1、第三章电弧的基本特性优选第三章电弧的基本特性2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性3第三章第三章 电弧的基本特性电弧的基本特性本章教学重点与难点本章教学重点与难点电弧的物理特性，生弧电压与生弧电流；直流电弧的伏安特性与熄灭原理；交流电弧的伏安特性，零休现象。本章教学基本内容：本章教学基本内容：序气体放电的物理过程电弧的物理特性直流电弧的特性和熄灭原理交流电弧的特性麦也尔电弧数学模型简介2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性4第三章第三章 电弧的基本特性电弧的基本特性30 30 序序31 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础32 32 电弧的物理特性
2、电弧的物理特性33 33 直流电弧的特性和熄灭原理直流电弧的特性和熄灭原理34 34 交流电弧的特性交流电弧的特性35 35 麦也尔电弧数学模型简介麦也尔电弧数学模型简介2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性530 30 序序n电力开关设备的开断在大气中开断电路时，若电流大于0.251A；电压大于1220V，触头间隙（简称弧隙）中会产生电弧电弧（arc）：温度高、发强光、能导电的气体2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性630 30 序序n电弧的危害l延迟开断l线路、设备受损l触头烧损l开关设备着火、爆炸电弧的作用l泄放电路中的磁能l降低过电压电力开关设
3、备既要熄灭电弧，又要利用电弧电力开关（switch）设备的主要任务l顺利的熄灭电弧（Extinguish）l保证电路的成功开断（Breaking/Interrupting）2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性730 30 序序n电弧的其他应用l焊接l冶炼金属（电弧炉）l强光源（弧光灯）电弧的定义气体或蒸汽中自持的放电现象气体或蒸汽中自持的放电现象Self-sustainedGasVapourDischarge金属蒸汽在未电离的情况下是不导电的静态伏安特性：对于固定的弧长l，在（发热和散热达到平衡）时，测得的Uh-Ih特性第三章电弧的基本特性电弧电压Uh沿弧长分布不均匀，分
4、为三个区域35 麦也尔电弧数学模型简介弧柱散热方式：传导、对流、辐射快速运动的阴极斑点（真空电弧）弧隙消电离作用过分强烈时，可出现截流（Current chop）,即电弧电流突然降到零34 交流电弧的特性31 气体放电的物理基础电力开关设备既要熄灭电弧，又要利用电弧放电通道温度低（常温）斑点（arc spot）:弧根在电极表面上形成的明亮圆点燃弧时，弧隙金属蒸汽多31 气体放电的物理基础34 交流电弧的特性第三章电弧的基本特性光的频率越高，电离作用越强第三章电弧的基本特性场致发射（Field emission）（FE）2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性8第三章第三章 电
5、弧的基本特性电弧的基本特性30 30 序序31 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础32 32 电弧的物理特性电弧的物理特性33 33 直流电弧的特性和熄灭原理直流电弧的特性和熄灭原理34 34 交流电弧的特性交流电弧的特性35 35 麦也尔电弧数学模型简介麦也尔电弧数学模型简介2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性931 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体放电（Gas Discharge）l弧隙中气体由绝缘状态变为导电状态、使电流得以通过的现象l电弧是气体放电的一种形式电离（Ionization）和激励（Excitation）2023-1-10第三章电
6、弧的第三章电弧的基本特性基本特性1031 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n电离和激励l电子伏特气体间隙击穿（Breakdown）理论Chopping current在较高温度时，场致发射的电流密度为3 直流电弧的特性和熄灭原理地球及其附近大气的低温度和高密度阻碍了等离子体的存在Ih：电弧电流（A）由此产生的过电压称为截流过电压3 直流电弧的特性和熄灭原理气体粒子高速热运动、相互碰撞而产生的电离34 交流电弧的特性Th 30004000 K:(电离度)0Ih：电弧电流（A）阴极：发射电子（热发射、场致发射）Wyc:逸出功（eV）31 气体放电的物理基础l：电弧长度2023-1-10第
7、三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性1131 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n电离和激励l电离能：电离出一个自由电子所需要的能量l第二（三）电离能：拉出第二（三）个电子所需的能量l电离能与材料有关2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性1231 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n电离和激励l激励能：激励一个电子所需要的能量激励是一种不稳定的状态中性粒子处于激励状态的时间10-910-8 sl分级电离：中性粒子激励电离l介稳状态（一种特别的激励状态）：中性粒子处于介稳状态的时间可达10-410-2s在中性粒子电离过程中起很大作用2023-1-10第三章电
