電弧的基本特征演示文稿

電弧的基本特征演示文稿當(dāng)前第1頁\共有146頁\編于星期六\10點優(yōu)選電弧的基本特征當(dāng)前第2頁\共有146頁\編于星期六\10點概述

背景知識

§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

§3-5

麥也耳電弧數(shù)學(xué)模型介紹

小結(jié)第三章電弧的基本特征當(dāng)前第3頁\共有146頁\編于星期六\10點本章講授內(nèi)容

（其中紅色內(nèi)容是重點）

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電路電流的影響。5、麥也耳電弧數(shù)學(xué)模型介紹第三章電弧的基本特征當(dāng)前第4頁\共有146頁\編于星期六\10點實驗室模擬磁環(huán)爆發(fā)

第三章電弧的基本特征當(dāng)前第5頁\共有146頁\編于星期六\10點空間天體等離子體第三章電弧的基本特征當(dāng)前第6頁\共有146頁\編于星期六\10點“電弧”的定義：

定義：在大氣中開斷電路時，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)生的一團溫度極高、發(fā)強光、能導(dǎo)電的近似圓柱體的氣體。當(dāng)前第7頁\共有146頁\編于星期六\10點電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，也是一種等離子體（Plasma）。電弧具有溫度高和發(fā)強光的性質(zhì)，被廣泛用于焊接、熔煉和強光源等各個技術(shù)領(lǐng)域。但是，在開關(guān)電器中，電弧的存在卻具有兩重性。一方面它可給電路中磁能的泄放提供場所，從而降低電路開斷時產(chǎn)生的過電壓，另一方面它延遲電路的開斷、燒損觸頭，在嚴(yán)重的情況下甚至可能引起開關(guān)電器的著火和爆炸。當(dāng)前第8頁\共有146頁\編于星期六\10點因此，在電器技術(shù)科學(xué)中研究電弧的目的，不在于如何利用電弧穩(wěn)定然燒的特性為生產(chǎn)服務(wù)，而在于采取怎樣的措施使其存在的時間盡量縮短，以減輕其危害。或者說，研究電弧的目的是為了盡快的熄滅電弧。當(dāng)前第9頁\共有146頁\編于星期六\10點氣體放電: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：氣體電離化。電弧是氣體放電的一種形式。電子是按一定數(shù)量規(guī)律分布在其最低能級的軌道上。當(dāng)原子受到外界能量(熱、光、碰撞等)作用時，其外層軌道上的電子就可能吸收這些能量，克服原子核的吸引力而躍遷到更外層較高能級的軌道上去。然而，電子處于外層軌道上是不穩(wěn)定的，常因受原子核的吸引力作用而自動跳回到原來的軌道上去。在跳回的過程中，電子以量子輻射的形式放出多余的能量?！?-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第10頁\共有146頁\編于星期六\10點一、激勵與電離：１、激勵：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(激勵后原子仍是中性原子，但原子的能量提高了)。此狀態(tài)只存在10-9～10-8秒?！?-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第11頁\共有146頁\編于星期六\10點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)變成一個帶正電荷的粒子(正離子)的過程。②電離能(Ｗyl)：指電離出一個電子所需的最低能量(單位為：Ｊ，其值參見教材P58,表3-1)。為方便起見，電離能Ｗyl可以直接用電離電壓表示，其單位由J改為ev；§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第12頁\共有146頁\編于星期六\10點激勵一個電子所需的能量稱為激勵能，它的單位為eV。一個原子可以有幾個激勵能，它們分別對應(yīng)于不同的外層軌道。一些氣體和金屬蒸汽的激勵能也示于表3-1中。括號中的數(shù)字表示第二激勵能?！?-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第13頁\共有146頁\編于星期六\10點已被激勵的中性粒子比較容易電離，因為此時產(chǎn)生電離所需的能量小于正常中性粒子所需的能量，減少的數(shù)值即等于該元素的激勵能。這種經(jīng)過激勵狀態(tài)再電離的現(xiàn)象叫做分級電離。激勵是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，大量被激勵的中性粒子能以光量子的形式釋放能量而自動的回到正常狀態(tài)?！?-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第14頁\共有146頁\編于星期六\10點有一種特別的激勵狀態(tài)，在該狀態(tài)下，已經(jīng)跳到較外層軌道上的電子不能很快地返回原來的正常軌道。常常必須再由外界加進能量，使已處于較外層軌道上的電子跳到更外層軌道上去，然后電子才能跳回正常軌道，或者，電子在第二次外界能量的作用下發(fā)生電離。這種激勵狀態(tài)叫做介穩(wěn)狀態(tài)。中性粒子處于介穩(wěn)狀態(tài)的時間可達10-4-10-2s甚至更長，因而它在中性電子電離的過程中起很大作用。§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第15頁\共有146頁\編于星期六\10點二、氣體電離方式：氣體通常不導(dǎo)電，但是如果氣體中含有帶電粒子---電子、正離子和負(fù)離子，它就能導(dǎo)電。我們把這種氣體叫電離氣體。氣體中被電離的原子數(shù)與總原子數(shù)之比叫做電離度。電離度越高氣體導(dǎo)電率越大。氣體電離方式可以分為：表面發(fā)射和空間電離。

§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第16頁\共有146頁\編于星期六\10點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當(dāng)前第17頁\共有146頁\編于星期六\10點②高電壓發(fā)射：也叫場致發(fā)射，是常溫下當(dāng)金屬表面的電場強度>106(v/cm)時，自由電子逸出金屬的現(xiàn)象。隧道效應(yīng)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。光電效應(yīng)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。

在氣壓較高的放電間隙中，通常陰極表面附近比陽極表面附近的電場強度較高，所以陰極表面二次發(fā)射較強并在氣體放電過程中起著重要的作用。§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第18頁\共有146頁\編于星期六\10點

