第三章電弧的基本特性1課件

第三章電弧的基本特性第三章電弧的基本特性1優(yōu)選第三章電弧的基本特性優(yōu)選第三章電弧的基本特性22023/1/4第三章電弧的基本特性3第三章電弧的基本特性本章教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

電弧的物理特性，生弧電壓與生弧電流；直流電弧的伏—安特性與熄滅原理；交流電弧的伏－安特性，零休現(xiàn)象。本章教學(xué)基本內(nèi)容：序氣體放電的物理過程電弧的物理特性直流電弧的特性和熄滅原理交流電弧的特性麥也爾電弧數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介2022/12/11第三章電弧的基本特性3第三章電弧的基32023/1/4第三章電弧的基本特性4第三章電弧的基本特性§30序§31氣體放電的物理基礎(chǔ)§32電弧的物理特性§33直流電弧的特性和熄滅原理§34交流電弧的特性§35麥也爾電弧數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介2022/12/11第三章電弧的基本特性4第三章電弧的基42023/1/4第三章電弧的基本特性5§30序電力開關(guān)設(shè)備的開斷在大氣中開斷電路時(shí)，若電流大于0.25~1A；電壓大于12~20V，觸頭間隙（簡(jiǎn)稱弧隙）中會(huì)產(chǎn)生電弧電?。╝rc）：溫度高、發(fā)強(qiáng)光、能導(dǎo)電的氣體2022/12/11第三章電弧的基本特性5§30序電力52023/1/4第三章電弧的基本特性6§30序電弧的危害延遲開斷線路、設(shè)備受損觸頭燒損開關(guān)設(shè)備著火、爆炸電弧的作用泄放電路中的磁能降低過電壓電力開關(guān)設(shè)備既要熄滅電弧，又要利用電弧電力開關(guān)（switch）設(shè)備的主要任務(wù)順利的熄滅電?。‥xtinguish）保證電路的成功開斷（Breaking/Interrupting）2022/12/11第三章電弧的基本特性6§30序電弧62023/1/4第三章電弧的基本特性7§30序電弧的其他應(yīng)用焊接冶煉金屬（電弧爐）強(qiáng)光源（弧光燈）電弧的定義氣體或蒸汽中自持的放電現(xiàn)象Self-sustainedGasVapourDischarge2022/12/11第三章電弧的基本特性7§30序電弧7金屬蒸汽在未電離的情況下是不導(dǎo)電的靜態(tài)伏安特性：對(duì)于固定的弧長(zhǎng)l，在（發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測(cè)得的Uh-Ih特性第三章電弧的基本特性電弧電壓Uh沿弧長(zhǎng)分布不均勻，分為三個(gè)區(qū)域§35麥也爾電弧數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射快速運(yùn)動(dòng)的陰極斑點(diǎn)（真空電?。┗∠断婋x作用過分強(qiáng)烈時(shí)，可出現(xiàn)截流（Currentchop）,即電弧電流突然降到零§34交流電弧的特性§31氣體放電的物理基礎(chǔ)電力開關(guān)設(shè)備既要熄滅電弧，又要利用電弧放電通道溫度低（常溫）斑點(diǎn)（arcspot）:弧根在電極表面上形成的明亮圓點(diǎn)燃弧時(shí)，弧隙金屬蒸汽多§31氣體放電的物理基礎(chǔ)§34交流電弧的特性第三章電弧的基本特性光的頻率越高，電離作用越強(qiáng)第三章電弧的基本特性場(chǎng)致發(fā)射（Fieldemission）（FE）2023/1/4第三章電弧的基本特性8第三章電弧的基本特性§30序§31氣體放電的物理基礎(chǔ)§32電弧的物理特性§33直流電弧的特性和熄滅原理§34交流電弧的特性§35麥也爾電弧數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介金屬蒸汽在未電離的情況下是不導(dǎo)電的2022/12/11第三章82023/1/4第三章電弧的基本特性9§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電（GasDischarge）弧隙中氣體由絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)、使電流得以通過的現(xiàn)象電弧是氣體放電的一種形式電離（Ionization）和激勵(lì)（Excitation）2022/12/11第三章電弧的基本特性9§31氣體放92023/1/4第三章電弧的基本特性10§31氣體放電的物理基礎(chǔ)電離和激勵(lì)電子伏特2022/12/11第三章電弧的基本特性10§31氣體10氣體間隙擊穿（Breakdown）理論Choppingcurrent在較高溫度時(shí)，場(chǎng)致發(fā)射的電流密度為§3３直流電弧的特性和熄滅原理地球及其附近大氣的低溫度和高密度阻礙了等離子體的存在Ih：電弧電流（A）由此產(chǎn)生的過電壓稱為截流過電壓§3３直流電弧的特性和熄滅原理氣體粒子高速熱運(yùn)動(dòng)、相互碰撞而產(chǎn)生的電離§34交流電弧的特性Th<3000－4000K:(電離度)0Ih：電弧電流（A）陰極：發(fā)射電子（熱發(fā)射、場(chǎng)致發(fā)射）Wyc:逸出功（eV）§31氣體放電的物理基礎(chǔ)l：電弧長(zhǎng)度2023/1/4第三章電弧的基本特性11§31氣體放電的物理基礎(chǔ)電離和激勵(lì)電離能：電離出一個(gè)自由電子所需要的能量第二（三¨¨¨）電離能：拉出第二（三）個(gè)電子所需的能量電離能與材料有關(guān)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論2022/12/11第112023/1/4第三章電弧的基本特性12§31氣體放電的物理基礎(chǔ)電離和激勵(lì)激勵(lì)能：激勵(lì)一個(gè)電子所需要的能量激勵(lì)是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)中性粒子處于激勵(lì)狀態(tài)的時(shí)間<10-9～10-8s分級(jí)電離：中性粒子→激勵(lì)→電離介穩(wěn)狀態(tài)（一種特別的激勵(lì)狀態(tài)）：中性粒子處于介穩(wěn)狀態(tài)的時(shí)間可達(dá)10-4～10-2s在中性粒子電離過程中起很大作用2022/12/11第三章電弧的基本特性12§31氣體122023/1/4第三章電弧的基本特性13§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式電離氣體：包括帶電粒子（電子、正離子、負(fù)離子）的氣體，其中也包括中性粒子（原子、分子）電離度氣體電離的方式表面發(fā)射（Surfaceemission）空間電離（Spaceionization）2022/12/11第三章電弧的基本特性13§31氣體132023/1/4第三章電弧的基本特性14§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式表面發(fā)射：金屬電極表面發(fā)射電子進(jìn)入極間氣體金屬蒸汽在未電離的情況下是不導(dǎo)電的表面發(fā)射的類型熱發(fā)射（Thermalemission）（TE）場(chǎng)致發(fā)射（Fieldemission）（FE）熱-場(chǎng)致發(fā)射（Field-assistedthermionicemission）（FTE）光發(fā)射（Photonemission）二次發(fā)射（Secondaryemission）2022/12/11第三章電弧的基本特性14§31氣體142023/1/4第三章電弧的基本特性15§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式金屬表面電子發(fā)射原理即使在絕對(duì)零度時(shí)，金屬中的電子也具有很高的能量，鎢：8.95eV（費(fèi)米能級(jí)）但電子并不能“逃出”金屬表面金屬表面存在勢(shì)壘（Potentialbarrier）2022/12/11第三章電弧的基本特性15§31氣體15電力開關(guān)設(shè)備既要熄滅電弧，又要利用電弧§32電弧的物理特性電弧達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)時(shí)的電弧溫度、電阻和直徑與電弧電流有密切關(guān)系電弧電壓對(duì)交流電路的影響l’:全部短弧的長(zhǎng)度之和直接復(fù)合的幾率比間接復(fù)合的幾率小得多當(dāng)氣體中混有金屬蒸汽時(shí)，電離度提高，電導(dǎo)率也增大電弧電流：以某一較快的速度由I1增大到I2§32電弧的物理特性但電子并不能“逃出”金屬表面例如，SF6具有很好的絕緣性能和滅弧性能用來平衡散發(fā)功率的增加（原因：溫度升高、直徑增大）Choppingcurrent直流電路中：電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)的電弧電流duh/dih<0（負(fù)電阻）放電通道溫度極高（6000K以上）等離子體的定義：由大量帶電粒子組成的，在一定的空間和時(shí)間尺度，維持電中性的非束縛態(tài)的宏觀體系電弧自動(dòng)調(diào)節(jié)弧柱溫度和直徑以達(dá)到輸入和散發(fā)功率平衡交流情況下，阻性負(fù)載電路比感性負(fù)載電路中的電弧更容易熄滅2023/1/4第三章電弧的基本特性16§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式熱發(fā)射（ThermalEmission）電力開關(guān)設(shè)備既要熄滅電弧，又要利用電弧2022/12/11第16§32電弧的物理特性§34交流電弧的特性電弧電壓對(duì)交流電路的影響第三章電弧的基本特性u(píng)xh之后、urh之前:在感性負(fù)載下，弧隙電壓的變化速度比阻性負(fù)載快得多第三章電弧的基本特性斑點(diǎn)（arcspot）:弧根在電極表面上形成的明亮圓點(diǎn)uxh之后、urh之前:在感性負(fù)載下，弧隙電壓的變化速度比阻性負(fù)載快得多交流情況下，阻性負(fù)載電路比感性負(fù)載電路中的電弧更容易熄滅氣體間隙擊穿（Breakdown）理論電弧溫度的變化滯后于電流的變化電壓大于12~20V，觸頭間隙（簡(jiǎn)稱弧隙）中會(huì)產(chǎn)生電弧阻性負(fù)載中：電流過零后，弧隙電壓上升慢，更利于電弧冷卻，提高燃弧尖峰電壓，利于電弧熄滅第三章電弧的基本特性Pdl：對(duì)流散熱功率（Ｗ）Ujc基本與p/T成正比第三章電弧的基本特性電弧電壓：156§34交流電弧的特性2023/1/4第三章電弧的基本特性17§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式熱發(fā)射（ThermalEmission）對(duì)清潔、均勻的表面，飽和熱發(fā)射電流密度Wyc:逸出功（eV）

