第三章電弧的基本特性演示文稿

第三章電弧的基本特性演示文稿當(dāng)前第1頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)優(yōu)選第三章電弧的基本特性當(dāng)前第2頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11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)模型簡介當(dāng)前第3頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性4第三章電弧的基本特性§3-0序§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)§3-2電弧的物理特性§3-3直流電弧的特性和熄滅原理§3-4交流電弧的特性§3-5麥也爾電弧數(shù)學(xué)模型簡介當(dāng)前第4頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性5§3-0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（簡稱弧隙）中會產(chǎn)生電弧電?。╝rc）：溫度高、發(fā)強(qiáng)光、能導(dǎo)電的氣體當(dāng)前第5頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性6§3-0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）當(dāng)前第6頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性7§3-0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-sustainedGasVapourDischarge當(dāng)前第7頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性8第三章電弧的基本特性§3-0序§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)§3-2電弧的物理特性§3-3直流電弧的特性和熄滅原理§3-4交流電弧的特性§3-5麥也爾電弧數(shù)學(xué)模型簡介當(dāng)前第8頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性9§3-1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）當(dāng)前第9頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性10§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)電離和激勵(lì)電子伏特當(dāng)前第10頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性11§3-1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)當(dāng)前第11頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性12§3-1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當(dāng)前第12頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性13§3-1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）當(dāng)前第13頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性14§3-1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）場致發(fā)射（Fieldemission）（FE）熱-場致發(fā)射（Field-assistedthermionicemission）（FTE）光發(fā)射（Photonemission）二次發(fā)射（Secondaryemission）當(dāng)前第14頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性15§3-1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）但電子并不能“逃出”金屬表面金屬表面存在勢壘（Potentialbarrier）當(dāng)前第15頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性16§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式熱發(fā)射（ThermalEmission）當(dāng)前第16頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性17§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式熱發(fā)射（ThermalEmission）對清潔、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，如鎢當(dāng)前第17頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性18§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式場致發(fā)射（FieldEmission）金屬表面施加電場時(shí)，將壓縮表面勢壘厚度，自由電子可以在常溫下穿過勢壘（隧道效應(yīng)）而逸出在較高溫度時(shí)，場致發(fā)射的電流密度為當(dāng)前第18頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性19§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式熱-場致發(fā)射（Field-assistedthermionicemission）熱、電場共同作用時(shí)，發(fā)射電流大大增強(qiáng)（非線性提升）以銅為例當(dāng)前第19頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性20§3-1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，陰極附近的場強(qiáng)比陽極附近的場強(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當(dāng)前第20頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性21§3-1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

光電離電場電離熱電離當(dāng)前第21頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性22§3-1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）當(dāng)前第22頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性23§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式電場電離電子自由行程（freepath)長，碰撞截面（collisioncrosssection）小，容易積累足夠的動能，在電場電離中起重要作用若一個(gè)帶電粒子在電場中獲得的動能

,則當(dāng)其與另一中性粒子碰撞時(shí)，就有可能使之電離，稱為電場電離或碰撞電離當(dāng)前第23頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性24§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式電場電離通常電極間氣體進(jìn)行電場電離的電子來自：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能的大小和兩者電磁場相互作用的時(shí)間電場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)當(dāng)前第24頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性25§3-1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、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)率也增大當(dāng)前第25頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性26§3-1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)動從高濃區(qū)向低濃度區(qū)移動氣體消電離的方式當(dāng)前第26頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性27§3-1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當(dāng)前第27頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性28§3-1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)動速度比負(fù)離子大得多當(dāng)前第28頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性29§3-1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)動從高濃區(qū)向低濃度區(qū)移動當(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當(dāng)前第29頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性30§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡介等離子體-物質(zhì)的第四態(tài)當(dāng)前第30頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性31§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡介由地球表面向外，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當(dāng)前第31頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性32§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡介等離子體的定義：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)的宏觀體系當(dāng)前第32頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性33§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡介當(dāng)前第33頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性34§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡介等離子體的分類當(dāng)前第34頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性35§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)密度(cm-3)當(dāng)前第35頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性36§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡介等離子體物理學(xué)的理論研究領(lǐng)域當(dāng)前第36頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性37§3-1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-安特性當(dāng)前第37頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性38§3-1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)階段當(dāng)前第38頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性39§3-1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當(dāng)前第39頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性40§3-1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當(dāng)前第40頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性41§3-1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當(dāng)前第41頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性42§3-1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當(dāng)前第42頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性43§3-1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當(dāng)前第43頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性44§3-1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電離放電溫度低（常溫）電流密度小（0.1A/m2）

