电弧的基本特性.ppt

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1、1,本章教学目的与要求：掌握电弧的物理特性，了解气体放电的物理过程；掌握直流电弧的特性及熄弧原理，熟知在直流开关电器中可以使用的促使直流电弧尽快熄灭的原理方法；掌握交流电弧的伏安特性，熟悉电弧电压对交流电路电流的影响，了解交流电弧的能量计算及电弧数学模型。本章教学重点与难点：电弧的物理特性，生弧电压与生弧电流；直流电弧的伏安特性与熄灭原理；交流电弧的伏安特性，零休现象本章教学基本内容：气体放电的物理过程电弧的物理特性直流电弧的伏安特性直流电弧的熄灭原理直流电弧的能量直流电弧熄灭时的过电压交流电弧的伏安特性电弧电压对交流电路电流的影响交流电弧的能量计算麦也耳电弧数学模型,第三章 电弧的基本特征,

2、2,实验室模拟磁环爆发,第三章 电弧的基本特征,3,第三章 电弧的基本特征,空间天体等离子体,4,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 小 结,第三章 电弧的基本特征,5,概 述,一、电弧是一种气体放电现象，也是一种等离子体（Plasma）。二、学习电弧知识的目的是掌握电弧规律，尽快熄弧。,6,三、“电弧”的定义：定义(1)：开断电路时，在触头间隙中出现的一团温度极高、发强光和能够导电的近似圆柱体的气体。可出现于大气、真空、油介质和SF6气体介质等中间。,概 述,7,定义(2)：在大气中开断电路时，当电

3、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。2、气体放电：指弧隙中气体由绝缘状态变为导体状态，使电流得以通过的现象。,概 述,8,背 景 知 识,“等离子体 Plasma”一、等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除固、液、气外的物质存在的第四态。看似“神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99。,9,00C,1000C,100000C,背 景 知 识,10,它是由大量带电粒子组成的非束缚态的宏观体系。非束

4、缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割。集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长程的，每个粒子均与周围许多粒子同时发生作用。,背 景 知 识,11,二、等离子体分为两种：高温和低温等离子体。1、高温等离子体只有在温度足够高时发生的，例如焊工们用高温等离子体焊接金属。太阳和恒星不断地发出这种等离子体，组成了宇宙的99。它是高温等离子体。2、低温等离子体是在常温下发生的等离子体（虽然电子的温度很高）。,背 景 知 识,1

5、2,低温等离子体现在广泛运用于多种生产领域，如等离子电视，婴儿尿布表面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性，更重要的是在电脑芯片中的蚀刻运用，让网络时代成为现实。低温等离子体体还可以被用于氧化、变性等表面处理或者在有机物和无机物上进行沉淀涂层处理。现在人们已经掌握利用电场和磁场产生来控制等离子体。,背 景 知 识,13,人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离子体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、

6、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。,背 景 知 识,地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹,背 景 知 识,15,密度跨越了 30 个量级温度跨越了 7 个量级,等离子体参数空间：,火 焰,16,星系：巨大的聚变反应堆,背 景 知 识,17,北极光,背 景 知 识,18,三、等离子体显示技术（Plasma Display)等离子体

7、显示技术之所以令人激动，主要是以下两原因：（1）可制造超大尺寸的平面显示器（50英寸甚至更大）；（2）与阴极射线管显示器不同，它没有弯曲的视觉表面，从而使视角扩大到了160度以上。换句话说，利用惰性气体（Ne、He、Xe等）放电时所产生的紫外光来激发彩色荧光粉发光，然后将这种光转换成人眼可见的光。,背 景 知 识,19,1、所谓等离子彩电 PDP（Plasma Display Panel），是指基于在两张薄玻璃板之间充填混合气体，施加电压使之产生等离子气体，然后使等离子气体放电，与基板中的荧光体发生反应，产生彩色影像的原理而设计的一种彩电。2、等离子体显示器：又称电浆显示器，是继CRT(阴极射

