第三章 電弧的基本特征1

第二篇電弧與電接觸第三章電弧的基本特性1．氣體放電的物理基礎(chǔ)；氣體放電的理論。2．電弧的物理特性；電弧產(chǎn)生的過程和電弧的溫度、直徑等特性。3．直流電弧的特性和熄滅原理；直流電弧的熄滅條件和熄滅方法。4．交流電弧的特性；交流電弧的伏安特性及電弧電壓對(duì)電路電流的影響。本章講授內(nèi)容（其中紅色內(nèi)容是重點(diǎn)）3

概述

§3-1氣體放電的物理過程

§3-2電弧的物理特征

§3-3直流電弧的燃燒與熄滅

§3-4交流電弧的特性

小結(jié)實(shí)驗(yàn)室模擬磁環(huán)爆發(fā)概述空間天體等離子體概述概述一、電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，也是一種等離子體（Plasma

）。二、學(xué)習(xí)電弧知識(shí)的目的是掌握電弧規(guī)律，盡快熄弧。三、“電弧”的定義：

1.定義：開斷電路時(shí)，在觸頭間隙中出現(xiàn)的一團(tuán)溫度極高、發(fā)強(qiáng)光和能夠?qū)щ姷慕茍A柱體的氣體。可出現(xiàn)于大氣、真空、油介質(zhì)和SF6氣體介質(zhì)等中間。概述

條件

：在大氣中開斷電路時(shí)，當(dāng)電源電壓U>U0=（12～20）Ｖ，被開斷電流Ｉ>（0.25～1）Ａ?xí)r，觸頭間隙中產(chǎn)生的一團(tuán)溫度極高、發(fā)強(qiáng)光、能導(dǎo)電的近似圓柱體的氣體。

2.氣體放電：指弧隙中氣體由絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)體狀態(tài)，使電流得以通過的現(xiàn)象。概述背景知識(shí)“等離子體——Plasma”一、等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它是除固、液、氣外的物質(zhì)存在的第四態(tài)?？此啤吧衩亍钡牡入x子體，其實(shí)是宇宙中一種常見的物質(zhì)，在太陽、恒星、閃電中都存在等離子體，它占了整個(gè)宇宙的99％。

固體

冰液體

水氣體

水汽等離子體

電離氣體溫度00C1000C100000C背景知識(shí)它是由大量帶電粒子組成的非束縛態(tài)的宏觀體系。非束縛性：異類帶電粒子之間相互“自由”，等離子體的基本粒子元是正負(fù)荷電的粒子（電子、離子），而不是其結(jié)合體。粒子與電磁場的不可分割性：等離子體中粒子的運(yùn)動(dòng)與電磁場（外場及粒子產(chǎn)生的自洽場）的運(yùn)動(dòng)緊密耦合，不可分割。集體效應(yīng)起主導(dǎo)作用：等離子體中相互作用的電磁力是長程的，每個(gè)粒子均與周圍許多粒子同時(shí)發(fā)生作用。背景知識(shí)二、等離子體分為兩種：高溫和低溫等離子體。

1、高溫等離子體只有在溫度足夠高時(shí)發(fā)生的，例如焊工們用高溫等離子體焊接金屬。太陽和恒星不斷地發(fā)出這種等離子體，組成了宇宙的99％。它是高溫等離子體。

2、低溫等離子體是在常溫下發(fā)生的等離子體（雖然電子的溫度很高）。背景知識(shí)

低溫等離子體現(xiàn)在廣泛運(yùn)用于多種生產(chǎn)領(lǐng)域，如等離子電視，嬰兒尿布表面防水涂層，增加啤酒瓶阻隔性，更重要的是在電腦芯片中的蝕刻運(yùn)用，讓網(wǎng)絡(luò)時(shí)代成為現(xiàn)實(shí)。低溫等離子體還可以被用于氧化、變性等表面處理或者在有機(jī)物和無機(jī)物上進(jìn)行沉淀涂層處理?，F(xiàn)在人們已經(jīng)掌握利用電場和磁場產(chǎn)生來控制等離子體。

背景知識(shí)

人類的生存伴隨著水，水存在的環(huán)境是地球文明得以進(jìn)化、發(fā)展的的熱力學(xué)環(huán)境，這種環(huán)境遠(yuǎn)離等離子體物態(tài)普遍存在的狀態(tài)。因而，天然等離子體就只能存在于遠(yuǎn)離人群的地方，以閃電、極光的形式為人們所敬畏、所贊嘆。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。背景知識(shí)

地球上，人造的等離子體也越來越多地出現(xiàn)在我們的周圍。日常生活中：日光燈、電弧、等離子體顯示屏、臭氧發(fā)生器典型的工業(yè)應(yīng)用：等離子體刻蝕、鍍膜、表面改性、噴涂、燒結(jié)、冶煉、加熱、有害物處理高技術(shù)應(yīng)用：托卡馬克、慣性約束聚變、氫彈、高功率微波器件、離子源、強(qiáng)流束、飛行器鞘套與尾跡背景知識(shí)16密度(cm-3)溫度(度)太陽核心磁約束聚變霓虹燈北極光火焰閃電日冕氫彈星際空間熒光氣體