8、弧的第三章电弧的基本特性基本特性1331 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体电离的方式l电离气体：包括带电粒子（电子、正离子、负离子）的气体，其中也包括中性粒子（原子、分子）l电离度l气体电离的方式表面发射（Surface emission）空间电离（Space ionization）2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性1431 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体电离的方式l表面发射：金属电极表面发射电子进入极间气体l金属蒸汽在未电离的情况下是不导电的l表面发射的类型热发射（Thermal emission）（TE）场致发射（Field emi
9、ssion）（FE）热-场致发射（Field-assisted thermionic emission）（FTE）光发射（Photon emission）二次发射（Secondary emission）2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性1531 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体电离的方式l金属表面电子发射原理即使在绝对零度时，金属中的电子也具有很高的能量，钨：8.95eV（费米能级）但电子并不能“逃出”金属表面金属表面存在势垒（Potential barrier）电力开关设备既要熄灭电弧，又要利用电弧32 电弧的物理特性电弧达到稳定燃烧状态时的电弧温度、
10、电阻和直径与电弧电流有密切关系电弧电压对交流电路的影响l:全部短弧的长度之和直接复合的几率比间接复合的几率小得多当气体中混有金属蒸汽时，电离度提高，电导率也增大电弧电流：以某一较快的速度由I1增大到I232 电弧的物理特性但电子并不能“逃出”金属表面例如，SF6具有很好的绝缘性能和灭弧性能用来平衡散发功率的增加（原因：温度升高、直径增大）Chopping current直流电路中：电弧稳定燃烧时的电弧电流duh/dih 0（负电阻）放电通道温度极高（6000K以上）等离子体的定义：由大量带电粒子组成的，在一定的空间和时间尺度，维持电中性的非束缚态的宏观体系电弧自动调节弧柱温度和直径以达到输入和
11、散发功率平衡交流情况下，阻性负载电路比感性负载电路中的电弧更容易熄灭2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性1631 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体电离的方式l热发射（Thermal Emission）32 电弧的物理特性34 交流电弧的特性电弧电压对交流电路的影响第三章电弧的基本特性uxh之后、urh之前:在感性负载下，弧隙电压的变化速度比阻性负载快得多第三章电弧的基本特性斑点（arc spot）:弧根在电极表面上形成的明亮圆点uxh之后、urh之前:在感性负载下，弧隙电压的变化速度比阻性负载快得多交流情况下，阻性负载电路比感性负载电路中的电弧更容易熄灭气
12、体间隙击穿（Breakdown）理论电弧温度的变化滞后于电流的变化电压大于1220V，触头间隙（简称弧隙）中会产生电弧阻性负载中：电流过零后，弧隙电压上升慢，更利于电弧冷却，提高燃弧尖峰电压，利于电弧熄灭第三章电弧的基本特性Pdl：对流散热功率（）Ujc基本与p/T成正比第三章电弧的基本特性电弧电压：15634 交流电弧的特性2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性1731 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体电离的方式l热发射（Thermal Emission）l对清洁、均匀的表面，饱和热发射电流密度 Wyc:逸出功逸出功（eV）T:金属表面温度金属表面温度（K
13、）l金属沸点越高，热发射的最大电流密度越大，如钨2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性1831 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体电离的方式l场致发射（Field Emission）金属表面施加电场时，将压缩表面势垒厚度，自由电子可以在常温下穿过势垒（隧道效应）而逸出l在较高温度时，场致发射的电流密度为2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性1931 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体电离的方式l热-场致发射（Field-assisted thermionic emission）热、电场共同作用时，发射电流大大增强（非线性提升）
14、以铜为例2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性2031 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体电离的方式l光发射（Photon emission）光和射线照射到金属表面引起电子逸出光波越短（频率越高），引起光发射的作用越强，逸出电子的速度越高l二次发射（Secondary emission）一般来说，阴极附近的场强比阳极附近的场强高，所以阴极表面二次发射较强，并在气体放电过程中起重要作用2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性2131 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体电离的方式l空间电离（Space ionization）电极间气
15、体自身由绝缘状态变成导电状态（不是由外界送入带电粒子）的现象l空间电离的类型 光电离电场电离热电离2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性2231 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体电离的方式l光电离中性粒子受到频率为v的光照射时，若满足hvWyl,则可能被电离，这一现象称为光电离光的频率越高，电离作用越强X射线，宇宙射线、紫外线具有较强的电离作用 Wyl:中性粒子的电离能（J）h:普朗克常数（6.6246.6241010-34-34J.sJ.s）2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性2331 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体
