电弧的基本特征.ppt

电 器 理 论 基 础-第三章,天津工业大学 电气工程与自动化学院 电气工程及其自动化专业,概 述 背 景 知 识 3-1 气体放电的物理过程 3-2 电弧的物理特征 3-3 直流电弧的燃烧与熄灭 3-4 交流电弧的特性 3-5 麦也耳电弧数学模型介绍 小 结,第三章 电弧的基本特征,本章讲授内容（其中红色内容是重点）1气体放电的物理基础；气体放电的理论。2电弧的物理特性；电弧产生的过程和电弧的温度、直径等特性。3直流电弧的特性和熄灭原理；直流电弧的熄灭条件和熄灭方法。4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。5、麦也耳电弧数学模型介绍,第三章 电弧的基本特征,实验室模拟磁环爆发,第三章 电弧的基本特征,空间天体等离子体,第三章 电弧的基本特征,“电弧”的定义：定义：在大气中开断电路时，当电源电压U U0=（1220），被开断电流（0.251）时，触头间隙中产生的一团温度极高、发强光、能导电的近似圆柱体的气体。,电弧是一种气体放电现象，也是一种等离子体（Plasma）。,电弧具有温度高和发强光的性质，被广泛用于焊接、熔炼和强光源等各个技术领域。但是，在开关电器中，电弧的存在却具有两重性。,一方面它可给电路中磁能的泄放提供场所，从而降低电路开断时产生的过电压，,另一方面它延迟电路的开断、烧损触头，在严重的情况下甚至可能引起开关电器的着火和爆炸。,因此，在电器技术科学中研究电弧的目的，不在于如何利用电弧稳定然烧的特性为生产服务，而在于采取怎样的措施使其存在的时间尽量缩短，以减轻其危害。或者说，研究电弧的目的是为了尽快的熄灭电弧。,气体放电:是指气体由绝缘状态变成导电状态，使电流通过的现象。气体放电的前提：气体电离化。电弧是气体放电的一种形式。电子是按一定数量规律分布在其最低能级的轨道上。当原子受到外界能量(热、光、碰撞等)作用时，其外层轨道上的电子就可能吸收这些能量，克服原子核的吸引力而跃迁到更外层较高能级的轨道上去。然而，电子处于外层轨道上是不稳定的，常因受原子核的吸引力作用而自动跳回到原来的轨道上去。在跳回的过程中，电子以量子辐射的形式放出多余的能量。,3-1 气体放电的物理过程,一、激励与电离：、激励：也叫激发，是指原子吸收能量后，使电子由低能量轨道跳向能量较高的轨道的过程(激励后原子仍是中性原子，但原子的能量提高了)。此状态只存在10-910-8秒。,3-1 气体放电的物理过程,、电离：定义：电离是指原子吸收足够大的能量后，电子被激发到自由态而离开原子轨道形成自由电子，使原来的中性原子或分子(统称中性粒子或中性质子)变成一个带正电荷的粒子(正离子)的过程。电离能(yl)：指电离出一个电子所需的最低能量(单位为：，其值参见教材P58,表3-1)。为方便起见，电离能yl可以直接用电离电压表示，其单位由J改为ev；,3-1 气体放电的物理过程,激励一个电子所需的能量称为激励能，它的单位为eV。一个原子可以有几个激励能，它们分别对应于不同的外层轨道。一些气体和金属蒸汽的激励能也示于表3-1中。括号中的数字表示第二激励能。,3-1 气体放电的物理过程,已被激励的中性粒子比较容易电离，因为此时产生电离所需的能量小于正常中性粒子所需的能量，减少的数值即等于该元素的激励能。这种经过激励状态再电离的现象叫做分级电离。激励是一种不稳定的状态，大量被激励的中性粒子能以光量子的形式释放能量而自动的回到正常状态。,3-1 气体放电的物理过程,有一种特别的激励状态，在该状态下，已经跳到较外层轨道上的电子不能很快地返回原来的正常轨道。常常必须再由外界加进能量，使已处于较外层轨道上的电子跳到更外层轨道上去，然后电子才能跳回正常轨道，或者，电子在第二次外界能量的作用下发生电离。这种激励状态叫做介稳状态。中性粒子处于介稳状态的时间可达10-4-10-2s甚至更长，因而它在中性电子电离的过程中起很大作用。,3-1 气体放电的物理过程,二、气体电离方式：气体通常不导电，但是如果气体中含有带电粒子-电子、正离子和负离子，它就能导电。我们把这种气体叫电离气体。气体中被电离的原子数与总原子数之比叫做电离度。电离度越高气体导电率越大。气体电离方式可以分为：表面发射和空间电离。,3-1 气体放电的物理过程,、表面发射：指由金属表面发射电子的现象；它包括了热发射、高电场发射、光发射和二次发射。热发射：在20002500K范围内，金属表面自由电子获得足够的动能，超越金属表面晶格电场造成的势垒而逸出的现象。逸出功：记为yc，是指一个电子逸出金属所需的最低能量，单位为ev。,3-1 气体放电的物理过程,高电压发射：也叫场致发射，是常温下当金属表面的电场强度106(v/cm)时，自由电子逸出金属的现象。