[交通运输]航空电气系统的故障电弧分析.doc

航空电气系统的故障电弧分析摘 要飞机电气系统中由于绝缘老化等问题而引发的故障电弧是威胁航行安全的重大隐患。本文以航空故障电弧为研究对象，首先对航空中电缆产生故障的原因和常用的排除故障方法进行了总结，以飞机供电系统为例，对飞机供电环境的参数进行了介绍，同时指出了飞机供电方式的特点。分析了电弧的类型及其形成机理，为后文进行仿真做了铺垫。与故障电弧紧密相连的是电弧故障断路器（AFCI），本文对电弧故障断路器（AFCI）做了简单的介绍，再结合家用断路器的工作原理，简单介绍了家用电弧故障断路器（AFCI）与航空电弧故障断路器的简单区别，对航空故障电弧断路器进行了设计。为了分析电弧故障现象，利用MATLAB软件对电弧进行了初步仿真。给出了Mayr和Cassie电弧模型， 阐述了在MATLAB软件平台上构建电弧模型的原理与方法，通过对MATLAB软件的学习，以及用Simulink进行仿真，最后完成故障电弧的仿真模型的建立。 关键词：航空; 电弧模型；仿真；电弧故障断路器- I -航空电气系统的故障电弧分析Fault Arc Analysis of Aircraft Electrical SystemsAbstractThe insulation equipments in the electricity power system has passed their teen age， henceforth there exists a potential security threaten spelled from the fault arc. The major subject for research in this thesis is the arc-fault in the air-craft for aviation， to begin with， it may be necessary to investigate the main courses of the faults in the wiring system and then summarize the custom methods to solve the arc-fault， make clearly based on which kind of the electrical environment the wiring had been exposed. Take the electricity power supplement system for instance， a short introduction has been placed to describe the main parameters in the power system for air-craft， meanwhile the pattern both and the characteristic of the power supply in the air-craft turned out to be more specified. Secondly， analyzed the corresponding characters of the arc-fault in the airspace in detail， based on acknowledging the electricity environment of the air-craft， in this progress the pattern and the generation of the arc has been included， offering a forehand reference for the simulation afterwards. Make a fundamental simulation to detect the fault using the software of Matlab for the purpose of analyzing the phenomenon of are-fault. The arc