16、电离的方式l电场电离电子自由行程（free path)长，碰撞截面（collision cross section）小，容易积累足够的动能，在电场电离中起重要作用若一个带电粒子在电场中获得的动能 ,则当其与另一中性粒子碰撞时，就有可能使之电离，称为电场电离或碰撞电离2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性2431 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体电离的方式l电场电离通常电极间气体进行电场电离的电子来自：金属表面的电子发射、光电离电子碰撞中性粒子发生电离的几率取决于动能的大小和两者电磁场相互作用的时间电场电离的几率通常较小有时，电子碰撞中性粒子后，不使之电离或激
17、励，而是附着其上构成负离子，称为粘合（attachment)第三章电弧的基本特性此时磁场能量全部转变为电场能量这一调节过程需要一定的时间（电弧的热惯性）31 气体放电的物理基础气体消电离（Deionization）一个电子沿电场运动时，单位距离内由电场电离而产生的带电粒子对数（电子和正离子）第三章电弧的基本特性电离能：电离出一个自由电子所需要的能量加强带电粒子的复合作用第三章电弧的基本特性气体间隙击穿（Breakdown）理论低沸点阴极（或在真空中）：大致等于阴极材料蒸汽的电离电位近阴极区：Cathode33 直流电弧的特性和熄灭原理第三章电弧的基本特性电弧长度:l=vt低沸点阴极（或在真空中
18、）：大致等于阴极材料蒸汽的电离电位duh/dih 0（负电阻）第三章电弧的基本特性弧柱散热方式：传导、对流、辐射弧隙消电离作用过分强烈时，可出现截流（Current chop）,即电弧电流突然降到零2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性2531 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体电离的方式l热电离气体粒子高速热运动、相互碰撞而产生的电离当气体温度达到30004000K以上时，热电离才显著金属蒸汽的电离能比一般气体小得多，所以相同温度下其电离度高于一般气体当气体中混有金属蒸汽时，电离度提高，电导率也增大2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性2
19、631 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体消电离（Deionization）l电离气体中带电粒子自身消失或者失去电荷变为中性粒子的现象，称为消电离复合（Combination）：带异号电荷的粒子相遇后相互作用电荷消失扩散（Diffusion）：带电粒子由于热运动从高浓区向低浓度区移动l气体消电离的方式2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性2731 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体消电离（Deionization）l复合表面复合空间复合直接复合间接复合正离子电子中性粒子电子正离子电子阳极正离子阴极负离子阳极中性粒子中性粒子带电离子 异性离子中性粒
20、子2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性2831 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体消电离（Deionization）l复合电子和中性粒子形成负离子的可能性与气体的性质和纯度有关氟原子及其化合物的分子对电子的粘合作用特别强，常称为负电性气体例如，SF6具有很好的绝缘性能和灭弧性能直接复合的几率比间接复合的几率小得多复合释放能量：加热电极（金属或绝缘物表面）、辐射、增加中性粒子的速度电子的运动速度比负离子大得多2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性2931 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体消电离（Deionization）l扩
21、散：带电粒子由于热运动从高浓区向低浓度区移动当电离气体中正负带电粒子数相等（称为等离子体Plasma）时，扩散必为双极性。即在同一时间内，扩散的正负粒子数相等使极间气体电离度下降，电导率减小扩散使电极间电离气体中带电粒子减少2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性3031 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n等离子体物理学简介l等离子体-物质的第四态2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性3131 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n等离子体物理学简介l由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、
22、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体l地球上的自然等离子体很少l地球及其附近大气的低温度和高密度阻碍了等离子体的存在2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性3231 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n等离子体物理学简介l等离子体的定义：由大量带电粒子组成的，在一定的空间和时间尺度，维持电中性的非束缚态的宏观体系2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性3331 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n等离子体物理学简介2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性3431 31 气体放电的物理基础气体放电的
