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欢迎同学们继续来到

电磁暂态分析的课堂

下面我们讲14讲

电弧特性及模型

首先大家来看一个录像

这是开关操作时的电弧的拉伸和切断的过程

断路器它是一种机械的开关设备

它要导通

承载和开断电流

断路器它触头分离会产生电弧

离子化的环境气体由金属蒸汽构成

电弧是怎么产生呢

它是灭弧介质中气体放电后

断路器触头间形成的等离子通道

在油 空气 真空和氯化硫中燃烧的

高压的气体放电形成

建立在一个有限的空间内

很快的被气体和油冷却

电弧对系统暂态推进的影响非常重要

这是一个油开关

当开关分离的时候

会带动油来冷却电弧

达到熄弧的目的

这是一个气体开关

当开关触头分离的时候

带动压缩气体

吹向电弧让它冷却达到熄弧的目的

这是一个中真空开关

真空开关我们很难理解它为什么能够熄弧

它没有气体

你可以看看

在真空开关的电极上面会刻了这种斜槽

这样的话带动电弧往外围流动

相当于把电弧拉长

最终达到熄弧的目的

所以对一个断路器的电弧

可以看成三个部分

阴极 阳极和中间的电弧柱

触头分离前相互接触的面积很小

形成了高电流密度使触头材料熔化

熔化的触头材料爆炸

导致了周围介质中的气体放电

当分子动能超过结合能时

物质就从固态变成液态

当温度升高而加入更多的能量

且克服范德华力时

物质就从液态变成为气态

温度进一步升高

能量注入更多

分离成独立的原子

如能级还要再增加

电子会离开正离子

而分离成自由运动的电子

成为等离子的状态

所以电弧柱中又是一个等离子通道

气体和物质的电离

用沙哈方程来进行描述

这个图给出了

某些金属蒸汽和原子气体的热电离程度

与温度的关系

我们可以看出

由于温度与电离程度间的函数

斜率相当陡

用冷气体来冷却

以降低运动颗粒的平均动能水平

是促进电弧通道从导电状态转变到

非导电状的一种很好的方法

整个电弧通道的压降的分布

分为阳极的压降

弧柱的压降和阴极的压降

可以看出

阳极的压降和阴极的压降

在整个压降中占了一个很大的比例

这样的话

我们可以把电弧

看成是由一个弧阻构成的通道

由于弧阻上面产生的电压形成的压降

阴极区作用实际上载流的电子发射到电弧中

它的第一个机理是热电子发射

高沸点的金属柱中的阴极加热到低于蒸发温度

就开始发射电子

一般可以形成10kA/cm²的电流

其次是电场发射

低沸点阴极像铜和水银

发射电子时的温度比热电子发射要低很多

每个阴极点可供出15~150A的电流

再其次是Maecker效应

阴极区内的电流密度

比电弧柱自身内的电流密度高很多

磁场梯度使气流加速从阴极离开

阳极区作用是离开电弧柱电子的集合器

它有被动和主动的方式

被动的方式是离开电弧柱的电子的集结器

主动方式是阴极的蒸发

金属蒸汽在阳极内离子化

将正离子供给电弧柱

对于真空来说

它是主动阳极加真空电弧的机理

对于大电流密度形成阳极点

热促使阳极点增发阳极材料

导致真空电弧不能熄灭

触头分离后

触头材料蒸发是带电颗粒的主要来源

对于断路器的电弧特性

我们可以采用一系列的方法来进行描述

包括物质守恒定律

动量守恒方程

以及能量守恒方程

用这三个方程可以描述电弧的特性

理想的开关是在电流过零时熄弧

但对于气冷 油冷等

强制开断电流的情况

电流会比理想开关模型提早过零

对于电弧的模型

我们有三种

一种叫物理模型

就是根据它前面介绍的

它的物理方程来进行描述

其次是黑盒子模型

我们可以测量它的一个端口特性

来建立它的这种特征的参数

第三种是参数模型

大概有三种

一种Cassie模型

是描述了大电流下电弧的电导的特性

一个是Mayr模型

是描述了电流过零时电弧的特性

所以有人将Cassie Mayr模型

把它结合起来

形成Cassie-Mayr模型

相当于是Cassie模型的电弧电导

和Mayr模型的电弧电导的一个并联

整个压降都是发生在Cassie方程中

当电流过零前

Mayr方程贡献增加

而Cassie的部分持续到0点

针对电弧不同的专家建立了不同的模型

其中之一是Avdonin模型

它适用于汽吹和氯化硫(SF6)流动的

Urbanek模型

它能够描述电弧开段以及热失败和介质失败

电流截流和重燃也能得到描述

但是这两种模型都是针对特定的断路器获得的

它的实用性并不很广

因此如果我们要进行断路器的电弧描述

必须根据我们的实际的断路器

来建立它的电弧的模型

对我们的断路器才是有用的

另一个开关就是绝缘子

绝缘子在雷电下会发生闪络

一般简单的处理就把它处理成开关

其次就是伏秒特性模型

伏秒特性模型的话

比简单的开关模型更前进了一步

它的前提是

绝缘子串电压是理想冲击波

根据伏秒特性特性

对绝缘子串伏秒特性进行判断

伏秒特性的缺点就是相同幅值的波形

不管它的陡度如何

最终都会导致在同一时的闪络

这显然跟它的实际物理现象是不符合的

在伏秒特性上

怎么得到它的50%放电电压呢

也就是伏秒特性平坦段对应的电压

就是它的50%放电电压

这就是我们把绝缘子处理成为开关模型之后

引入的开关的电压

对于绝缘子来说

它两端电压波并不是一个标准波