modes of Mayr and Cassie has been displayed to introduce the theory and method to establish the arc equation with the software of Matlab， the final result in our thesis are voltage and current of the arc-fault supported by the technology of Matlab and Simulink. It is the arc-fault circuit interrupter(AFCI)that is related to the arc-fault， in the follows we will introduce the AFCI briefly combined with the home circuit breaker， make a summary of the differences of AFCI in the family and in the airspace， the structure has been designed at the end.Key Words：Aircraft, Arc Model, Simulation, AFCI- IV -目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1概述11.2 本文内容12 飞机电气系统32.1飞机电气系统简介32.1.1飞机供电系统的作用和组成32.1.2飞机电源系统类型62.1.3飞机供电系统的特点和基本参数72.2航空电气系统故障83 故障电弧分析103.1电弧理论103.1.1气体放电103.1.2气体电离113.1.3电弧的组成部分113.1.4 电弧的产生123.2电弧的物理特性133.3飞机故障电弧的类型和特点153.4 故障电弧断路器设计163.4.1 设计概述163.4.2 基本功能193.4.3电弧检测的工作原理204 故障电弧仿真214.1 MATLAB介绍214.1.1 MATLAB由以下产品够成：214.1.2 Simulink特点214.2 故障电弧模型搭建224.2.1电弧数学模型224.2.2电弧模型方程式234.2.3电弧模型的实现234.2.3小结254.3 仿真结果25结 论31参考文献32航空电气系统中的故障电弧分析1 绪 论1.1概述线路故障在飞机电气系统故障中是较为常见的一种，其表现形式各有不同，有指示仪表的不稳定，操控机械的不工作，信号不正常等。军用机和民用机的机龄超过 10 年之后，深埋在结构之中的总长可达几百千米的电线开始产生裂纹和磨损。人们一度认为这种故障影响不大，长期被忽视，但这种故障可在一架普通的飞机中出现几百处之多，而且难检测，其所产生的电弧和电磁辐射可能是致命的。飞机电线老化或绝缘层磨损是产生故障主要原因。由于飞机本身的结构限制，布线的空间和线路非常有限，大多数导线穿梭于各金属构架之间。当飞机在空中长时间飞行，长时间的频繁振动可使电线互相顶住、顶在连接点处或任何其他硬表面时会擦破绝缘层。飞机维修时电线可能会被工人的钳子弄出缺口，或使它们以超过容许的半径弯曲都会破坏电线绝缘层。绝缘层的损坏可使铜暴露，引起电弧、短路以及电磁辐射与干扰。飞机导线的绝缘层通常厚0.52mm ，由聚酰亚胺、聚氯乙烯、尼龙、聚酯或聚四氟乙烯等材料构成。飞机在航行中，由于高空和地面温差，机内导线周围会凝结很多湿气，长期在这种湿气中，绝缘层会变脆，产生小裂纹，从而使更多的湿气进入。湿电弧开始沿这些裂纹流过，但因所产生的断续的电弧太小，不能使普通的断路器跳闸，甚至不会对沿电线的信号传递产生干扰。普通的断路器是热敏双金属元件，只有在大电流通过电路时有足够长的时间使该元件加热时才跳闸。这种功率可能为额定电流的1000% ，持续0.35s到0.8s。比较起来，单电弧故障可能只持续1.25ms，而一系列故障事件可能持续2030ms。这些电弧故障持续时间太短，不能使断路器跳闸，但可使电线产生灾难性的局部故障，可在未触动断路器的情况下引发火灾。