T:金屬表面溫度（K）金屬沸點(diǎn)越高，熱發(fā)射的最大電流密度越大，如鎢§32電弧的物理特性2022/12/11第三章電弧的基172023/1/4第三章電弧的基本特性18§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式場(chǎng)致發(fā)射（FieldEmission）金屬表面施加電場(chǎng)時(shí)，將壓縮表面勢(shì)壘厚度，自由電子可以在常溫下穿過勢(shì)壘（隧道效應(yīng)）而逸出在較高溫度時(shí)，場(chǎng)致發(fā)射的電流密度為2022/12/11第三章電弧的基本特性18§31氣體182023/1/4第三章電弧的基本特性19§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式熱-場(chǎng)致發(fā)射（Field-assistedthermionicemission）熱、電場(chǎng)共同作用時(shí)，發(fā)射電流大大增強(qiáng)（非線性提升）以銅為例2022/12/11第三章電弧的基本特性19§31氣體192023/1/4第三章電弧的基本特性20§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式光發(fā)射（Photonemission）光和射線照射到金屬表面引起電子逸出光波越短（頻率越高），引起光發(fā)射的作用越強(qiáng)，逸出電子的速度越高二次發(fā)射（Secondaryemission）

一般來說，陰極附近的場(chǎng)強(qiáng)比陽極附近的場(chǎng)強(qiáng)高，所以陰極表面二次發(fā)射較強(qiáng)，并在氣體放電過程中起重要作用2022/12/11第三章電弧的基本特性20§31氣體202023/1/4第三章電弧的基本特性21§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式空間電離（Spaceionization

）電極間氣體自身由絕緣狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)（不是由外界送入帶電粒子）的現(xiàn)象空間電離的類型

光電離電場(chǎng)電離熱電離2022/12/11第三章電弧的基本特性21§31氣體212023/1/4第三章電弧的基本特性22§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式光電離中性粒子受到頻率為v的光照射時(shí)，若滿足hv≥Wyl,則可能被電離，這一現(xiàn)象稱為光電離光的頻率越高，電離作用越強(qiáng)X射線，α，β，γ，宇宙射線、紫外線具有較強(qiáng)的電離作用Wyl:中性粒子的電離能（J）

h:普朗克常數(shù)（6.624×10-34J.s）2022/12/11第三章電弧的基本特性22§31氣體222023/1/4第三章電弧的基本特性23§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式電場(chǎng)電離電子自由行程（freepath)長(zhǎng)，碰撞截面（collisioncrosssection）小，容易積累足夠的動(dòng)能，在電場(chǎng)電離中起重要作用若一個(gè)帶電粒子在電場(chǎng)中獲得的動(dòng)能