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。空間電離的方式有光電離、電場電離和熱電離；它們可能同時存在。①、光電離：中性粒子受光照作用，當(dāng)光子能量(h?γ)大于等于原子或分子的電離能時，發(fā)生的電離。(h：普朗克常數(shù)，h＝6.624×10-34，單位是j?s；γ：光子的頻率，S-1)。光電離作用的大小，與光頻成正比，所以X射線、、宇宙射線和紫外線都有較強的電離作用?！?-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第19頁\共有146頁\編于星期六\10點②、電場電離：也叫碰撞電離。是一個質(zhì)量為m的帶電粒子(由光電離或表面發(fā)射所產(chǎn)生)在電場的作用下被加速到Ｖ后，如其動能?MV2大于Ｗyl，那么，當(dāng)其與中性粒子發(fā)生碰撞時，此動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。動能超過電離能的電子，不是每次碰撞中性粒子都能使之電離的，而存在一定幾率。電離幾率的大小既取決于動能的大小，又取決于電子和中性粒子兩者電磁場相互作用時間。有可能碰撞使中性粒子處于激勵狀態(tài)，然后再碰撞才電離。有時碰撞后既不電離也不激勵，而是附著在中性粒子上而構(gòu)成負(fù)離子。負(fù)電性氣體：對電子的粘合作用特強的氣體，多為氟原子及其化合物?！?-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第20頁\共有146頁\編于星期六\10點③、熱電離：當(dāng)氣體溫度在3000～4000K以上時，氣體粒子因高速熱運動而互相碰撞所產(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)。溫度越高，氣體的電離度越高?！?-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第21頁\共有146頁\編于星期六\10點由圖3-1知，金屬蒸汽的電離能比一般氣體小得多，所以相同溫度下，前者的電離度大于后者。氣體中混有金屬蒸汽時，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當(dāng)前第22頁\共有146頁\編于星期六\10點三、去電離及其方式：

１、去電離：也叫消電離；是指電離氣體中的帶電粒子離開電離區(qū)域，或帶電粒子失去電荷變成中性粒子的現(xiàn)象。２、去電離方式：包括復(fù)合與擴散。①、復(fù)合：兩個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：四種。電子進入陽極；正離子接近陰極后從陰極取得電子，自身變?yōu)橹行粤Ｗ?；?fù)離子接近陽極后將電子移給陽極，自身變?yōu)橹行粤Ｗ印＿€有，走向未帶電金屬的帶電粒子在金屬表面感應(yīng)出相反的電荷，由于庫倫力的作用它被吸附到金屬表面。如果此時再有另一異號帶電粒子也走向金屬表面，則兩個粒子通過金屬分別交出和取得電子而變成一個或兩個中性粒子。§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第23頁\共有146頁\編于星期六\10點§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第24頁\共有146頁\編于星期六\10點

b、空間復(fù)合：兩種直接復(fù)合：正離子和電子在空間相遇后形成一個中性粒子間接復(fù)合：電子粘在中性粒子上形成負(fù)離子，再與正離子相遇復(fù)合成為兩個中性粒子?！?-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第25頁\共有146頁\編于星期六\10點

復(fù)合概率和氣體的性質(zhì)及純度有關(guān)。例如，惰性氣體和純凈的氫氣及氮氣都不會與電子結(jié)合成為負(fù)離子，而氟原子及其化合物（SF6）就具有極強的捕獲電子的能力。因此SF6 被稱為負(fù)電性氣體，是一種良好的滅弧介質(zhì)。帶電粒子在復(fù)合過程中要釋放部分能量，后者被用以加熱物體的表面（表面復(fù)合時）；或被用以增大所形成中性粒子的運動速度及以光量子的形式向周圍空間輻射（空間復(fù)合時）?！?-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第26頁\共有146頁\編于星期六\10點②、擴散：弧柱中的帶電粒子，由于熱運動，從弧柱中濃度高的區(qū)域移到濃度低的區(qū)域的現(xiàn)象。它使電離空間內(nèi)帶電粒子減少，從而降低電離度，有助于熄滅電弧?！?-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第27頁\共有146頁\編于星期六\10點當(dāng)電離氣體中正負(fù)帶電粒子數(shù)相等(這種電離氣體稱為等離子體)時，擴散必然是所謂雙極性擴散，亦即在同一時間內(nèi)，擴散的正離子數(shù)和負(fù)帶電粒子數(shù)相等。否則，擴散不能繼續(xù)進行。例：假設(shè)多擴散了一個負(fù)離子，則電離氣體中相對多了一個正離子，于是電離氣體中將形成一正電場，他它對正離子進行排斥而對負(fù)帶電粒子進行吸引。結(jié)果加速正離子的擴散而阻礙負(fù)帶電粒子的擴散，使電離氣體中粒子數(shù)趨于新的平衡?！?-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第28頁\共有146頁\編于星期六\10點氣體放電方式表面發(fā)射熱發(fā)射場致發(fā)射光發(fā)射二次發(fā)射空間電離光電離電場電離熱電離氣體消電離方式復(fù)合擴散表面復(fù)合空間復(fù)合§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第29頁\共有146頁\編于星期六\10點四、氣體放電§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第30頁\共有146頁\編于星期六\10點１、氣體放電的幾個階段：見圖3-5。①、非自持放電階段：是指間隙中最初的的自由電子是由外加因素產(chǎn)生的，當(dāng)外界因素去除后，間隙中無自由電子存在不能進行導(dǎo)電，放電無法維持。所以圖中的ＯC段稱為非自持放電階段：

OA段：此時電壓過低，間隙電場強度過小，外加電離因素（宇宙射線、χ射線等）產(chǎn)生的帶電粒子不能全部達到陽極，屬漫游狀態(tài)，當(dāng)U↑時，到達陰極的帶電粒子成比例增加；

§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第31頁\共有146頁\編于星期六\10點①、非自持放電階段：