而且，小电弧会使绝缘炭化，而炭又是良导体，一旦积累足够的炭，就有可能产生大的爆炸性闪光，暴露的电线也会渗出熔化的金属1。1.2 本文内容在航空系统中，如果发生以上介绍的故障，就有可能导致灾难的发生，从而给人类带来的不仅仅是经济上的损失，而且还会付出生命的代价。一架飞机上的电缆故障如果不能即使排除的话，就会给飞行埋下隐患，时刻都可能发生严重的危害。本文主要是对航空电气系统下的故障电弧进行分析，在电弧理论的指导下，从航空电弧的特点入手进行分析研究，对其可能产生的波形进行仿真分析，从而在电弧故障断路器的作用中指出如何可能将其运用到航空领域中去。着重从电弧故障断路器的理论入手，抓住航空电气环境的配电参数的特点和与家用配电的区别，来分析和预测电弧故障断路器将在航空领域所发挥的巨大作用。有关航空的电气环境、故障电弧理论以及对其的仿真所需要的软件环境，将在本文中依次介绍。2 飞机电气系统由于本文的主题是关于航空电缆故障仿真方面的，为了能更好的了解航空领域的知识，理解航空电缆运行的特殊环境，它与普通电缆工作时有何区别，带着这些疑问，在这里对飞机供电系统进行了简单的介绍，通过对飞机供电系统的了解，从而能更好的掌握题目所确定的环境，对下文有关飞机电气方面的知识做了铺垫，使理论性的知识更好理解了。下文对飞机供电系统只是简单的叙述，着重从特点和区别上进行了讲解，从关键着手来解决问题。2.1飞机电气系统简介2.1.1飞机供电系统的作用和组成飞机供电系统是现代飞机的一个重要组成部分，它的作用是向飞机上所有用电设备（如飞行控制系统、各种电子设备、武器控制、照明、防冰设备、生活设施）提供电能。为用电设备的正常工作提供条件，以保证飞机的安全飞行和完成运输或作战任务。由供电系统和用电设备组成的一个完整系统，它也可以分为电源系统（又称发电系统）和配电系统两大部分2。电源系统按其用途可以分为主电源、二次电源和应急电源，有时还包括辅助电源。（1）主电源由航空发动机传动的发电机和电源调节保护设备等构成。主电源是飞机上全部用电设备的能源。（2）二次电源是将主电源电能变换为另一种形式或规格电能的装置，用以满足不同用电设备的需要，是飞机电源系统的重要组成部分。在低压直流电源系统中，有变流机、静止变流器、直流升压机和直流变换器，将低压直流电变换成交流电或高压直流电。在交流电源系统中，有变压器和变压整流器，将一种交流电变换成另一种电压的交流电或直流电。（3）应急电源是一个独立电源系统，飞机中当主电源发生故障时，航空蓄电池或应急发电机即成为应急电源，向飞机上的重要用电设备供电。在飞机上由于电能传输距离短，用电设备比较集中，输配电系统在航空上通常叫做配电系统。配电系统由电网、配电装置和电网保护装置组成，它的作用是将电源所产生的电能传输和分配到飞机上各用电设备上去。对于飞机配电系统，按不同的配电方式可分为集中式配电、分散式配电和混合式配电系统。（1）集中式配电的原理如图 2.1所示，在这种配电方式下，对于多发飞机，所有发电机并联工作，即各个发电机所产生的电力 (或者外部电源提供的电力)统一都输送到中心配电装置，然后再分配到用电设备。这种配电方式的突出优点是：当一台发电机故障后，只需将其退出供电系统，用电设备仍能由其它发电机提供电力，操作维护方便。由于这些特点，这种配电方式在直流系统中得到了广泛应用，但同时也存在重量大、装置笨重的缺点，而且，一旦受到破坏，整个系统容易瘫痪。功率控制装置（2）分散式配电的原理如图2.2所示。这种配电方式主要针对多发飞机，各发电机产生的电力分别输送到各自的配电装置，所有负载都从指定配电装置获取电力，配电装置之间可以通过转换开关实现电力共享，当有发电机故障并退出供电系统时，其对应的配电装置可以通过转换接触器从其它正常的供电通道获取电力。分散式配电避免了电源并联工作的复杂性，也使电源通道的控制和保护装置较为简单和可靠，但在系统中存在着可能的 “拍频”干扰。分散式配电主要使用于电路分支较多、用电设备连接导线截面较大的情形。功率控制装置汇流条二级汇流条1GEN1GEN2二级汇流条1二级汇流条2二级汇流条2至大功率负载中心配电装置图2.3 混合式配电原理（3）混合式配电的原理如图 2.3所示。