液體

固體

人類居住環(huán)境慣性聚變星云太陽風(fēng)密度跨越了30個(gè)量級(jí)溫度跨越了7個(gè)量級(jí)等離子體參數(shù)空間：火焰星系：巨大的聚變反應(yīng)堆背景知識(shí)北極光背景知識(shí)

三、等離子體顯示技術(shù)（PlasmaDisplay)

等離子體顯示技術(shù)之所以令人激動(dòng)，主要是以下兩原因：（1）可制造超大尺寸的平面顯示器（50英寸甚至更大）；（2）與陰極射線管顯示器不同，它沒有彎曲的視覺表面，從而使視角擴(kuò)大到了160度以上。換句話說，利用惰性氣體（Ne、He、Xe等）放電時(shí)所產(chǎn)生的紫外光來激發(fā)彩色熒光粉發(fā)光，然后將這種光轉(zhuǎn)換成人眼可見的光。背景知識(shí)

1、所謂等離子彩電——PDP（PlasmaDisplayPanel），是指基于在兩張薄玻璃板之間充填混合氣體，施加電壓使之產(chǎn)生等離子氣體，然后使等離子氣體放電，與基板中的熒光體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生彩色影像的原理而設(shè)計(jì)的一種彩電。

2、等離子體顯示器：又稱電漿顯示器，是繼CRT(陰極射線管）、LCD（液晶顯示器）后的最新一代顯示器。其特點(diǎn)是厚度極薄，分辨率佳?？梢援?dāng)壁掛電視使用，占用極少的空間，代表未來顯示器的發(fā)展趨勢。背景知識(shí)

3、等離子體顯示技術(shù)的基本原理顯示屏上排列有上千個(gè)密封的小低壓氣體室（一般都是氙氣和氖氣的混合物），電流激發(fā)氣體，使其發(fā)出肉眼看不見的紫外光，這種紫外光碰擊后面玻璃上的紅、綠、藍(lán)三色熒光體，發(fā)出在顯示器上能看到的可見光。背景知識(shí)四、等離子體隱身技術(shù)在飛機(jī)、艦船等武器表面產(chǎn)生一層等離子體，這層等離子體可以和雷達(dá)波等相互作用，使這些物體無法被感知或探測到。這種等離子體外殼由等離子體電流構(gòu)成。等離子體電流就是當(dāng)電子在金屬物質(zhì)的表面上有規(guī)律地運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的電子密度波。當(dāng)入射光頻率與等離子體電流的諧振頻率接近時(shí)，光線將被這層等離子體電流外殼反向散射，向外則幾乎不散射光線，物體即不可見。背景知識(shí)軍事應(yīng)用等離子體天線等離子體雷達(dá)隱身飛行器減阻假目標(biāo)及誘餌高技術(shù)大功率微波器件強(qiáng)X射線源及X射線激光強(qiáng)流束技術(shù)等離子體推進(jìn)磁流體發(fā)電等離子體軍事及高技術(shù)應(yīng)用背景知識(shí)主要參數(shù)Pf=500MWQ>10T=500sR=6.2mA=2.0mIp=15MAB=5.3TV=837m3S=678m2Pin=73MW46億美元ITER：托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)堆背景知識(shí)聚變等離子體2005年6月28日ITER：Cadarache背景知識(shí)26美國Nova激光聚變裝置1985年建成，10路45000焦耳，1納秒2倍頻/3倍頻聚變等離子體27美國國家點(diǎn)火（NIF）激光聚變裝置2003年建成,192束180萬焦耳，3納秒500TW，近紫外光聚變等離子體§3-1氣體放電的物理過程

氣體放電：是指氣體由絕緣狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)，使電流通過的現(xiàn)象。氣體放電的前提：氣體游離化。一、激勵(lì)與電離：

1.激勵(lì)：也叫激發(fā)，是指原子吸收能量后，使電子由低能量軌道跳向能量較高的軌道的過程(激勵(lì)后原子仍是中性原子，但原子的能量提高了)。此狀態(tài)的存在一般低于10-9～10-8秒。2.電離：

①定義：電離是指原子吸收足夠大的能量后，電子被激發(fā)到自由態(tài)而離開原子軌道形成自由電子，使原來的中性原子或分子(統(tǒng)稱中性粒子或中性質(zhì)子)

變成一個(gè)帶正電荷的粒子(正離子)的過程。②電離能(Ｗyl)：指游離出一個(gè)電子所需的最低能量(單位為：Ｊ，其值參見教材)。為方便起見，游離能Ｗy可以直接用游離電壓表示，其單位由J改為eV；§3-1氣體放電的物理過程

1eV＝一個(gè)電子在真空中經(jīng)過1V的電位差所獲得的動(dòng)能。例：13.45eV＝13.45×1.6×10-19Ｊ。③電離電位Ｕy：Ｕy＝Ｗyl/e，其中e：電子電荷，e＝1.6×10-19Ｃ。3.分級(jí)游離：指經(jīng)過激勵(lì)狀態(tài)再游離的過程。§3-1氣體放電的物理過程二、氣體電離方式：表面發(fā)射和空間游離。