AB段：此時加到電極上的電壓在間隙中產(chǎn)生的電場強度較小，不足以產(chǎn)生高電場發(fā)射和電場電離，間隙中帶電粒子僅由外加電離因素（宇宙射線、χ射線等）產(chǎn)生，在電壓數(shù)值超過A點時，他們能夠全部達到陽極，而呈現(xiàn)電流大小與電壓數(shù)值無關(guān)的特性。BC段：此時電壓數(shù)值較高，間隙電場強度較大，自由電子在此電場作用下運動時，足以產(chǎn)生電場電離。由此產(chǎn)生的正離子在電場作用下向陰極運動，并在到達陰極時轟擊陰極使之產(chǎn)生二次發(fā)射。發(fā)射出的電子進入氣體間隙，再繼續(xù)進行電場電離，因而隨著電壓的升高,電流增長較快?！?-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第32頁\共有146頁\編于星期六\10點②、自持放電階段：圖3-5中的CF段。

a、定義：電壓升到C點時，由高壓電場發(fā)射和二次發(fā)射產(chǎn)生的電子數(shù)已足夠多，此時去除外界因素后，也能由電子通過電場電離產(chǎn)生正離子，再由正離子通過二次發(fā)射產(chǎn)生電子這一往復(fù)作用維持間隙的放電，放電能夠維持的階段，即圖中的CF段。§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第33頁\共有146頁\編于星期六\10點C點附件的BD區(qū)，因為湯姆遜最早對其進行研究，故常稱為湯姆遜放電區(qū)。在DE區(qū)，氣體成輝光，故稱為輝光放電區(qū)。此時間隙中的電離方式主要是電場電離。輝光放電的特征為：放電通道的溫度為常溫，電流密度小，陰極壓降較高。§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第34頁\共有146頁\編于星期六\10點EF區(qū)的放電形勢為弧光放電，即間隙中產(chǎn)生電弧?；」夥烹娞卣魇牵悍烹娡ǖ烙忻黠@邊界，通道中的溫度極高，電流密度很大，陰極壓降很小，電離方式主要是熱電離。§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第35頁\共有146頁\編于星期六\10點②、自持放電階段：圖3-5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當(dāng)前第36頁\共有146頁\編于星期六\10點§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第37頁\共有146頁\編于星期六\10點由圖3-5的伏-安特性可以看到，在電壓升高的過程中，間隙中氣體一進入自持放電階段，則由于伏-安特性是隨著電流的增大而迅速下降的，若與間隙串聯(lián)的的電阻數(shù)值不是很大，間隙中將流過較大的電流而進入輝光或弧光放電區(qū)，亦即氣體間隙由絕緣狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)。這一現(xiàn)象稱為氣體間隙的擊穿以下主要分析氣體間隙的擊穿條件以及擊穿電壓與氣體間隙參數(shù)的關(guān)系。

五、氣體間隙的擊穿理論：

當(dāng)前第38頁\共有146頁\編于星期六\10點按照湯遜氣體放電理論，假定:1.當(dāng)電子的動能小于氣體粒子的電離能時，兩者碰撞后不發(fā)生電離，反之一定電離，2.電子和氣體粒子碰撞時，放出全部動能，然后再從零速開始下一次行程3.電子沿電場方向運動，不考慮其實際軌跡為“之”字形的特征。當(dāng)前第39頁\共有146頁\編于星期六\10點

1、湯遜第一系數(shù)α：即空間電離系數(shù)，是一個電子沿電場運動時，在單位距離內(nèi)由電場電離而產(chǎn)生的帶電粒子對數(shù)（一個電子和一個正離子為一對），其表達式為：其中，P是氣壓，mmHg；T：氣溫，k；A0、B0：是經(jīng)驗數(shù)據(jù)。§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第40頁\共有146頁\編于星期六\10點2、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是表面電離系數(shù)，又叫湯遜電離第二系數(shù)，見表3-3，例如銅電極的γ＝0.025；湯遜第一系數(shù)α是空間電離系數(shù)。§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第41頁\共有146頁\編于星期六\10點§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第42頁\共有146頁\編于星期六\10點式中，A、B是常數(shù)，見表3-4。（2）間隙擊穿電壓Ujc：§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第43頁\共有146頁\編于星期六\10點另外，“pl”應(yīng)看作一個參數(shù)。銅電極在空氣下的Ujc對pl試驗曲線（實線）與令r=0.025、按上式作出的Ujc對pl的關(guān)系曲線（虛線）如圖3-7所示，稱為“巴申曲線”。（2）間隙擊穿電壓Ujc：§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第44頁\共有146頁\編于星期六\10點“巴申曲線”分析，結(jié)果：①除pl很小外，實線與虛線很接近；②pl很高（提高氣壓）或很低（真空）時，Ujc較大；③p在特定位置[（pl）min]時，Ujc最?。║jcmin）。當(dāng)pl大于或小于[（pl）min]時，Ujc將隨著Pl的增大或減小而增大。這就說明：提高間隙的氣壓或?qū)㈤g隙放在高度真空中，都可以提高其擊穿電壓?！?-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第45頁\共有146頁\編于星期六\10點將上式對pl求極值，可得銅電極在空氣中的最小擊穿電壓：實際空氣中的最小擊穿電壓為327V，氫氣為220v?！?-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第46頁\共有146頁\編于星期六\10點最小擊穿電壓計算：