23、物理基础n等离子体物理学简介l等离子体的分类2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性3531 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础密度(cm-3)2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性3631 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n等离子体物理学简介l等离子体物理学的理论研究领域2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性3731 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体放电的几个阶段l由直流电路研究气体放电的伏-安特性2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性3831 31 气体放电的物理基础气体放电的物
24、理基础n气体放电的几个阶段l按放电性质分为两个阶段2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性3931 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体放电的几个阶段l非自持放电阶段间隙中最初的自由电子是由外加电离因素产生的，如果除去外加电离因素则放电停止，故称为非自持放电阶段2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性4031 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体放电的几个阶段l非自持放电阶段间隙中最初的自由电子是由外加电离因素产生的，如果除去外加电离因素则放电停止，故称为非自持放电阶段2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性4131
25、 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体放电的几个阶段l非自持放电阶段间隙中最初的自由电子是由外加电离因素产生的，如果除去外加电离因素则放电停止，故称为非自持放电阶段2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性4231 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体放电的几个阶段l自持放电阶段当U U 上升到C C 点，场致发射和二次发射的电子已足够多，即使除去外加电离因素，也能维持间隙放电，故称为自持放电阶段31 气体放电的物理基础31 气体放电的物理基础电弧电流自生环向磁场（B）作用于电弧，压缩弧柱，产生压力（收缩压力）第三章电弧的基本特性34 交流电弧的特性第三
26、章电弧的基本特性快速运动的阴极斑点（真空电弧）T0:介质温度（K）第三章电弧的基本特性电离能：Wdl（J）第三章电弧的基本特性第三章电弧的基本特性电弧边界（有不同的判别依据）uhBC uhABduh/dt 20000 K:(电离度)1第三章电弧的基本特性34 交流电弧的特性32 电弧的物理特性Th：弧柱表面温度（K）电弧静态伏安特性的影响因素气体消电离（Deionization）分级电离：中性粒子激励电离第三章电弧的基本特性第三章电弧的基本特性34 交流电弧的特性对流散发的功率与气流速度成正比等离子流是高温且含有金属蒸汽的电离气体，不利于介质恢复和电弧的熄灭31 气体放电的物理基础电离能：电离
27、出一个自由电子所需要的能量32 电弧的物理特性r0：T0处的半径（m）(r0 rh)曲线0-1-3称为电流变化速度为无穷大时的电弧动态伏-安特性静态伏安特性：对于固定的弧长l，在（发热和散热达到平衡）时，测得的Uh-Ih特性duh/dih 0（负电阻）2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性4531 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体放电的几个阶段l自持放电阶段当U U 上升到C C 点，场致发射和二次发射的电子已足够多，即使除去外加电离因素，也能维持间隙放电，故称为自持放电阶段 放电温度极高（60006000K以上）电流密度很大（107A/m2）阴极压降很低（
28、几十V）电离方式主要是热电离（真空电弧不同）电弧边界（有不同的判别依据）2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性4631 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体放电的几个阶段l辉光放电与弧光放电的特征比较辉光放电（glow discharge）弧光放电（arc discharge）电场电离为主热电离为主放电通道温度低（常温）放电通道温度极高（6000K以上）电流密度较小（约0.1A/m2）电流密度很大（达107A/m2）阴极压降较高（几百伏）阴极压降很小（几十伏）2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性4731 31 气体放电的物理基础气体放电的物
