特性：伏安特性：2）考虑负载考虑负载（电阻性与电感性）影（电阻性与电感性）影响后的响后的uh-ih波形：波形：图图3-33和图和图3-35。图图3-33 3-33 图图3-313-31情况下电弧电压情况下电弧电压u uh h随时间随时间t t变化的波形变化的波形一、交流电弧的伏安特性一、交流电弧的伏安特性()huf t()hif t2.电压和电流的波形：电压和电流的波形：（1 1）、纯电阻负载时，交流电弧的熄灭过程：）、纯电阻负载时，交流电弧的熄灭过程：电阻性负载下，电阻性负载下，i ih h与电源电压与电源电压u u同相。当同相。当i ih h过零以后、过零以后、u ur rh h
6、到来到来之前（电弧已熄灭），因之前（电弧已熄灭），因R Rh h迅速增大，加在弧隙上的电压即是迅速增大，加在弧隙上的电压即是u u的的瞬时值，瞬时值，u uh h乃是乃是u u的波形；的波形；i ih h=u/R=u/Rh h，值很小。随着值很小。随着u u上升，上升，i ih h逐渐增逐渐增大。大。当当u uh hu ur rh h后，后，i ih h的大小由的大小由u/Ru/Rh h决定，是逐渐增大的。在决定，是逐渐增大的。在i ih h半波半波末了时，末了时，i ih h减小，减小，u uh h上升；当上升；当u u下降至低于下降至低于u uxhxh时，电弧时，电弧u uh h又随又随u
7、 u变化变化（电弧完全熄灭）（电弧完全熄灭）。结果：结果：u ur rh h之前和之前和u uxhxh之后的之后的u uh h波形（实际是弧熄的波形），皆波形（实际是弧熄的波形），皆与与u u的波形基本重合。的波形基本重合。（2）、电感性负载下，交流电弧的熄灭过程：）、电感性负载下，交流电弧的熄灭过程：ih落后落后电源电压电源电压u约约90。当。当ih过零时，电弧熄灭，过零时，电弧熄灭，u约约为幅值。因为幅值。因Rh迅速增大，电路相当于完全开断，迅速增大，电路相当于完全开断，uh将以很快将以很快的速度（比电阻性负载快得多）超过的速度（比电阻性负载快得多）超过u的幅值，故的幅值，故urh出现较早
8、出现较早，弧熄中通过较大负载电流的时间也提前。弧熄中通过较大负载电流的时间也提前。（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）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：路中的电弧容易熄灭的原因：一是：一是：“电压比较电压比较”的结果。的结果。见见P85 第二段的说明，加上第二段的说明，加上“在在ih过零前的一段时间内，过零前的一段时间内，PhPs，弧柱是变冷、变细的。如，弧柱是变冷、变细的。如ih过零后加在弧熄上的电压缓慢上过零后加在弧熄上的电压缓慢上升，则在较长时间内电弧的升，则在较长时间内电弧的PhPs，弧柱将变冷、变细，弧柱将变
9、冷、变细，Rh将更加将更加增大，也使增大，也使urh更加增高。如更加增高。如urh的增高大于的增高大于u的幅值，的幅值，Rh将不再迅速将不再迅速下降，因此电弧将不再重燃下降，因此电弧将不再重燃”。二是：二是：“零休期时间零休期时间”的长短对电弧的熄灭影响很大，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。电弧越容易。a)b)a)b)图图3-35 3-35 交流电弧电压和电
10、流的波形交流电弧电压和电流的波形 a)a)电阻性负载电阻性负载 b)b)电感性负载电感性负载一、交流电弧的伏安特性一、交流电弧的伏安特性()huf t()hif t2.电压和电流的波形：电压和电流的波形：在开断同一电流时，在开断同一电流时，哪个容易熄灭？哪个容易熄灭？Why?t2t1二、电弧电压对交流电路电流的影响二、电弧电压对交流电路电流的影响 1 1、零休现象：、零休现象：1 1）电阻性负载：）电阻性负载：u ur rh h到来之前，到来之前，R Rh h很大很大，i ih h为零，称其为电流过零后的为零，称其为电流过零后的“零零休休”；而在；而在u uxhxh出现之后，出现之后，u u低
11、于低于u uxhxh，i ih h00，称其为电流过零前的，称其为电流过零前的“零休零休”。2 2）电感性负载：电感性负载的）电感性负载：电感性负载的“零休零休”时间很短。时间很短。u ur rh h到来之前，有到来之前，有电流过零后的电流过零后的“零休零休”，但因，但因u ur rh h出现较早，故出现较早，故零休时间短得多；零休时间短得多；而在而在u uxhxh出现之后，因出现之后，因u uh h可由电感中的自感电势维持而与可由电感中的自感电势维持而与u u无关无关，因此，几乎不存在电流过零前的因此，几乎不存在电流过零前的“零休零休”。比较二者可知，电阻性负载比较二者可知，电阻性负载”零休
12、零休”现象比电感性负载严重得多，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。的易于熄灭。2、电弧将使电路的功率因数角减小：、电弧将使电路的功率因数角减小：123(),hhhhhhhhhhIRI RIRI RdIITdt hhhhh、快速，来不及减小，则U新稳态时的U 值；、快速，来不及增大，则U新稳态时的U 值；、变化期间，弧柱的、直径保持不变，R 也不变，为直线。式中式中 Uh：电弧电压；：电弧电压；Um：电源电压幅值；：电源电压幅值；Uh/Um：电弧电：电弧电压占总电源幅值的比
13、例。压占总电源幅值的比例。如如Uh/Um越大，则越小，故电弧的存在，相当于在电路中串越大，则越小，故电弧的存在，相当于在电路中串联了电阻。联了电阻。三、开断过程中，交流电弧能量的计算三、开断过程中，交流电弧能量的计算xsthhhtWuidt式中式中 u uh h ：电弧电压；：电弧电压；i ih h ：电弧电流；：电弧电流；ts ts：从：从t=0t=0至电弧产生所需的时间；至电弧产生所需的时间；tx tx：从：从t=0t=0至电弧熄灭所需的时间。至电弧熄灭所需的时间。t t：以触头分开瞬间前电流过零为起点计算的时间。：以触头分开瞬间前电流过零为起点计算的时间。式中式中 n是半波个数。是半波个
14、数。如设（指触头的平均运动速度），则：如设（指触头的平均运动速度），则：mIsnxOhtElUW（）sin t d（t）0mIhElUWs（）（2n-1+cos t）在理想情况下（即若干假设下），电弧能量在理想情况下（即若干假设下），电弧能量Wh为：为：3-4 交流电弧的特性例题：例题：设一开关电器中流过的工频短路电流波形如图设一开关电器中流过的工频短路电流波形如图3-39所示。短所示。短路电流有效值路电流有效值I为为10000A，ts=0.005s=5ms，U0=20V。问：（问：（1）当电弧电压）当电弧电压Uh=40V时；时；（2）当触头分开平均速度）当触头分开平均速度=200cm/s和弧柱电场强度和弧柱电场强度E=10v/cm时时,电弧的能量电弧的能量Wh各为多少？各为多少？3-4 交流电弧的特性解：由图可知，解：由图可知，（1）由由 ，得得 （2）因式（因式（3-79），得：），得：mI14140Am250 0.005/2t040hUElUV0mI9000hElUWJs（）（2n-1+cos t）m2IphEW2ssn（2n-1）t-sin t 0mI10065UJs（2n1）+cos t）3-4 交流电弧的特性