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)前第47頁\共有146頁\編于星期六\10點按照湯遜理論可以解釋氣體間隙擊穿的機理，但是，用它來解釋長間隙氣體放電過程的發(fā)展時間，并不與實驗完全符合。為此有基于光電離作用的所謂流注理論作為補充。當(dāng)前第48頁\共有146頁\編于星期六\10點按照流注理論，氣體間隙擊穿過程如下：從陰極發(fā)射的電子，在電場作用下向陽極運動的過程中經(jīng)過一系列碰撞，在其途徑上產(chǎn)生大量正離子和負(fù)離子。由于電子運動速度較快，大量集中在前進方向的前部，而正離子分布在其后部。這樣就形成了如圖3-8A所示的正電子和負(fù)電子的集合體A--電子崩。當(dāng)前第49頁\共有146頁\編于星期六\10點隨著電子崩向陽極的移動，其中的電子和陽離子越積越多。一方面改變了間隙中電場分布情況，使崩頭和崩尾電場強度增大，另一方面，由于崩頭和崩尾得電荷削弱了電子崩內(nèi)部的電場，使得其中的復(fù)合作用加強。復(fù)合過程中放出大量的光子。如果這些光子在距電子崩A頭部不遠(yuǎn)處使氣體粒子電離產(chǎn)生了電子，那么這些電子將在較強的電場作用下向陽極移動，通過電場電離經(jīng)較短的時間又產(chǎn)生第二個電子崩B。繼續(xù)發(fā)展又產(chǎn)生電子崩C。當(dāng)前第50頁\共有146頁\編于星期六\10點每個電子崩的頭部和尾部分別向陽極和陰極發(fā)展，很快它們就連成一個氣體電離通道，使間隙擊穿。因為這一理論是基于光子的輻射作用使氣體逐段電離，然后連成一片，不需要從陰極發(fā)射的電子跑完整個極間的距離，這就能很好地解釋了長間隙擊穿過程的快速性。當(dāng)前第51頁\共有146頁\編于星期六\10點在開關(guān)電器中，氣體間隙擊穿后，通常立即發(fā)生弧光放電?；∠吨袔щ娏Ｗ拥淖兓闆r可用離子平衡方程式表示：§3-1氣體放電的物理過程弧隙中帶電粒子數(shù)隨時間的變化率。光、熱發(fā)射和電離作用高電場發(fā)射、二次發(fā)射和電場電離作用復(fù)合作用帶電粒子數(shù)隨時間的變化率，擴散作用帶電粒子數(shù)隨時間的變化率。當(dāng)前第52頁\共有146頁\編于星期六\10點當(dāng)帶電粒子變化，帶電粒子趨于增多，電離作用加強，電弧燃燒趨熱；當(dāng)時，電弧燃燒趨于穩(wěn)定；當(dāng)時，電弧燃燒趨于熄滅。§3-1氣體放電的物理過程當(dāng)前第53頁\共有146頁\編于星期六\10點§3-2電弧的物理特征一、開斷電路時電弧的產(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4-6，交流見表4-7）時，弧隙中將產(chǎn)生電弧。如果電流或電壓小于表4-6中所列的數(shù)值，則開斷時只能產(chǎn)生一為時極短的弧光放電——通常稱為火花。當(dāng)前第54頁\共有146頁\編于星期六\10點當(dāng)前第55頁\共有146頁\編于星期六\10點

2、電弧產(chǎn)生的場合：

1）電壓、電流大于最小生弧電壓和最小生弧電流時，會產(chǎn)生電?。?/p>

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

3）觸頭分離時，電弧產(chǎn)生過程?！?-2電弧的物理特征開關(guān)電器工作時，在大多情況下，被開斷的電路的電壓、電流都大于生弧電壓和生弧電流，所以開斷電路元件—觸頭之間不可避免的的會產(chǎn)生電弧。當(dāng)前第56頁\共有146頁\編于星期六\10點

3、電弧產(chǎn)生和發(fā)展的過程：

1）開始分離：接觸面積減小，電流密度增大，強烈發(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。電子進入陽極與正電荷復(fù)合并放出能量加熱陽極表面。正離子走向陰極，一方面在陰極附近產(chǎn)生高的電場和轟擊陰極，一方面從陰極取得電子進行復(fù)合并釋放能量加熱陰極以維持電子的熱發(fā)射。另外，一部分正離子和電子在弧隙空間復(fù)合，放出的能量以光的形式進行輻射或增加空氣離子的熱運動。

§3-2電弧的物理特征當(dāng)前第57頁\共有146頁\編于星期六\10點結(jié)果：弧隙溫度迅速升高，熱電離越來越起主導(dǎo)作用，氣體帶電離子來越多，氣體電導(dǎo)率來越大，弧隙兩端電壓（電弧電壓）越來越小，直至帶電粒子達到平衡，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電弧的物理特征當(dāng)前第58頁\共有146頁\編于星期六\10點二、電弧近極區(qū)和弧柱區(qū)的特征：

1、直流電弧電弧壓降Uh的三個區(qū)域：如圖3-10所示的直流電弧，它在陰極和陽極之間穩(wěn)定燃燒，電弧壓降為Uh。而Uh并不是均勻分布，而是分為三個區(qū)域：近陰極區(qū)、弧柱區(qū)、近陽極區(qū)?！?-2電弧的物理特征當(dāng)前第59頁\共有146頁\編于星期六\10點（1）近陰極區(qū)：這一區(qū)域長度約為電子的平均自由行程（小于10-4cm）。此區(qū)域聚集大量正離子，是一個正空間電荷，因而電位有一急劇的改變---即所謂的陰極壓降Uc

。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。電場強度甚高（平均達到106~107V/m）,這對加速正離子向陰極運動、轟擊陰極表面以產(chǎn)生二次發(fā)射和形成高電場發(fā)射起著重要作用?！?-2電弧的物理特征當(dāng)前第60頁\共有146頁\編于星期六\10點當(dāng)前第61頁\共有146頁\編于星期六\10點（2）近陽極區(qū)：長度約為近陰極區(qū)的幾倍聚集大量電子，屬負(fù)空間電荷區(qū)，因而電位也有一急劇的改變---即所謂的陽極壓降Ua

；陽極壓降Ua其值與陽極材料有關(guān)；由于陽極壓降的數(shù)值與陰極壓降數(shù)值相近似而近陰極區(qū)的較長，因而此處電場強度不大?！?-2電弧的物理特征當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時，隨著電流的變化，陰極和陽極壓降的數(shù)值變化不大，所以一般近似認(rèn)為是常數(shù)!當(dāng)前第62頁\共有146頁\編于星期六\10點

（3）弧柱區(qū)：處于近陰極和近陽極之間，自由狀態(tài)下近似圓柱形；電離氣體中正負(fù)帶電粒子數(shù)相等，為等離子體；由于不存在空間電荷，類似金屬導(dǎo)體，即每一單位長度上的電壓降基本相等，換句話說，弧柱中的電場強度E沿弧長可看作是常數(shù)，其值與電極材料、氣壓、介質(zhì)對電弧的作用等有關(guān)；弧柱電壓Uz＝IhRh?！?-2電弧的物理特征當(dāng)前第63頁\共有146頁\編于星期六\10點式中，U0是近極壓降；E是弧柱電場強度V/cm；l是電弧長度。按Ua和Uc在電弧電壓中所占比例不同，可將電弧分為短弧（極間距離很短的電?。┖烷L?。O間距離很長，Uh>>U0，且UhE的電弧）。2、直流電弧電壓：§3-2電弧的物理特征短弧電壓幾乎和電流無關(guān)，而長弧電壓則大致與E成正比。當(dāng)前第64頁\共有146頁\編于星期六\10點三、電弧長度：與發(fā)熱及氣流有關(guān)。四、弧柱的溫度：電弧弧柱具有6000K以上的溫度，任何材料與之長時間接觸皆將氣化，一般采用用光學(xué)方法間接測量溫度。一般由于試驗條件和測量方法不同，獲得的數(shù)據(jù)差別也很大。

