第六章電弧講義

1、第六章第六章 電弧電弧CHONGQING UNIVERSITYCHONGQING UNIVERSITY6.1 概述概述一、電弧現(xiàn)象一、電弧現(xiàn)象電弧或弧光放電是是氣體放電的一種形式。二、電弧發(fā)生的條件和途徑二、電弧發(fā)生的條件和途徑 1、電路的開斷 2、觸頭 的閉合 3、真空和氣體間隙的擊穿 4、從輝光放電到電弧放電的轉(zhuǎn)變 5、從火花放電到電弧放電的轉(zhuǎn)變CHONGQING UNIVERSITY6.1 概述概述三、電弧的分類三、電弧的分類 1、介質(zhì)種類：氣體、液體、蒸汽中 2、氣體壓力：低氣壓、高氣壓 3、外形：長(zhǎng)弧、短弧 4、電源性質(zhì)：直流、交流 5、作用：焊接、電爐、汞弧四、開關(guān)電弧四、開關(guān)電弧

2、CHONGQING UNIVERSITY6.1 概述概述四、開關(guān)電弧四、開關(guān)電弧1、強(qiáng)功率的放電現(xiàn)象、強(qiáng)功率的放電現(xiàn)象 幾十幾十KA的短路電流，散失功率達(dá)的短路電流，散失功率達(dá)10000kW2、自持放電、自持放電 單純采用拉長(zhǎng)電弧不能熄弧單純采用拉長(zhǎng)電弧不能熄弧3、質(zhì)量極輕、質(zhì)量極輕 極易改變形狀極易改變形狀CHONGQING UNIVERSITY6.2 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性一、弧光放電及其特點(diǎn)一、弧光放電及其特點(diǎn)AVDRUI電場(chǎng)比較均勻，電源功率足夠大，弧光放電電場(chǎng)比較均勻，電源功率足夠大，弧光放電電場(chǎng)比較均勻，氣體壓力較低，先出現(xiàn)輝光放電，然后隨電流增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩x光放電；

3、電場(chǎng)比較均勻，氣體壓力較低，先出現(xiàn)輝光放電，然后隨電流增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩x光放電；極不均勻電場(chǎng)，壓力較高且回路電阻較大，先出現(xiàn)電暈放電，然后隨電壓增大一定值極不均勻電場(chǎng)，壓力較高且回路電阻較大，先出現(xiàn)電暈放電，然后隨電壓增大一定值后變?yōu)榛」夥烹姾笞優(yōu)榛」夥烹奀HONGQING UNIVERSITY6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性二、電弧的組成部分二、電弧的組成部分CHONGQING UNIVERSITY6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性三、電弧弧柱的游離過程三、電弧弧柱的游離過程 電子的激勵(lì)：電子在一定能級(jí)軌道上繞原子核旋轉(zhuǎn)。離原子核越遠(yuǎn)，軌道能級(jí)越高，若電子吸收了外界能量，躍遷到能級(jí)更高的軌道

4、（但仍受原子核束縛）。電子在激勵(lì)狀態(tài)只能延續(xù)0.11微秒。所需的能量稱為激勵(lì)能(We) 電子的電離：若電子吸收的外界能量使其脫離原子核的束縛，便逸出成為自由電子，而失去電子則成為正離子的現(xiàn)象。所需的能量稱為電離能。(Wf) 激勵(lì)能和電離能的單位為電子伏，一電子伏的能量等于一個(gè)電子在電位差為一伏的兩點(diǎn)間移動(dòng)時(shí)電場(chǎng)所做的功。CHONGQING UNIVERSITY6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性CHONGQING UNIVERSITY6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性三、電弧弧柱的游離過程三、電弧弧柱的游離過程 介質(zhì)WeWf介質(zhì)WeWf氫10.213.54鈉2.125.14氮6.314.55