在这种配电系统中，发电机输出的电力首先输送至中心配电装置，再从中心配电装置将电力分送至多个二级配电装置，这些二级配电装置安装在飞机的不同部位。根据控制方式的不同，飞机配电系统主要分为常规配电系统、遥控配电系统和电气多路传输(EMUX)系统。常规配电系统采用了诸如继电器、接触器和断路器等机电式控制设备，其馈电线全部引入座舱内的配电中心，电气负载直接从配电中心获取电力，由断路器提供馈电线的过载保护功能和继电器实现对负载的开关控制，飞行员通过离散控制信号线手动管理电气负载。由于配电中心设在座舱，使得馈电线必须从发电机端铺设至座舱，然后从座舱连接至各个负载，从而大大增加了电网的重量。常规配电实现难度低，控制方法简单，早期的飞机和当前的许多小型机都采用这种配电方式。遥控配电系统中，配电汇流条靠近用电设备，座舱内只引入控制线，由飞行员通过遥控信号操作功率控制器，从而实现对用电设备的供电控制，当前的许多大中型飞机均采用此类配电方式。电气多路传输系统是一种基于计算机控制技术的先进配电系统。在该系统中，负载不直接接至主汇流条，而是连接到负载管理中心(ELMC)，ELMC利用固态功率控制器(SSPC)实现负载供电控制和保护，同时，ELMC内部的处理机将按程序在各种飞行和供电状态下接通和断开相应的负载。这种配电方式从八十年代以来得到了快速发展，并在一些先进飞机的配电系统中得到了实际应用。常规配电系统的优越性在于技术上己经比较成熟，且目前应用广泛，但是，其缺点也较为明显：电网过重，空勤人员负担较大，不适用于大型机。在应用电气多路传输技术的配电系统中，电网的馈电线长度和重量都将大为减少，配电系统的效率和可靠性也得到了提高，由于负载直接挂在ELMC上，从而提高了配电系统的自动化程度。2.1.2飞机电源系统类型飞机电源是现代飞机的重要组成部分。飞机上采用的电源系统的类型随着飞机类型及其性能、任务要求以及用电的不同而有所不同。它的发展主要经历了以下几个阶段:(1)低压直流电源系统低压直流电源40年代以前的飞机上，都采用直流电源系统 (6V，12V)，后来发展成为低压直流电源系统，调节点电压为28.5V。主电源由航空发动机直接传动的发电机和控制保护器构成，主发电机额定容量有 3，6，9和12KVA等数种，相应的额定电流有100，200，300和400A。应急电源为蓄电池，二次电源为旋转变流机或静止变流器，它将低压直流电转变为400Hz三相或单相交流电，供飞机使用。(2) 恒速恒频交流电源 (CSCF)50年代以来，飞机电源开始采用交流电源系统。采用交流电作为主电源后，基本上能适应现代飞机的要求。恒速恒频交流电源系统的主电源是由恒速传动装置和交流发电机以及励磁调节、控制保护装置等组成的400Hz，115/200V三相交流电源系统。交流发电机的容量有15，20，30，40，60，90，120和150KVA等数种。应急电源为冲压空气涡轮发电机或蓄电池/静止变流器，二次电源为变压器和变压整流器。(3) 变速恒频交流电源 (VSCF)变速恒频交流电源系统的主电源是由交流发电机、功率变换器和控制器构成。二次电源和应急电源与CSCF相同。在变速恒频系统中，发电机是直接由发动机来传动的，因此发电机输出的是变频交流电，经过变频器后变为频率恒定的交流电。目前变速恒频系统从变换方式上有交直交变速恒频电源系统和交交变速恒频电源系统两种。(4)混和电源为了适应全电飞机的发展，出现了由270V高压直流电/恒频交流电/变频交流电组成的混和电源系统。发电机由发动机直接传动，发电机输出的变频交流电通过各种变换装置分别获得270V，28V直流电，400Hz，115/200V恒频交流电，这种新型混和电源系统是可供选择的先进飞机电源系统之一。2.1.3飞机供电系统的特点和基本参数飞机供电系统与其它飞机电气设备一样，由于有特殊的工作条件，对飞机供电系统提出了一系列的技术要求：(1)供电系统工作可靠，这直接关系到飞机的安全和战斗力的发挥；(2)供电系统的重量和尺寸要小，这样可以使飞机的有效载荷增加；(3)供电系统的工作可靠，要求不受周围介质条件的影响;(4)供电系统工作可靠，要求不受空间位置、速度和加速度的影响。以上列出的只是一些基本要求，对于整个供电系统及其设备元件来说是远远不够的。