開關(guān)電器：燃弧溫度6000～20000K；趨向熄滅溫度：3000～4000k。

§3-2電弧的物理特征當(dāng)前第65頁\共有146頁\編于星期六\10點如圖3-11，給出了電弧自身及周圍溫度場情況：由圖可知：弧柱中心溫度約為10000—12000K。離開中心越遠(yuǎn)，溫度越低。溫度場的數(shù)值和分布情況與電弧電流、電極材料、尺寸、形狀、放置方式以及介質(zhì)對電弧的作用方式有關(guān)。

§3-2電弧的物理特征當(dāng)前第66頁\共有146頁\編于星期六\10點交流電弧的情況下，弧柱溫度不僅隨著電流有效值增大而增大，而且隨著電流相位角的變化而變化。如圖3-12所示，弧柱溫度變化有兩個特點：電流下降到零時弧柱溫度不為零?；≈鶞囟茸罡咧禍笥陔娏飨嘟且粋€相位角。即存在熱慣性，像導(dǎo)體那樣，可用熱時間常數(shù)表示。當(dāng)前第67頁\共有146頁\編于星期六\10點熱慣性存在原因：構(gòu)成電弧的氣體具有一定的熱容量，即要它溫度升高或降低，必須供給或散發(fā)一定的熱量，而熱量的供給或散發(fā)需要經(jīng)過一定的時間。因此溫度變化要滯后于電流。近陰極區(qū)和近陽極區(qū)的溫度，由于受電極材料的限制，要低于弧柱的溫度。當(dāng)前第68頁\共有146頁\編于星期六\10點五、弧柱的直徑當(dāng)電流大小給定時，弧柱有一極其明亮的呈圓柱形的邊界和直徑，即所謂的弧柱的直徑。其大小和觸頭材料、電流大小、氣體介質(zhì)種類、氣壓以及氣體介質(zhì)與弧柱的作用強烈程度有關(guān)?！?-2電弧的物理特征當(dāng)前第69頁\共有146頁\編于星期六\10點其大小目前僅在具體情況下用實驗方法確定：銅電極在大氣中自由燃弧，弧長0.5~2cm,當(dāng)電弧電流為2~20A時：銅電極在大氣中橫向運動時的電弧，運動速度v為20~50m/s和Ih為50~1000A時：§3-2電弧的物理特征當(dāng)前第70頁\共有146頁\編于星期六\10點受到空氣壓力縱吹（空氣流向和電弧軸線一致）的電?。菏街校篸k---弧柱直徑單位：cmIk---電弧電流單位：AK---常數(shù)K=0.0023~0.0039p---壓縮空氣的壓力單位：pam和n---指數(shù)，m=0.22~0.27,n=0.6~0.7§3-2電弧的物理特征當(dāng)前第71頁\共有146頁\編于星期六\10點弧柱的形狀：并非任何情況都是圓柱形?；≈闹睆揭簿哂袩釕T性：電流下降到零時弧柱直徑不為零。弧柱直徑最高值滯后于電流相角一個相位角?！?-2電弧的物理特征當(dāng)前第72頁\共有146頁\編于星期六\10點六、電弧的弧根和斑點：

1、弧根：弧柱貼近電極的部分；陰極和陽極的弧根的截面積通常小于弧柱的的截面積，接近電極的弧根一般呈收縮狀態(tài)。

2、斑點：弧根在電極表面上形成的圓形明亮點，其中：（1）陰極斑點：是指維持電弧存在的電子發(fā)射處，其電流密度高（104A/cm2，甚至達107A/cm2），導(dǎo)致電極材料迅速汽化，形成金屬蒸汽進入弧隙。同時斑點區(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電弧的物理特征當(dāng)前第73頁\共有146頁\編于星期六\10點

（2）陽極斑點：是電子進入陽極的入口，面積大于陰極斑點，故電流密度較小，但溫度也可達到電極材料的沸點。

（3）陰極和陽極斑點的溫度一般大致等于電極材料的沸點。因此，如果采用沸點比較低的金屬制造開關(guān)電器的觸頭，則燃弧氣隙中的金屬蒸汽量較多。但在交流情況下，電流過零后陰極熱發(fā)射電子數(shù)量較少，采用沸點高的金屬制造觸頭，情況正好相反。當(dāng)前第74頁\共有146頁\編于星期六\10點七、電弧的等離子流：

弧柱是由等離子體構(gòu)成的，當(dāng)電流流過時，由于弧柱中心部分電流產(chǎn)生的磁場與其外部電流的作用，便產(chǎn)生了一將等離子體壓向中心的壓力。如圖3-14所示。壓強P與半徑r的關(guān)系：Ik:電弧電流；rh:弧柱半徑；P：弧柱截面壓強§3-2電弧的物理特征當(dāng)前第75頁\共有146頁\編于星期六\10點壓強P稱為收縮壓力或壓力,由