,則當(dāng)其與另一中性粒子碰撞時(shí)，就有可能使之電離，稱為電場(chǎng)電離或碰撞電離2022/12/11第三章電弧的基本特性23§31氣體232023/1/4第三章電弧的基本特性24§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式電場(chǎng)電離通常電極間氣體進(jìn)行電場(chǎng)電離的電子來自：金屬表面的電子發(fā)射、光電離電子碰撞中性粒子發(fā)生電離的幾率取決于動(dòng)能的大小和兩者電磁場(chǎng)相互作用的時(shí)間電場(chǎng)電離的幾率通常較小有時(shí)，電子碰撞中性粒子后，不使之電離或激勵(lì)，而是附著其上構(gòu)成負(fù)離子，稱為粘合（attachment)2022/12/11第三章電弧的基本特性24§31氣體24第三章電弧的基本特性此時(shí)磁場(chǎng)能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶?chǎng)能量這一調(diào)節(jié)過程需要一定的時(shí)間（電弧的熱慣性）§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體消電離（Deionization）一個(gè)電子沿電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，單位距離內(nèi)由電場(chǎng)電離而產(chǎn)生的帶電粒子對(duì)數(shù)（電子和正離子）第三章電弧的基本特性電離能：電離出一個(gè)自由電子所需要的能量加強(qiáng)帶電粒子的復(fù)合作用第三章電弧的基本特性氣體間隙擊穿（Breakdown）理論低沸點(diǎn)陰極（或在真空中）：大致等于陰極材料蒸汽的電離電位近陰極區(qū)：Cathode§33直流電弧的特性和熄滅原理第三章電弧的基本特性電弧長(zhǎng)度:l=vt低沸點(diǎn)陰極（或在真空中）：大致等于陰極材料蒸汽的電離電位duh/dih<0（負(fù)電阻）第三章電弧的基本特性弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射弧隙消電離作用過分強(qiáng)烈時(shí)，可出現(xiàn)截流（Currentchop）,即電弧電流突然降到零2023/1/4第三章電弧的基本特性25§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式熱電離氣體粒子高速熱運(yùn)動(dòng)、相互碰撞而產(chǎn)生的電離當(dāng)氣體溫度達(dá)到3000～4000K以上時(shí)，熱電離才顯著金屬蒸汽的電離能比一般氣體小得多，所以相同溫度下其電離度高于一般氣體當(dāng)氣體中混有金屬蒸汽時(shí)，電離度提高，電導(dǎo)率也增大第三章電弧的基本特性2022/12/11第三章電弧的基本252023/1/4第三章電弧的基本特性26§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體消電離（Deionization）電離氣體中帶電粒子自身消失或者失去電荷變?yōu)橹行粤Ｗ拥默F(xiàn)象，稱為消電離復(fù)合（Combination）：帶異號(hào)電荷的粒子相遇后相互作用電荷消失擴(kuò)散（Diffusion）：帶電粒子由于熱運(yùn)動(dòng)從高濃區(qū)向低濃度區(qū)移動(dòng)氣體消電離的方式2022/12/11第三章電弧的基本特性26§31氣體262023/1/4第三章電弧的基本特性27§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體消電離（Deionization）復(fù)合表面復(fù)合空間復(fù)合直接復(fù)合間接復(fù)合正離子電子中性粒子電子正離子電子陽極正離子陰極負(fù)離子陽極中性粒子中性粒子帶電離子異性離子中性粒子2022/12/11第三章電弧的基本特性27§31氣體272023/1/4第三章電弧的基本特性28§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體消電離（Deionization）復(fù)合電子和中性粒子形成負(fù)離子的可能性與氣體的性質(zhì)和純度有關(guān)氟原子及其化合物的分子對(duì)電子的粘合作用特別強(qiáng)，常稱為負(fù)電性氣體例如，SF6具有很好的絕緣性能和滅弧性能直接復(fù)合的幾率比間接復(fù)合的幾率小得多復(fù)合釋放能量：加熱電極（金屬或絕緣物表面）、輻射、增加中性粒子的速度電子的運(yùn)動(dòng)速度比負(fù)離子大得多2022/12/11第三章電弧的基本特性28§31氣體282023/1/4第三章電弧的基本特性29§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體消電離（Deionization）擴(kuò)散：帶電粒子由于熱運(yùn)動(dòng)從高濃區(qū)向低濃度區(qū)移動(dòng)當(dāng)電離氣體中正負(fù)帶電粒子數(shù)相等（稱為等離子體Plasma）時(shí)，擴(kuò)散必為雙極性。即在同一時(shí)間內(nèi)，擴(kuò)散的正負(fù)粒子數(shù)相等使極間氣體電離度下降，電導(dǎo)率減小擴(kuò)散使電極間電離氣體中帶電粒子減少2022/12/11第三章電弧的基本特性29§31氣體292023/1/4第三章電弧的基本特性30§31氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡(jiǎn)介等離子體-物質(zhì)的第四態(tài)2022/12/11第三章電弧的基本特性30§31氣體302023/1/4第三章電弧的基本特性31§31氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡(jiǎn)介由地球表面向外，等離子體是幾乎所有可見物質(zhì)的存在形式，大氣外側(cè)的電離層、日地空間的太陽風(fēng)、太陽日冕、太陽內(nèi)部、星際空間、星云及星團(tuán)，毫無例外的都是等離子體地球上的自然等離子體很少地球及其附近大氣的低溫度和高密度阻礙了等離子體的存在2022/12/11第三章電弧的基本特性31§31氣體312023/1/4第三章電弧的基本特性32§31氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡(jiǎn)介等離子體的定義：由大量帶電粒子組成的，在一定的空間和時(shí)間尺度，維持電中性的非束縛態(tài)的宏觀體系2022/12/11第三章電弧的基本特性32§31氣體322023/1/4第三章電弧的基本特性33§31氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡(jiǎn)介2022/12/11第三章電弧的基本特性33§31氣體332023/1/4第三章電弧的基本特性34§31氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡(jiǎn)介等離子體的分類2022/12/11第三章電弧的基本特性34§31氣體342023/1/4第三章電弧的基本特性35§31氣體放電的物理基礎(chǔ)密度(cm-3)2022/12/11第三章電弧的基本特性35§31氣體352023/1/4第三章電弧的基本特性36§31氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡(jiǎn)介等離子體物理學(xué)的理論研究領(lǐng)域2022/12/11第三章電弧的基本特性36§31氣體362023/1/4第三章電弧的基本特性37§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段由直流電路研究氣體放電的伏-安特性2022/12/11第三章電弧的基本特性37§31氣體372023/1/4第三章電弧的基本特性38§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段按放電性質(zhì)分為兩個(gè)階段2022/12/11第三章電弧的基本特性38§31氣體382023/1/4第三章電弧的基本特性39§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段非自持放電階段間隙中最初的自由電子是由外加電離因素產(chǎn)生的，如果除去外加電離因素則放電停止，故稱為非自持放電階段2022/12/11第三章電弧的基本特性39§31氣體392023/1/4第三章電弧的基本特性40§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段非自持放電階段間隙中最初的自由電子是由外加電離因素產(chǎn)生的，如果除去外加電離因素則放電停止，故稱為非自持放電階段2022/12/11第三章電弧的基本特性40§31氣體402023/1/4第三章電弧的基本特性41§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段非自持放電階段間隙中最初的自由電子是由外加電離因素產(chǎn)生的，如果除去外加電離因素則放電停止，故稱為非自持放電階段2022/12/11第三章電弧的基本特性41§31氣體412023/1/4第三章電弧的基本特性42§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段自持放電階段當(dāng)U上升到C點(diǎn)，場(chǎng)致發(fā)射和二次發(fā)射的電子已足夠多，即使除去外加電離因素，也能維持間隙放電，故稱為自持放電階段2022/12/11第三章電弧的基本特性42§31氣體42§31氣體放電的物理基礎(chǔ)§31氣體放電的物理基礎(chǔ)電弧電流自生環(huán)向磁場(chǎng)（Bθ）作用于電弧，壓縮弧柱，產(chǎn)生壓力（收縮壓力）第三章電弧的基本特性§34交流電弧的特性第三章電弧的基本特性快速運(yùn)動(dòng)的陰極斑點(diǎn)（真空電弧）T0:介質(zhì)溫度（K）第三章電弧的基本特性電離能：Wdl（J）第三章電弧的基本特性第三章電弧的基本特性電弧邊界（有不同的判別依據(jù)）uhBC<uhABduh/dt<0電弧電流：以某一較快的速度由I1減小到I3單位時(shí)間內(nèi)，有Ｎ個(gè)電子進(jìn)入dx金屬表面施加電場(chǎng)時(shí)，將壓縮表面勢(shì)壘厚度，自由電子可以在常溫下穿過勢(shì)壘（隧道效應(yīng)）而逸出§3３直流電弧的特性和熄滅原理§31氣體放電的物理基礎(chǔ)熱發(fā)射電子對(duì)短弧熄滅極為重要§34交流電弧的特性熱、電場(chǎng)共同作用時(shí)，發(fā)射電流大大增強(qiáng)（非線性提升）第三章電弧的基本特性在大氣中開斷電路時(shí)，若電流大于0.電弧電壓對(duì)交流電路的影響氣體間隙擊穿（Breakdown）理論第三章電弧的基本特性加強(qiáng)帶電粒子的復(fù)合作用§34交流電弧的特性放電通道溫度低（常溫）第三章電弧的基本特性直流電弧的動(dòng)態(tài)伏－安特性一個(gè)電子經(jīng)過單位距離的碰撞次數(shù)例如，SF6具有很好的絕緣性能和滅弧性能此時(shí)磁場(chǎng)能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶?chǎng)能量Ih：電弧長(zhǎng)度(m)（近似等于極間距離）金屬表面存在勢(shì)壘（Potentialbarrier）第三章電弧的基本特性2023/1/4第三章電弧的基本特性43§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段自持放電階段當(dāng)U上升到C點(diǎn)，場(chǎng)致發(fā)射和二次發(fā)射的電子已足夠多，即使除去外加電離因素，也能維持間隙放電，故稱為自持放電階段§31氣體放電的物理基礎(chǔ)§31氣體放電的物理基礎(chǔ)20432023/1/4第三章電弧的基本特性44§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段自持放電階段當(dāng)U上升到C點(diǎn)，場(chǎng)致發(fā)射和二次發(fā)射的電子已足夠多，即使除去外加電離因素，也能維持間隙放電，故稱為自持放電階段

電離方式主要是電場(chǎng)電離放電溫度低（常溫）電流密度?。?.1A/m2）

陰極壓降高（幾百V）2022/12/11第三章電弧的基本特性44§31氣體44Th>20000K:(電離度)1第三章電弧的基本特性§34交流電弧的特性§32電弧的物理特性Th：弧柱表面溫度（K）電弧靜態(tài)伏安特性的影響因素氣體消電離（Deionization）分級(jí)電離：中性粒子→激勵(lì)→電離第三章電弧的基本特性第三章電弧的基本特性§34交流電弧的特性對(duì)流散發(fā)的功率與氣流速度成正比等離子流是高溫且含有金屬蒸汽的電離氣體，不利于介質(zhì)恢復(fù)和電弧的熄滅§31氣體放電的物理基礎(chǔ)電離能：電離出一個(gè)自由電子所需要的能量§32電弧的物理特性r0：T0處的半徑（m）(r0>>rh)曲線0-1-3稱為電流變化速度為無窮大時(shí)的電弧動(dòng)態(tài)伏-安特性靜態(tài)伏安特性：對(duì)于固定的弧長(zhǎng)l，在（發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測(cè)得的Uh-Ih特性duh/dih<0（負(fù)電阻）2023/1/4第三章電弧的基本特性45§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段自持放電階段當(dāng)U上升到C點(diǎn)，場(chǎng)致發(fā)射和二次發(fā)射的電子已足夠多，即使除去外加電離因素，也能維持間隙放電，故稱為自持放電階段