5、鋅4.029.39氧7.913.5鎘3.959.0氬11.515.7汞4.8610.4CHONGQING UNIVERSITY6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性三、電弧弧柱的游離過程三、電弧弧柱的游離過程 1、表面游離(熱發(fā)射、強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射、光發(fā)射、二次發(fā)射)熱發(fā)射：電極表面被加熱到20002500K時(shí)，電極表面的自由 電子就獲得足以克服表面晶格電場(chǎng)產(chǎn)生的勢(shì)壘而逸出空間強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射：電極表面存在強(qiáng)電場(chǎng)使電子逸出光發(fā)射：光和各種射線照射金屬表面使電子逸出 二次發(fā)射：正離子撞擊陰極或電子高速撞擊陽極引起的表面發(fā)射 CHONGQING UNIVERSITY6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性三、電弧弧

6、柱的游離過程三、電弧弧柱的游離過程2、空間游離（光游離、電場(chǎng)游離、熱游離）光游離：中性粒子在受到頻率為f的光照射時(shí)yWhf h為普朗克常數(shù)，6.6310-34焦.秒CHONGQING UNIVERSITY6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性電場(chǎng)游離(碰撞游離) 在外加電場(chǎng)作用下，間隙的游離質(zhì)點(diǎn)發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)，獲得動(dòng)能yWmv 221m，v為游離質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量和平均速度碰撞游離主要是電子和原子相互撞擊而造成的：其原因電子體積小、平均自由行程較長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)速度較大，容易獲得較大的動(dòng)能；電子質(zhì)量小，與其它質(zhì)點(diǎn)發(fā)生彈性碰撞幾乎不損失動(dòng)能，容易在電場(chǎng)中積累能量電子半徑：約2.8210-15m；電子質(zhì)量：9.111

7、0-31kg質(zhì)子直徑大約是電子的1000倍，重量大約是電子的1840倍CHONGQING UNIVERSITY6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性熱游離氣體分子運(yùn)動(dòng)速度隨溫度的升高而加快，高速運(yùn)動(dòng)的中性質(zhì)點(diǎn)相互碰撞時(shí)發(fā)生中性質(zhì)點(diǎn)游離；熱游離度：已游離的粒子密度n與氣體初始粒子密度n0之比10nn影響熱游離度的因素：溫度、介質(zhì)的游離電位和氣體壓力等CHONGQING UNIVERSITY6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性CHONGQING UNIVERSITY6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性四、電弧弧柱的消游離過程四、電弧弧柱的消游離過程 1、復(fù)合兩種帶異性電荷的質(zhì)點(diǎn)相互接觸而形成中性質(zhì)點(diǎn)

8、； 分為表面復(fù)合和空間復(fù)合；復(fù)合形式:H+e H- ；HH 2H復(fù)合速度與離子濃度、溫度、壓力和電場(chǎng)強(qiáng)度等有關(guān)2、擴(kuò)散帶電離子從電弧間隙中散出到周圍介質(zhì)；擴(kuò)散是雙極性進(jìn)行的；擴(kuò)散速度與離子濃度、正離子運(yùn)動(dòng)速度、弧柱直徑、溫度及壓力等有關(guān)。CHONGQING UNIVERSITY6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性五、電弧的溫度和直徑五、電弧的溫度和直徑電弧溫度約400050000K；測(cè)量方法：紅外測(cè)溫法、光譜分析法；電弧的溫度與電流大小、電極材料、氣體介質(zhì)種類及壓力、弧柱的冷卻條件等有關(guān)CHONGQING UNIVERSITY6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性CHONGQING UNIVER

9、SITY6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性CHONGQING UNIVERSITY6.2 6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性CHONGQING UNIVERSITY6.2 6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性CHONGQING UNIVERSITY6.2 6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性電弧外形為中間稍粗而沿軸向不是等截面的柱形體；電弧中間部分明亮，外圍部分亮度較弱電弧直徑與電流大小、氣體介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)、氣體壓力、燃弧管壁形狀、冷卻條件等有關(guān)空氣中自由燃燒的電弧，其電弧直徑d(cm)與電流I(A)的關(guān)系Id26. 0橫向吹弧pvId81. 0吹弧速度，m/s氣體壓力，MPaCHONGQ