隧道效应 光发射：光线(红外线、紫外线及其他射线)照在金属表面，引起电子从表面逸出的现象。光电效应 二次发射：是指正离子高速撞击阴极或电子高速撞击阳极，引起金属表面发射电子的现象。在气压较高的放电间隙中，通常阴极表面附近比阳极表面附近的电场强度较高，所以阴极表面二次发射较强并在气体放电过程中起着重要的作用。,3-1 气体放电的物理过程,、空间电离：是指电极间气体受外力影响，其分子及原子分裂成自由电子和正离子的现象。空间电离的方式有光电离、电场电离和热电离；它们可能同时存在。、光电离：中性粒子受光照作用，当光子能量(h)大于等于原子或分子的电离能时，发生的电离。(h：普朗克常数，h6.62410-34，单位是js；：光子的频率，S-1)。光电离作用的大小，与光频成正比，所以X射线、宇宙射线和紫外线都有较强的电离作用。,3-1 气体放电的物理过程,、电场电离：也叫碰撞电离。是一个质量为m的带电粒子(由光电离或表面发射所产生)在电场的作用下被加速到后，如其动能 MV大于yl，那么，当其与中性粒子发生碰撞时，此动能就可以被传递给中性粒子的外层电子，使它脱离原子核的引力范围成为自由电子。动能超过电离能的电子，不是每次碰撞中性粒子都能使之电离的，而存在一定几率。电离几率的大小既取决于动能的大小，又取决于电子和中性粒子两者电磁场相互作用时间。有可能碰撞使中性粒子处于激励状态，然后再碰撞才电离。有时碰撞后既不电离也不激励，而是附着在中性粒子上而构成负离子。负电性气体：对电子的粘合作用特强的气体，多为氟原子及其化合物。,3-1 气体放电的物理过程,、热电离：当气体温度在30004000K以上时，气体粒子因高速热运动而互相碰撞所产生的电离。气体的热电离度可用沙哈公式计算：,式中，P是压力（Pa），T是气体温度(k)，Wyl是中性粒子的电离能(J)。温度越高，气体的电离度越高。,3-1 气体放电的物理过程,由图3-1知，金属蒸汽的电离能比一般气体小得多，所以相同温度下，前者的电离度大于后者。气体中混有金属蒸汽时，其电离度要比纯气体的高，即电导率要大。,3-1 气体放电的物理过程,三、去电离及其方式：、去电离：也叫消电离；是指电离气体中的带电粒子离开电离区域，或带电粒子失去电荷变成中性粒子的现象。、去电离方式：包括复合与扩散。、复合：两个带异性电荷的粒子相遇后，相互作用引起电荷消失，形成中性粒子的现象。具体有以下两种方式：a、表面复合：四种。电子进入阳极；正离子接近阴极后从阴极取得电子，自身变为中性粒子；负离子接近阳极后将电子移给阳极，自身变为中性粒子。还有，走向未带电金属的带电粒子在金属表面感应出相反的电荷，由于库伦力的作用它被吸附到金属表面。如果此时再有另一异号带电粒子也走向金属表面，则两个粒子通过金属分别交出和取得电子而变成一个或两个中性粒子。,3-1 气体放电的物理过程,3-1 气体放电的物理过程,b、空间复合：两种直接复合：正离子和电子在空间相遇后形成一个中性粒子间接复合：电子粘在中性粒子上形成负离子，再与正离子相遇复合成为两个中性粒子。,3-1 气体放电的物理过程,复合概率和气体的性质及纯度有关。例如，惰性气体和纯净的氢气及氮气都不会与电子结合成为负离子，而氟原子及其化合物（SF6）就具有极强的捕获电子的能力。因此SF6被称为负电性气体，是一种良好的灭弧介质。带电粒子在复合过程中要释放部分能量，后者被用以加热物体的表面（表面复合时）；或被用以增大所形成中性粒子的运动速度及以光量子的形式向周围空间辐射（空间复合时）。,3-1 气体放电的物理过程,、扩散：弧柱中的带电粒子，由于热运动，从弧柱中浓度高的区域移到浓度低的区域的现象。它使电离空间内带电粒子减少，从而降低电离度，有助于熄灭电弧。,3-1 气体放电的物理过程,当电离气体中正负带电粒子数相等(这种电离气体称为等离子体)时，扩散必然是所谓双极性扩散，亦即在同一时间内，扩散的正离子数和负带电粒子数相等。否则，扩散不能继续进行。例：假设多扩散了一个负离子，则电离气体中相对多了一个正离子，于是电离气体中将形成一正电场，他它对正离子进行排斥而对负带电粒子进行吸引。结果加速正离子的扩散而阻碍负带电粒子的扩散，使电离气体中粒子数趋于新的平衡。,3-1 气体放电的物理过程,气体放电方式,表面发射,热发射场致发射光发射二次发射,空间电离,光电离电场电离热电离,气体消电离方式,复合扩散,表面复合空间复合,3-1 气体放电的物理过程,四、气体放电,3-1 气体放电的物理过程,、气体放电的几个阶段：见图3-5。、非自持放电阶段：是指间隙中最初的的自由电子是由外加因素产生的，当外界因素去除后，间隙中无自由电子存在不能进行导电，放电无法维持。