陰極壓降高（幾百V）當(dāng)前第44頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性45§3-1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)）當(dāng)前第45頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性46§3-1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）當(dāng)前第46頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性47§3-1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當(dāng)前第47頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性48§3-1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釋放出全部能量電子只沿電場方向運(yùn)動當(dāng)前第48頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性49§3-1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)為重粒子的動能不變，這一近似準(zhǔn)確到me/ma

的量級對于電離碰撞，能量守恒方程為當(dāng)前第49頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性50§3-1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)電子沿電場運(yùn)動時(shí)，單位距離內(nèi)由電場電離而產(chǎn)生的帶電粒子對數(shù)（電子和正離子）

E：電場強(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)當(dāng)前第50頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性51§3-1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運(yùn)動時(shí)，單位距離內(nèi)由電場電離而產(chǎn)生的帶電粒子對數(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）電場強(qiáng)度：E（V/m）當(dāng)前第51頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性52§3-1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)生電場電離的條件？當(dāng)前第52頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性53§3-1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)當(dāng)前第53頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性54§3-1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）當(dāng)前第54頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性55§3-1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)生的帶電粒子對數(shù)當(dāng)前第55頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性56§3-1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)生的帶電粒子對數(shù)當(dāng)前第56頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性57§3-1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，電子的增量為當(dāng)前第57頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性58§3-1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間隙擊穿條件間隙中電場電離產(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，則放電可自持當(dāng)前第58頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性59§3-1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間隙擊穿條件當(dāng)前第59頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性60§3-1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間隙擊穿條件均勻電場的間隙，擊穿電壓為Ujc基本與p/T成正比當(dāng)前第60頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性61§3-1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)，擊穿電壓為當(dāng)前第61頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性62§3-1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）當(dāng)前第62頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性63§3-1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當(dāng)前第63頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性64§3-1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均會增大當(dāng)前第64頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性65§3-1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，但電子不易積累動能。因此，隨著p增大，擊穿電壓也增大當(dāng)前第65頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性66§3-1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，很好地解釋了長間隙擊穿過程的快速性當(dāng)前第66頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性67§3-1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、崩尾電場加強(qiáng)崩內(nèi)部電場減弱電子崩內(nèi)電荷分布當(dāng)前第67頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性68§3-1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)射電離作用場致發(fā)射二次發(fā)射電場電離復(fù)合擴(kuò)散當(dāng)前第68頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性69§3-1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當(dāng)前第69頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性70第三章電弧的基本特性§3-0序§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)§3-2電弧的物理特性§3-3直流電弧的特性和熄滅原理§3-4交流電弧的特性§3-5麥也爾電弧數(shù)學(xué)模型簡介當(dāng)前第70頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性71§3-２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F當(dāng)前第71頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性72§3-2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）當(dāng)前第72頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性73§3-2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，開始蒸發(fā)當(dāng)前第73頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性74§3-2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，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、場致發(fā)射）弧隙：電場電離產(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)定燃燒當(dāng)前第74頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性75§3-2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)：Anode當(dāng)前第75頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性76§3-2電弧的物理特性電弧電壓的特性

近陰極區(qū)長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電場強(qiáng)度高利于二次發(fā)射和場致發(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)的電離電位當(dāng)前第76頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性77§3-2電弧的物理特性電弧電壓的特性