可以像这个图所示

它实际上是一个短尾波

对于绝缘子来说

它一个更好的模型是先导发展模型

用先导发展模型

来考虑长间隙放电的物理过程

它是在冲击波作用下

长空气间隙放电过程中

包含了电晕 流注发展 先导发展和主放电等

几个连续的过程

它的基本原理

是将雷电放电的过程分为若干阶段

通过每个阶段的持续时间计算放电时间

对绝缘子闪络的状态来进行判断

模型虽好

但是目前来说它缺少足够的实现数据的支撑

在开关方面还有很多课题值得研究

首先是电弧特性以及相应的数字计算方法

另外在PSCAD/EMTDC里面

如何建立嵌入式的数学模型

另外考虑电弧特性对电网络暂态过程的影响

以及对周围的电磁环境的影响

这都是值得进一步研究的课题

本讲就到这里

谢谢各位同学

电磁暂态分析课程列表:

01电磁暂态分析简介

-视频

-第一次电磁暂态分析作业

02波过程理论

-视频

-第二次电磁暂态作业

-第一次电磁暂态讨论

03波的衰减与变形

-视频

-第三次电磁暂态分析作业

04平行多导线系统的参数计算

-视频

-第四次电磁暂态分析作业

-第二次讨论

05大地及导体的趋肤效应计算方法

-视频

-第五次电磁暂态分析作业

-第三次讨论

06电磁暂态计算方法

-视频

-第六次电磁暂态分析作业

07计算波过程的网格法

-视频

-第七次电磁暂态分析作业

08计算波过程的特征性法

-视频

-第八次电磁暂态分析作业

-第四次讨论

09有耦合电路的电磁暂态过程计算方法

-视频

-第九次电磁暂态分析作业

-第五次讨论

10均匀换位平行多导线计算方法

-视频

-第十次电磁暂态分析作业

-第六次讨论

11非均匀换位平行多导线计算方法

-视频

-第十一次电磁暂态分析作业

12相模变换等值电路

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-第十二次电磁暂态分析作业

13开关操作电磁暂态计算方法

-视频

-第十三次电磁暂态分析过程

14电弧特性及模型

-视频

-第十四次电磁暂态分析作业

15非线性元件的计算方法

-视频

-第十五次电磁暂态分析作业

16变压器的电磁暂态模型

-视频

-第十六次电磁暂态分析作业

17互感器的电磁暂态模型

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-第十七次电磁暂态分析作业

18发电机的电磁暂态模型

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-第十八次电磁暂态分析作业

19讲电力电子器件的电磁暂态计算模型

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-第十九次电磁暂态分析作业

20讲频变参数线路:频域方程法

-视频

-第二十次电磁暂态分析作业

21讲频变参数线路:Marti模型

-视频

-第二十一次电磁兼容作业

22讲频变参数线路:z变化方法

-视频

-第二十二次电磁暂态分析作业

23讲电缆的电磁暂态计算

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-第二十三次电磁暂态分析作业

24讲时域有限差分法:均匀传输线

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-第二十四次电磁暂态分析作业

25讲时域有限差分法:频变参数

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-第二十五次电磁暂态分析作业

26讲时域有限差分法:非均匀传输线

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-第二十六次电磁暂态分析作业

27Chebyshev多项式方法

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-第二十七次电磁暂态分析作业

28有外界电磁耦合的传输线

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-第二十八次电磁暂态分析作业

29雷电在传输线上的感应电压

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-第二十九次电磁暂态分析作业

30智能算法:基模参数辨识

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31智能算法:时频双内插方法

-视频

32智能算法:矩阵束方法等

-视频

33行波的小波变换

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-第三十三次电磁暂态分析作业

34行波故障测距

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-第三十四次电磁暂态分析作业

结课考试

-结课考试

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