可知：當(dāng)Ik給定時，rh越小則弧柱中心壓力越大。電弧自由燃燒時，通?；「幇霃阶钚?，因而該處弧柱中心壓力最大。在此中心壓力下，弧根中心部分的等離子體將沿弧柱軸線向壓力較小的弧柱中部流動。這就形成一股等離子流。除此之外，弧跟處電極材料迅速氣化，也將形成一股垂直于電極表面的金屬蒸汽流。這兩種氣體實際上合成在一起，統(tǒng)稱等離子流?！?-2電弧的物理特征當(dāng)前第76頁\共有146頁\編于星期六\10點研究表明：隨著電極材料的不同，當(dāng)電流大于10~50A時，等離子流開始出現(xiàn)。他不僅產(chǎn)生在弧根處，而且產(chǎn)生在用人工方法使弧柱面積縮小的地方。如圖3-15所示：§3-2電弧的物理特征當(dāng)前第77頁\共有146頁\編于星期六\10點八、電弧的能量平衡：弧柱的散熱功率（傳導(dǎo)、對流、輻射）：長弧時電弧的總散熱功率為弧柱的散熱功率加電極散發(fā)功率：§3-2電弧的物理特征電弧輸入功率當(dāng)前第78頁\共有146頁\編于星期六\10點按照能量守恒定律可知電弧產(chǎn)生后進入穩(wěn)定燃燒狀態(tài)的過程如下：設(shè)電弧電流為一固定值，電弧產(chǎn)生初期弧柱溫度很低，直徑也小。這時一方面電弧電阻較大，電弧電壓也較大，因而電弧的輸入功率較大。另一方面此時散發(fā)的功率比較小。這樣一來電弧輸入功率將大于散發(fā)功率，多余的功率用于提高弧柱的溫度和擴大其直徑。

§3-2電弧的物理特征當(dāng)前第79頁\共有146頁\編于星期六\10點隨著弧柱溫度的提高和直徑的擴大，電弧電阻減小，使輸入電弧功率減小，而散熱在增大。上述過程繼續(xù)進行，直至電弧輸入功率等于散發(fā)的功率，弧柱的溫度和直徑便穩(wěn)定在一定的數(shù)值上，電弧進入穩(wěn)定燃燒階段§3-2電弧的物理特征當(dāng)前第80頁\共有146頁\編于星期六\10點一般自由燃弧時，電弧電流越大，穩(wěn)定燃燒的弧柱溫度越高，直徑越大，電弧電阻越低，電弧壓降越小，但是電弧的輸入功率會越大。上述自動調(diào)節(jié)電弧溫度和直徑的現(xiàn)象不僅存在于電弧產(chǎn)生階段，而且存在于電弧燃燒到熄滅的整個階段，尤其是電流和散熱情況改變的動態(tài)過程。而且這個調(diào)節(jié)不能瞬間完成，對電流和散熱情況改變有一定的滯后?！?-2電弧的物理特征當(dāng)前第81頁\共有146頁\編于星期六\10點式中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，WQ逐漸增大，弧柱溫度增高直徑擴大，電弧燃燒趨熱；可得電弧的動態(tài)能量平衡方程：當(dāng)前第82頁\共有146頁\編于星期六\10點當(dāng)時，WQ保持不變，弧柱溫度和直徑也不變，電弧穩(wěn)定燃燒；當(dāng)時，WQ逐漸減小，弧柱溫度降低直徑縮小電弧趨于熄滅；當(dāng)前第83頁\共有146頁\編于星期六\10點九、維持電弧燃燒或促使電弧熄滅的基本原理：１、前提：假定電弧是一個純電阻性的發(fā)熱元件。電弧燃燒時，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)、對流(dl)和輻射(fs)三種方式散失。當(dāng)前第84頁\共有146頁\編于星期六\10點２、用能量平衡的觀點，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；②Ｐh

＝Ｐs：h恒定，電弧穩(wěn)定燃燒；③Ｐh

<

Ｐs：逐漸熄滅。當(dāng)前第85頁\共有146頁\編于星期六\10點３、用離子平衡的觀點，分析維持電弧燃燒或促使電弧熄滅的基本原理：令Ｑ1：電離強度，即帶電粒子增加率；Ｑ2：去電離強度，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。當(dāng)前第86頁\共有146頁\編于星期六\10點

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；離子動平衡方面，使去電離強度大于電離強度，可使電弧熄滅。當(dāng)前第87頁\共有146頁\編于星期六\10點§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當(dāng)前第88頁\共有146頁\編于星期六\10點（1）概念：在電弧長度維持不變的情況下，對應(yīng)每一個直流電流Ih，當(dāng)電弧中的發(fā)熱和散熱過程達到平衡后，弧隙兩端都會有一個與之對應(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、反時限特性。（2）弧長改變時，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、相對運動速度等有關(guān)。（4）電弧電阻Rh的計算公式：§3-3直流電弧的燃燒與熄滅當(dāng)前第89頁\共有146頁\編于星期六\10點2、直流電弧伏安特性曲線（見圖3-19）與金屬導(dǎo)體有不同的性質(zhì)，當(dāng)電流增大時，電壓減小?；蛘f電弧電阻隨著電流的增大而減小。直流電弧伏安特性曲線呈如此形狀的原因在于當(dāng)電流增大時，輸入電弧的功率增加，于是弧柱的溫度升高，直徑增大，因而使弧柱電阻劇烈下降。

直流電弧伏安特性曲線與許多因素有關(guān)：電弧長度、電極材料、氣體介質(zhì)種類、壓力和介質(zhì)相對于電弧的運動速度。§3-3直流電弧的燃燒與熄滅當(dāng)前第90頁\共有146頁\編于星期六\10點3、直流電弧伏安特性曲線分析：①計算直流電弧靜伏安特性電壓與電流間的經(jīng)驗公式：

式中:Ｕ0：電弧近極壓降，Ｖ；

Uk:直流電弧弧隙端電壓V；

l：電弧長度，cm；

n和c：常數(shù)，n＝0.25；

Ih：電弧電流，Ａ；

§3-3直流電弧的燃燒與熄滅當(dāng)前第91頁\共有146頁\編于星期六\10點§3-3直流電弧的燃燒與熄滅

②靜伏安特性曲線１/動伏安特性曲線２、3、４：如圖3-8所示.當(dāng)前第92頁\共有146頁\編于星期六\10點任取圖3-20的穩(wěn)定燃燒曲線6中一點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當(dāng)前第93頁\共有146頁\編于星期六\10點圖中，Ih↑時，Uh↓，原因是：Ih↑時，輸入功率IhUh↑，溫度T↑，結(jié)果直徑d↑，導(dǎo)致Ps↑,Rh↓，最終Uh↓,即Rh↓。在一定條件下，電弧的靜態(tài)伏安特性只有一條，而動態(tài)伏安特性卻隨著Ih變化速度不同可有無數(shù)條。§3-3直流電弧的燃燒與熄滅當(dāng)前第94頁\共有146頁\編于星期六\10點二、直流電弧的穩(wěn)定燃燒點與熄滅條件：

