中職教育二年級(jí)全學(xué)期交通運(yùn)輸大類《氣體電弧理論》微課教學(xué)設(shè)計(jì)

微課教學(xué)設(shè)計(jì)課題氣體電弧理論目標(biāo)1.掌握電弧的概念及形成；2.了解電弧的特點(diǎn)及危害；3.掌握電弧的熄滅和熄滅條件；4.掌握熄滅交流電弧的基本方法。難點(diǎn)1.電弧的熄滅和熄滅條件；2.熄滅交流電弧的基本方法。微課說(shuō)明總時(shí)間：16:49，幻燈片總數(shù)：38頁(yè)；呈現(xiàn)形式：PPT配畫外音解說(shuō)，PPT制作盡可能圖像化，適當(dāng)使用動(dòng)畫表現(xiàn)。鏡頭編號(hào)視頻內(nèi)容解說(shuō)詞效果說(shuō)明1課前導(dǎo)入同學(xué)們，大家好！我們?cè)谌粘Ｉ钪?，使用插座時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生電火花。而在高壓電氣中，當(dāng)高壓開關(guān)設(shè)備接通或斷開時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生類似于“電火花”的放電現(xiàn)象，我們稱之為電弧。那么電弧究竟是如何產(chǎn)生的呢？它有什么特點(diǎn)呢？這節(jié)課，我們來(lái)一起學(xué)習(xí)氣體電弧理論吧。圖片2標(biāo)題——?dú)怏w電弧理論3學(xué)習(xí)目標(biāo)在本節(jié)課的學(xué)習(xí)中，我們將要掌握電弧的概念及形成，了解電弧的特點(diǎn)及危害，掌握電弧的熄滅和熄滅條件，以及掌握熄滅交流電弧的基本方法。4一、電弧的概念及形成51.電弧的概念首先我們來(lái)了解一下電弧的概念。在電力系統(tǒng)中，當(dāng)電流通過(guò)某些絕緣介質(zhì)（例如空氣）時(shí)，在開關(guān)觸頭之間會(huì)產(chǎn)生溫度極高、發(fā)出強(qiáng)烈白光、能導(dǎo)電、近似于圓柱形的氣體，稱為電弧。電弧是一種氣體放電現(xiàn)象。圖片62.八種常見的電弧產(chǎn)生方式現(xiàn)在我們來(lái)認(rèn)識(shí)一下八種常見的電弧產(chǎn)生方式。73.電弧的形成那么電弧是如何形成的呢？開關(guān)觸頭在開斷電流時(shí)，觸頭間電場(chǎng)強(qiáng)度很大，使觸頭本身的電子及觸頭周圍介質(zhì)中的電子被游離而形成電弧。電弧是電氣設(shè)備開斷過(guò)程中不可避免的現(xiàn)象。當(dāng)開關(guān)電器開斷電路時(shí)，如果電路電壓超過(guò)10～20V，電流超過(guò)80～100mA，觸頭在接觸前或剛剛分離后，觸頭之間就會(huì)產(chǎn)生電弧。視頻8（1）產(chǎn)生電弧的游離方式——①熱電子發(fā)射產(chǎn)生電弧的游離方式主要有四種：①熱電子發(fā)射當(dāng)斷路器的動(dòng)、靜觸頭分離時(shí)，觸頭間的接觸壓力及接觸面積逐漸縮小，接觸電阻增大，使接觸部位劇烈發(fā)熱，導(dǎo)致陰極表面溫度急劇升高而發(fā)射電子，形成熱電子發(fā)射。動(dòng)畫9②強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射②強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射開關(guān)電器分閘的瞬間，由于動(dòng)、靜觸頭的距離很小，觸頭間的電場(chǎng)強(qiáng)度就非常大，使觸頭內(nèi)部的電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下被拉出來(lái)，就形成強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。