放電溫度極高（6000K以上）電流密度很大（107A/m2）陰極壓降很低（幾十V）電離方式主要是熱電離（真空電弧不同）電弧邊界（有不同的判別依據(jù)）Th>20000K:(電離度)12022452023/1/4第三章電弧的基本特性46§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段輝光放電與弧光放電的特征比較輝光放電（glowdischarge）弧光放電（arcdischarge）電場(chǎng)電離為主熱電離為主放電通道溫度低（常溫）放電通道溫度極高（6000K以上）電流密度較?。s0.1A/m2）電流密度很大（達(dá)107A/m2）陰極壓降較高（幾百伏）陰極壓降很小（幾十伏）2022/12/11第三章電弧的基本特性46§31氣體462023/1/4第三章電弧的基本特性47§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論氣體間隙擊穿：隨著電壓升高，間隙氣體進(jìn)入輝光或弧光放電區(qū)，氣體間隙由絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)體狀態(tài)，這一現(xiàn)象稱為氣體間隙擊穿2022/12/11第三章電弧的基本特性47§31氣體472023/1/4第三章電弧的基本特性48§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論關(guān)心的問題擊穿電壓與氣體間隙參數(shù)的關(guān)系湯遜氣體放電理論假定如果電子動(dòng)能＞氣體粒子電離能，則碰撞一定電離，否則不能電離電子和氣體粒子碰撞會(huì)釋放出全部能量電子只沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)2022/12/11第三章電弧的基本特性48§31氣體482023/1/4第三章電弧的基本特性49§31氣體放電的物理基礎(chǔ)電子與重粒子碰撞時(shí)能量的傳遞在研究電子與重粒子的激發(fā)或電離碰撞中（非彈性碰撞），可以近似認(rèn)為重粒子的動(dòng)能不變，這一近似準(zhǔn)確到me/ma

的量級(jí)對(duì)于電離碰撞，能量守恒方程為2022/12/11第三章電弧的基本特性49§31氣體492023/1/4第三章電弧的基本特性50§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論一個(gè)電子沿電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，單位距離內(nèi)由電場(chǎng)電離而產(chǎn)生的帶電粒子對(duì)數(shù)（電子和正離子）

E：電場(chǎng)強(qiáng)度（V/m）

p：氣體壓力（Pa）

T：氣體溫度（K）

A0：經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

B0：經(jīng)驗(yàn)系數(shù)2022/12/11第三章電弧的基本特性50§31氣體502023/1/4第三章電弧的基本特性51§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論電子沿電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，單位距離內(nèi)由電場(chǎng)電離而產(chǎn)生的帶電粒子對(duì)數(shù)

自由行程：λ（電子與氣體分子兩次碰撞之間相隔的距離）（m）電離能：Wdl（J）電離單位：Udl（V）電場(chǎng)強(qiáng)度：E（V/m）2022/12/11第三章電弧的基本特性51§31氣體512023/1/4第三章電弧的基本特性52§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論一次碰撞發(fā)生電場(chǎng)電離的條件？2022/12/11第三章電弧的基本特性52§31氣體522023/1/4第三章電弧的基本特性53§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論平均自由行程：λ（N個(gè)粒子自由行程的平均值）

n：粒子數(shù)密度（m-3）

d：粒子直徑（m）剛性球假定下的平均自由行程理想氣體的狀態(tài)方程

k：玻爾茲曼常數(shù)2022/12/11第三章電弧的基本特性53§31氣體532023/1/4第三章電弧的基本特性54§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論λ≥λdl的電子數(shù)（自由行程是有分布的）2022/12/11第三章電弧的基本特性54§31氣體542023/1/4第三章電弧的基本特性55§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論λ≥λdl的電子數(shù)（自由行程是有分布的）一個(gè)電子碰撞一次就發(fā)生電離的幾率一個(gè)電子經(jīng)過單位距離的碰撞次數(shù)一個(gè)電子經(jīng)過單位距離發(fā)生電離碰撞的次數(shù)，即所產(chǎn)生的帶電粒子對(duì)數(shù)2022/12/11第三章電弧的基本特性55§31氣體552023/1/4第三章電弧的基本特性56§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論一個(gè)電子經(jīng)過單位距離發(fā)生電離碰撞的次數(shù)，即所產(chǎn)生的帶電粒子對(duì)數(shù)2022/12/11第三章電弧的基本特性56§31氣體562023/1/4第三章電弧的基本特性57§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論均勻電場(chǎng)間隙擊穿條件單位時(shí)間內(nèi)，有Ｎ個(gè)電子進(jìn)入dx穿過dx后，電子的增量為2022/12/11第三章電弧的基本特性57§31氣體57電弧電流自生環(huán)向磁場(chǎng)（Bθ）作用于電弧，壓縮弧柱，產(chǎn)生壓力（收縮壓力）§31氣體放電的物理基礎(chǔ)優(yōu)選第三章電弧的基本特性§32電弧的物理特性u(píng)xh之后、urh之前:在感性負(fù)載下，弧隙電壓的變化速度比阻性負(fù)載快得多第三章電弧的基本特性Th<3000－4000K:(電離度)0等離子體-物質(zhì)的第四態(tài)假定：電流為正弦波形，與負(fù)載無關(guān)電弧電壓：156表面發(fā)射：金屬電極表面發(fā)射電子進(jìn)入極間氣體曲線1-3和1-5稱為電流以某一速度變化時(shí)的電弧動(dòng)態(tài)伏-安特性近極區(qū)的溫度受電極材料沸點(diǎn)的限制，低于弧柱的溫度§31氣體放電的物理基礎(chǔ)自由燃燒時(shí)，傳導(dǎo)與對(duì)流散熱功率相當(dāng)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論Ut=LdIh/dtUrh之后、Uxh之前：uh按動(dòng)態(tài)伏-安特性變化系統(tǒng)發(fā)生單相短路時(shí)，短路電流的一般表達(dá)式過分減少燃弧時(shí)間§31氣體放電的物理基礎(chǔ)2023/1/4第三章電弧的基本特性58§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論均勻電場(chǎng)間隙擊穿條件間隙中電場(chǎng)電離產(chǎn)生的正離子數(shù)為一個(gè)正離子使陰極由于二次發(fā)射而產(chǎn)生的電子數(shù)，稱為表面電離系數(shù)或湯遜第二系數(shù)，記為γ若二次發(fā)射電子數(shù)＝Ｎ0，則放電可自持電弧電流自生環(huán)向磁場(chǎng)（Bθ）作用于電弧，壓縮弧柱，產(chǎn)生壓力（582023/1/4第三章電弧的基本特性59§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論間隙中電場(chǎng)電離產(chǎn)生的正離子數(shù)為若二次發(fā)射電子數(shù)＝Ｎ0，則放電可自持均勻電場(chǎng)間隙擊穿條件2022/12/11第三章電弧的基本特性59§31氣體592023/1/4第三章電弧的基本特性60§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論均勻電場(chǎng)間隙擊穿條件均勻電場(chǎng)的間隙，擊穿電壓為Ujc基本與p/T成正比2022/12/11第三章電弧的基本特性60§31氣體602023/1/4第三章電弧的基本特性61§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論均勻電場(chǎng)的間隙，擊穿電壓為Ａ、Ｂ與氣體種類及溫度有關(guān)T為常數(shù)時(shí)，擊穿電壓為2022/12/11第三章電弧的基本特性61§31氣體612023/1/4第三章電弧的基本特性62§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論均勻電場(chǎng)的間隙，擊穿電壓為T為常數(shù)時(shí)，擊穿電壓為平均自由行程：（N個(gè)粒子自由行程的平均值）2022/12/11第三章電弧的基本特性62§31氣體622023/1/4第三章電弧的基本特性63§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論量綱分析2022/12/11第三章電弧的基本特性63§31氣體632023/1/4第三章電弧的基本特性64§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論銅電極時(shí)空氣的試驗(yàn)曲線與計(jì)算曲線巴申（Paschen）曲線提高或降低間隙氣壓都可以提高其擊穿電壓除pl值甚小以外，兩者相當(dāng)接近存在一最小擊穿電壓Ujcmin和相應(yīng)的(pl)min當(dāng)pl大于或小于(pl)min