近陽極區(qū)長度約為陰極區(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)當(dāng)前第77頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性78§3-2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，為等離子體單位長度弧柱的壓降基本相等電場強(qiáng)度沿軸向近似為常數(shù)影響電場強(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)對電弧作用當(dāng)前第78頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性79§3-2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：弧柱電場強(qiáng)度(V/m)

Ih：電弧長度(m)（近似等于極間距離）當(dāng)前第79頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性80§3-2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弧短弧：l很小，Uz可忽略，Uh幾乎與I無關(guān)長?。簂很大，Uz

>>U0，Uh大致與Ｅ成正比當(dāng)前第80頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性81§3-2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)電極材料當(dāng)前第81頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性82§3-2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：電弧長度

d:弧柱直徑當(dāng)前第82頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性83§3-2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)體的熱慣性當(dāng)前第83頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性84§3-2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量和描述弧柱直徑有不同的方法探針法（測電流）攝像法（測亮度）電流大小狹縫法（測溫度）

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)種類磁場當(dāng)前第84頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性85§3-2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?。簭澢?、扭曲真空電弧：擴(kuò)散、集聚

弧柱直徑變化也因熱慣性而滯后于電流當(dāng)前第85頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性86§3-2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)動的陰極斑點(diǎn)（真空電弧）當(dāng)前第86頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性87§3-2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)動斑點(diǎn)運(yùn)動受電流、材料、磁場等因素的影響（連續(xù)運(yùn)動）（跳躍運(yùn)動）當(dāng)前第87頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性88§3-2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

金屬蒸汽對長弧熄滅非常重要

熱發(fā)射電子對短弧熄滅極為重要當(dāng)前第88頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性89§3-2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（Bθ）作用于電弧，壓縮弧柱，產(chǎn)生壓力（收縮壓力）當(dāng)前第89頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性90§3-2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（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當(dāng)前第90頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性91§3-2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（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電極材料氣化垂直于電極表面流動等離子流當(dāng)前第91頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性92§3-2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)和電弧的熄滅當(dāng)前第92頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性93§3-2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)當(dāng)前第93頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性94§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、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)當(dāng)前第94頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性95§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射傳導(dǎo)利用熱路的方法當(dāng)前第95頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性96§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、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）當(dāng)前第96頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性97§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射對流周圍冷的氣體介質(zhì)弧柱中熾熱的電離氣體當(dāng)前第97頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性98§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射對流自由燃燒時(shí)，傳導(dǎo)與對流散熱功率相當(dāng)開關(guān)電器中常采用強(qiáng)迫對流，對流起主導(dǎo)作用橫吹

Pdl：對流散熱功率（Ｗ）

v：橫吹速度（cm/s）

dh：弧柱直徑（cm）

l：電弧長度（cm）

Th:弧柱平均溫度（K）

T0:介質(zhì)溫度（K）當(dāng)前第98頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性99§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射對流自由燃燒時(shí)，傳導(dǎo)與對流散熱功率相當(dāng)開關(guān)電器中常采用強(qiáng)迫對流，對流起主導(dǎo)作用縱吹

Pdl：對流散熱功率（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）當(dāng)前第99頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性100§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射對流縱吹橫吹橫吹時(shí)，對流散發(fā)的功率與電弧縱截面積成正比縱吹時(shí)，對流散發(fā)的功率與電弧橫截面積成正比，側(cè)面也有作用對流散發(fā)的功率與氣流速度成正比當(dāng)前第100頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性101§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、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：電弧長度（cm）