1.表面發(fā)射：指由金屬表面發(fā)射電子的現(xiàn)象；它包括了熱發(fā)射、高電場發(fā)射、光發(fā)射和二次發(fā)射。①熱發(fā)射：在2000～2500K范圍內(nèi)，金屬表面自由電子獲得足夠的動(dòng)能，超越金屬表面晶格電場造成的勢壘而逸出的現(xiàn)象。逸出功：記為Ｗyc，是指一個(gè)電子逸出金屬所需的最低能量，單位為eV?！?-1氣體放電的物理過程

②高電壓發(fā)射：也叫場致發(fā)射，是常溫下當(dāng)金屬表面的電場強(qiáng)度>106(v/cm)時(shí)，自由電子逸出金屬的現(xiàn)象。③光發(fā)射：光線(紅外線、紫外線及其他射線)照在金屬表面，引起電子從表面逸出的現(xiàn)象。④二次發(fā)射：是指正離子高速撞擊陰極或電子高速撞擊陽極，引起金屬表面發(fā)射電子的現(xiàn)象。主要考慮陰極表面的二次發(fā)射。§3-1氣體放電的物理過程

2.空間電離：是指電極間氣體受外力影響，其分子及原子分裂成自由電子和正離子的現(xiàn)象?？臻g游離的方式有光電離、電場電離和熱電離；它們可能同時(shí)存在。①光電離：中性粒子受光照作用，當(dāng)光子能量()原子或分子的游離能時(shí)，發(fā)生的游離。(h：普朗克常數(shù)，h＝6.624×10-34，單位是J?s；：光子的頻率，s-1)。光游離作用的大小，與光頻成正比。§3-1氣體放電的物理過程

②電場電離：也叫碰撞電離。是一個(gè)質(zhì)量為m的帶電粒子(由光游離或表面發(fā)射所產(chǎn)生)在電場的作用下被加速到Ｖ后，如其動(dòng)能大于Ｗyl，那么，當(dāng)其與中性粒子發(fā)生碰撞時(shí)，此動(dòng)能就可以被傳遞給中性粒子的外層電子，使它脫離原子核的引力范圍成為自由電子。負(fù)離子：是因電子吸附在中性粒子上形成的帶負(fù)電荷的離子。負(fù)電性氣體：對(duì)電子的粘合作用特強(qiáng)的氣體，多為氟原子及其化合物?！?-1氣體放電的物理過程

③熱電離：當(dāng)氣體溫度在3000～4000K以上時(shí)，氣體粒子因高速熱運(yùn)動(dòng)而互相碰撞所產(chǎn)生的電離。氣體的熱電離度可用沙哈公式計(jì)算：式中，P是壓力（Pa），T是氣體溫度(K)，Wyl是中性粒子的電離能(J)。由圖3-1知，氣體中混有金屬蒸汽時(shí)，其電離度要比純氣體的高，即電導(dǎo)率要大?！?-1氣體放電的物理過程三、消電離及其方式：1.消電離：也叫去游離；是指電離氣體中的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。2.消電離方式：包括復(fù)合與擴(kuò)散。①復(fù)合：兩個(gè)帶異性電荷的粒子相遇后，相互作用引起電荷消失，形成中性粒子的現(xiàn)象。具體有以下兩種方式：

a.表面復(fù)合：有四種方式。此時(shí)，釋放的能量多用以加熱電極、金屬或絕緣材料的表面。§3-1氣體放電的物理過程§3-1氣體放電的物理過程圖3-2在金屬表面的復(fù)合過程a)正離子和電子復(fù)合成一個(gè)中性粒子b)正離子和負(fù)離子復(fù)合成兩個(gè)中性粒子§3-1氣體放電的物理過程圖3-3間接空間復(fù)合的過程

b.空間復(fù)合：有直接復(fù)合和間接復(fù)合(電子粘在中性粒子上，再與正離子相遇復(fù)合成為兩個(gè)中性粒子)。對(duì)空間復(fù)合而言，促使空間復(fù)合的決定因素是冷卻，因?yàn)槔鋮s促使帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度減小。

②擴(kuò)散：弧柱中的帶電粒子，由于熱運(yùn)動(dòng)，從弧柱中濃度高的區(qū)域移到濃度低的區(qū)域的現(xiàn)象?！?-1氣體放電的物理過程四、氣體放電§3-1氣體放電的物理過程圖3-5氣體放電間隙的伏安特性圖3-4試驗(yàn)氣體放電的電路

1.氣體放電的幾個(gè)階段：見圖3-5。①非自持放電階段：是指當(dāng)外界因素去除后，放電無法維持的階段，即圖中的ＯC段。

OA段：電場強(qiáng)度較小，帶電粒子僅由宇宙射線、χ射線等產(chǎn)生，屬漫游狀態(tài)，當(dāng)U↑時(shí)，到達(dá)陰極的帶電粒子成比例增加；

AC段：電壓較高，間隙電場強(qiáng)度較大，I繼續(xù)增加，可產(chǎn)生電場電離，并出現(xiàn)二次發(fā)射；因去掉外加電離因素后，放電停止，故稱之為非自持放電階段。§3-1氣體放電的物理過程