時(shí)，Ujc均會(huì)增大2022/12/11第三章電弧的基本特性64§31氣體642023/1/4第三章電弧的基本特性65§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論設(shè)l不變，p改變氣壓很小時(shí)，氣體稀薄，電子自由行程很大，雖然碰撞可積累較大動(dòng)能，但碰撞次數(shù)太小。因此，隨著p減小，擊穿電壓增大巴申曲線為何存在最低點(diǎn)氣壓很大時(shí)，氣體密度大，電子自由行程很小，雖然碰撞次數(shù)多，但電子不易積累動(dòng)能。因此，隨著p增大，擊穿電壓也增大2022/12/11第三章電弧的基本特性65§31氣體652023/1/4第三章電弧的基本特性66§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論流注（Streaming）理論流注理論的基本思想湯遜理論可解釋氣體間隙擊穿的機(jī)理，但難以解釋長(zhǎng)間隙氣體放電過程的發(fā)展時(shí)間基于光子輻射使氣體逐段電離（光電離），然后連成一片，很好地解釋了長(zhǎng)間隙擊穿過程的快速性2022/12/11第三章電弧的基本特性66§31氣體662023/1/4第三章電弧的基本特性67§31氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論流注（Streaming）理論氣隙擊穿過程陰極發(fā)射電子大量電子、正離子（電子崩）電場(chǎng)加速碰撞電離內(nèi)部復(fù)合放出光子產(chǎn)生第二個(gè)電子崩電子崩頭部光電離產(chǎn)生電子各電子崩尾發(fā)展連成一個(gè)通道…崩頭、崩尾電場(chǎng)加強(qiáng)崩內(nèi)部電場(chǎng)減弱電子崩內(nèi)電荷分布2022/12/11第三章電弧的基本特性67§31氣體672023/1/4第三章電弧的基本特性68§31氣體放電的物理基礎(chǔ)開關(guān)電器中，氣體間隙擊穿后，通常立即發(fā)生弧光放電（電弧）弧隙中帶電粒子數(shù)的變化－離子平衡公式帶電粒子變化光發(fā)射熱發(fā)射電離作用場(chǎng)致發(fā)射二次發(fā)射電場(chǎng)電離復(fù)合擴(kuò)散2022/12/11第三章電弧的基本特性68§31氣體68p：氣體壓力（Pa）自由燃弧時(shí)：通常只占總散發(fā)功率的百分之幾到十幾§3３直流電弧的特性和熄滅原理熱發(fā)射電子對(duì)短弧熄滅極為重要具有很高的電流密度（104～107Ａ/cm2）自由燃燒時(shí)，傳導(dǎo)與對(duì)流散熱功率相當(dāng)§32電弧的物理特性§31氣體放電的物理基礎(chǔ)§3３直流電弧的特性和熄滅原理電弧電流：以某一較快的速度由I1增大到I2§31氣體放電的物理基礎(chǔ)湯遜理論可解釋氣體間隙擊穿的機(jī)理，但難以解釋長(zhǎng)間隙氣體放電過程的發(fā)展時(shí)間§3３直流電弧的特性和熄滅原理第三章電弧的基本特性第三章電弧的基本特性直流電弧的能量和燃弧時(shí)間第三章電弧的基本特性縱吹時(shí)，對(duì)流散發(fā)的功率與電弧橫截面積成正比，側(cè)面也有作用第三章電弧的基本特性2023/1/4第三章電弧的基本特性69§31氣體放電的物理基礎(chǔ)弧隙中帶電粒子數(shù)的變化－離子平衡公式根據(jù)弧隙中帶電粒子數(shù)的增減來判別電弧燃燒的變化趨勢(shì)p：氣體壓力（Pa）2022/12/11第三章電弧的基本特692023/1/4第三章電弧的基本特性70第三章電弧的基本特性§30序§31氣體放電的物理基礎(chǔ)§32電弧的物理特性§33直流電弧的特性和熄滅原理§34交流電弧的特性§35麥也爾電弧數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介2022/12/11第三章電弧的基本特性70第三章電弧的702023/1/4第三章電弧的基本特性71§3２電弧的物理特性產(chǎn)生電弧的方式開斷電路(拉弧)(Drawnarc)火花觸發(fā)(Triggeredarc）熔絲引弧F2022/12/11第三章電弧的基本特性71§3２電弧712023/1/4第三章電弧的基本特性72§32電弧的物理特性開斷電路時(shí)電弧的產(chǎn)生過程起弧條件大氣中開斷直流電路Ｕ>Uarcmin最小生弧電壓Ｉ>Ｉarcmin最小生弧電流最小生弧電流、最小生弧電壓與觸頭材料有關(guān)大氣中開斷交流電路電源電壓不同，最小生弧電流不同電源電壓提高，最小生弧電流減小在相近的電源電壓下，最小生弧電流比開斷直流時(shí)大若Ｉ<Ｉarcmin或

U<Uarcmin，則只產(chǎn)生火花（spark）2022/12/11第三章電弧的基本特性72§32電弧722023/1/4第三章電弧的基本特性73§32電弧的物理特性開斷電路時(shí)電弧的產(chǎn)生過程觸頭開始分離觸頭壓力接觸面積接觸電阻電流密度發(fā)熱接觸處熔化，形成液態(tài)金屬橋（Metalbridge）液橋變細(xì)拉長(zhǎng)，開始蒸發(fā)2022/12/11第三章電弧的基本特性73§32電弧732023/1/4第三章電弧的基本特性74§32電弧的物理特性開斷電路時(shí)電弧的產(chǎn)生過程液橋變細(xì)拉長(zhǎng)，開始蒸發(fā)液橋完全蒸發(fā)：蒸汽進(jìn)入弧隙陰極：發(fā)射電子（熱發(fā)射、場(chǎng)致發(fā)射）弧隙：電場(chǎng)電離產(chǎn)生大量帶電粒子電子陽極復(fù)合陽極溫度正離子陰極復(fù)合陰極溫度陰極電場(chǎng)二次發(fā)射熱發(fā)射電子正離子復(fù)合弧隙溫度熱電離弧隙溫度熱電離主導(dǎo)電導(dǎo)率電弧電壓電弧穩(wěn)定燃燒2022/12/11第三章電弧的基本特性74§32電弧742023/1/4第三章電弧的基本特性75§32電弧的物理特性電弧電壓的特性以直流電弧為例電弧電壓Uh沿弧長(zhǎng)分布不均勻，分為三個(gè)區(qū)域近陰極區(qū)：Cathode弧柱區(qū)：Ｚ近陽極區(qū)：Anode2022/12/11第三章電弧的基本特性75§32電弧752023/1/4第三章電弧的基本特性76§32電弧的物理特性電弧電壓的特性

近陰極區(qū)長(zhǎng)度與電子平均自由行程相當(dāng)(10－6m)近似無碰撞有大量正離子正空間電荷區(qū)形成陰極壓降Uc電場(chǎng)強(qiáng)度高利于二次發(fā)射和場(chǎng)致發(fā)射陰極壓降與陰極材料和氣體介質(zhì)特性有關(guān)低沸點(diǎn)陰極（或在真空中）：大致等于陰極材料蒸汽的電離電位高沸點(diǎn)陰極：大致等于氣體介質(zhì)的電離電位2022/12/11第三章電弧的基本特性76§32電弧762023/1/4第三章電弧的基本特性77§32電弧的物理特性電弧電壓的特性

近陽極區(qū)長(zhǎng)度約為陰極區(qū)的幾倍負(fù)空間電荷區(qū)形成陽極壓降Ua（與陽極材料有關(guān)）有大量電子電場(chǎng)強(qiáng)度較低穩(wěn)定燃弧時(shí)，Uc、Ｕa隨Ｉ變化不大，一般認(rèn)為是常數(shù)2022/12/11第三章電弧的基本特性77§32電弧772023/1/4第三章電弧的基本特性78§32電弧的物理特性電弧電壓的特性