所以图中的C段称为非自持放电阶段：OA段：此时电压过低，间隙电场强度过小，外加电离因素（宇宙射线、射线等）产生的带电粒子不能全部达到阳极，属漫游状态，当U时，到达阴极的带电粒子成比例增加；,3-1 气体放电的物理过程,、非自持放电阶段：AB段：此时加到电极上的电压在间隙中产生的电场强度较小，不足以产生高电场发射和电场电离，间隙中带电粒子仅由外加电离因素（宇宙射线、射线等）产生，在电压数值超过A点时，他们能够全部达到阳极，而呈现 电流大小与电压数值无关的特性。BC段：此时电压数值较高，间隙电场强度较大，自由电子在此电场作用下运动时，足以产生电场电离。由此产生的正离子在电场作用下向阴极运动，并在到达阴极时轰击阴极使之产生二次发射。发射出的电子进入气体间隙，再继续进行电场电离，因而随着电压的升高,电流增长较快。,3-1 气体放电的物理过程,、自持放电阶段：图3-5中的CF段。a、定义：电压升到C点时，由高压电场发射和二次发射产生的电子数已足够多，此时去除外界因素后，也能由电子通过电场电离产生正离子，再由正离子通过二次发射产生电子这一往复作用维持间隙的放电，放电能够维持的阶段，即图中的CF段。,3-1 气体放电的物理过程,C点附件的BD区，因为汤姆逊最早对其进行研究，故常称为汤姆逊放电区。在DE区，气体成辉光，故称为辉光放电区。此时间隙中的电离方式主要是电场电离。辉光放电的特征为：放电通道的温度为常温，电流密度小，阴极压降较高。,3-1 气体放电的物理过程,EF区的放电形势为弧光放电，即间隙中产生电弧。弧光放电特征是：放电通道有明显边界，通道中的温度极高，电流密度很大，阴极压降很小，电离方式主要是热电离。,3-1 气体放电的物理过程,、自持放电阶段：图3-5中的CF段。b、自持放电的条件：发生了间隙击穿(放电电流雪崩般增加，即放电突变的现象)。间隙击穿电压主要决定于气体压力和电极间距离的乘积，即jc f(pl)，其也称为巴申曲线。,3-1 气体放电的物理过程,3-1 气体放电的物理过程,由图3-5的伏-安特性可以看到，在电压升高的过程中，间隙中气体一进入自持放电阶段，则由于伏-安特性是随着电流的增大而迅速下降的，若与间隙串联的的电阻数值不是很大，间隙中将流过较大的电流而进入辉光或弧光放电区，亦即气体间隙由绝缘状态变成导电状态。这一现象称为气体间隙的击穿 以下主要分析气体间隙的击穿条件以及击穿电压与气体间隙参数的关系。,五、气体间隙的击穿理论：,按照汤逊气体放电理论，假定:1.当电子的动能小于气体粒子的电离能时，两者碰撞后不发生电离，反之一定电离，2.电子和气体粒子碰撞时，放出全部动能，然后再从零速开始下一次行程3.电子沿电场方向运动，不考虑其实际轨迹为“之”字形的特征。,1、汤逊第一系数：即空间电离系数，是一个电子沿电场运动时，在单位距离内由电场电离而产生的带电粒子对数（一个电子和一个正离子为一对），其表达式为：,其中，P是气压，mmHg；T：气温，k；A0、B0：是经验数据。,3-1 气体放电的物理过程,2、间隙击穿条件：分均匀电场和不均匀电场考虑。1）均匀电场：（1）气体间隙击穿条件：,式中是表面电离系数，又叫汤逊电离第二系数，见表3-3，例如铜电极的0.025；汤逊第一系数是空间电离系数。,3-1 气体放电的物理过程,3-1 气体放电的物理过程,式中，A、B是常数，见表3-4。,（2）间隙击穿电压Ujc：,3-1 气体放电的物理过程,另外，“pl”应看作一个参数。铜电极在空气下的Ujc对pl试验曲线（实线）与令r=0.025、按上式作出的Ujc对pl的关系曲线（虚线）如图3-7所示，称为“巴申曲线”。,（2）间隙击穿电压Ujc：,3-1 气体放电的物理过程,“巴申曲线”分析，结果：除pl很小外，实线与虚线很接近；pl很高（提高气压）或很低（真空）时，Ujc较大；p在特定位置（pl）min时，Ujc最小（Ujcmin）。当pl大于或小于（pl）min时，Ujc将随着Pl的增大或减小而增大。这就说明：提高间隙的气压或将间隙放在高度真空中，都可以提高其击穿电压。,3-1 气体放电的物理过程,将上式对pl求极值，可得铜电极在空气中的最小击穿电压：,实际空气中的最小击穿电压为327V，氢气为220v。,3-1 气体放电的物理过程,最小击穿电压计算：,2）不均匀电场的气体间隙击穿条件：,3-1 气体放电的物理过程,按照汤逊理论可以解释气体间隙击穿的机理，但是，用它来解释长间隙气体放电过程的发展时间，并不与实验完全符合。为此有基于光电离作用的所谓流注理论作为补充。,按照流注理论，气体间隙击穿过程如下：从阴极发射的电子，在电场作用下向阳极运动的过程中经过一系列碰撞，在其途径上产生大量正离子和负离子。由于电子运动速度较快，大量集中在前进方向的前部，而正离子分布在其后部。这样就形成了如图3-8 A所示的正电子和负电子的集合体A-电子崩。