在目前的技术条件下，以绝大多数现役飞机电源系统的安装容量为基础，综合考虑电源和配电系统以及用电设备方面的影响，采用下列基本参数是合理的：对交流电源系统：（1）三相四线制；（2）额定电压115/200V（发电机端120/208V）；（3）额定频率400Hz。应该指出，只是说115/200V400Hz三相四线制交流系统在目前大多数情况下是合适的。根据航空技术发展情况，从减轻供电系统重量而言，可能采用较高的系统是有利的，例如采用230/400V400Hz三相四线制交流电源系数。另外，研制表明，在超音速运输机上的最佳频率应为在8002400Hz之间，相电压应为在230575V之间。对低压直流电源系统：（1）单线制；（2）额定电压（调压点）为28.5V。2.2航空电气系统故障在飞机电气系统中，有许多的故障问题，就拿飞机导线来说，其存在的故障是现代飞机常见的故障。在飞机及其内部部件（如发动机、APU等）的使用初期，因为厂家装配不适当的原因，比较容易出现导线故障；通过适当的调整和修理，飞机及其部件存在一段较长时间平稳期，这个阶段的导线故障率很低，甚至为零；随着机龄的增长，由于导线老化、腐蚀、磨损等原因，导线故障的发生开始变得相对频繁3。就拿飞行器的电缆来说：航空F-18C/D战斗机电缆总长为17.5km，典型宽体喷气式飞机则为240km。电缆正确接入飞行器中，通过燃油缸正常工作，并且沿水利线缠绕。够到这些电缆设备往往还要折除飞行器外部设备。每一次触及电缆，解除、处理再整合，就会加重电缆破损的危险。然而，飞机维修工往往没有对这个问题给予重视。据了解，他们常常站在电缆上工作而不是站在凳子上，他们常常随意切断或接合电缆，原因是有些地方他们够不到，他们还常用锤子敲打接合处，使电缆更容易松动。维修或更新过程中用剃刀切削，还有普通的飞行器振动都会造成绝缘层损坏。飞行器的其它方面研究员还尚未研究过，但并不代表没有问题。栗鼠的存在以及废物的堆积会使得这些隐蔽的地方成为易燃之处，随时放射火花和烟雾。在电线捆周围往往还会有较难处理的胶糖。这种压缩，动物排泄物灰尘，潮湿和各种无名成分会造成对绝缘层的腐蚀。所以现在维护老化电缆安全性能的有效方法就是保持飞行器清洁。保证飞机的正常运行，就要涉及到飞机电缆线路故障的排除，由于飞机电缆的错综复杂，又考虑到导线故障隐蔽性的特点，所以在飞机电缆中存在的故障很难被发现，不过可以根据导线故障发生的规律，可以采取主动预防的方法，在导线故障发生之前就将故障隐患进行纠正。故障点的查找与断定，是航空电气系统中排故的一大难点，即使顺利的找到故障点后，怎样解决故障又是一大难题由于目前技术存在各自的缺陷，寻求新技术是十分必要的。包括自动交配反射试验；精巧电缆系统真实探测，斑点处探测，优越的防火性能，和故障电弧电路断路器。自动配对的反射光技术现在已被应用，这就意味着也许有一天维修工人只利用简单的物理方法就可以测定电缆性能。一个手动单元可以固定在电缆周围，这就不用直接与电缆接触。最近，一个全方位自动配对的TDR单元被Phoenix航空局研制成功，这项技术又使得故障预测和诊断功能有了进一步发展，它可以精确预知故障发生处并予以解决。相应的软件也可以很容易嵌入具体应用的集成电路形式或相似的小的计算平台，这位监测导体的嵌入打下了基础。同样，发射光技术在发现小的绝缘层破裂处时也推动修理技术进一步向前发展，当电弧放电发生之前就可以检测到绝缘层磨损处，消除电弧放电隐患。再好的探测方法可以用水或盐将电缆润湿，或在飞机内充入惰性气体。对于维修工来说，寻找那些时有时无的故障是十分困难的。这些故障往往来源于震动，温度变化，湿气，重力，电磁干扰。解决这些问题需要系统在飞机飞行时就能根据响声寻找故障。因此设计小巧的电缆系统，持续检测电缆，包括起飞前和整个飞行过程。现在逐渐更新的系统包括频率掌握反光仪，舷侧制造，环境传感器和无线通信设备，它又融入一个小型化单元中，数百个这样的单元都可以同时嵌入电缆系统。他们可以监测电缆性能，知道如何进行电缆维护，甚至可以检测故障并及时修复。在如今的传感器设计中，提倡一种将传感器嵌入其内部的新型电缆。这是“联合作战”战斗机得以长期使用而没有退役的关键所在。考虑到重量和空间的约束，不得不采用微型传感器，并利用刚刚将现的材料科学技术，和微电子机电系统设备。