8、线管）、LCD（液晶显示器）后的最新一代显示器。其特点是厚度极薄，分辨率佳。可以当壁挂电视使用，占用极少的空间，代表未来显示器的发展趋势。,背 景 知 识,20,3、等离子体显示技术的基本原理 显示屏上排列有上千个密封的小低压气体室（一般都是氙气和氖气的混合物），电流激发气体，使其发出肉眼看不见的紫外光，这种紫外光碰击后面玻璃上的红、绿、蓝三色荧光体，发出在显示器上能看到的可见光。,背 景 知 识,21,四、等离子体隐身技术 在飞机、舰船等武器表面产生一层等离子体，这层等离子体可以和雷达波等相互作用，使这些物体无法被感知或探测到。这种等离子体外壳由等离子体电流构成。等离子体电流就是当电子在金属

9、物质的表面上有规律地运动时所产生的电子密度波。当入射光频率与等离子体电流的谐振频率接近时，光线将被这层等离子体电流外壳反向散射，向外则几乎不散射光线，物体即不可见。,背 景 知 识,22,军事应用等离子体天线等离子体雷达隐身飞行器减阻假目标及诱饵高技术大功率微波器件强X射线源及X射线激光强流束技术等离子体推进磁流体发电,等离子体军事及高技术应用,背 景 知 识,23,主要参数Pf=500MWQ 10T=500 sR=6.2 mA=2.0 mIp=15 MAB=5.3 TV=837 m3S=678 m2Pin=73 MW,46亿美元,ITER：托卡马克聚变实验堆,背 景 知 识,24,聚变等离子

10、体,2005年6月28日 ITER：Cadarache,背 景 知 识,25,美国Nova激光聚变装置,1985年建成，10路45000焦耳，1纳秒2倍频/3倍频,聚变等离子体,26,美国国家点火（NIF）激光聚变装置,聚变等离子体,27,3-1 气体放电的物理过程,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：气体游离化。一、激励与游离：、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。,28,、游离：定义：游离是指原子吸收足够大的能量后，电子被激发到自

11、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。游离能(y)：指游离出一个电子所需的最低能量(单位为：，其值参见教材)。为方便起见，游离能y可以直接用游离电压表示，其单位由J改为ev；,3-1 气体放电的物理过程,29,1ev一个电子在真空中经过1V的电位差所获得的动能。例：13.45ev13.451.610-19。游离电位y：yy/e，其中e：电子电荷，e1.610-19。、分级游离：指经过激励状态再游离的过程。,3-1 气体放电的物理过程,30,二、气体游离方式：表面发射和空间游离。、表面发射：指由金属表面发射电子的现

12、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,31,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。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。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。主要考虑阴极表面的二次发射。,3-1 气体放电的物理过程,32,、空间游离：

13、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。空间游离的方式有光游离、电场游离和热游离；它们可能同时存在。、光游离：中性粒子受光照作用，当光子能量(h)原子或分子的游离能时，发生的游离。(h：普朗克常数，h6.62410-34，单位是js；：光子的频率，S-1)。光游离作用的大小，与光频成正比。,3-1 气体放电的物理过程,33,、电场游离：也叫碰撞游离。是一个质量为m的带电粒子(由光游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y，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。负离子：是

14、因电子吸附在中性粒子上形成的带负电荷的离子。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。,34,、热游离：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游离。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)。由图3-1知，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,35,三、去游离及其方式：、去游离：也叫消游离；是指游离气体中的带电粒子离开游离区域，或带电粒子失去电荷变成中性粒子的现象。、去游离方式：包括复合与扩散。、复合：两个带异性电荷的粒

15、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。此时，释放的能量多用以加热电极、金属或绝缘材料的表面。,3-1 气体放电的物理过程,36,3-1 气体放电的物理过程,37,3-1 气体放电的物理过程,38,b、空间复合：有直接复合和间接复合(电子粘在中性粒子上，再与正离子相遇复合成为两个中性粒子)。对空间复合而言，促使空间复合的决定因素是冷却，因为冷却促使带电粒子运动速度减小。、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。,3-1 气体放电的物理过程,39,四、气体放电,3-1 气体放电的物理过程,40,、气体放电