,随着电子崩向阳极的移动，其中的电子和阳离子越积越多。一方面改变了间隙中电场分布情况，使崩头和崩尾电场强度增大，另一方面，由于崩头和崩尾得电荷削弱了电子崩内部的电场，使得其中的复合作用加强。复合过程中放出大量的光子。如果这些光子在距电子崩A头部不远处使气体粒子电离产生了电子，那么这些电子 将在较强的电场作用下向阳极移动，通过电场电离经较短的时间又产生第二个电子崩B。继续发展又产生电子崩C。,每个电子崩的头部和尾部分别向阳极和阴极发展，很快它们就连成一个气体电离通道，使间隙击穿。因为这一理论是基于光子的辐射作用使气体逐段电离，然后连成一片，不需要从阴极发射的电子跑完整个极间的距离，这就能很好地解释了长间隙击穿过程的快速性。,在开关电器中，气体间隙击穿后，通常立即发生弧光放电。弧隙中带电粒子的变化情况可用离子平衡方程式表示：,3-1 气体放电的物理过程,弧隙中带电粒子数随时间的变化率。光、热发射和电离作用高电场发射、二次发射和电场电离作用复合作用带电粒子数随时间的变化率，扩散作用带电粒子数随时间的变化率。,当带电粒子变化，带电粒子趋于增多，电离作用加强，电弧燃烧趋热；当 时，电弧燃烧趋于稳定；当 时，电弧燃烧趋于熄灭。,3-1 气体放电的物理过程,3-2 电弧的物理特征,一、开断电路时电弧的产生过程 1、最小生弧电流和最小生弧电压 当被开断的电流和电压超过触头材料的最小生弧电流和最小生弧电压（直流见表4-6，交流见表4-7）时，弧隙中将产生电弧。,如果电流或电压小于表4-6中所列的数值，则开断时只能产生一为时极短的弧光放电通常称为火花。,2、电弧产生的场合：1）电压、电流大于最小生弧电压和最小生弧电流时，会产生电弧；2）触头闭合过程中，因动触头“弹跳”，在一定条件下产生电弧；3）触头分离时，电弧产生过程。,3-2 电弧的物理特征,开关电器工作时，在大多情况下，被开断的电路的电压、电流都大于生弧电压和生弧电流，所以开断电路元件触头之间不可避免的的会产生电弧。,3、电弧产生和发展的过程：1）开始分离：接触面积减小，电流密度增大，强烈发热；2）分离瞬间：接触处的金属先熔化，产生液态金属桥及金属蒸汽，然后由热发射、高电场发射产生大量电子，再由电场游离产生电子和正离子，由复合作用维持热发射。电子进入阳极与正电荷复合并放出能量加热阳极表面。正离子走向阴极，一方面在阴极附近产生高的电场和轰击阴极，一方面从阴极取得电子进行复合并释放能量加热阴极以维持电子的热发射。另外，一部分正离子和电子在弧隙空间复合，放出的能量以光的形式进行辐射或增加空气离子的热运动。,3-2 电弧的物理特征,结果：弧隙温度迅速升高，热电离越来越起主导作用，气体带电离子来越多，气体电导率来越大，弧隙两端电压（电弧电压）越来越小，直至带电粒子达到平衡，电弧稳定燃烧。注意：高电场发射是电弧产生的根本原因。,3-2 电弧的物理特征,二、电弧近极区和弧柱区的特征：1、直流电弧电弧压降Uh的三个区域：如图3-10所示的直流电弧，它在阴极和阳极之间稳定燃烧，电弧压降为Uh。而Uh 并不是均匀分布，而是分为三个区域：近阴极区、弧柱区、近阳极区。,3-2 电弧的物理特征,（1）近阴极区：这一区域长度约为电子的平均自由行程（小于10-4cm）。此区域聚集大量正离子，是一个正空间电荷，因而电位有一急剧的改变-即所谓的阴极压降Uc。阴极压降Uc较大，其值与阴极材料和气体介质有关，数值见表3-7。电场强度甚高（平均达到106107V/m）,这对加速正离子向阴极运动、轰击阴极表面以产生二次发射和形成高电场发射起着重要作用。,3-2 电弧的物理特征,（2）近阳极区：长度约为近阴极区的几倍聚集大量电子，属负空间电荷区，因而电位也有一急剧的改变-即所谓的阳极压降Ua；阳极压降Ua其值与阳极材料有关；由于阳极压降的数值与阴极压降数值相近似而近阴极区的较长，因而此处电场强度不大。,3-2 电弧的物理特征,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，所以一般近似认为是常数!,（3）弧柱区：处于近阴极和近阳极之间，自由状态下近似圆柱形；电离气体中正负带电粒子数相等，为等离子体；由于不存在空间电荷，类似金属导体，即每一单位长度上的电压降基本相等，换句话说，弧柱中的电场强度E沿弧长可看作是常数，其值与电极材料、气压、介质对电弧的作用等有关；弧柱电压UzIhRh。,3-2 电弧的物理特征,式中，U0是近极压降；E是弧柱电场强度V/cm；l是电弧长度。按Ua和Uc在电弧电压中所占比例不同，可将电弧分为短弧（极间距离很短的电弧）和长弧（极间距离很长，UhU0，且UhE的电弧）。,2、直流电弧电压：,3-2 电弧的物理特征,短弧电压几乎和电流无关，而长弧电压则大致与E成正比。