弧柱區(qū)不一定為“圓柱形”正負(fù)帶電粒子數(shù)相等，為等離子體單位長(zhǎng)度弧柱的壓降基本相等電場(chǎng)強(qiáng)度沿軸向近似為常數(shù)影響電場(chǎng)強(qiáng)度Ｅ的因素電極材料電流大小不存在空間電荷，類似電阻氣體介質(zhì)種類氣壓介質(zhì)對(duì)電弧作用2022/12/11第三章電弧的基本特性78§32電弧782023/1/4第三章電弧的基本特性79§32電弧的物理特性電弧電壓的特性

弧柱區(qū)弧柱電阻電弧電壓

燃弧過程中，基本不變

Ｅ：弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度(V/m)

Ih：電弧長(zhǎng)度(m)（近似等于極間距離）2022/12/11第三章電弧的基本特性79§32電弧792023/1/4第三章電弧的基本特性80§32電弧的物理特性電弧電壓的特性

按U0、Uz在Uh中所占的比例將電弧分為短弧和長(zhǎng)弧短?。簂很小，Uz可忽略，Uh幾乎與I無關(guān)長(zhǎng)?。簂很大，Uz

>>U0，Uh大致與Ｅ成正比2022/12/11第三章電弧的基本特性80§32電弧802023/1/4第三章電弧的基本特性81§32電弧的物理特性弧柱溫度

具有很高的溫度：大于6000Ｋ一般需要間接測(cè)量溫度

開關(guān)電器中一般采用的數(shù)據(jù)Th<3000－4000K:(電離度)

0Th>20000K:(電離度)

1

電弧溫度的影響因素電弧電流燃弧介質(zhì)電極材料2022/12/11第三章電弧的基本特性81§32電弧812023/1/4第三章電弧的基本特性82§32電弧的物理特性弧柱溫度近似分析時(shí)，可以認(rèn)為弧柱電阻率為常數(shù)Rz與d成反比假定弧柱溫度處于某平均值，則弧柱各點(diǎn)電導(dǎo)率相同，弧柱電阻為

ρh：弧柱電阻率

l：電弧長(zhǎng)度

d:弧柱直徑2022/12/11第三章電弧的基本特性82§32電弧822023/1/4第三章電弧的基本特性83§32電弧的物理特性弧柱溫度

交流電弧時(shí)，電弧溫度隨電流變化而變化，其特點(diǎn)為電弧溫度的變化滯后于電流的變化電弧的熱慣性：電弧溫度的升高和降低，必須供給或散發(fā)一定的熱量，需要一定的時(shí)間近極區(qū)的溫度受電極材料沸點(diǎn)的限制，低于弧柱的溫度電弧溫度的最大值滯后于電流峰值電流過零時(shí)，電弧溫度不為零類似于導(dǎo)體的熱慣性2022/12/11第三章電弧的基本特性83§32電弧832023/1/4第三章電弧的基本特性84§32電弧的物理特性弧柱直徑

電弧實(shí)質(zhì)為導(dǎo)電氣體，本身并無明確邊界測(cè)量和描述弧柱直徑有不同的方法探針法（測(cè)電流）攝像法（測(cè)亮度）電流大小狹縫法（測(cè)溫度）

弧柱直徑的影響因素觸頭材料氣壓及氣體作用方式介質(zhì)種類磁場(chǎng)2022/12/11第三章電弧的基本特性84§32電弧842023/1/4第三章電弧的基本特性85§32電弧的物理特性弧柱直徑

弧柱形態(tài)和直徑受燃弧條件的控制氣體中垂直自由燃燒：倒圓錐形

經(jīng)驗(yàn)公式絕緣狹縫中：橢圓形長(zhǎng)?。簭澢?、扭曲真空電?。簲U(kuò)散、集聚

弧柱直徑變化也因熱慣性而滯后于電流2022/12/11第三章電弧的基本特性85§32電弧852023/1/4第三章電弧的基本特性86§32電弧的物理特性弧根和斑點(diǎn)

弧根（arcroot）:電弧貼近電極的部分弧根的截面積通常小于弧柱

斑點(diǎn)（arcspot）:弧根在電極表面上形成的明亮圓點(diǎn)陰極斑點(diǎn)發(fā)射電子（熱發(fā)射、場(chǎng)致發(fā)射、二次發(fā)射）、接收正離子具有很高的電流密度（104～107Ａ/cm2）溫度高、蒸發(fā)、造成燒蝕（Erosion）也有無陰極斑點(diǎn)的電?。ǜ叻悬c(diǎn)陰極，如碳、鎢）穩(wěn)定的陰極斑點(diǎn)（金屬陰極在高氣壓下）快速運(yùn)動(dòng)的陰極斑點(diǎn)（真空電?。?022/12/11第三章電弧的基本特性86§32電弧862023/1/4第三章電弧的基本特性87§32電弧的物理特性弧根和斑點(diǎn)

斑點(diǎn)（arcspot）:弧根在電極表面上形成的明亮圓點(diǎn)陽極斑點(diǎn)接收電子面積一般比陰極斑點(diǎn)大，電流密度較小在真空電弧中，陽極斑點(diǎn)有特殊的含義：若形成陽極斑點(diǎn)，則很容易導(dǎo)致開斷失敗陰極陽極斑點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)斑點(diǎn)運(yùn)動(dòng)受電流、材料、磁場(chǎng)等因素的影響（連續(xù)運(yùn)動(dòng)）（跳躍運(yùn)動(dòng)）2022/12/11第三章電弧的基本特性87§32電弧872023/1/4第三章電弧的基本特性88§32電弧的物理特性弧根和斑點(diǎn)

斑點(diǎn)的溫度一般大致等于電極材料的沸點(diǎn)觸頭材料沸點(diǎn)低觸頭材料沸點(diǎn)高燃弧時(shí)，弧隙金屬蒸汽少電流過零后陰極熱發(fā)射電子多燃弧時(shí)，弧隙金屬蒸汽多電流過零后陰極熱發(fā)射電子少

金屬蒸汽對(duì)長(zhǎng)弧熄滅非常重要

熱發(fā)射電子對(duì)短弧熄滅極為重要2022/12/11第三章電弧的基本特性88§32電弧882023/1/4第三章電弧的基本特性89§32電弧的物理特性電弧的等離子流

P：弧柱截面壓強(qiáng)（Pa）

Ih：電弧電流（A）

rh：電弧半徑（cm）電弧電流自生環(huán)向磁場(chǎng)（Bθ）作用于電弧，壓縮弧柱，產(chǎn)生壓力（收縮壓力）2022/12/11第三章電弧的基本特性89§32電弧892023/1/4第三章電弧的基本特性90§32電弧的物理特性電弧的等離子流電弧電流自生環(huán)向磁場(chǎng)（Bθ）作用于電弧，壓縮弧柱，產(chǎn)生壓力（收縮壓力）收縮壓力沿弧柱徑向分布不均勻，在弧柱中心壓力最大自由燃燒時(shí)，弧根處半徑最小，故該處弧柱中心壓力最大2022/12/11第三章電弧的基本特性90§32電弧902023/1/4第三章電弧的基本特性91§32電弧的物理特性電弧的等離子流電弧電流自生環(huán)向磁場(chǎng)（Bθ）作用于電弧，壓縮弧柱，產(chǎn)生壓力（收縮壓力）收縮壓力沿弧柱徑向分布不均勻，在弧柱中心壓力最大自由燃燒時(shí)，弧根處半徑最小，故該處弧柱中心壓力最大因壓力梯度，弧根等離子體向弧柱中部流動(dòng)電極材料氣化垂直于電極表面流動(dòng)等離子流2022/12/11第三章電弧的基本特性91§32電弧912023/1/4第三章電弧的基本特性92§32電弧的物理特性電弧的等離子流電弧電流大于一定值時(shí)，才產(chǎn)生等離子流等離子流中粒子流動(dòng)的速度：10～100m/s，真空電弧中可達(dá)104m/s通過人工減小電弧半徑的方法，也可以產(chǎn)生等離子流當(dāng)兩股等離子流在空間不相遇時(shí)，電弧不是在極間燃燒，而是在等離子流間燃燒等離子流是高溫且含有金屬蒸汽的電離氣體，不利于介質(zhì)恢復(fù)和電弧的熄滅2022/12/11第三章電弧的基本特性92§32電弧922023/1/4第三章電弧的基本特性93§32電弧的物理特性電弧的能量平衡電弧相當(dāng)于一純電阻性發(fā)熱元件電弧耗散的功率為：一般認(rèn)為：IhU0由電極傳出，IhUz由弧柱散出短弧長(zhǎng)弧PhPh主要其它部件周圍介質(zhì)周圍介質(zhì)主要周圍介質(zhì)2022/12/11第三章電弧的基本特性93§32電弧932023/1/4第三章電弧的基本特性94§32電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射傳導(dǎo)傳導(dǎo)散發(fā)的功率

