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變 5、從火花放電到電弧放電的轉變CHONGQING UNIVERSITY6.1 概述概述三、電弧的分類三、電弧的分類 1、介質種類：氣體、液體、蒸汽中 2、氣體壓力：低氣壓、高氣壓 3、外形：長弧、短弧 4、電源性質：直流、交流 5、作用：焊接、電爐、汞弧四、開關電弧四、開關電弧

2、CHONGQING UNIVERSITY6.1 概述概述四、開關電弧四、開關電弧1、強功率的放電現(xiàn)象、強功率的放電現(xiàn)象 幾十幾十KA的短路電流，散失功率達的短路電流，散失功率達10000kW2、自持放電、自持放電 單純采用拉長電弧不能熄弧單純采用拉長電弧不能熄弧3、質量極輕、質量極輕 極易改變形狀極易改變形狀CHONGQING UNIVERSITY6.2 電弧的產生和物理特性電弧的產生和物理特性一、弧光放電及其特點一、弧光放電及其特點AVDRUI電場比較均勻，電源功率足夠大，弧光放電電場比較均勻，電源功率足夠大，弧光放電電場比較均勻，氣體壓力較低，先出現(xiàn)輝光放電，然后隨電流增加轉變?yōu)檩x光放電；

3、電場比較均勻，氣體壓力較低，先出現(xiàn)輝光放電，然后隨電流增加轉變?yōu)檩x光放電；極不均勻電場，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，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：電子在一定能級軌道上繞原子核旋轉。離原子核越遠，軌道能級越高，若電子吸收了外界能量，躍遷到能級更高的軌道

4、（但仍受原子核束縛）。電子在激勵狀態(tài)只能延續(xù)0.11微秒。所需的能量稱為激勵能(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) 激勵能和電離能的單位為電子伏，一電子伏的能量等于一個電子在電位差為一伏的兩點間移動時電場所做的功。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WeWf介質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、強電場發(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，電極表面的自由 電子就獲得足以克服表面晶格電場產生的勢壘而逸出空間強電場發(fā)射：電極表面存在強電場使電子逸出光發(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、電場游離、熱游離）光游離：中性粒子在受到頻率為f的光照射時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游離(碰撞游離) 在外加電場作用下，間隙的游離質點發(fā)生定向運動，獲得動能yWmv 221m，v為游離質點的質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、運動速度較大，容易獲得較大的動能；電子質量小，與其它質點發(fā)生彈性碰撞幾乎不損失動能，容易在電場中積累能量電子半徑：約2.8210-15m；電子質量：9.111

7、0-31kg質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動速度隨溫度的升高而加快，高速運動的中性質點相互碰撞時發(fā)生中性質點游離；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、復合兩種帶異性電荷的質點相互接觸而形成中性質點

8、； 分為表面復合和空間復合；復合形式:H+e H- ；HH 2H復合速度與離子濃度、溫度、壓力和電場強度等有關2、擴散帶電離子從電弧間隙中散出到周圍介質；擴散是雙極性進行的；擴散速度與離子濃度、正離子運動速度、弧柱直徑、溫度及壓力等有關。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；測量方法：紅外測溫法、光譜分析法；電弧的溫度與電流大小、電極材料、氣體介質種類及壓力、弧柱的冷卻條件等有關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、氣體介質的導熱系數(shù)、氣體壓力、燃弧管壁形狀、冷卻條件等有關空氣中自由燃燒的電弧，其電弧直徑d(cm)與電流I(A)的關系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。當氣體沿著壓力梯度進行膨脹運動時，由粒子運動形成的內部能量變成流動能，使氣體溫度下降而被冷卻，單位容積的散熱功率)(pgradvN 2、熱傳導就是沿著溫度梯度移動的熱流造成的冷卻，單位容積的散熱功率導熱率，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弧柱內能，J；t時間，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、開關電弧的產生八、開關電弧的產生 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、開斷直流電弧時的幾個參數(shù)三、開斷直流電弧時的幾個參數(shù) 1、燃弧時間IhhIhthhiRUuLdituiRULdidtuiRULdidtuiRUdtdiLh0000000)()()()(CHONGQING UNIVERSITY6.3 直流電弧直流電弧三、開斷直流電弧時的幾個參數(shù)三、開斷直流電弧時的幾個參數(shù) 2、電弧能量20000000021)()()(LIidtiRULidiidtiRUidtdtdiLiRUidtuAhhhhtIttthhCHONGQING UNIVERSITY6.3 直流電弧直流電弧三、開斷直流電弧時的幾個參數(shù)

15、三、開斷直流電弧時的幾個參數(shù)3、過電壓000000)()(UUUUUiRUudtdiLUiRUudtdiLUxxihihCHONGQING UNIVERSITY6.4 交流電弧交流電弧一、交流電弧的特點一、交流電弧的特點CHONGQING UNIVERSITYhUAB1B1AhI6.4 交流電弧交流電弧一、交流電弧的特點一、交流電弧的特點hUAB1B1AhImaxTTiminT(a)(b)TiminTmaxTCHONGQING UNIVERSITY6.4 交流電弧交流電弧二、交流電弧對電路的影響二、交流電弧對電路的影響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；當ta/w，電弧燃燒；電弧電壓uh為常數(shù)，并隨電流改變正負號CHONGQING UNIVERSITY6.4 交流電弧交流電弧二、交流電弧對電路的影響二、交流電弧對電路的影響0cos()()sinttmhmhhmmEUEUitdtdtttLELE11sinhmUttEsinhmUECHONGQING UNIVERSITY6.4 交流電弧交流電弧三、電壓恢復過程與介質強度恢復過程三、電壓恢復過程與介質強度恢復過程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過程和介質強度恢復過程能解釋電弧電流超前過零、弧隙電導預先消失的重燃現(xiàn)象，無法解釋弧后電流的現(xiàn)象 2、熱擊穿理論(克西) 取決于能量平衡對弧隙電導預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和冷卻； 金屬板式滅弧柵：金屬板將整個電弧分成許多串聯(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