,三、电弧长度：与发热及气流有关。四、弧柱的温度：电弧弧柱具有6000K以上的温度，任何材料与之长时间接触皆将气化，一般采用用光学方法间接测量温度。一般由于试验条件和测量方法不同，获得的数据差别也很大。开关电器：燃弧温度600020000K；趋向熄灭温度：30004000k。,3-2 电弧的物理特征,如图3-11，给出了电弧自身及周围温度场情况：由图可知：弧柱中心温度约为1000012000K。离开中心越远，温度越低。温度场的数值和分布情况与电弧 电流、电极材料、尺寸、形状、放置方式以及介质对电弧的作用 方式有关。,3-2 电弧的物理特征,交流电弧的情况下，弧柱温度不仅随着电流有效值增大而增大，而且随着电流相位角的变化而变化。如图3-12所示，弧柱温度变化有两个特点：电流下降到零时弧柱温度不为零。弧柱温度最高值滞后于电流相角一个相位角。即存在热惯性，像导体那样，可用热时间常数表示。,热惯性存在原因：构成电弧的气体具有一定的热容量，即要它温度升高或降低，必须供给或散发一定的热量，而热量的供给或散发需要经过一定的时间。因此温度变化要滞后于电流。近阴极区和近阳极区的温度，由于受电极材料的限制，要低于弧柱的温度。,五、弧柱的直径 当电流大小给定时，弧柱有一极其明亮的呈圆柱形的边界和直径，即所谓的弧柱的直径。其大小和触头材料、电流大小、气体介质种类、气压以及气体介质与弧柱的作用强烈程度有关。,3-2 电弧的物理特征,其大小目前仅在具体情况下用实验方法确定：铜电极在大气中自由燃弧，弧长0.52cm,当电弧电流为220A时：铜电极在大气中横向运动时的电弧，运动速度v为2050m/s和Ih为501000A时：,3-2 电弧的物理特征,受到空气压力纵吹（空气流向和电弧轴线一致）的电弧：式中：dk-弧柱直径 单位：cm Ik-电弧电流 单位：A K-常数 K=0.00230.0039 p-压缩空气的压力 单位：pa m和n-指数，m=0.220.27,n=0.60.7,3-2 电弧的物理特征,弧柱的形状：并非任何情况都是圆柱形。弧柱的直径也具有热惯性：电流下降到零时弧柱直径不为零。弧柱直径最高值滞后于电流相角一个相位角。,3-2 电弧的物理特征,六、电弧的弧根和斑点：1、弧根：弧柱贴近电极的部分；阴极和阳极的弧根的截面积通常小于弧柱的的截面积，接近电极的弧根一般呈收缩状态。2、斑点：弧根在电极表面上形成的圆形明亮点，其中：（1）阴极斑点：是指维持电弧存在的电子发射处，其电流密度高（104A/cm2，甚至达107A/cm2），导致电极材料迅速汽化，形成金属蒸汽进入弧隙。同时斑点区通过热发射、高电场发射和二次发射提供大量的电子；结果阴极表面逐渐烧损，形成凹坑。,3-2 电弧的物理特征,（2）阳极斑点：是电子进入阳极的入口，面积大于阴极斑点，故电流密度较小，但温度也可达到电极材料的沸点。,（3）阴极和阳极斑点的温度一般大致等于电极材料的沸点。因此，如果采用沸点比较低的金属制造开关电器的触头，则燃弧气隙中的金属蒸汽量较多。但在交流情况下，电流过零后阴极热发射电子数量较少，采用沸点高的金属制造触头，情况正好相反。,七、电弧的等离子流：弧柱是由等离子体构成的，当电流流过时，由于弧柱中心部分电流产生的磁场与其外部电流的作用，便产生了一将等离子体压向中心的压力。如图3-14所示。压强P与半径r的关系：Ik:电弧电流；rh:弧柱半径；P：弧柱截面压强,3-2 电弧的物理特征,压强P称为收缩压力或压力,由 可知：当Ik给定时，rh 越小则弧柱中心压力越大。电弧自由燃烧时，通常弧根处半径最小，因而该处弧柱中心压力最大。在此中心压力下，弧根中心部分的等离子体将沿弧柱轴线向压力较小的弧柱中部流动。这就形成一股等离子流。除此之外，弧跟处电极材料迅速气化，也将形成一股垂直于电极表面的金属蒸汽流。这两种气体实际上合成在一起，统称等离子流。,3-2 电弧的物理特征,研究表明：随着电极材料的不同，当电流大于1050A时，等离子流开始出现。他不仅产生在弧根处，而且产生在用人工方法使弧柱面积缩小的地方。如图3-15所示：,3-2 电弧的物理特征,八、电弧的能量平衡：弧柱的散热功率（传导、对流、辐射）：,长弧时电弧的总散热功率为弧柱的散热功率加电极散发功率：,3-2 电弧的物理特征,电弧输入功率,按照能量守恒定律可知电弧产生后进入稳定燃烧状态的过程如下：设电弧电流为一固定值，电弧产生初期弧柱温度很低，直径也小。这时一方面电弧电阻较大，电弧电压也较大，因而电弧的输入功率较大。另一方面此时散发的功率比较小。这样一来电弧输入功率将大于散发功率，多余的功率用于提高弧柱的温度和扩大其直径。,3-2 电弧的物理特征,随着弧柱温度的提高和直径的扩大，电弧电阻减小，使输入电弧功率减小，而散热在增大。