②自持放電階段：圖3-5中的CF段。

a.定義：是指當(dāng)外界因素去除后，放電能夠維持的階段，即圖中的CF段。

b.自持放電的條件：發(fā)生了間隙擊穿

(放電電流雪崩般增加，即放電突變的現(xiàn)象)。間隙擊穿電壓主要決定于氣體壓力Ｐ和電極間距離Ｌ的乘積，即Ｕjc

＝f(p?l)，其也稱為巴申曲線?！?-1氣體放電的物理過程§3-1氣體放電的物理過程圖3-7銅電極時(shí)空氣的Ujc和pl的試驗(yàn)曲線（實(shí)線）和計(jì)算曲線（虛線）“巴申曲線”分析，結(jié)果：①除pl很小外，實(shí)線與虛線很接近；②pl很高（提高氣壓）或很低（真空）時(shí)，Ujc較大；③p在特定位置[(pl)min]時(shí)，Ujc最?。║jcmin）?！?-1氣體放電的物理過程

c.舉例：將

BF段分為BD區(qū)和EF區(qū)。其中，#C點(diǎn)附近的BD區(qū)的特征：通道是常溫，電流密度小，陰極壓降高（幾百伏），呈輝光，稱為輝光放電區(qū)。電流Ｉ＝0.1Ａ左右，無明顯發(fā)熱。帶電粒子產(chǎn)生的主要原因是陰極的二次電子發(fā)射和陰極區(qū)的碰撞電離。維持輝光放電的重要條件是陰極的低溫?！?-1氣體放電的物理過程

#EF區(qū)：在外加電壓作用下，由陰極壓降區(qū)連續(xù)提供電子流，在弧柱區(qū)產(chǎn)生高溫?zé)犭婋x，最后由電子進(jìn)入陽極區(qū)而被陽極所吸收。游離方式有熱游離與光游離；形式：電??；特征：溫度極高（6000k以上），電流密度很大（幾千安/平方厘米），陰極壓降很?。◣资！?-1氣體放電的物理過程

2.氣體放電的幾種形式：①.輝光放電：圖3-5的BＤ段；Ｉ＝0.1Ａ左右，無明顯發(fā)熱；帶電粒子產(chǎn)生的主要原因是陰極的二次電子發(fā)射和陰極區(qū)的碰撞游離；維持輝光放電的重要條件是陰極的低溫。②.弧光放電：圖3-5的ＥF段；是在外加電壓作用下，由陰極壓降區(qū)連續(xù)提供電子流，在弧柱區(qū)產(chǎn)生高溫?zé)嵊坞x，最后由電子進(jìn)入陽極區(qū)而被陽極所吸收。等粒子體：是正、負(fù)帶電粒子數(shù)相等的游離氣體?！?-1氣體放電的物理過程

五、氣體間隙的擊穿理論：

1.氣體間隙擊穿即是由絕緣變?yōu)閷?dǎo)電。

2.湯遜放電理論：

1）表達(dá)式1：電離的條件是

式中：λ是電子平均自由行程.3）電子沿電場運(yùn)動(dòng)時(shí)，不考慮實(shí)際的“Z”字形軌跡特征。

2）表達(dá)式2：§3-1氣體放電的物理過程

3.

湯遜第一系數(shù)α

：即空間游離系數(shù)，是一個(gè)電子沿電場運(yùn)動(dòng)時(shí)，在單位距離內(nèi)由電場電離而產(chǎn)生的帶電粒子對(duì)數(shù)（一個(gè)電子和一個(gè)正離子為一對(duì)），其表達(dá)式為：

其中，P是氣壓，mmHg；T：氣溫，K；

A0、B0：是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)?！?-1氣體放電的物理過程

4.間隙擊穿條件：分均勻電場和不均勻電場考慮。

1）均勻電場：（1）氣體間隙擊穿條件：式中γ是表面游離系數(shù)，又叫湯遜游離第二系數(shù)，見表3-3，例如銅電極的γ＝0.025；湯遜第一系數(shù)α是空間游離系數(shù)。§3-1氣體放電的物理過程§3-1氣體放電的物理過程陰極材料空氣氫H2氮N2鋁Al0.0350.10.1銅Cu0.0250.050.065鐵Fe0.020.060.06表3-3不同氣體和不同電極材料時(shí)γ的數(shù)值

式中，A、B是常數(shù)，見表3-4。另外，“pl”應(yīng)看作一個(gè)參數(shù)。銅電極在空氣下的Ujc對(duì)pl試驗(yàn)曲線（實(shí)線）與令r=0.025、按上式作出的Ujc對(duì)pl的關(guān)系曲線（虛線）如圖巴申曲線所示。（2）間隙擊穿電壓Ujc：§3-1氣體放電的物理過程

將上式對(duì)pl求極值，可得銅電極在空氣中的最小擊穿電壓：實(shí)際上，對(duì)空氣為327V?！?-1氣體放電的物理過程最小擊穿電壓計(jì)算：2）不均勻電場的氣體間隙擊穿條件：§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)帶電粒子變化，電弧燃燒趨熱；當(dāng)時(shí)，電弧燃燒趨于穩(wěn)定；當(dāng)時(shí)，電弧燃燒趨于熄滅。5.弧隙中帶電粒子的變化情況可用離子平衡方程式§3-1氣體放電的物理過程§3-2電弧的物理特征一、開斷電路時(shí)電弧的產(chǎn)生過程