普通断路器一般利用感温双金属元素，只有当较大的电流流过电路较长时间时，这些元件才能够感温，这种能量可以在待测电路中持续存在0.35min，0.8s。与之形成鲜明对比的是单项电路电弧故障可能仅仅持续1.25ms，而它造成的一系列后果却要持续2030ms。如果不能对断路器进行即时触发，就会对电缆引起灾难性破坏。伴随而来的是火灾的发生。在电弧故障断路器中，包括复杂的电子元件，等间距的地方都会有这样一个元件。时间和频率掌控的过滤器，可以从电流波形中提取出电弧故障信号。这个信号可以被整合再加以区分，使用的方法是普通电路和故障电弧电路之间的模式配对算法。这是一个短暂的过程，发动机被打开再关闭，可以在电弧放电过程中被提取。在日常生活中，已经用到过电弧故障断路器，在飞行器中这些断路器则更加小型化。通常，这些断路器要么与传统温感断路器纵排放置使用，要么就是内部含有感温元器件和模式配对电子元件一并使用。理想情况下，电气回路也可以添加进去，在断路器被触发之后解除故障11。3 故障电弧分析为了更好地对到航空电气系统中的故障电弧进行分析，本章将对电弧的产生及特性进行简单的介绍。3.1电弧理论3.1.1气体放电在正常状态下，气体具有良好的电气绝缘性能。但当在气体间隙的两端加上足够大的电场时，就可以引起电流通过气体，这种现象就称为气体放电。放电现象与气体的种类和压力、电极的材料和几何形状、两极间的距离以及加在间隙两端的电压等因素有关。电弧或电弧放电是气体放电的一种形式。假设有如图3.1所示直流电路，电路由两个电极组成的气体间隙、电源、电阻构成。间隙上所加电压从零逐渐增加，就会发生气体放电现象。图3.1中b图是气体放电间隙的电流与其两端电压的大致关系。按照放电性质的不同，它可分为两个阶段：非自持放电阶段(0-c )、自持放电阶段(c-f)。在间隙两端升高电压的开始阶段(0-a)，因为此时加到电极上的电压在间隙中产生的电场强度较小，不足以产生电场发射和电场电离，只有很微小的电流流过间隙和电路，这是因为宇宙射线等外界电离因素的作用，间隙中存在有少量的带电粒子，因此随着电压的升高电流有所增加。到达a点以后，电压再增高，电流将保持不变，直到b点。在这个阶段中外界电离因素的作用所产生的粒子数是一定的，因此电流就是一个恒定值。这时虽有电流，其数值却很微小，因此工程上常把它略去，认为在这个阶段中气体是绝缘介质，间隙是不导电的。在b点以后，电压继续升高，电流又开始有稍快的增加，这是在外界电离因素和较高电场的作用下，足以产生电场电离，气体间隙中的碰撞电离和阴极表面的电子发射使自由电子增加的结果。一直到c点以前，电流都有增加的趋势。如果在此过程中移去外界电离因素，那么即使电场仍然作用着，放电也就随即停止。这种在外界电离因素作用下的放电现象称为非自持放电。c点前的放电属于非自持放电。在c点以后，间隙中出现了一种新的放电现象，这时电流迅速增大到较大的数值，气体开始发光并发出声响。这时即使停止外界电离因素的作用，间隙在电场的作用下，放电并不停止。间隙放电进入自持放电阶段的阶段，气体呈现辉光，称为辉光放电。此时间隙中气体的电离方式仍然主要是电场电离，放电通道的温度为常温，电流密度小，阴极压降较高。当电流增大到ef阶段时，放电形式转为电弧放电，即间隙中产生电弧。电弧放电是气体自持放电的一种形式，可以认为是放电的最终形式。电弧放电的特点为放电通道有明显的边界，发出强光，通道中温度极高(6000K以上)，电流密度很大，阴极压降很小，电离方式主要是热电离。因此电弧是一种能量集中、温度很高、亮度很大的气体自持性放电现象。电弧是一束导电性能极好的电离的气体。cabfedU+_UEIa 气体放电实验电路图3.1 气体放电实验电路b 气体间隙中电压与电流的关系03.1.2气体电离物质的原子是由原子核和若干电子构成的。对于中性的气体，气体原子内的电子受到原子核的正电荷的吸引，只能在围绕原子核的一定能级的轨道上运动，没有外界能量的作用，它不能从原子内部跑出去，中性气体中不存在自由电子，因此气体是不导电的。如果加到气体原子上的能量足够大，使大量的电子从围绕原子核运动的轨道上脱离出来并成为自由电子。这种从气体中性粒子(原子或分子中分离出自由电子的现象称为电离。