動(dòng)畫10③碰撞游離③碰撞游離從陰極表面發(fā)射出的電子在電場(chǎng)力的作用下高速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷地與中性質(zhì)點(diǎn)（原子或分子）發(fā)生碰撞。當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的電子積聚足夠大的動(dòng)能時(shí)，就會(huì)從中性質(zhì)點(diǎn)中打出一個(gè)或多個(gè)電子，使中性質(zhì)點(diǎn)游離，這一過(guò)程稱為碰撞游離。動(dòng)畫11④熱游離④熱游離弧柱中氣體分子在高溫作用下產(chǎn)生劇烈熱運(yùn)動(dòng)，動(dòng)能很大的中性質(zhì)點(diǎn)互相碰撞時(shí)，將被游離而形成電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為熱游離?；≈鶎?dǎo)電就是靠熱游離來(lái)維持的。動(dòng)畫12（2）電弧的形成過(guò)程綜上所述，斷路器斷開過(guò)程中電弧是這樣形成的：觸頭剛分離時(shí)突然解除接觸壓力，陰極表面立即出現(xiàn)高溫?zé)霟狳c(diǎn)，產(chǎn)生熱電子發(fā)射；同時(shí)，由于觸頭的間隙很小，使得電壓強(qiáng)度很高，產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。從陰極表面逸出的電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，加速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，發(fā)生碰撞游離，導(dǎo)致觸頭間隙中帶電質(zhì)點(diǎn)急劇增加，溫度驟然升高，產(chǎn)生熱游離并且成為游離的主要因素。此時(shí)，在外加電壓作用下，間隙被擊穿，形成電弧。動(dòng)畫13二、電弧的特點(diǎn)及危害141.電弧的特點(diǎn)電弧有什么特點(diǎn)和危害呢？電弧的特點(diǎn)有以下四點(diǎn)：（1）起弧電壓、電流的數(shù)值很低。（2）電弧中含有大量的電子、離子，因此電弧具有良好的導(dǎo)電性能，具有很高的電導(dǎo)?；≈娏髅芏瓤蛇_(dá)10kA/cm^2。電孤存在時(shí)，盡管開關(guān)電器的觸頭是斷開的，電路中仍然有電流流通，電路將繼續(xù)導(dǎo)通。只有當(dāng)電弧熄滅后，電路中才無(wú)電流通過(guò)而真正斷開。圖片151.電弧的特點(diǎn)（3）電弧能量集中，溫度很高。電弧放電時(shí)，能量高度集中，弧心溫度可達(dá)10000℃左右，電弧表面的溫度也可達(dá)到3000～4000℃。（4）電弧是一束質(zhì)量很輕的游離狀態(tài)的氣體，在外力的作用下，能迅速移動(dòng)、伸長(zhǎng)、彎曲、變形。圖片162.電弧的危害電弧的危害，主要有：（1）當(dāng)開關(guān)電器的觸頭間發(fā)生電弧時(shí)，它的存在延長(zhǎng)了電器開斷故障電路的時(shí)間，加重了系統(tǒng)短路故障的危害。（2）電弧產(chǎn)生的高溫，將使觸頭表面熔化和汽化，燒壞絕緣材料，對(duì)充油電器設(shè)備還可能引起著火、爆炸等危險(xiǎn)。（3）由于電弧在電動(dòng)力、熱力作用下能移動(dòng)，很容易造成飛弧短路和傷人或引起事故的擴(kuò)大。