1.最小生弧電流和最小生弧電壓當(dāng)被開斷的電流和電壓超過觸頭材料的最小生弧電流和最小生弧電壓（直流見表3-5，交流見表3-6）時(shí)，弧隙中將產(chǎn)生電弧。

2.電弧產(chǎn)生和發(fā)展的過程：

1）電壓、電流大于最小生弧電壓和最小生弧電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電??；

2）觸頭閉合過程中，因動(dòng)觸頭“彈跳”，在一定條件下產(chǎn)生電?。?/p>

3）觸頭分離時(shí)，電弧產(chǎn)生過程?！?-2電弧的物理特征

3.觸頭分離：

1）開始分離：接觸面積減小，電流密度增大，強(qiáng)烈發(fā)熱；

2）分離瞬間：接觸處的金屬先熔化，產(chǎn)生液態(tài)金屬橋及金屬蒸汽，然后由熱發(fā)射、高電場發(fā)射產(chǎn)生大量電子，再由電場游離產(chǎn)生電子和正離子，由復(fù)合作用維持熱發(fā)射。結(jié)果：弧隙溫度升高，熱電離起主導(dǎo)作用，氣體帶電離子增多，氣體電導(dǎo)率增大，弧隙兩端電壓降低，直至帶電粒子達(dá)到平衡，電弧穩(wěn)定燃燒。注意：高電場發(fā)射是電弧產(chǎn)生的根本原因?！?-2電弧的物理特征二、電弧近極區(qū)和弧柱區(qū)的特征：

1.直流電弧電弧壓降Uh的三個(gè)區(qū)域：（1）近陰極區(qū)：聚集大量正離子，是一個(gè)正空間電荷；陰極壓降Uc較大，其值與陰極材料和氣體介質(zhì)有關(guān)，數(shù)值見表3-7。（2）近陽極區(qū)：聚集大量電子，屬負(fù)空間電荷區(qū)；陽極壓降Ua，其值與陽極材料有關(guān)；§3-2電弧的物理特征（3）弧柱區(qū)：近似圓柱形；電離氣體中正負(fù)帶電粒子數(shù)相等，為等離子體，類似金屬導(dǎo)體；E沿弧長可看作是常數(shù)，其值與電極材料、氣壓、介質(zhì)對(duì)電弧的作用等有關(guān)；弧柱電壓Uz＝IhRh?！?-2電弧的物理特征

式中，U0是近極壓降；E是弧柱電場強(qiáng)度V/cm；l是電弧長度。按Ua和Uc在電弧電壓中所占比例不同，可將電弧分為短?。O間距離很短的電弧）和長?。O間距離很長，Uh>>U0，且UhE的電?。?.直流電弧電壓：§3-2電弧的物理特征三、電弧長度：與發(fā)熱及氣流有關(guān)。四、弧柱的溫度：用光學(xué)方法測量。開關(guān)電器：燃弧溫度6000～20000K；趨向熄滅溫度：3000～4000k。五、弧柱的直徑?！?-2電弧的物理特征

六、電弧的弧根和斑點(diǎn)：

1.弧根：弧柱貼近電極的部分；

2.斑點(diǎn)：弧根在電極表面上形成的圓形明亮點(diǎn)，其中：（1）陰極斑點(diǎn)：是維持電弧存在的電子發(fā)射處，其電流密度高（104A/cm2，甚至達(dá)107A/cm2），導(dǎo)致電極材料迅速汽化，形成金屬蒸汽進(jìn)入弧隙。同時(shí)斑點(diǎn)區(qū)通過熱發(fā)射、高電場發(fā)射和二次發(fā)射提供大量的電子；結(jié)果陰極表面逐漸燒損，形成凹坑?！?-2電弧的物理特征

（2）陽極斑點(diǎn)：是電子進(jìn)入陽極的入口，面積大于陰極斑點(diǎn)，故電流密度較小?！?-2電弧的物理特征圖3-11200A碳電極電弧的溫度場3.電弧的能量平衡：（1）電弧的發(fā)熱功率：（2）電弧的散熱功率（傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射）：§3-2電弧的物理特征式中

WQ是電弧的含熱量，J；

Ps：弧柱總散熱量；

Ph：電弧功率。因此，當(dāng)時(shí)，電弧燃燒趨于燃燒；當(dāng)時(shí)，電弧穩(wěn)定燃燒；當(dāng)時(shí)，電弧趨于熄滅。（3）由上兩式，可得電弧的動(dòng)態(tài)能量平衡方程：§3-2電弧的物理特征三、維持電弧燃燒或促使電弧熄滅的基本原理：

1.前提：假定電弧是一個(gè)純電阻性的發(fā)熱元件。電弧燃燒時(shí)，從電源輸入到電弧內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)變成熱能，通過傳導(dǎo)(cd)、對(duì)流(dl)和輻射(fs)三種方式散失。§3-2電弧的物理特征