rh:弧柱半徑（cm）

Th:弧柱平均溫度（K）

T0:介質(zhì)溫度（K）當(dāng)前第101頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性102§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡Ps=Pz+IhU0長弧時(shí)近極區(qū)耗散功率電極當(dāng)前第102頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性103§3-2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)當(dāng)前第103頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性104§3-2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）當(dāng)前第104頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性105§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡電弧的動態(tài)能量平衡（守恒）方程物理意義：單位時(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）當(dāng)前第105頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性106第三章電弧的基本特性§3-0序§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)§3-2電弧的物理特性§3-3直流電弧的特性和熄滅原理§3-4交流電弧的特性§3-5麥也爾電弧數(shù)學(xué)模型簡介當(dāng)前第106頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性107§3-３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：對于固定的弧長l，在（發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測得的Uh-Ih特性當(dāng)前第107頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性108§3-３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：對于固定的弧長l，在（發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測得的Uh-Ih特性弧長增大伏-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（）當(dāng)前第108頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性109§3-３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：對于固定的弧長l，在（發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測得的Uh-Ih特性弧長增大伏-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，電阻減小ＩhＩhＵhThdhＲh當(dāng)前第109頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性110§3-３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：對于固定的弧長l，在（發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測得的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）當(dāng)前第110頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性111§3-３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：對于固定的弧長l，在（發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測得的Uh-Ih特性電弧長度電弧靜態(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)相對于電弧的運(yùn)動速度經(jīng)驗(yàn)公式：當(dāng)前第111頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性112§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動態(tài)伏－安特性動態(tài)伏安特性：對于固定的弧長l，Ih按一定速度變化，Uh隨之變化，測得的Uh-Ih特性當(dāng)前第112頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性113§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動態(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：1３

４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)的電弧動態(tài)伏-安特性當(dāng)前第113頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性114§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動態(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：1３

４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）當(dāng)前第114頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性115§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動態(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：1３

４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>U6當(dāng)前第115頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性116§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動態(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I3當(dāng)前第116頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性117§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動態(tài)伏－安特性一定條件下，電弧的靜態(tài)伏-安特性只有一條動態(tài)伏-安特性卻有無數(shù)條動態(tài)伏-安特性與電流的變化率有關(guān)但動態(tài)伏-安特性只能在一定的范圍之內(nèi)注意：起始點(diǎn)不同，動態(tài)伏-安特性范圍不同

當(dāng)前第117頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性118§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動態(tài)伏－安特性一定條件下，電弧的靜態(tài)伏-安特性只有一條動態(tài)伏-安特性卻有無數(shù)條動態(tài)伏-安特性與電流的變化率有關(guān)對于交流電弧i(t)=Imsinωt,也隨時(shí)間變化，則動態(tài)伏-安特性更復(fù)雜當(dāng)前第118頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性119§3-３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)的電弧電流熄滅當(dāng)前第119頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性120§3-３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)可以忽略當(dāng)前第120頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性121§3-３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)

當(dāng)前第121頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性122§3-３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不存在的措施當(dāng)前第122頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性123§3-３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近極壓降電場強(qiáng)度電弧長度增大R熄弧過程中串入另一電阻當(dāng)前第123頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性124§3-３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:弧柱電場強(qiáng)度

l’:全部短弧的長度之和當(dāng)前第124頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性125§3-３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度觸頭運(yùn)動電動力吹弧觸頭形狀結(jié)合磁吹當(dāng)前第125頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性126§3-３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強(qiáng)度提高氣體介質(zhì)壓力提高電弧與介質(zhì)的相對速度絕緣柵片冷卻電弧，加強(qiáng)帶電粒子的復(fù)合作用當(dāng)前第126頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性127§3-３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)迫過零當(dāng)前第127頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性128§3-３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)算當(dāng)前第128頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性129§3-３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打開電弧長度:l=vtIh(t)trh非線性微分方程當(dāng)前第129頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性130§3-３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=0當(dāng)前第130頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性131§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的能量和燃弧時(shí)間直流電弧的能量電弧消耗的能量電源供給的能量電阻消耗的能量電感存儲的能量燃弧開始時(shí)儲存在電感中的能量必須瀉放到弧隙中

若已知Ih(t)可計(jì)算電弧能量Wh當(dāng)前第131頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性132§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的能量和燃弧時(shí)間結(jié)論電路電感越大，儲能越多，電弧越難越熄滅電感中能量的泄放需一定時(shí)間，故電弧不能立即熄滅電弧也是開斷過程中重要的泄能方式

若電弧由電流較大的值突然熄滅，會有什么后果？過電壓當(dāng)前第132頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性133§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）電弧熄滅時(shí)產(chǎn)生過電壓的原因間隙重?fù)舸?，重燃（reignition）