Pcd：傳導(dǎo)散熱功率（Ｗ）

λ：氣體熱導(dǎo)率（W/(K.m)）

l：電弧長(zhǎng)度（m）

rh

：電弧半徑（m）

Th：弧柱表面溫度（K）

T0：環(huán)境溫度(K)

r0

：T0處的半徑（m）(r0>>rh)2022/12/11第三章電弧的基本特性94§32電弧942023/1/4第三章電弧的基本特性95§32電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射傳導(dǎo)利用熱路的方法2022/12/11第三章電弧的基本特性95§32電弧952023/1/4第三章電弧的基本特性96§32電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射傳導(dǎo)氣體熱導(dǎo)率與溫度有關(guān)氫氣具有很好的導(dǎo)熱性λ愈大，Pcd愈大，電弧電壓高且較易熄滅分子原子（吸熱）原子分子（散熱）2022/12/11第三章電弧的基本特性96§32電弧962023/1/4第三章電弧的基本特性97§32電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射對(duì)流周圍冷的氣體介質(zhì)弧柱中熾熱的電離氣體2022/12/11第三章電弧的基本特性97§32電弧972023/1/4第三章電弧的基本特性98§32電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射對(duì)流自由燃燒時(shí)，傳導(dǎo)與對(duì)流散熱功率相當(dāng)開關(guān)電器中常采用強(qiáng)迫對(duì)流，對(duì)流起主導(dǎo)作用橫吹

Pdl：對(duì)流散熱功率（Ｗ）

v：橫吹速度（cm/s）

dh：弧柱直徑（cm）

l：電弧長(zhǎng)度（cm）

Th:弧柱平均溫度（K）

T0:介質(zhì)溫度（K）2022/12/11第三章電弧的基本特性98§32電弧982023/1/4第三章電弧的基本特性99§32電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射對(duì)流自由燃燒時(shí)，傳導(dǎo)與對(duì)流散熱功率相當(dāng)開關(guān)電器中常采用強(qiáng)迫對(duì)流，對(duì)流起主導(dǎo)作用縱吹

Pdl：對(duì)流散熱功率（Ｗ）

v：縱吹速度（cm/s）

dh：弧柱直徑（cm）

Th:弧柱平均溫度（K）

T0:介質(zhì)溫度（K）2022/12/11第三章電弧的基本特性99§32電弧992023/1/4第三章電弧的基本特性100§32電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射對(duì)流縱吹橫吹橫吹時(shí)，對(duì)流散發(fā)的功率與電弧縱截面積成正比縱吹時(shí)，對(duì)流散發(fā)的功率與電弧橫截面積成正比，側(cè)面也有作用對(duì)流散發(fā)的功率與氣流速度成正比2022/12/11第三章電弧的基本特性100§32電1002023/1/4第三章電弧的基本特性101§32電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射輻射輻射散發(fā)的功率Pfs與弧柱體積成正比電弧不一定是透明體!自由燃弧時(shí)：通常只占總散發(fā)功率的百分之幾到十幾強(qiáng)迫冷卻時(shí)：輻射可以忽略εfs：弧柱的發(fā)射率(Ｗ/(cm3.K4))

l：電弧長(zhǎng)度（cm）

rh:弧柱半徑（cm）

Th:弧柱平均溫度（K）

T0:介質(zhì)溫度（K）2022/12/11第三章電弧的基本特性101§32電1012023/1/4第三章電弧的基本特性102§32電弧的物理特性電弧的能量平衡Ps=Pz+IhU0長(zhǎng)弧時(shí)近極區(qū)耗散功率電極2022/12/11第三章電弧的基本特性102§32電1022023/1/4第三章電弧的基本特性103§32電弧的物理特性電弧的能量平衡電弧產(chǎn)生穩(wěn)定燃燒的能量平衡過程假定Ih不變Th較小dh較小Rh較大Ｕh較大Ｐh較大Ps較小Ph=IhUh>PsＴhdhRhＵhIhUhPsPh=IhUh=Ps電弧進(jìn)入穩(wěn)定燃燒狀態(tài)2022/12/11第三章電弧的基本特性103§32電1032023/1/4第三章電弧的基本特性104§32電弧的物理特性電弧的能量平衡電弧達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)時(shí)的電弧溫度、電阻和直徑與電弧電流有密切關(guān)系電弧電流越大弧柱溫度越高電弧直徑越大電弧電阻越小電弧電壓越低（真空電弧不是這樣!）但電弧的輸入功率增大用來平衡散發(fā)功率的增加（原因：溫度升高、直徑增大）電弧自動(dòng)調(diào)節(jié)弧柱溫度和直徑以達(dá)到輸入和散發(fā)功率平衡這一調(diào)節(jié)過程需要一定的時(shí)間（電弧的熱慣性）2022/12/11第三章電弧的基本特性104§32電1042023/1/4第三章電弧的基本特性105§32電弧的物理特性電弧的能量平衡電弧的動(dòng)態(tài)能量平衡（守恒）方程物理意義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電弧所含熱能的變化量，等于發(fā)熱和散熱功率之差電弧所含的熱能（J）2022/12/11第三章電弧的基本特性105§32電1052023/1/4第三章電弧的基本特性106第三章電弧的基本特性§30序§31氣體放電的物理基礎(chǔ)§32電弧的物理特性§33直流電弧的特性和熄滅原理§34交流電弧的特性§35麥也爾電弧數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介2022/12/11第三章電弧的基本特性106第三章電弧1062023/1/4第三章電弧的基本特性107§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的靜態(tài)伏－安特性靜態(tài)伏安特性：對(duì)于固定的弧長(zhǎng)l，在（發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測(cè)得的Uh-Ih特性2022/12/11第三章電弧的基本特性107§3３直流1072023/1/4第三章電弧的基本特性108§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的靜態(tài)伏－安特性靜態(tài)伏安特性：對(duì)于固定的弧長(zhǎng)l，在（發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測(cè)得的Uh-Ih特性弧長(zhǎng)增大伏-安特性抬高（電弧電壓增大）電弧電阻：Uh-Ih

曲線上點(diǎn)的斜率（）2022/12/11第三章電弧的基本特性108§3３直流1082023/1/4第三章電弧的基本特性109§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的靜態(tài)伏－安特性靜態(tài)伏安特性：對(duì)于固定的弧長(zhǎng)l，在（發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測(cè)得的Uh-Ih特性弧長(zhǎng)增大伏-安特性抬高（電弧電壓增大）電弧電阻：Uh-Ih