2.用能量平衡的觀點(diǎn)，分析維持電弧燃燒或促使電弧熄滅的基本原理：令：Ｐh：輸入弧隙的功率，Ｗ；Ｐs：散失功率，Ｗ；①Ｐh>Ｐs：Ｉh增加，th增加，弧徑變粗，電弧趨于燃燒；②Ｐh

＝Ｐs：Ih恒定，弧徑不變，電弧穩(wěn)定燃燒；③Ｐh<Ｐs：Ih減小，弧徑變細(xì)，電弧逐漸熄滅。§3-2電弧的物理特征

3.用離子平衡的觀點(diǎn)，分析維持電弧燃燒或促使電弧熄滅的基本原理：令Ｑ1：游離強(qiáng)度，即帶電粒子增加率；Ｑ2：去游離強(qiáng)度，即帶電粒子減小率；①Ｑ1>Ｑ2

：Ｉh增加；②Ｑ1

＝Ｑ2

：Ｉh恒定，電弧穩(wěn)定燃燒；③Ｑ1<Ｑ2

：電弧逐漸熄滅?！?-2電弧的物理特征

4.總結(jié)：電弧是熱和電的統(tǒng)一體，具有“熱-電效應(yīng)”。熱方面，熄滅電弧的關(guān)鍵是創(chuàng)造條件使電弧迅速冷卻，使輸入熱功率小于散失功率；離子動(dòng)平衡方面，使去游離強(qiáng)度大于游離強(qiáng)度，可使電弧熄滅?！?-2電弧的物理特征§3-3直流電弧的燃燒與熄滅一、直流電弧的伏安特性(非線性)：

1.測量直流電弧伏安特性的電路2.直流電弧的靜伏安特性曲線（見圖3-19）：I1U1U1‘I2U2交流電弧與直流電弧相比，哪個(gè)更易熄滅？why?§3-3直流電弧的燃燒與熄滅

（1）概念：在電弧長度維持不變的情況下，對(duì)應(yīng)每一個(gè)直流電流Ih，當(dāng)電弧中的發(fā)熱和散熱過程達(dá)到平衡后，弧隙兩端都會(huì)有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的電壓Uh，則稱Uh與Ih的關(guān)系為直流電弧的靜態(tài)伏安特性，是非線性、反時(shí)限特性。（2）弧長改變時(shí)，直流電弧靜態(tài)特性曲線將上下近似平移；（3）特性與電極材料、介質(zhì)的種類、氣壓、溫度、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度等有關(guān)。（4）電弧電阻Rh的計(jì)算公式：

§3-3直流電弧的燃燒與熄滅3.直流電弧伏安特性曲線分析：①計(jì)算直流電弧靜伏安特性電壓與電流間的經(jīng)驗(yàn)公式：式中Ｕ0：電弧近極壓降，Ｖ；l：電弧長度，cm；

n和c：常數(shù)，n＝0.25；Ih：電弧電流，Ａ；②靜伏安特性曲線１/動(dòng)伏安特性曲線２、3、４：如圖3-8所示.§3-3直流電弧的燃燒與熄滅§3-3直流電弧的燃燒與熄滅

圖中，Ih↑時(shí)，Uh↓，原因是：Ih↑時(shí)，輸入功率IhUh↑，溫度T↑，結(jié)果直徑d↑，導(dǎo)致Ps↑,Rh↓，最終Uh↓,即Rh↓。曲線２低于曲線１的原因：熱慣性作用，即對(duì)同樣的電弧電流，曲線２的弧隙溫度相對(duì)偏高些，使得對(duì)應(yīng)的電弧電阻偏小些，對(duì)應(yīng)有Ｕh偏小些。§3-3直流電弧的燃燒與熄滅

任取圖3-20的穩(wěn)定燃燒曲線6中一點(diǎn)1（I=I1）分析圖中曲線的變化情況：§3-3直流電弧的燃燒與熄滅二、直流電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)與熄滅條件：１.直流電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)：

(1)對(duì)比直流電弧的靜伏安特性曲線與電路的伏安特性曲線的關(guān)系：

(2)直流電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)：也叫“工作點(diǎn)”，它們滿足：。

(3)用圖解法求直流電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)并分析之：①Ａ點(diǎn)：視在穩(wěn)定燃燒點(diǎn)；Ｂ點(diǎn)：穩(wěn)定燃燒點(diǎn)。②原因是：Ｅ-ＩＲ＝f（Ｉ）與Ｕh＝f（Ｉ）間的大小關(guān)系。§3-3直流電弧的燃燒與熄滅§3-3直流電弧的燃燒與熄滅圖直流電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)§3-3直流電弧的燃燒與熄滅２.直流電弧的熄滅條件：E-IR<Uh３.促使低壓電器直流電弧熄滅的常用措施：①用金屬柵片分隔電弧，以增加近極壓降；②增加觸頭開距，或用電動(dòng)力磁吹滅弧，以拉長電弧；③增大弧柱中的電場強(qiáng)度Ｅz，具體方法有：