（4）在最嚴(yán)重情況下甚至可能引起相間短路,或使開關(guān)電器爆炸，形成火災(zāi)，影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。172.電弧的危害視頻18三、電弧的熄滅和熄滅條件191.電弧的熄滅在實(shí)際生產(chǎn)中，我們要采取一定的方法來(lái)熄滅電弧。電弧的熄滅與電弧的去游離過(guò)程有關(guān)。電弧的去游離過(guò)程包括復(fù)合和擴(kuò)散兩種形式。圖片20（1）復(fù)合復(fù)合是正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)相互結(jié)合變成不帶電質(zhì)點(diǎn)的現(xiàn)象。由于弧柱中電子的運(yùn)動(dòng)速度很快，約為正離子的1000倍，所以電子直接與正離子復(fù)合的幾率很小。一般情況下，先是電子碰撞中性質(zhì)點(diǎn)時(shí)，被中性質(zhì)點(diǎn)捕獲變成負(fù)離子，然后再與質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)?shù)恼x子互相吸引而接近，交換電荷后成為中性質(zhì)點(diǎn)。還有一種情況就是電子先被固體介質(zhì)表面吸附后，再被正離子捕獲成為中性質(zhì)點(diǎn)。動(dòng)畫21（2）擴(kuò)散——①溫度擴(kuò)散擴(kuò)散是弧柱中的帶電質(zhì)點(diǎn)逸出弧柱以外，進(jìn)入周圍介質(zhì)的現(xiàn)象。擴(kuò)散有三種形式：①溫度擴(kuò)散由于電弧和周圍介質(zhì)間存在很大溫差，使得電弧中的高溫帶電質(zhì)點(diǎn)向溫度低的周圍介質(zhì)中擴(kuò)散，減少了電弧中的帶電質(zhì)點(diǎn)；動(dòng)畫22②濃度擴(kuò)散③利用吹弧擴(kuò)散②濃度擴(kuò)散這是因?yàn)殡娀『椭車橘|(zhì)存在濃度差，帶電質(zhì)點(diǎn)就從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散，使電弧中的帶電質(zhì)點(diǎn)減少；③利用吹弧擴(kuò)散在斷路器中采用高速氣體吹弧，帶走電弧中的大量帶電質(zhì)點(diǎn)，以加強(qiáng)擴(kuò)散作用。動(dòng)畫232.交流電弧的特性接下來(lái)我們看一下交流電弧的特性。如圖所示，為交流電弧的伏安特性和電流、電壓波形圖。圖片24（1）交流電弧的物理特性交流電弧的電流變化速度很快，不可能建立穩(wěn)定平衡狀態(tài)，因此它的伏安特性具有動(dòng)態(tài)特性，如圖（a）所示。交流電流每半個(gè)周期經(jīng)過(guò)一次零值，稱為自然過(guò)零。電流過(guò)零時(shí)，交流電弧電流通過(guò)零點(diǎn)，由于電源停止供給電弧能量，熱游離迅速下降，電弧自動(dòng)熄滅。如果電弧是穩(wěn)定燃燒的，則電弧電流過(guò)零熄滅后，在另半周又會(huì)重新燃燒。如果電弧過(guò)零后，不發(fā)生重燃，電弧就會(huì)熄滅。25（2）電流的波形及伏安特性由電流的波形及伏安特性，得到電弧電壓隨時(shí)間變化的波形呈馬鞍形，電流小時(shí)，電弧電壓高；電流大時(shí)，電弧電壓減小且接近于常數(shù)，如圖(b)所示。其中A點(diǎn)為電弧產(chǎn)生時(shí)的電壓，稱為燃弧電壓；C點(diǎn)為電弧熄滅時(shí)的電壓，稱為熄弧電壓。263.交流電弧的熄滅條件綜上所述，在開斷交流電弧時(shí)，應(yīng)充分利用交流電流的自然過(guò)零點(diǎn)，采取有效的措施，加強(qiáng)對(duì)弧隙的冷卻，抑制熱游離，加大弧隙間去游離的強(qiáng)度，使電弧不再重燃，最終熄滅。