交流电弧的特性及熄灭条件的认知

一、交流电弧的特性

在交流电路中产生的电弧称为交流电弧。交流电弧的特性如下：

（1）交流电弧具有动态特性。在交流电路中，电流瞬时值随时间变化，因而电弧的温度、直径以及电弧电压也随时间变化，电弧的这种特性称为动特性。

在一个周期内交流电弧电流及电压随时间的变化关系如图4-4所示，图中A点称为燃弧电压，B点称为熄弧电压，熄弧电压低于燃弧电压。电弧电压呈马鞍形变化，电流小时，电弧电压高；电流大时，电弧电压减小且接近于常数。

图4-4　交流电弧伏安特性及电压和电流波形

（a）伏安特性；（b）波形

（2）电弧具有热惯性。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟不上快速变化的电流，所以电弧温度的变化总滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。

（3）交流电流每半个周期过零一次，称为“自然过零”。电流过零时，电弧自然熄灭。如果电弧是稳定燃烧的，则电弧电流过零熄灭后在另半周又会重燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就熄灭。

二、交流电弧的熄灭条件

交流电弧的燃烧过程与直流电弧的基本区别在于交流电弧中电流每半周要经过零点一次，此时电弧自然暂时熄灭。在电流过零时，采取有效措施加强弧隙的冷却，使弧隙介质的绝缘能力达到不会被弧隙外施电压击穿的程度，则在下半周电弧就不会重燃而最终熄灭。交流电流过零后，电弧是否重燃取决于弧隙介质绝缘能力或介电强度和弧隙电压的恢复。

1.弧隙介质介电强度的恢复

弧隙介质能够承受外加电压作用而不致使弧隙击穿的电压称为弧隙的绝缘能力或介电强度。

当电弧电流过零时电弧熄灭，弧隙中去游离作用继续进行，弧隙电阻不断增大，但弧隙介质的介电强度要恢复到正常状态值需要有一个过程，此恢复过程称为弧隙介质介电强度的恢复过程，以能耐受的电压Uj表示。

介质介电强度的恢复速度与冷却条件、电流大小、开关电器灭弧装置的结构和灭弧介质的性质有关。图4-5所示为不同介质的介电强度恢复过程曲线。从图4-5中可见，在电流过零瞬间（t=0），介电强度突然出现升高的现象，此现象称为近阴极效应。这是因为电流过零后，弧隙的电极极性发生了改变，弧隙中剩余的带电质点的运动方向也相应改变，质量小的电子迅速向新的阳极运动，而比电子质量大很多倍的正离子由于惯性大，来不及改变运动方向而停留在原地未动，导致新的阴极附近形成了一个正电荷的离子层，如图4-6所示，正空间电荷层使阴极附近出现了150～250V的起始介电强度，称近阴极效应。在低压电器中，常利用近阴极效应这个特性来灭弧。

图4-5　介质介电强度的恢复过程曲线(www.xing528.com)

1—真空；2—SF6；3—空气；4—油

2.弧隙电压的恢复过程

图4-6　近阴极效应

（a）电荷分布；（b）电压分布

图4-7　恢复电压非周期性变化过程

电流过零使电弧熄灭后，加在弧隙上的电压称为恢复电压。电弧电流过零前，弧隙电压呈马鞍形变化，电压值很低，电源电压的绝大部分降落在线路和负载阻抗上。电流过零时，弧隙电压等于熄弧电压，正处于马鞍形的后峰值处，电流过零后，弧隙电压从后峰值逐渐增长，一直恢复到电源电压，弧隙电压从熄弧电压变成电源电压的过程，称为弧隙电压恢复过程，用Uhf（t）表示电压恢复过程。电压恢复过程与电路参数、负荷性质等有关。受电路参数等因素的影响，电压恢复过程可能是周期性的变化过程，也可能是非周期性变化过程。图4-7所示为弧隙恢复电压按指数规律变化的非周期性过程，图4-7中U0是电弧自然熄灭瞬间的电源相电压，Uxh为熄弧电压，Uhf是弧隙恢复电压，依指数规律上升的恢复电压最大值不会超过U0，也就是说，不会在电压恢复过程中出现过电压。图4-8所示是恢复电压呈现周期性振荡的变化过程，这时弧隙的恢复电压最大值理论上可达到2U0，实际中由于电阻影响，弧隙恢复电压振荡有衰减，实际最大值为（1.3～1.6）U0。周期性振荡的恢复电压更容易超过弧隙介质强度，造成电弧重燃。

图4-8　周期性振荡恢复电压变化过程

图4-9　交流电弧在过零后重燃和熄灭

（a）重燃；（b）熄灭

3.交流电弧的熄灭条件

电弧电流过零后，电弧自然熄灭。电流过零后，弧隙中同时存在着两个作用相反的恢复过程，即介质介电强度恢复过程Uj和弧隙电压的恢复过程Uhf。如果弧隙介质介电强度在任何情况下都高于弧隙恢复电压，则电弧熄灭；反之，如果弧隙恢复电压高于弧隙介质介电强度，弧隙就被击穿，电弧重燃，如图4-9所示。因此，交流电弧的熄灭条件为

Uj(t)＞Uhf(t)

综上所述，在交流电弧的灭弧中，应充分利用交流电流的自然过零点，采取有效的措施，加大弧隙间去游离的强度，使电弧不再重燃，最终熄灭。