導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備損壞若沒有過電壓抑制措施，不能過分減少燃弧時(shí)間回路電感過電壓的影響|dIh/dt|

較大很大的自感電勢電源電勢過電壓Ut=LdIh/dtdIh/dt<0當(dāng)前第133頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性134§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）過電壓的計(jì)算一般在電流過零時(shí)，過電壓最大結(jié)論L

Ugmax

Ugmax消電離作用過強(qiáng)當(dāng)前第134頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性135§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）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Choppingcurrent由此產(chǎn)生的過電壓稱為截流過電壓

當(dāng)前第135頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性136§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）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Choppingcurrent截流后電流怎樣流動？電感電流不能突變電流經(jīng)寄生電容導(dǎo)通當(dāng)前第136頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性137§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）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Choppingcurrent截流后電路中的電壓和電流怎樣變化？當(dāng)前第137頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性138§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）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ChoppingcurrentL、C、Ｒ形成衰減振蕩電路弧隙兩端電壓（Uc）最終穩(wěn)定在Ｅ

當(dāng)前第138頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性139§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）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當(dāng)前第139頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性140§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）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Ug(Uc)

何時(shí)達(dá)到最大值Ugmax

振蕩電路過零時(shí)，Ug(Uc)

何時(shí)達(dá)到最大值Ugmax

此時(shí)磁場能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶瞿芰慨?dāng)前第140頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性141§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）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振蕩電路過零時(shí)，Ug(Uc)

何時(shí)達(dá)到最大值Ugmax

此時(shí)磁場能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶瞿芰慨?dāng)前第141頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性142§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）開斷感性負(fù)載的限壓措施不影響回路正常工作提供泄能回路K1滅弧能力比Ｋ2強(qiáng)K1先分K2后分降低電流減小儲能當(dāng)前第142頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性143第三章電弧的基本特性§3-0序§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)§3-2電弧的物理特性§3-3直流電弧的特性和熄滅原理§3-4交流電弧的特性§3-5麥也爾電弧數(shù)學(xué)模型簡介當(dāng)前第143頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性144§3-4交流電弧的特性交流電弧的伏-安特性交流電弧的伏-安特性：Ｕh、Ih均隨時(shí)間變化，dih/dt也變化假定：電流過零期間，電弧電阻為有限值（介質(zhì)對電弧的冷卻作用不太強(qiáng)）OO’Ih很小弧柱變冷、變細(xì)Rh:迅速增大duh/dih>0dWQ/dt=-Ps<0Ph≈0OA’Ih

弧柱變熱、變粗Rh:迅速減小duh/dt>0dWQ/dt=Ph-Ps>0Phuh=ihRh當(dāng)前第144頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性145§3-4交流電弧的特性交流電弧的伏-安特性O(shè)A’Ih

弧柱變熱、變粗Rh:迅速減小duh/dt>0dWQ/dt=Ph-Ps>0Phuh=ihRh燃弧尖峰ABIh

弧柱變熱、變粗Rh:迅速減小dWQ/dt=Ph-Ps>0Phduh/dt<0duh/dih<0（負(fù)電阻）當(dāng)前第145頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性146§3-4交流電弧的特性交流電弧的伏-安特性BCIh

熱慣性：RhBC<

RhABPhABIh

弧柱變熱、變粗Rh:迅速減小dWQ/dt=Ph-Ps>0Phduh/dt<0duh/dih<0（負(fù)電阻）Rh

uhuhBC<

uhAB當(dāng)前第146頁\共有163頁\編于星期六\15點(diǎn)2023/6/11第三章電弧的基本特性147§3-4交流電弧的特性交流電弧的伏-安特性BCIh

熱慣性：RhBC<

RhABPhRh

uhuhBC<

uhAB熄弧尖峰COIh

Ph

Rh弧柱變冷、變細(xì)duh/dt<0duh/dih>0uh=ihRh當(dāng)前第147頁\共有1