１、直流電弧的穩(wěn)定燃燒點：（１）對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：也叫“工作點”，它們滿足：

§3-3直流電弧的燃燒與熄滅當(dāng)前第95頁\共有146頁\編于星期六\10點§3-3直流電弧的燃燒與熄滅（３）用圖解法求直流電弧的穩(wěn)定燃燒點并分析之：取電源電勢E用ab表示，曲線A-A表示給定的靜態(tài)伏安特性，ac與ab成夾角ɑ，令tanɑ=R,于是圖中ac高度表示E-RIh。當(dāng)前第96頁\共有146頁\編于星期六\10點§3-3直流電弧的燃燒與熄滅（３）用圖解法求直流電弧的穩(wěn)定燃燒點并分析之：圖中ac和曲線A-A交于1、2兩點，在1點以左2點以右，直線ac高度低于A-A的高度，即E-RIh-Uk<0,所以LdIh/dt<0。所以在這兩個區(qū)域內(nèi)Ih將隨時間變化而減小。在1點以右2點以左直線ac高度高于A-A的高度，即E-RIh-Uk>0,所以LdIh/dt>0。所以在這兩個區(qū)域內(nèi)Ih

將隨時間變化而增大。

當(dāng)前第97頁\共有146頁\編于星期六\10點§3-3直流電弧的燃燒與熄滅只有在1點和2點上才有E-RIh-Uk=0，即LdIh/dt=0，所以Ih為一常數(shù)。即電弧電流不隨時間變化，電弧處于穩(wěn)定燃燒階段。由以上分析可知：存在兩個穩(wěn)定點—1和2點，他們分別位于兩個電流—I1、I2。當(dāng)前第98頁\共有146頁\編于星期六\10點§3-3直流電弧的燃燒與熄滅由以上分析可知：存在兩個穩(wěn)定點—1和2點，他們分別位于兩個電流—I1、I2，但是僅I2是真正穩(wěn)定點，而I1是一個虛假穩(wěn)定點，原因如下：在1點，如果某種原因使電流大于I1時，則電路工作于1和2之間的區(qū)域，而在此區(qū)域dIh/dt>0，于是電流繼續(xù)增大直至I2。

當(dāng)前第99頁\共有146頁\編于星期六\10點§3-3直流電弧的燃燒與熄滅在2點，如果某種原因使電流小于I2

時，則電路工作于1和2之間的區(qū)域，而在此區(qū)域dIh/dt>0，于是電流將增大直至為I2

。

當(dāng)前第100頁\共有146頁\編于星期六\10點§3-3直流電弧的燃燒與熄滅由以上分析可知：存在兩個穩(wěn)定點—1和2點，他們分別位于兩個電流—I1、I2，但是僅I2

是真正穩(wěn)定點，而I1是一個虛假穩(wěn)定點。電路處于2點時，無論電流何種原因引起波動都會自動回到2點處。當(dāng)前第101頁\共有146頁\編于星期六\10點在開關(guān)電器工作時，人們希望的不是電弧穩(wěn)定燃燒，而是迅速熄滅，即希望點2不存在，可從兩個方面采取措施促使電弧迅速熄滅。當(dāng)前第102頁\共有146頁\編于星期六\10點一方面，增大電路電阻Ｒ使ac回到ac’處。

§3-3直流電弧的燃燒與熄滅當(dāng)前第103頁\共有146頁\編于星期六\10點另一方面是提高電弧靜態(tài)伏安特性到如圖3-23中虛線曲線A’-A’所示的位置，使之不和直線ac相交。這樣，電弧也將趨于熄滅。當(dāng)前第104頁\共有146頁\編于星期六\10點２、直流電弧的熄滅條件：dIh/dt<0，即E-IR<Uh§3-3直流電弧的燃燒與熄滅當(dāng)前第105頁\共有146頁\編于星期六\10點３、提高電弧靜態(tài)伏安特性到如圖3-23中虛線曲線A’-A’所示的位置，使之不和直線ac相交，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，以增加近極壓降如圖3-24所示，用許多平行排列的金屬柵片將電弧分隔成許多串聯(lián)的短弧，那么每一短弧都有一陰極和陽極壓降，總的電弧電壓便大為增加。§3-3直流電弧的燃燒與熄滅當(dāng)前第106頁\共有146頁\編于星期六\10點②增大電弧長度用機械的方法增加觸頭之間的距離，見圖3-25a。依靠導(dǎo)電回路自身的磁場或外加磁場使電弧橫向拉長，見圖3-25b。在磁場作用下，使弧根在電極上移動以拉長電弧,見圖3-25c。

§3-3直流電弧的燃燒與熄滅當(dāng)前第107頁\共有146頁\編于星期六\10點③增大弧柱中的電場強度Ｅ，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)間的相對運動速度(縱吹和橫吹)；

c加強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當(dāng)前第108頁\共有146頁\編于星期六\10點小結(jié)：低壓電器中，通常采用提高電弧靜態(tài)伏安特性的措施熄滅電弧；高壓電器中，有時和增加電路電阻同時使用；此外，高壓電器中還可采用如圖3-26所示的人工過零法。§3-3直流電弧的燃燒與熄滅當(dāng)前第109頁\共有146頁\編于星期六\10點三、直流電弧的能量電弧消耗能量電源供給能量電阻消耗能量電感存儲能量1.電路電感越大，則其中儲能越多，要電弧熄滅必需從弧隙散發(fā)的能量也越多，因而電弧越難熄滅。2.由于電感中能量的泄放需要一定的時間，因而電感的存在使電弧不能立即熄滅，必須等電感中能量泄放完或基本上泄放完后，電弧才能熄滅。當(dāng)前第110頁\共有146頁\編于星期六\10點四、直流電弧熄滅時的過電壓：