上述过程继续进行，直至电弧输入功率等于散发的功率，弧柱的温度和直径便稳定在一定的数值上，电弧进入稳定燃烧阶段,3-2 电弧的物理特征,一般自由燃弧时，电弧电流越大，稳定燃烧的弧柱温度越高，直径越大，电弧电阻越低，电弧压降越小，但是电弧的输入功率会越大。上述自动调节电弧温度和直径的现象不仅存在于电弧产生阶段，而且存在于电弧燃烧到熄灭的整个阶段，尤其是电流和散热情况改变的动态过程。而且这个调节不能瞬间完成，对电流和散热情况改变有一定的滞后。,3-2 电弧的物理特征,式中 WQ是电弧的含热量，J；Ps：弧柱总散热量；Ph：电弧功率。因此，当 时，WQ逐渐增大，弧柱温度增高直径扩大，电弧燃烧趋热；,可得电弧的动态能量平衡方程：,当 时，WQ保持不变，弧柱温度和直径也不变，电弧稳定燃烧；当 时，WQ逐渐减小，弧柱温度降低直径缩小电弧趋于熄灭；,九、维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理：、前提：假定电弧是一个纯电阻性的发热元件。电弧燃烧时，从电源输入到电弧内部的能量转变成热能，通过传导(cd)、对流(dl)和辐射(fs)三种方式散失。,、用能量平衡的观点，分析维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理：令：h：输入弧隙的功率，；s：散失功率，；h s：h增加，th增加，弧径变粗；h s：h恒定，电弧稳定燃烧；h s：逐渐熄灭。,、用离子平衡的观点，分析维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理：令1：电离强度，即带电粒子增加率；2：去电离强度，即带电粒子减小率；1 2：h增加；1 2：h恒定，电弧稳定燃烧；1 2：电弧逐渐熄灭。,4、总结：电弧是热和电的统一体，具有“热-电效应”。热方面，熄灭电弧的关键是创造条件使电弧迅速冷却，使输入热功率小于散失功率；离子动平衡方面，使去电离强度大于电离强度，可使电弧熄灭。,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,一、直流电弧的伏安特性(非线性)：、测量直流电弧伏安特性的电路,（1）概念：在电弧长度维持不变的情况下，对应每一个直流电流Ih，当电弧中的发热和散热过程达到平衡后，弧隙两端都会有一个与之对应的电压Uh，则称Uh与Ih的关系为直流电弧的静态伏安特性，是非线性、反时限特性。（2）弧长改变时，直流电弧静态特性曲线将上下近似平移；（3）特性与电极材料、介质的种类、气压、温度、相对运动速度等有关。（4）电弧电阻Rh的计算公式：,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,2、直流电弧伏安特性曲线（见图3-19）与金属导体有不同的性质，当电流增大时，电压减小。或说电弧电阻随着电流的增大而减小。直流电弧伏安特性曲线呈如此形状的原因在于当电流增大时，输入电弧的功率增加，于是弧柱的温度升高，直径增大，因而使弧柱电阻剧烈下降。,直流电弧伏安特性曲线与许多因素有关：电弧长度、电极材料、气体介质种类、压力和介质相对于电弧的运动速度。,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,3、直流电弧伏安特性曲线分析：计算直流电弧静伏安特性电压与电流间的经验公式：式中:0：电弧近极压降，；Uk:直流电弧弧隙端电压 V；l：电弧长度，cm；n和c：常数，n0.25；Ih：电弧电流，；,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,静伏安特性曲线/动伏安特性曲线、3、：如图3-8所示.,任取图3-20的稳定燃烧曲线6中一点1（I=I1）分析图中曲线的变化情况：,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,图中，Ih时，Uh，原因是：Ih时，输入功率IhUh，温度T，结果直径d，导致Ps,Rh，最终Uh,即Rh。,在一定条件下，电弧的静态伏安特性只有一条，而动态伏安特性却随着Ih变化速度不同可有无数条。,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,二、直流电弧的稳定燃烧点与熄灭条件：、直流电弧的稳定燃烧点：（）对比直流电弧的静伏安特性曲线与电路的伏安特性曲线的关系。（）直流电弧的稳定燃烧点：也叫“工作点”，它们满足：,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,（）用图解法求直流电弧的稳定燃烧点并分析之：取电源电势E用ab表示，曲线A-A表示给定的静态伏安特性，ac与ab成夹角，令tan=R,于是图中ac高度表示E-RIh。