气体电离后，由于存在自由电子，气体成为导电状态。气体电离具体理论就不在这里详细介绍了.3.1.3电弧的组成部分电弧在阴极和阳极之间稳定燃烧时，电弧压降沿电弧长度并非均匀分布，电弧压降可分成三个区域：阴极位降区域、弧柱区域和阳极位降区域。电弧的两个电极：阴极和阳极，也可认为是电弧的组成部分。电弧形成后，在阴极附近聚集着大量的正离子，形成正空间电荷(正离子层)，使阴极附近的电位有一个较大的跃变，称为阴极电位降;这对加速正离子向阴极运动、碰撞阴极表面产生二次发射和形成高电场发射起着重要作用412。在阳极附近则聚集着大量的电子，由于有未被补偿的负空间电荷(电子)存在，也有一个电位跃变，形成阳极电位降。阴极和阳极位降区域都处于靠近电极的很小范围内，因而其电位梯度可达到较大的数值。电弧的中间部分是弧柱，在自由状态下近似呈圆柱形，此区域内的电离气体中，正负带电粒子数目相等，也称为等离子体。由于不存在空间电荷，弧柱区近似于金属电阻，它的电位沿轴线均匀分布，电位梯度几乎不变。可以用弧柱电阻来表示其特性。当电弧稳定燃烧时，随着电流的变化，阴极和阳极压降的数值变化不大，一般近似为常数。电弧的阴极区域对电弧的发生和物理过程具有重要的意义，形成电弧放电的大部分电子是在阴极区产生或由阴极本身发射的。电弧放电时，实际上并不是整个阴极全部参加放电过程，阴极表面的放电只集中在一个很小的区域上。这个区域称为阴极斑点，它是一个非常集中，面积很小的光亮区域，其电流密度很大，是电弧放电中强大电子流的来源。阳极表面也存在阳极斑点，它接收从弧柱中过来的电子。弧柱是由高温、电离了的气体形成的充满了带电粒子的等离子体。弧柱的特性和物理过程对电弧起着重要的作用。按照近极压降和弧柱压降在电弧电压中所占比例的不同，可以将电弧分为短弧和长弧。短弧是指电极间距离很小，以致弧柱压降可以忽略不计的电弧，长弧是指电极间距离比较长，弧柱压降远远大于近极压降的电弧。在长弧中弧柱的过程起主要作用。3.1.4 电弧的产生在电弧研究过程中，研究电弧发生的条件是有重要意义的。电弧的发生有以下几个主要途径: (1)电路开断时电弧的发生，在触头开始分离运动时，作用在它们之间的接触压力将减少，接触面积也缩小，接触处的电流密度逐渐增大，因而接触电阻和触头中放出的热量就增加。因而此处的金属强烈发热。在触头分离瞬间，热量集中在很小的体积中，金属被加热到高温而熔化。在触头之间形成液态金属桥，最后金属桥被拉开，一部分变成蒸汽进入触头间隙中，炽热的金属表面加剧了电子的热发射：同时，触头开始分离时距离很小，触头间的电场强度很高，阴极表面将产生场致电子发射。这两种电子发射使得大量电子进入触头间隙，它们在电场作用下，通过电场电离使触头间隙中产生更多的电子和正离子。其中一部分正离子和电子在触头间隙中复合，放出的能量以光的形式进行辐射。结果热辐射促使气体电离，气体的导电率越来越大，在触头之间形成过渡的或稳定的电弧。如果这放电是稳定的，则就是所谓的开断电弧。放电稳定性与很多因素有关，如在开断前的电流、触头电路的特性、触头分离的速度等。(2)触头闭合时电弧的发生。当连接到电压源的两个触头闭合之前会发生电击穿。击穿电压的最低值对于银触头大约是15v，这时可以发生通常的电弧放电。(3)真空和气体间隙的击穿。电弧可以在真空的两电极间发生。这种电弧可以称为真空电弧。但电弧实际上并不是在绝对真空而是在金属蒸气中燃炽。(4)从火花放电到电弧放电的转变。当两电极之间的间隙被击穿形成火花放电时，就在间隙形成导电通道，开始输入能量，电流逐渐上升。电流上升速度一般决定于外部电路的参数，但在两电极间的电容经常有某些储藏的能量被迅速输入到通道中。通道强烈地被加热和扩展，并且扩展的速度在初始阶段可以近似地看作为冲击波的传播。火花放电可以引起具有大的压力跃变的冲击波。3.2电弧的物理特性电弧的伏安特性说明电弧电压和电流的关系，是电弧最重要特性之一。电弧电压与电流之间的函数关系，首先决定于电弧间隙的物理过程。弧柱的物理状态不是静止的，在其中始终进行着电离和消电离过程。如果电离和消电离过程相平衡，则弧柱处于动平衡状态而不是时间的函数。弧柱处于动平衡的工作状态称为静态和稳态。稳态电弧(直流稳定电弧)的伏安特性称为静特性。