§3-3直流電弧的燃燒與熄滅由于電路中存在一定的電感，當(dāng)燃弧時間過短，電感中將產(chǎn)生很大的自感電勢。它連同電源電勢一起加在弧隙兩端以及與之一連的線路和電氣設(shè)備上，其電壓可能比電源電壓大好多倍，通常稱之為過電壓。過電壓產(chǎn)生后，一方面可能擊穿弧隙，使電弧繼續(xù)燃燒;另一方而，可能將電氣設(shè)備的絕緣擊穿，引起破壞性事故。當(dāng)前第111頁\共有146頁\編于星期六\10點弧隙過電壓Ug通常在Ih趨近于零時Ug最高，即此時Ug最大1、當(dāng)其他條件不變時，L越大，則Ugmax越大，因而一般需將電弧拉得越長才能熄滅;2、電弧電流趨近于零時的下降速度越快，亦即弧隙的消電離作用越強，則Ugmax越大。所以，在未采取限制過電壓措施時，采用消電離作用過分強烈的滅弧方法，非但無益，反而有害。當(dāng)前第112頁\共有146頁\編于星期六\10點§3-3直流電弧的燃燒與熄滅當(dāng)前第113頁\共有146頁\編于星期六\10點3、限制過電壓的幾種措施：§3-3直流電弧的燃燒與熄滅當(dāng)前第114頁\共有146頁\編于星期六\10點一、交流電弧伏---安特性當(dāng)ih隨時間按正弦規(guī)律變化時，在穩(wěn)定燃弧的情況下，如果弧長不變，并且介質(zhì)對電弧的冷卻作用不太強烈，使得在ih過零期間Rh為一有限值，則一個周期內(nèi)uh和ih的關(guān)系如圖3-31所示。這叫交流電弧伏一安特性。圖中箭頭表示ih變化的方向。§3-4交流電弧的特性當(dāng)前第115頁\共有146頁\編于星期六\10點§3-4交流電弧的特性當(dāng)前第116頁\共有146頁\編于星期六\10點用“能量平衡原理”分析解釋交流電弧的伏安特性曲線：

1）暫時不考慮負(fù)載的影響。（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；§3-4交流電弧的特性當(dāng)前第117頁\共有146頁\編于星期六\10點（2）靠近A點與AB段：ih增大，Ph也增大，弧柱變熱變粗，uh隨

ih的增長再下降，其最高點A點的電壓稱為燃弧尖峰Urh。§3-4交流電弧的特性當(dāng)前第118頁\共有146頁\編于星期六\10點（3）BC段：ih到最大值（B點）后減小，uh沿BC曲線上升，因弧柱存在熱慣性，Rh會比ih增大情況下同一ih時的數(shù)值為小，故曲線BC比AB低。C點電壓為熄弧尖峰Uxh?！?-4交流電弧的特性當(dāng)前第119頁\共有146頁\編于星期六\10點（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，uh又開始隨ih減小而下降。ih趨近于零，uh也趨近于零。§3-4交流電弧的特性當(dāng)前第120頁\共有146頁\編于星期六\10點（5）對應(yīng)上圖的電弧電壓uh隨時間t變化的波形：為馬鞍形。§3-4交流電弧的特性燃弧尖峰Urh熄弧尖峰Uxh

ωtuh,i

0uhi當(dāng)前第121頁\共有146頁\編于星期六\10點（1）純電阻負(fù)載時，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過零時u也過零。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的瞬時值，uh乃是u的波形，u從零上升弧隙電壓也從零上升；ih=u/Rh，值很小。§3-4交流電弧的特性

2）考慮負(fù)載（電阻性與電感性）影響后的uh-ih波形：當(dāng)前第122頁\共有146頁\編于星期六\10點隨著u上升，ih逐漸增大。當(dāng)u上升到足以使Ph>Ps

時，Rh迅速減小，ih迅速增大。此后ih基本基本決定于電路負(fù)載的大小，而弧隙上的電壓則基本上決定于相應(yīng)的電弧動態(tài)伏-安特性。在ih半波末了時，ih減小，uh上升；當(dāng)u下降至低于uxh時，電弧uh又隨u變化（電弧完全熄滅）。

結(jié)果：urh之前和uxh之后的uh波形（實際是弧熄的波形），皆與u的波形基本重合。§3-4交流電弧的特性當(dāng)前第123頁\共有146頁\編于星期六\10點（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，u約處于幅值，電弧熄滅。當(dāng)ih過零時，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）趨向于u的幅值，故urh出現(xiàn)較早，弧熄中通過較大負(fù)載電流的時間也提前。§3-4交流電弧的特性當(dāng)前第124頁\共有146頁\編于星期六\10點在ih接近半波末了時，弧隙上的電壓系由負(fù)載電感中自感電勢所產(chǎn)生，與u的數(shù)值無關(guān)，所以此時弧隙上的電壓基本取決于電弧動態(tài)伏-安特性?！?-4交流電弧的特性結(jié)果：電感性負(fù)載電路中，urh之前和uxh之后的uh的上升和下降速度比電阻性負(fù)載中要快的多。當(dāng)前第125頁\共有146頁\編于星期六\10點§3-4交流電弧的特性當(dāng)前第126頁\共有146頁\編于星期六\10點

（3）在開斷同一電流時，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。原因如下：

一是：“電壓比較”的結(jié)果。見P85第二段的說明，加上“在ih過零前的一段時間內(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”。

§3-4交流電弧的特性當(dāng)前第127頁\共有146頁\編于星期六\10點

二是：“零休期時間”的長短對電弧的熄滅影響很大，時間越長，弧柱會越細(xì)越冷，甚至?xí)?，電弧熄滅也越容易。由于電阻性?fù)載的零休期時間比電感性負(fù)載的零休期時間長，故熄滅電弧越容易。

§3-4交流電弧的特性當(dāng)前第128頁\共有146頁\編于星期六\10點二、電弧電壓對交流電路電流的影響

1、零休現(xiàn)象：1）電阻性負(fù)載：

urh到來之前，Rh很大，ih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”?！?-4交流電弧的特性當(dāng)前第129頁\共有146頁\編于星期六\10點

2）電感性負(fù)載：電感性負(fù)載的“零休”時間很短。

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”。