a.增大氣體介質(zhì)的壓力Ｐ；

b.增大電弧與流體介質(zhì)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度(縱吹和橫吹)；

c.加強(qiáng)電弧與耐弧的絕緣材料的密切接觸?！?-3直流電弧的燃燒與熄滅４.促使高壓電器直流電弧熄滅的常用措施：增大電路電阻Ｒ。

§3-3直流電弧的燃燒與熄滅三、電弧能量及開斷直流電弧過電壓：1.電弧能量是由電源供給的能量和未開斷電路前原存于電感中的磁能。2.開斷直流電弧的過電壓：電壓方程：積分：得：故Ｉ＝0時(shí)，出現(xiàn)過電壓?！?-3直流電弧的燃燒與熄滅圖3-28開斷電感性負(fù)載時(shí)電弧電壓和電弧電流的示波圖§3-3直流電弧的燃燒與熄滅圖3-29電弧電流被強(qiáng)行截?cái)鄷r(shí)弧隙上電壓的變化情況3.限制過電壓的幾種措施：§3-3直流電弧的燃燒與熄滅圖限制直流過電壓的措施§3-4交流電弧的特性本次課的重點(diǎn)、難點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法：重點(diǎn)：交流電弧的伏安特性；電弧電壓對(duì)電路電流的影響。難點(diǎn)：交流電弧的伏安特性。學(xué)習(xí)方法：理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合；原理與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相結(jié)合。arcvoltage；arccurrent；zerocrossing直流電弧的靜伏安特性曲線（見圖3-19）：I1U1U1‘I2U2交流電弧與直流電弧相比，哪個(gè)更易熄滅？why?交流電弧伏安特性是指一個(gè)周期內(nèi)uh與ih關(guān)系曲線，用uh-ih表示。條件：①ih隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化；②在穩(wěn)定燃弧的情況下；③弧長不變；④介質(zhì)對(duì)電弧的冷卻作用不太強(qiáng)烈，Rh為有限值。一、交流電弧的伏安特性1.伏安特性：ihuh1uh2ImUrhUxh圖3-31ih過零時(shí)Rh為有限值情況下交流電弧的伏-安特性AB高于BC？Why?熱慣性一、交流電弧的伏安特性1.伏安特性：用“能量平衡原理”分析解釋交流電弧的伏安特性曲線：（1）OA段：

ih由0上升的零休期間，弧柱變冷、變細(xì)，Rh增大，因此uh（=

ihRh）以很陡斜率上升，其最高點(diǎn)A點(diǎn)的電壓稱為燃弧尖峰Urh；（2）AB段：

ih增大，Ph也增大，弧柱變熱變粗，Rh迅速下降，uh隨

ih的增長下降；一、交流電弧的伏安特性1.伏安特性：

（3）BC段：

ih到最大值Im（B點(diǎn)）后減小，uh沿BC曲線上升，因弧柱存在熱慣性，Rh會(huì)比ih增大情況下同一ih時(shí)的數(shù)值為小，故曲線BC比AB低。C點(diǎn)電壓為熄弧尖峰Uxh；（4）CO段：

ih減小，Ph也減小，Rh逐漸上升。當(dāng)ih下降速度比Rh上升速度要大于某一數(shù)值時(shí)，uh又開始隨ih減小而下降。ih趨近于零，ih也趨近于零；一、交流電弧的伏安特性1.伏安特性：

（5）電流在負(fù)半周時(shí)，電弧的伏-安特性處于坐標(biāo)的第三象限，其形狀與正半周時(shí)完全相同。一、交流電弧的伏安特性1.伏安特性：

注：Urh和Uxh的高低以及它們與縱坐標(biāo)的距離和電流幅值大小、介質(zhì)對(duì)電弧的冷卻作用等有關(guān)。圖3-32ih過零時(shí)Rh=∞情況下交流電弧的伏-安特性一、交流電弧的伏安特性1.伏安特性：圖3-33圖3-31情況下電弧電壓uh隨時(shí)間t變化的波形馬鞍形一、交流電弧的伏安特性2.電弧電壓和電流隨時(shí)間變化的波形：

a)b)

圖3-35交流電弧電壓和電流的波形

a)電阻性負(fù)載b)電感性負(fù)載一、交流電弧的伏安特性2.電弧電壓和電流隨時(shí)間變化的波形：在開斷同一電流時(shí)，哪個(gè)容易熄滅？Why?t2t1

（1）純電阻負(fù)載時(shí)，交流電弧的熄滅過程：電阻性負(fù)載下，ih與電源電壓u同相。當(dāng)ih過零以后、urh到來之前（電弧已熄滅），因Rh迅速增大，加在弧隙上的電壓即是u的瞬時(shí)值，uh是u的波形；ih=u/Rh，很小。隨著u上升，ih逐漸增大。當(dāng)uh＝urh后，Ph>Ps，Rh迅速減小，ih迅速增大。在ih半波末了時(shí)，ih減小，uh上升；當(dāng)u下降至低于uxh時(shí)，電弧uh又隨u變化（電弧完全熄滅）。