当电弧工作状态改变时，弧柱动平衡被破坏，发生过渡状态。但如果电弧中电的过程改变得慢，热的过程来得及跟上，则电压与电流的关系仍和静态一样。如果电的过程改变得快，以至热的过程跟不上其改变的过程而出现热迟滞现象，这时的伏安特性称为动特性。处于不稳定状态的直流电弧和交流电弧其伏安特性为动特性。在一系列稳定状态下，决定了相应的电弧和电压的数值，就可以得到电弧的静特性，电弧的静特性曲线一般是下降的，其原因是当电流增加时，电弧通道的截面增加，温度也升高，因此电弧电阻很快下降。某些类型电弧的静特性在开始时下降，而以后在电流较大时上升，这种情况与此时阳极材料的蒸发增加有关。1)弧柱的电位梯度电弧弧柱是由等离子体构成的，当电流流过时，由于电弧电流产生的磁场的作用，产生将等离子体压向中心的压力。假设弧柱具有圆柱形的对称，电位梯度可近似地由下式决定： （3.1）式中，Ua为阳极电位降；Uc为阴极电位降；Uarc为弧柱压降；l为电弧长度弧柱电位梯度E与电弧电流Iarc的关系可以由下式确定： （3.2）式中，r为弧柱通道半径；n为电子密度；be为电子迁移率；e为电子电荷。除电流外，弧柱电位梯度还与许多因素有关，如电弧运动的速度、气体的可动性、气体的导热系数、气体的压力以及电弧所处的狭缝或管道直径等。电弧既是电的又是热的现象，所以电弧所处热的条件，严重地影响到其电特性。如果散热条件好，则弧柱消电离过程强，弧柱电位梯度就升高。在许多情况下，电弧热量的散出与电弧在其中燃炽的气体的可动性和导热系数密切相关，试验表明，弧柱电位梯度有随着气体导热系数成正比上升的倾向。电弧与固体绝缘壁的接触使电位梯度有很大的增高。如果迫使电弧在绝缘板之间的狭缝或小直径的管道中燃炽，能使弧柱电位梯度增加几倍。2)电弧的温度电弧温度比较高，测量电弧温度是很困难的。一般采用光学等间接方法进行测量，由于试验条件和测量方法的不同，获得的数据差别很大，因此在文献中关于电弧温度的数据常是彼此有很大差别。各种不同类型的电弧及不同区域中电弧的温度都可以在很宽的范围内变化。在开关电器中一般采用的数据，在燃弧时为6000K20000K，在电弧熄灭时为3000K4000K。电弧的燃炽和熄灭与温度有很大的关系。电弧温度与电流有重要的关系，电流的增加基本上标志着温度的上升。例如，在10A时碳弧柱轴心温度稍高于6000K，而当电流增加到200A时，温度上升到11000K，温度上升就使弧柱的电导增加而电位梯度下降。在强迫冷却电弧时，可以引起电弧电流密度的增加，因而使电弧轴心温度升高。电弧所有区域的温度都随着气体压力的增加而上升，因为压力增高时发生一般的放电收缩，从而使单位体积内功率的转换显著增加。在交流电弧的情况下，弧柱温度不仅随着电流有效值的增大而增大，并且随着电流相位角的变化而变化。因为构成电弧的气体具有一定的热容量，电弧温度的变化滞后于电弧电流的变化。3)电弧的直径当电弧电流大小给定时，在大多数情况下，电弧有一个极其明亮的呈圆柱形的边界和直径，电弧中间明亮的部分，即弧柱本身，以及周围较宽广而亮度较低的外壳，即光圈。电弧中间明亮部分的直径大致相当于弧柱，就是电弧的最大导电部分.光圈是围绕着弧柱，受热并已发光的气体，但它的温度还不足以显著地产生电导。显然，电弧的直径应该理解为电弧中间明亮部分的直径。它的大小和触头材料、电流大小、气体介质种类、气压以及气体与弧柱的作用程度有关。4)交流电弧特性工业用电弧大多数为交流电弧，因此研究交流电弧有重要意义。交流电弧的电流变化速度很快，不可能建立稳定平衡状态，因此，其伏安特性为动特性。伏安特性由两条曲线组成，一条曲线低于另一条曲线，这是由于电极和弧柱气体的热惯性所致。所以交流电弧的伏安特性从电阻及其然炽的特性来看，决不能是完全相同的。它与电流的数值、电弧冷却的程度、电极的材料、气体的成分、电弧的长度以及电流的频率等因素有关。在交流电弧中，因温度随电流而变化，电弧的温度也是变化的。但气体的热惯性很大的，甚至在工频电流的情况下，也将引起温度的变化稍滞后于电流。在电流过零时，电弧的温度并不是最低值，而仍然保持相当高的温度。交流电弧直径变化与温度变化相似。在燃弧时，弧柱直径在电流过零时仍然保持相当大，直径的变化滞后于电流的变化。在气流吹弧时，弧柱直径几乎与电流同相位改变。3.3