10、ING UNIVERSITY6.2 6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性縱向吹弧nmIkPd659. 08 . 0:10127. 022. 0:0039. 00023. 0:SFnAAmk壓縮空氣CHONGQING UNIVERSITY6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性六、電弧等離子體的熱容與冷卻六、電弧等離子體的熱容與冷卻 1、等熵冷卻就是所謂的絕熱膨脹。當(dāng)氣體沿著壓力梯度進(jìn)行膨脹運(yùn)動(dòng)時(shí)，由粒子運(yùn)動(dòng)形成的內(nèi)部能量變成流動(dòng)能，使氣體溫度下降而被冷卻，單位容積的散熱功率)(pgradvN 2、熱傳導(dǎo)就是沿著溫度梯度移動(dòng)的熱流造成的冷卻，單位容積的散熱功率導(dǎo)熱率，為溫度的函數(shù))()(Tgradd

11、ivNCHONGQING UNIVERSITY6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性3、定壓比熱容dTdhcTp游離速度10-710-8s；分解速度：10-3sCHONGQING UNIVERSITY6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性七、電弧的能量平衡七、電弧的能量平衡shhPdtdQUIIh電弧電流，A；Uh電弧電壓，V；Q弧柱內(nèi)能，J；t時(shí)間，s；Ps弧柱散失的功率，WshhPUIdtdQ加劇燃燒穩(wěn)定燃燒熄滅000dtdQCHONGQING UNIVERSITY6.2 電弧的物理特性電弧的物理特性八、開關(guān)電弧的產(chǎn)生八、開關(guān)電弧的產(chǎn)生 CHONGQING UNIVERSITY6.3 直流電弧

12、直流電弧一、直流電弧的伏安特一、直流電弧的伏安特性性 1、靜態(tài)伏安特性 AVDRUICHONGQING UNIVERSITY6.3 直流電弧直流電弧一、直流電弧的伏安特一、直流電弧的伏安特性性 1、靜態(tài)伏安特性 21hhITTR21hhIR hhIU1CHONGQING UNIVERSITY6.3 直流電弧直流電弧一、直流電弧的伏安特一、直流電弧的伏安特性性 小電流(100A)ExU 介質(zhì)及狀態(tài)大氣SF6(0.1Mpa)真空油油氣吹E(V.cm1)15100.010.16079100200mkPE 低氣壓下5 . 015. 0mCHONGQING UNIVERSITY6.3 直流電弧直流電弧一

13、、直流電弧的伏安特一、直流電弧的伏安特性性 2、影響伏安特性的因素 CHONGQING UNIVERSITY6.3 直流電弧直流電弧一、直流電弧的伏安特一、直流電弧的伏安特性性 3、動(dòng)態(tài)伏安特性熱慣性作用，溫度變化滯后于電流變化CHONGQING UNIVERSITY6.3 直流電弧直流電弧二、直流電弧的燃燒與熄滅二、直流電弧的燃燒與熄滅hhuiRUdtdiLudtdiLiRU)(00CHONGQING UNIVERSITY6.3 直流電弧直流電弧二、直流電弧的燃燒與熄滅二、直流電弧的燃燒與熄滅穩(wěn)定燃燒：0dtdiLhuiRU0劇烈燃燒：0dtdiLhuiRU0熄滅：0dtdiLhuiRU0C

14、HONGQING UNIVERSITY6.3 直流電弧直流電弧三、開斷直流電弧時(shí)的幾個(gè)參數(shù)三、開斷直流電弧時(shí)的幾個(gè)參數(shù) 1、燃弧時(shí)間IhhIhthhiRUuLdituiRULdidtuiRULdidtuiRUdtdiLh0000000)()()()(CHONGQING UNIVERSITY6.3 直流電弧直流電弧三、開斷直流電弧時(shí)的幾個(gè)參數(shù)三、開斷直流電弧時(shí)的幾個(gè)參數(shù) 2、電弧能量20000000021)()()(LIidtiRULidiidtiRUidtdtdiLiRUidtuAhhhhtIttthhCHONGQING UNIVERSITY6.3 直流電弧直流電弧三、開斷直流電弧時(shí)的幾個(gè)參數(shù)