曲線上點(diǎn)的斜率（）非線性：電阻隨電流變化負(fù)阻性：電流增大，電阻減?。蒱ＩhＵhThdhＲh2022/12/11第三章電弧的基本特性109§3３直流1092023/1/4第三章電弧的基本特性110§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的靜態(tài)伏－安特性靜態(tài)伏安特性：對(duì)于固定的弧長(zhǎng)l，在（發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測(cè)得的Uh-Ih特性S1<S2:用來平衡散發(fā)功率的增加（原因：溫度升高、直徑增大）2022/12/11第三章電弧的基本特性110§3３直流1102023/1/4第三章電弧的基本特性111§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的靜態(tài)伏－安特性靜態(tài)伏安特性：對(duì)于固定的弧長(zhǎng)l，在（發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測(cè)得的Uh-Ih特性電弧長(zhǎng)度電弧靜態(tài)伏安特性的影響因素電極材料氣體介質(zhì)氣體壓力介質(zhì)相對(duì)于電弧的運(yùn)動(dòng)速度經(jīng)驗(yàn)公式：2022/12/11第三章電弧的基本特性111§3３直流1112023/1/4第三章電弧的基本特性112§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動(dòng)態(tài)伏－安特性動(dòng)態(tài)伏安特性：對(duì)于固定的弧長(zhǎng)l，Ih按一定速度變化，Uh隨之變化，測(cè)得的Uh-Ih特性2022/12/11第三章電弧的基本特性112§3３直流1122023/1/4第三章電弧的基本特性113§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動(dòng)態(tài)伏－安特性靜態(tài)伏－安特性電弧在I1穩(wěn)定燃燒電弧電流：以某一較快的速度由I1增大到I2電弧電壓：1３４電弧在I1穩(wěn)定燃燒電弧電流：以某一較快的速度由I1減小到I3電弧電壓：1

5

6曲線1-3和1-5稱為電流以某一速度變化時(shí)的電弧動(dòng)態(tài)伏-安特性2022/12/11第三章電弧的基本特性113§3３直流1132023/1/4第三章電弧的基本特性114§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動(dòng)態(tài)伏－安特性靜態(tài)伏－安特性電弧在I1穩(wěn)定燃燒電弧電流：以某一較快的速度由I1增大到I2電弧電壓：1３４電弧在I1穩(wěn)定燃燒電弧電流：以某一較快的速度由I1減小到I3電弧電壓：1

5

6電弧自動(dòng)調(diào)節(jié)弧柱溫度和直徑以達(dá)到輸入和散發(fā)功率平衡這一調(diào)節(jié)過程需要一定的時(shí)間（電弧的熱慣性）2022/12/11第三章電弧的基本特性114§3３直流1142023/1/4第三章電弧的基本特性115§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動(dòng)態(tài)伏－安特性靜態(tài)伏－安特性電弧在I1穩(wěn)定燃燒電弧電流：以某一較快的速度由I1增大到I2電弧電壓：1３４電弧在I1穩(wěn)定燃燒電弧電流：以某一較快的速度由I1減小到I3電弧電壓：1

5

6I1

I2：R3>R4U3>U4I1

I3：R5<R6U5>U62022/12/11第三章電弧的基本特性115§3３直流1152023/1/4第三章電弧的基本特性116§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動(dòng)態(tài)伏－安特性靜態(tài)伏－安特性電弧在I1穩(wěn)定燃燒電弧電壓：1

2

4曲線0-1-3稱為電流變化速度為無窮大時(shí)的電弧動(dòng)態(tài)伏-安特性極端情況電弧電流：以由I1增加到I2電弧在I1穩(wěn)定燃燒電弧電壓：1

0(忽略近極壓降)

電弧電流：以由I1減小到I32022/12/11第三章電弧的基本特性116§3３直流1162023/1/4第三章電弧的基本特性117§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動(dòng)態(tài)伏－安特性一定條件下，電弧的靜態(tài)伏-安特性只有一條動(dòng)態(tài)伏-安特性卻有無數(shù)條動(dòng)態(tài)伏-安特性與電流的變化率有關(guān)但動(dòng)態(tài)伏-安特性只能在一定的范圍之內(nèi)注意：起始點(diǎn)不同，動(dòng)態(tài)伏-安特性范圍不同2022/12/11第三章電弧的基本特性117§3３直流1172023/1/4第三章電弧的基本特性118§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動(dòng)態(tài)伏－安特性一定條件下，電弧的靜態(tài)伏-安特性只有一條動(dòng)態(tài)伏-安特性卻有無數(shù)條動(dòng)態(tài)伏-安特性與電流的變化率有關(guān)對(duì)于交流電弧i(t)=Imsinωt,也隨時(shí)間變化，則動(dòng)態(tài)伏-安特性更復(fù)雜2022/12/11第三章電弧的基本特性118§3３直流1182023/1/4第三章電弧的基本特性119§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的熄滅原理直流電路中：電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)的電弧電流熄滅2022/12/11第三章電弧的基本特性119§3３直流1192023/1/4第三章電弧的基本特性120§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的熄滅原理直流電路中：電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)的電弧電流電路方程折算到弧隙兩端的線路電容（也包括弧隙間的寄生電容）一般很小當(dāng)電弧電壓變化不快時(shí)可以忽略2022/12/11第三章電弧的基本特性120§3３直流1202023/1/4第三章電弧的基本特性121§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的熄滅原理直流電路中：電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)的電弧電流電路方程電弧電阻為非線性，可采用圖解法R=tan(α)

穩(wěn)定燃燒時(shí)：電弧可以在I1和I2穩(wěn)定燃燒么？I2

是真正的電弧穩(wěn)定燃燒點(diǎn)

2022/12/11第三章電弧的基本特性121§3３直流1212023/1/4第三章電弧的基本特性122§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的熄滅原理I2

是真正的電弧穩(wěn)定燃燒點(diǎn)在開關(guān)電器中，并不希望電弧穩(wěn)定燃燒使穩(wěn)定燃弧點(diǎn)2不存在的措施2022/12/11第三章電弧的基本特性122§3３直流1222023/1/4第三章電弧的基本特性123§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的熄滅原理使穩(wěn)定燃弧點(diǎn)2不存在的措施增大Ｕh近極壓降電場(chǎng)強(qiáng)度電弧長(zhǎng)度增大R熄弧過程中串入另一電阻2022/12/11第三章電弧的基本特性123§3３直流1232023/1/4第三章電弧的基本特性124§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的熄滅原理提高電弧電壓的措施提高近極壓降用金屬柵片將電弧分成多個(gè)短弧U0:近極壓降

n:短弧數(shù)

E:弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度

l’:全部短弧的長(zhǎng)度之和2022/12/11第三章電弧的基本特性124§3３直流1242023/1/4第三章電弧的基本特性125§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的熄滅原理提高電弧電壓的措施增大電弧長(zhǎng)度觸頭運(yùn)動(dòng)電動(dòng)力吹弧觸頭形狀結(jié)合磁吹2022/12/11第三章電弧的基本特性125§3３直流1252023/1/4第三章電弧的基本特性126§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的熄滅原理提高電弧電壓的措施增大弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度提高氣體介質(zhì)壓力提高電弧與介質(zhì)的相對(duì)速度絕緣柵片冷卻電弧，加強(qiáng)帶電粒子的復(fù)合作用2022/12/11第三章電弧的基本特性126§3３直流1262023/1/4第三章電弧的基本特性127§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的熄滅原理低壓開關(guān)電器：一般采用提高電弧電壓的方法熄滅直流電弧高壓開關(guān)電器：采用提高電弧電壓和增大回路電阻相結(jié)合的方法熄滅直流電弧也可采用人工過零的方法熄滅直流電弧加反向電流使Ih強(qiáng)迫過零2022/12/11第三章電弧的基本特性127§3３直流1272023/1/4第三章電弧的基本特性128§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的能量和燃弧時(shí)間燃弧時(shí)間：從觸頭分開產(chǎn)生電弧到電弧熄滅的時(shí)間滿足熄弧條件時(shí)，電弧不會(huì)立即熄滅回路中存在電感弧柱具有熱慣性燃弧時(shí)間的計(jì)算2022/12/11第三章電弧的基本特性128§3３直流1282023/1/4第三章電弧的基本特性129§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的能量和燃弧時(shí)間燃弧時(shí)間的計(jì)算

假定：電感為主要影響因素忽略熱慣性可采用靜態(tài)伏-安特性采用經(jīng)驗(yàn)公式：電極以速度v打開電弧長(zhǎng)度:l=vtIh(t)trh非線性微分方程2022/12/11第三章電弧的基本特性129§3３直流1292023/1/4第三章電弧的基本特性130§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的能量和燃弧時(shí)間直流電弧的能量t=0:Ih=Ih0

t=trh:Ih=02022/12/11第三章電弧的基本特性130§3３直流1302023/1/4第三章電弧的基本特性131§3３直流電弧的特性和熄滅原理直流