,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,（）用图解法求直流电弧的稳定燃烧点并分析之：图中ac和曲线A-A交于1、2两点，在1点以左2点以右，直线ac高度低于A-A的高度，即E-RIh-Uk0,所以LdIh/dt0。所以在这两个区域内Ih 将随时间变化而增大。,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,只有在1点和2点上才有E-RIh-Uk=0，即LdIh/dt=0，所以Ih 为一常数。即电弧电流不随时间变化，电弧处于稳定燃烧阶段。由以上分析可知：存在两个稳定点1和2点，他们分别位于两个电流I1、I2。,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,由以上分析可知：存在两个稳定点1和2点，他们分别位于两个电流I1、I2，但是仅I2是真正稳定点，而I1是一个虚假稳定点，原因如下：在1点，如果某种原因使电流大于I1 时，则电路工作于1和2之间的区域，而在此区域dIh/dt0，于是电流继续增大直至I2。,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,在2点，如果某种原因使电流小于I2 时，则电路工作于1和2之间的区域，而在此区域dIh/dt0，于是电流将增大直至为I2。,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,由以上分析可知：存在两个稳定点1和2点，他们分别位于两个电流I1、I2，但是仅I2 是真正稳定点，而I1是一个虚假稳定点。电路处于2点时，无论电流何种原因引起波动都会自动回到2点处。,在开关电器工作时，人们希望的不是电弧稳定燃烧，而是迅速熄灭，即希望点2不存在，可从两个方面采取措施促使电弧迅速熄灭。,一方面，增大电路电阻使ac回到ac处。,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,另一方面是提高电弧静态伏安特性到如图3-23中虚线曲线A-A所示的位置，使之不和直线ac相交。这样，电弧也将趋于熄灭。,、直流电弧的熄灭条件：dIh/dt0，即E-IRUh,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,、提高电弧静态伏安特性到如图3-23中虚线曲线A-A所示的位置，使之不和直线ac相交，促使低压电器直流电弧熄灭的常用措施：用金属栅片分隔电弧，以增加近极压降 如图3-24所示，用许多平行排列的金属栅片将电弧分隔成许多串联的短弧，那么每一短弧都有一阴极和阳极压降，总的电弧电压便大为增加。,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,增大电弧长度用机械的方法增加触头之间的距离，见图3-25a。依靠导电回路自身的磁场或外加磁场使电弧横向拉长，见图3-25b。在磁场作用下，使弧根在电极上移动以拉长电弧,见图3-25c。,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,增大弧柱中的电场强度，具体方法有：a 增大气体介质的压力；b 增大电弧与流体介质间的相对运动速度(纵吹和横吹)；c 加强电弧与耐弧的绝缘材料的密切接触。,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,小结：低压电器中，通常采用提高电弧静态伏安特性的措施熄灭电弧；高压电器中，有时和增加电路电阻同时使用；此外，高压电器中还可采用如图3-26所示的人工过零法。,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,三、直流电弧的能量,电弧消耗能量,电源供给能量,电阻消耗能量,电感存储能量,1.电路电感越大，则其中储能越多，要电弧熄灭必需从弧隙散发的能量也越多，因而电弧越难熄灭。2.由于电感中能量的泄放需要一定的时间，因而电感的存在使电弧不能立即熄灭，必须等电感中能量泄放完或基本上泄放完后，电弧才能熄灭。,四、直流电弧熄灭时的过电压：,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,由于电路中存在一定的电感，当燃弧时间过短，电感中将产生很大的自感电势。