為此，在開關(guān)設(shè)備中均裝設(shè)了滅弧裝置，稱為滅弧室，滅弧室不斷改進(jìn)，大大提高了開關(guān)的滅弧能力。另一方面，為了進(jìn)一步提高滅弧能力，還可以采用性能更為優(yōu)越的新型滅弧介質(zhì)如SF6等。27四、熄滅交流電弧的基本方法281.采用滅弧能力強(qiáng)的滅弧介質(zhì)——①壓縮空氣熄滅交流電弧的方法都有哪些呢？主要有六種：第一種：采用滅弧能力強(qiáng)的滅弧介質(zhì)電弧中的去游離強(qiáng)度，在很大程度上取決于電弧周圍介質(zhì)的特性。高壓電器中廣泛采用以下幾種滅弧介質(zhì)：壓縮空氣——壓縮空氣的壓強(qiáng)約為20×10^5Pa，由于其分子密度大，質(zhì)點(diǎn)的自由行程小，能量不易積累，不易發(fā)生游離，所以有良好的絕緣和滅弧能力。29②SF6氣體SF6氣體——SF6是良好的負(fù)電性氣體，其氟原子具有很強(qiáng)的吸附電子的能力，能迅速捕捉自由電子而形成穩(wěn)定的負(fù)離子，為復(fù)合創(chuàng)造了有利條件，因而具有很強(qiáng)的滅弧能力，滅弧能力比空氣強(qiáng)100倍。30③真空真空——真空氣體壓強(qiáng)低于133.3×10^?4Pa，氣體稀薄，弧隙中的自由電子和中性質(zhì)點(diǎn)都很少，碰撞游離的可能性大大減少，而且，弧柱與真空的帶電質(zhì)點(diǎn)的濃度差很大，有利于擴(kuò)散。其絕緣能力比變壓器油、1個(gè)大氣壓力下的SF6、空氣都大。312.采用特殊金屬材料作滅弧觸頭第二種：采用特殊金屬材料作滅弧觸頭電弧中的去游離強(qiáng)度，在很大程度上與觸頭材料有關(guān)。用熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量大的耐高溫金屬制作觸頭，如銅、鎢合金和銀、鎢合金等，在電弧高溫下不容易融化和蒸發(fā)，有較高的抗電弧、抗熔焊能力，可以減少熱電子發(fā)射和金屬蒸汽，抑制游離作用，有利于熄滅電弧。323.吹弧第三種：吹弧利用任何一種較冷的絕緣介質(zhì)的氣流來(lái)縱吹電弧(氣流方向與弧柱平行)或橫吹電弧(氣流方向與弧柱垂直)，使電弧迅速擴(kuò)散，加強(qiáng)冷卻，從而達(dá)到滅弧的目的。圖片334.采用多斷口熄弧第四種：采用多斷口熄弧高壓開關(guān)設(shè)備常采用每相有兩個(gè)或多個(gè)串聯(lián)斷口的滅弧方式，如圖所示為雙斷口。采用雙斷口是把電弧分割成兩個(gè)小弧段，在相等的觸頭行程下，雙斷口比單斷口的電弧拉長(zhǎng)了，從而增大弧隙電阻。圖片344.采用多斷口熄弧而且電弧被拉長(zhǎng)的速度也增加，加速了弧隙電阻的增大，增大了介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速率，縮短了滅弧時(shí)間。由于加在每個(gè)斷口上的電壓降低，使弧隙的恢復(fù)電壓降低，也有利于電弧的熄滅，因此滅弧性能更好。在要求將電弧拉到相同的長(zhǎng)度時(shí)，采用多斷口結(jié)構(gòu)成倍減小了觸頭行程，也就減小了開關(guān)電器的尺寸。355.提高觸頭的分離速度第五種：提高觸頭的分離速度在高壓開關(guān)電器中都裝有強(qiáng)力分閘彈簧，以加快觸頭的分離速度，迅速拉長(zhǎng)電弧，使弧隙的電場(chǎng)強(qiáng)度驟降，同時(shí)使電弧的表面積增大，有利于電弧的冷卻及帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散和復(fù)合，削弱游離而加強(qiáng)去游離，從而加速電弧的熄滅。366.金屬柵片滅弧裝置第六種：金屬柵片滅弧裝置這種滅弧裝置的構(gòu)造原理如圖所示。滅弧室內(nèi)裝有很多由鋼板沖成的金屬滅弧柵片，柵片