15、三、開斷直流電弧時(shí)的幾個(gè)參數(shù)3、過電壓000000)()(UUUUUiRUudtdiLUiRUudtdiLUxxihihCHONGQING UNIVERSITY6.4 交流電弧交流電弧一、交流電弧的特點(diǎn)一、交流電弧的特點(diǎn)CHONGQING UNIVERSITYhUAB1B1AhI6.4 交流電弧交流電弧一、交流電弧的特點(diǎn)一、交流電弧的特點(diǎn)hUAB1B1AhImaxTTiminT(a)(b)TiminTmaxTCHONGQING UNIVERSITY6.4 交流電弧交流電弧二、交流電弧對(duì)電路的影響二、交流電弧對(duì)電路的影響iLReCiChRihcoshmhhhhChhdiLiRuEtdtui Rd

16、uiiiCidtcoshhhmhhhdiLi RuEtdtui RcosmhhmEUditdtLE忽略電容電流，即ic0忽略電阻R；以電流過零為起始點(diǎn)；當(dāng)ta/w，電弧燃燒；電弧電壓uh為常數(shù)，并隨電流改變正負(fù)號(hào)CHONGQING UNIVERSITY6.4 交流電弧交流電弧二、交流電弧對(duì)電路的影響二、交流電弧對(duì)電路的影響0cos()()sinttmhmhhmmEUEUitdtdtttLELE11sinhmUttEsinhmUECHONGQING UNIVERSITY6.4 交流電弧交流電弧三、電壓恢復(fù)過程與介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程三、電壓恢復(fù)過程與介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程hihihuhuee0EhfmUhf

17、mUtt000E(a)(b)CHONGQING UNIVERSITY6.4 交流電弧交流電弧四、交流電弧的過零現(xiàn)象四、交流電弧的過零現(xiàn)象huLiLCiChiehLChCiiiduiCdthihubacthfu(a)hihu0Pihfut(b)CHONGQING UNIVERSITY6.4 交流電弧交流電弧五、交流電弧的熄滅與重燃五、交流電弧的熄滅與重燃 1、電擊穿理論(斯列賓) 取決于弧隙上電壓恢復(fù)過程和介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程能解釋電弧電流超前過零、弧隙電導(dǎo)預(yù)先消失的重燃現(xiàn)象，無法解釋弧后電流的現(xiàn)象 2、熱擊穿理論(克西) 取決于能量平衡對(duì)弧隙電導(dǎo)預(yù)先消失和因電擊穿而發(fā)生的重燃不能確切的解釋u1ju

18、2juAhfuhutCHONGQING UNIVERSITY6.4 交流電弧交流電弧六、交流電弧的能量六、交流電弧的能量0000020012hhhtth hhhhtthhAu i dtei R i dtL i diei R i dtLi0hthhAei R i dtCHONGQING UNIVERSITY6.5 空氣電弧的熄滅原理空氣電弧的熄滅原理一、交流電弧的熄滅一、交流電弧的熄滅二、磁吹熄弧二、磁吹熄弧利用電磁力將電弧吹入滅弧裝置；散熱損耗以熱傳導(dǎo)為主；磁吹滅弧裝置的形式： 絕緣板式滅弧槽，電弧在特殊形狀的耐熱絕緣材料制成的滅弧槽中被拉長(zhǎng)和冷卻； 金屬板式滅弧柵：金屬板將整個(gè)電弧分成許多串聯(lián)的電弧，使之冷卻。CHONGQING UNIVERSITY6.5 空氣電弧的熄滅原理空氣電弧的熄滅原理三、壓縮空氣的