29、理基础n气体间隙击穿（Breakdown）理论l气体间隙击穿：随着电压升高，间隙气体进入辉光或弧光放电区，气体间隙由绝缘状态变为导体状态，这一现象称为气体间隙击穿2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性4831 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体间隙击穿（Breakdown）理论l关心的问题击穿电压与气体间隙参数的关系l汤逊气体放电理论假定如果电子动能气体粒子电离能，则碰撞一定电离，否则不能电离电子和气体粒子碰撞会释放出全部能量电子只沿电场方向运动2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性4931 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n电子
30、与重粒子碰撞时能量的传递l在研究电子与重粒子的激发或电离碰撞中（非弹性碰撞），可以近似认为重粒子的动能不变，这一近似准确到me/ma 的量级l对于电离碰撞，能量守恒方程为eK?Ke?Ke?iE?2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性5031 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体间隙击穿（Breakdown）理论l汤逊气体放电理论一个电子沿电场运动时，单位距离内由电场电离而产生的带电粒子对数（电子和正离子）TEpBeTpA00?E：电场强度（V/m）p：气体压力（Pa）T：气体温度（K）A0：经验系数 B0：经验系数2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特
31、性基本特性5131 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体间隙击穿（Breakdown）理论l汤逊气体放电理论电子沿电场运动时，单位距离内由电场电离而产生的带电粒子对数TEpBeTpA00?自由行程：（电子与气体分子两次碰撞之间相隔的距离）（m）电离能：Wdl（J）电离单位：Udl（V）电场强度：E（V/m）2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性5231 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体间隙击穿（Breakdown）理论l汤逊气体放电理论一次碰撞发生电场电离的条件？TEpBeTpA00?dlWmv 221?Eemv?221dldleUW dldlE
32、U?2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性5331 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体间隙击穿（Breakdown）理论l汤逊气体放电理论平均自由行程：（N个粒子自由行程的平均值）TEpBeTpA00?n：粒子数密度（m-3）d：粒子直径（m）刚性球假定下的平均自由行程221dn理想气体的状态方程nkTp k：玻尔兹曼常数RTNNpV02023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性5431 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体间隙击穿（Breakdown）理论l汤逊气体放电理论dl的电子数（自由行程是有分布的）TEpBeTpA00?22
33、1dnnkTp pATpdkT022dlNeNdl)(2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性5531 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体间隙击穿（Breakdown）理论l汤逊气体放电理论dl的电子数（自由行程是有分布的）TEpBeTpA00?dlNeNdl)(一个电子碰撞一次就发生电离的几率dleNNdl)(一个电子经过单位距离的碰撞次数1m一个电子经过单位距离发生电离碰撞的次数，即所产生的带电粒子对数dle12023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性5631 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体间隙击穿（Breakdown）理论
34、l汤逊气体放电理论一个电子经过单位距离发生电离碰撞的次数，即所产生的带电粒子对数dle12023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性5731 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础n气体间隙击穿（Breakdown）理论l汤逊气体放电理论均匀电场间隙击穿条件单位时间内，有个电子进入dx穿过dx后，电子的增量为电弧电流自生环向磁场（B）作用于电弧，压缩弧柱，产生压力（收缩压力）31 气体放电的物理基础优选第三章电弧的基本特性32 电弧的物理特性uxh之后、urh之前:在感性负载下，弧隙电压的变化速度比阻性负载快得多第三章电弧的基本特性Th Uarc min最小生弧电压arc m
35、in最小生弧电流最小生弧电流、最小生弧电压与触头材料有关大气中开断交流电路电源电压不同，最小生弧电流不同电源电压提高，最小生弧电流减小在相近的电源电压下，最小生弧电流比开断直流时大若arc min 或 U U0，Uh大致与成正比2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性813232 电弧的物理特性电弧的物理特性n弧柱温度l 具有很高的温度：大于6000一般需要间接测量温度l 开关电器中一般采用的数据Th 20000 K:(电离度)1l 电弧温度的影响因素电弧电流燃弧介质电极材料2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性823232 电弧的物理特性电弧的物理特性n