16、的几个阶段：见图3-5。、非自持放电阶段：是指当外界因素去除后，放电无法维持的阶段，即图中的C段。OA段：电场强度较小，带电粒子仅由宇宙射线、射线等产生，属漫游状态，当U时，到达阴极的带电粒子成比例增加；AC段：电压较高，间隙电场强度较大，I继续增加，可产生电场电离，并出现二次发射；因去掉外加电离因素后，放电停止，故称之为非自持放电阶段。,3-1 气体放电的物理过程,41,、自持放电阶段：图3-5中的CF段。a、定义：是指当外界因素去除后，放电能够维持的阶段，即图中的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

17、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,42,3-1 气体放电的物理过程,43,c、举例：将 BF段分为BD区和EF区。其中，#C点附近的BD区的特征：通道是常温，电流密度小，阴极压降高（几百伏），呈辉光，称为辉光放电区。电流0.1左右，无明显发热。带电粒子产生的主要原因是阴极的二次电子发射和阴极区的碰撞电离。维持辉光放电的重要条件是阴极的低温。,3-1 气体放电的物理过程,44,#EF区：在外加电压作用下，由阴极压降区连续提供电子流，在弧柱区产生高温热电离，最后由电子进入阳极区而被阳极所吸收。游离方式有热游离与光游离；形式：电弧；特征：温度极高（6000k以

18、上），电流密度很大（几千安/平方厘米），阴极压降很小（几十伏）。,3-1 气体放电的物理过程,45,、气体放电的几种形式：.辉光放电：图3-5的B段；0.1左右，无明显发热；带电粒子产生的主要原因是阴极的二次电子发射和阴极区的碰撞游离；维持辉光放电的重要条件是阴极的低温。.弧光放电：图3-5的F段；是在外加电压作用下，由阴极压降区连续提供电子流，在弧柱区产生高温热游离，最后由电子进入阳极区而被阳极所吸收。等粒子体：是正、负带电粒子数相等的游离气体。,3-1 气体放电的物理过程,46,五、气体间隙的击穿理论：1、气体间隙击穿即是由绝缘变为导电。2、汤逊放电理论：1）表达式1：电离的条件是,式中

19、是电子平均自由行程.3）电子沿电场运动时，不考虑实际的“Z”字形轨迹特征。,2）表达式2：,3-1 气体放电的物理过程,47,3、汤逊第一系数：即空间游离系数，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,48,4、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：,式中是表面游离系数，又叫汤逊游离第二系数，见表3-3，例如铜电极的0.025；汤逊第一系数是空间游离系数。,3-1 气体放电的物理过程,49,

20、3-1 气体放电的物理过程,50,式中，A、B是常数，见表3-4。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,51,“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）。,3-1 气体放电的物理过程,52,将上式对pl求极值，可得铜电极在空气中的最小击穿电压：,实际为327V。,3-1 气体放电的物理过程,53

21、,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,54,当带电粒子变化，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。,5、弧隙中带电粒子的变化情况可用离子平衡方程式,3-1 气体放电的物理过程,55,3-2 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3-5，交流见表3-6）时，弧隙中将产生电弧。,56,2、电弧产生和发展的过程：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

22、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,57,3、触头分离：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。结果：弧隙温度升高，热电离起主导作用，气体带电离子增多，气体电导率增大，弧隙两端电压降低，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,58,二、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：（1）近阴极区：聚集大量正离子，是一个正空间电

23、荷；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。（2）近阳极区：聚集大量电子，属负空间电荷区；阳极压降Ua，其值与阳极材料有关；,3-2 电弧的物理特征,59,（3）弧柱区：近似圆柱形；电离气体中正负带电粒子数相等，为等离子体，类似金属导体；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,60,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

24、 电弧的物理特征,61,三、电弧长度：与发热及气流有关。四、弧柱的温度：用光学方法测量。开关电器：燃弧温度600020000K；趋向熄灭温度：30004000k。五、弧柱的直径。,3-2 电弧的物理特征,62,六、电弧的弧根和斑点：1、弧根：弧柱贴近电极的部分；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,63,（2）阳极斑点：是电