它连同电源电势一起加在弧隙两端以及与之一连的线路和电气设备上，其电压可能比电源电压大好多倍，通常称之为过电压。过电压产生后，一方面可能击穿弧隙，使电弧继续燃烧;另一方而，可能将电气设备的绝缘击穿，引起破坏性事故。,弧隙过电压Ug,通常在Ih趋近于零时Ug最高，即此时Ug最大,1、当其他条件不变时，L越大，则Ugmax越大，因而一般需将电弧拉得越长才能熄灭;2、电弧电流趋近于零时的下降速度越快，亦即弧隙的消电离作用越强，则Ugmax越大。所以，在未采取限制过电压措施时，采用消电离作用过分强烈的灭弧方法，非但无益，反而有害。,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,3、限制过电压的几种措施：,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,一、交流电弧伏-安特性 当ih随时间按正弦规律变化时，在稳定燃弧的情况下，如果弧长不变，并且介质对电弧的冷却作用不太强烈，使得在ih过零期间Rh为一有限值，则一个周期内uh和ih的关系如图3-31所示。这叫交流电弧伏一安特性。图中箭头表示ih变化的方向。,3-4 交流电弧的特性,3-4 交流电弧的特性,用“能量平衡原理”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。（1）OA段：ih由0上升的零休期间，弧柱变冷、变细，Rh增大，因此uh（=ih Rh）以很陡斜率上升；,3-4 交流电弧的特性,（2）靠近A点与AB段：ih增大，Ph也增大，弧柱变热变粗，uh随 ih的增长再下降，其最高点A点的电压称为燃弧尖峰Urh。,3-4 交流电弧的特性,（3）BC段：ih到最大值（B点）后减小，uh沿BC曲线上升，因弧柱存在热惯性，Rh会比ih增大情况下同一ih时的数值为小，故曲线BC比AB低。C点电压为熄弧尖峰Uxh。,3-4 交流电弧的特性,（4）CO段：ih减小，Ph也减小，Rh逐渐上升。当ih下降速度比Rh上升速度要大于某一数值时，uh又开始随ih减小而下降。ih趋近于零，uh也趋近于零。,3-4 交流电弧的特性,（5）对应上图的电弧电压uh随时间t变化的波形：为马鞍形。,3-4 交流电弧的特性,燃弧尖峰Urh,熄弧尖峰Uxh,t,uh,i,0,uh,i,（1）纯电阻负载时，交流电弧的熄灭过程：电阻性负载下，ih与电源电压u同相,当ih过零时u也过零。当ih过零以后、urh到来之前（电弧已熄灭），因Rh迅速增大，加在弧隙上的电压即是u的瞬时值，uh乃是u的波形，u从零上升弧隙电压也从零上升；ih=u/Rh，值很小。,3-4 交流电弧的特性,2）考虑负载（电阻性与电感性）影响后的uh-ih波形：,随着u上升，ih逐渐增大。当u上升到足以使PhPs 时，Rh 迅速减小，ih 迅速增大。此后ih基本基本决定于电路负载的大小，而弧隙上的电压则基本上决定于相应的电弧动态伏-安特性。在ih半波末了时，ih减小，uh上升；当u下降至低于uxh时，电弧uh又随u变化（电弧完全熄灭）。结果：urh之前和uxh之后的uh波形（实际是弧熄的波形），皆与u的波形基本重合。,3-4 交流电弧的特性,（2）电感性负载下，交流电弧的熄灭过程：ih落后电源电压u约90。当ih过零时，u约处于幅值，电弧熄灭。当ih过零时，Rh迅速增大，电路相当于完全开断，uh将以很快的速度（比电阻性负载快得多）趋向于u的幅值，故urh出现较早，弧熄中通过较大负载电流的时间也提前。,3-4 交流电弧的特性,在ih 接近半波末了时，弧隙上的电压系由负载电感中自感电势所产生，与u的数值无关，所以此时弧隙上的电压基本取决于电弧动态伏-安特性。,3-4 交流电弧的特性,结果：电感性负载电路中，urh之前和uxh之后的uh的上升和下降速度比电阻性负载中要快的多。,3-4 交流电弧的特性,（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路中的电弧容易熄灭。原因如下：一是：“电压比较”的结果。见P85 第二段的说明，加上“在ih过零前的一段时间内，PhPs，弧柱是变冷、变细的。如ih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PhPs，弧柱将变冷、变细，Rh将更加增大，也使urh更加增高。如urh的增高大于u的幅值，Rh将不再迅速下降，因此电弧将不再重燃”。,3-4 交流电弧的特性,二是：“零休期时间”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。,3-4 交流电弧的特性,二、电弧电压对交流电路电流的影响 1、零休现象：1）电阻性负载：urh