一、交流電弧的伏安特性2.電弧電壓和電流隨時(shí)間變化的波形：

（2）電感性負(fù)載下，交流電弧的熄滅過程：

ih落后電源電壓u約90°。當(dāng)ih過零時(shí)，電弧熄滅，u約為幅值。因Rh迅速增大，電路相當(dāng)于完全開斷，uh將以很快的速度（比電阻性負(fù)載快得多）趨向u的幅值，故urh出現(xiàn)較早，弧熄中通過較大負(fù)載電流的時(shí)間也將提前。一、交流電弧的伏安特性2.電弧電壓和電流隨時(shí)間變化的波形：

（3）在開斷同一電流時(shí)，電阻性負(fù)載電路中的電弧比電感性負(fù)載電路中的電弧容易熄滅的原因：一是：“電壓比較”的結(jié)果。在ih過零前的一段時(shí)間內(nèi)，Ph<Ps，弧柱是變冷、變細(xì)的。如ih過零后加在弧熄上的電壓緩慢上升，則在較長時(shí)間內(nèi)電弧的Ph<Ps，弧柱將變冷、變細(xì)，Rh將更加增大，也使urh更加增高。如urh的增高大于u的幅值，Rh將不再迅速下降，因此電弧將不再重燃。一、交流電弧的伏安特性2.電弧電壓和電流隨時(shí)間變化的波形：

二是：“零休期時(shí)間”的長短對(duì)電弧的熄滅影響很大。零休期時(shí)間越長，弧柱會(huì)越細(xì)越冷，甚至?xí)?，電弧熄滅也越容易。由于電阻性?fù)載的零休期時(shí)間比電感性負(fù)載的零休期時(shí)間長，故熄滅電弧越容易。一、交流電弧的伏安特性2.電弧電壓和電流隨時(shí)間變化的波形：

（4）交流電弧與直流電弧相比，交流電弧容易熄滅：交流電路中，電流在1s內(nèi)要通過零點(diǎn)2f（電源頻率）次。過零附近一段時(shí)間內(nèi)，Ph<Ps，弧柱要變冷、變細(xì)，甚至可能由導(dǎo)體狀態(tài)變?yōu)榻^緣狀態(tài)。直流電路中，電流不隨時(shí)間變化而變化，不改變外部條件時(shí)，電弧穩(wěn)定燃燒。一、交流電弧的伏安特性2.電弧電壓和電流隨時(shí)間變化的波形：1.零休現(xiàn)象：

(1)電阻性負(fù)載：

urh到來之前，Rh很大，ih約為零，稱其為電流過零后的“零休”；而在uxh出現(xiàn)之后，u低于uxh，ih≈0，稱其為電流過零前的“零休”。二、電弧電壓對(duì)交流電路電流的影響

(2)電感性負(fù)載：電感性負(fù)載的“零休”時(shí)間很短。

urh到來之前，有電流過零后的“零休”，但因urh出現(xiàn)較早，故零休時(shí)間短得多；而在uxh出現(xiàn)之后，因uh可由電感中的自感電勢維持而與u無關(guān)，因此，幾乎不存在電流過零前的“零休”。比較二者可知，電阻性負(fù)載”零休”現(xiàn)象比電感性負(fù)載嚴(yán)重得多，即零休時(shí)間長得多，這也從另一方面說明了電阻性負(fù)載電路比電感性的易于熄滅。二、電弧電壓對(duì)交流電路電流的影響1.零休現(xiàn)象：二、電弧電壓對(duì)交流電路電流的影響2.電流過零時(shí)的下降速度：電感性負(fù)載，ih到零，u接近幅值ih過零時(shí)的下降速度隨著Uxh的增大而加快，故在電弧電流過零前電弧的散熱時(shí)間較短，在過零后弧柱將較熱、較粗，不利于滅弧。二、電弧電壓對(duì)交流電路電流的影響3.限流作用：uh在電路中產(chǎn)生的電流瞬時(shí)值電路中不存在電弧時(shí)的短路電流瞬時(shí)值二、電弧電壓對(duì)交流電路電流的影響低壓、高壓限流電器：在第一個(gè)半波電流過零時(shí)熄弧，限流作用顯著，減輕導(dǎo)電零件在發(fā)熱和受電動(dòng)力作用。高壓斷路器：uh相比Um較?。?/10以下），即使快速分開觸頭，對(duì)短路電流第一個(gè)半波的限流作用一般也不顯著。4.電弧將使電路的功率因數(shù)角減?。憾?、電弧電壓對(duì)交流電路電流的影響圖3-38電弧電壓對(duì)電路功率因數(shù)φ的影響a)交流電路b)u、i和uh的波形

式中Uh：電弧電壓；Um：電源電壓幅值；Uh/Um：電弧電壓占總電源幅值的比例。如Uh/Um越大，則越小，故電弧的存在，相當(dāng)于在電路中串聯(lián)了電阻。二、電弧電壓對(duì)交流電路電流的影響三、開斷過程中，交流電弧能量的計(jì)算式中uh

：電弧電壓；ih

：電弧電流；

ts

：從t=0至電弧產(chǎn)生所需的時(shí)間；

tx

：從t=0至電弧熄滅所需的時(shí)間。

t：以觸頭分開瞬間前電流過零為起點(diǎn)計(jì)算的時(shí)間。式中

n—包括觸頭分開瞬時(shí)所在電流半波在內(nèi)到電弧熄滅為止的總共燃弧半波數(shù)。