25、子进入阳极的入口，面积大于阴极斑点，故电流密度较小。,3-2 电弧的物理特征,64,3、电弧的能量平衡：（1）电弧的发热功率：,（2）电弧的散热功率（传导、对流、辐射）：,3-2 电弧的物理特征,65,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，电弧燃烧趋热；当时，电弧稳定燃烧；当 时，电弧趋于熄灭。,（3）由上两式，可得电弧的动态能量平衡方程：,3-2 电弧的物理特征,66,三、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

26、式散失。,3-2 电弧的物理特征,67,、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。,3-2 电弧的物理特征,68,、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：游离强度，即带电粒子增加率；2：去游离强度，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。,3-2 电弧的物理特征,69,4、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

27、率小于散失功率；离子动平衡方面，使去游离强度大于游离强度，可使电弧熄灭。,3-2 电弧的物理特征,70,3-3 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,71,2、直流电弧伏安特性曲线（见图3-19）：,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,72,（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

28、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,73,3、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：h0 z/(ih)n式中 0：电弧近极压降，；z：电弧长度，cm；n和c：常数，n0.25；ih：电弧电流，；静伏安特性曲线/动伏安特性曲线、3、：如图3-8所示.,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,74,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,75,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。曲线低于曲线的原因：热惯性作用，即对同样的电弧电流，曲线的弧隙温度相对偏高些，使得对应的电弧电阻偏小

29、些，对应有h偏小些。,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,76,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,77,二、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：-h。（）用图解法求直流电弧的稳定燃烧点并分析之：.点：视在稳定燃烧点；点：稳定燃烧点。.原因是：-f（）与hf（）间的大小关系。,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,78,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,79,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,80,、直流电弧的熄灭条

30、件：E-IRUh、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；增加触头开距，或用电动力磁吹灭弧，以拉长电弧；增大弧柱中的电场强度z，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,81,、促使高压电器直流电弧熄灭的常用措施：增大电路电阻。,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,82,三、电弧能量及开断直流电弧过电压：、电弧能量是由电源供给的能量和未开断电路前原存于电感中的磁能。、开断直流电弧的过电压：电压方程：h-di/dt积分：t0hdt=12(-)dt 2得

31、：lm=di/dt1t0 故0时，出现过电压。,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,83,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,84,3、限制过电压的几种措施：,3-3 直流电弧的燃烧与熄灭,85,交流电流用i表示，其瞬时值随时间t变化，每周期过零二次；当动态交流电弧电流i=0时，电弧自行熄灭；其后，在一定条件下重燃。一、交流电弧的伏安特性：1、试验电路如图所示。2、交流电弧伏安特性的定义：是指一个周期内h与 h关系曲线，用uh-ih表示。,3-4 交流电弧的特性,86,3-4 交流电弧的特性,87,3、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

32、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；（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,88,（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。（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，ih也趋近于零。（5）对应上图的电弧电压uh随时间t变化的波

33、形：见图3-33，为马鞍形。,3-4 交流电弧的特性,89,2）考虑负载（电阻性与电感性）影响后的uh-ih波形：图3-33和图3-35。,3-4 交流电弧的特性,90,（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；ih=u/Rh，值很小。随着u上升，ih逐渐增大。当uhurh后，ih的大小由u/Rh决定，是逐渐增大的。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

34、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,91,（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，电弧熄灭，u约为幅值。因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）超过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,92,3-4 交流电弧的特性,93,（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的原因：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

35、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,94,二是：“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,95,二、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到来之前，Rh很大，ih为零，称其为电流过零后的“零休”；而在uxh出现之后，u低于uxh，ih0，称其为电流过

36、零前的“零休”。,3-4 交流电弧的特性,96,2）电感性负载：电感性负载的“零休”时间很短。urh到来之前，有电流过零后的“零休”，但因urh出现较早，故零休时间短得多；而在uxh出现之后，因uh可由电感中的自感电势维持而与u无关，因此，几乎不存在电流过零前的“零休”。比较二者可知，电阻性负载”零休”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的易于熄灭。,3-4 交流电弧的特性,97,2、电弧将使电路的功率因数角减小：,3-4 交流电弧的特性,98,式中 Uh：电弧电压；Um：电源电压幅值；Uh/Um：电弧电压占总电源幅值的比例。如Uh/Um越大，

37、则越小，故电弧的存在，相当于在电路中串联了电阻。,3-4 交流电弧的特性,99,式中 uh：电弧电压；ih：电弧电流；ts：从t=0至电弧产生所需的时间；tx：从t=0至电弧熄灭所需的时间。t：以触头分开瞬间前电流过零为起点计算的时间。,三、开断过程中，交流电弧能量的计算,3-4 交流电弧的特性,100,式中 n是半波个数。如设（指触头的平均运动速度），则：,在理想情况下（即若干假设下），电弧能量Wh为：,3-4 交流电弧的特性,101,例题：设一开关电器中流过的工频短路电流波形如图3-39所示。短路电流有效值I为10000A，ts=0.005s=5ms，U0=20V。问：（1）当电弧电压Uh

38、=40V时；（2）当触头分开平均速度=200cm/s和弧柱电场强度E=10v/cm时,电弧的能量Wh各为多少？,3-4 交流电弧的特性,102,解：由图可知，（1）由，得（2）因式（3-79），得：,3-4 交流电弧的特性,103,小 结,电弧是气体放电一种形式。其特点为放电通道温度高达6000K以上，电流密度可达几千安每平方厘米，阴极压降为几十伏，弧拄中的电离方式主要是热电离。电器理论中研究电弧的目的主要是为了尽快地熄灭电弧。,104,小 结,105,说明气体间隙击穿机理的有汤逊理论和流注理论。前者是基于电场电离和二次发射，后香是在汤逊放电理论的基础上加上光电离的作用，以解释长间隙击穿过程的

39、快速性。根据弧隙中带电粒子数的增减来判别电弧燃烧是趋于炽烈、熄灭还是稳定的式(3-17)称为离子平衡公式。按照电压沿弧长的分布情况，电弧分为三个区域：近阴极区、近阳极区和弧柱区。按照弧柱区的长短，电弧分为长孤和短弧。短弧的Uh几乎不随Ik变化，长弧的UhEl。,小 结,106,弧柱温度一般认为是60002000K。在30004000K以下，则认为弧光放电已停止。弧柱中心温度高于其表面温度。弧柱温度滞后于电流的变化。弧桂直径随Ih的增大而增大，随介质压力和吹弧速度的增高而减小。,小 结,107,阴极斑点是维持电孤存在的电子发源地，阳极斑点是电子进入阳极的主要入口。阴极弧根沿电极表面的运动是连续的

40、，而阳极弧根则是跳跃的。等离子流产生在弧柱截面缩小的地方，使其流向离开弧隙可以帮助熄弧。电弧的散热方式有三种：传导、对流和辐射。根据弧隙中能量的增减来判别电弧燃烧是趋于炽烈、熄灭还是稳定的。式(3-41)称为能量平衡公式。,小 结,108,直流电弧具有Uk随Ik增大而减小的静态伏-安特性。其动态伏-安特性视Ik增加或减小可高于成低于静态伏-安特性。,小 结,109,电路中存在电感是直流电弧不能立即熄灭的主要原因。此时若过分减小熄弧时间将引起较高过电压。为限制过电压的数值，可采用图3-30所示的几种措施。交流电弧的伏-安特性为在一特定情况下的电弧动态伏-安特性。uk随时间的变化呈马鞍形。在实际电路中，ih和uh波形皆随电路负载性质而变。由于交流电流具有自身过零的特点，因而电弧容易熄灭。,小 结,110,电弧电压对交流电路电流的影响为：1在电流过零附近产生“零休”现象；2在电感性负载电路中使电流过零的下降速度变快；3能减小短路电流的峰值和第一个半波的流通时间；4使电路的功率因数角减小。电弧的动态伏-安特性可以根据麦也耳电弧数学模型导出的式（3-78）（3-82）近似计算，但其中的两个参数和Ps目前还必须通过试验确定。,小 结,111,思考题与习题,习题 4，6，7，10,112,第三章电弧的基本特征,本 章 结 束,