36、弧柱温度近似分析时，可以认为弧柱电阻率为常数Rz与d成反比l假定弧柱温度处于某平均值，则弧柱各点电导率相同，弧柱电阻为 h：弧柱电阻率 l：电弧长度 d:弧柱直径2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性833232 电弧的物理特性电弧的物理特性n弧柱温度l 交流电弧时，电弧温度随电流变化而变化，其特点为电弧温度的变化滞后于电流的变化l电弧的热惯性：电弧温度的升高和降低，必须供给或散发一定的热量，需要一定的时间l近极区的温度受电极材料沸点的限制，低于弧柱的温度电弧温度的最大值滞后于电流峰值电流过零时，电弧温度不为零类似于导体的热惯性2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本
37、特性基本特性843232 电弧的物理特性电弧的物理特性n弧柱直径l 电弧实质为导电气体，本身并无明确边界测量和描述弧柱直径有不同的方法探针法（测电流）摄像法（测亮度）电流大小狭缝法（测温度）l 弧柱直径的影响因素触头材料气压及气体作用方式介质种类磁场2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性853232 电弧的物理特性电弧的物理特性n弧柱直径l 弧柱形态和直径受燃弧条件的控制气体中垂直自由燃烧：倒圆锥形l 经验公式绝缘狭缝中：椭圆形长弧：弯曲、扭曲真空电弧：扩散、集聚l 弧柱直径变化也因热惯性而滞后于电流2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性863232 电
38、弧的物理特性电弧的物理特性n弧根和斑点l 弧根（arc root）:电弧贴近电极的部分弧根的截面积通常小于弧柱l 斑点（arc spot）:弧根在电极表面上形成的明亮圆点阴极斑点发射电子（热发射、场致发射、二次发射）、接收正离子具有很高的电流密度（104107/cm2）温度高、蒸发、造成烧蚀（Erosion）也有无阴极斑点的电弧（高沸点阴极，如碳、钨）稳定的阴极斑点（金属阴极在高气压下）快速运动的阴极斑点（真空电弧）2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性873232 电弧的物理特性电弧的物理特性n弧根和斑点l 斑点（arc spot）:弧根在电极表面上形成的明亮圆点阳极斑点
39、接收电子面积一般比阴极斑点大，电流密度较小在真空电弧中，阳极斑点有特殊的含义：若形成阳极斑点，则很容易导致开断失败阴极阳极斑点的运动斑点运动受电流、材料、磁场等因素的影响（连续运动）（跳跃运动）2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性883232 电弧的物理特性电弧的物理特性n弧根和斑点l 斑点的温度一般大致等于电极材料的沸点触头材料沸点低触头材料沸点高燃弧时，弧隙金属蒸汽少电流过零后阴极热发射电子多燃弧时，弧隙金属蒸汽多电流过零后阴极热发射电子少l 金属蒸汽对长弧熄灭非常重要l 热发射电子对短弧熄灭极为重要2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性89323
40、2 电弧的物理特性电弧的物理特性n电弧的等离子流 P：弧柱截面压强（Pa）Ih：电弧电流（A）rh：电弧半径（cm）l电弧电流自生环向磁场（B）作用于电弧，压缩弧柱，产生压力（收缩压力）2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性903232 电弧的物理特性电弧的物理特性n电弧的等离子流l电弧电流自生环向磁场（B）作用于电弧，压缩弧柱，产生压力（收缩压力）l收缩压力沿弧柱径向分布不均匀，在弧柱中心压力最大l自由燃烧时，弧根处半径最小，故该处弧柱中心压力最大2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性913232 电弧的物理特性电弧的物理特性n电弧的等离子流l电弧电流
41、自生环向磁场（B）作用于电弧，压缩弧柱，产生压力（收缩压力）l收缩压力沿弧柱径向分布不均匀，在弧柱中心压力最大l自由燃烧时，弧根处半径最小，故该处弧柱中心压力最大因压力梯度，弧根等离子体向弧柱中部流动电极材料气化垂直于电极表面流动等离子流2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性923232 电弧的物理特性电弧的物理特性n电弧的等离子流l电弧电流大于一定值时，才产生等离子流l等离子流中粒子流动的速度：10100m/s，真空电弧中可达104 m/sl通过人工减小电弧半径的方法，也可以产生等离子流l当两股等离子流在空间不相遇时，电弧不是在极间燃烧，而是在等离子流间燃烧l等离子流是高
42、温且含有金属蒸汽的电离气体，不利于介质恢复和电弧的熄灭2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性933232 电弧的物理特性电弧的物理特性n电弧的能量平衡l电弧相当于一纯电阻性发热元件l电弧耗散的功率为：一般认为：IhU0由电极传出，IhUz由弧柱散出短弧长弧PhPh主要其它部件周围介质周围介质主要周围介质2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性943232 电弧的物理特性电弧的物理特性n电弧的能量平衡l弧柱散热方式：传导、对流、辐射传导传导散发的功率 Pcd：传导散热功率（）：气体热导率（W/(K.m)）l：电弧长度（m）rh：电弧半径（m）Th：弧柱表面温
43、度（K）T0：环境温度(K)r0：T0处的半径（m）(r0 rh)2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性953232 电弧的物理特性电弧的物理特性n电弧的能量平衡l弧柱散热方式：传导、对流、辐射传导利用热路的方法2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性963232 电弧的物理特性电弧的物理特性n电弧的能量平衡l弧柱散热方式：传导、对流、辐射传导气体热导率与温度有关氢气具有很好的导热性愈大，Pcd愈大，电弧电压高且较易熄灭分子原子（吸热）原子 分子（散热）2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性973232 电弧的物理特性电弧的物理特性n电
44、弧的能量平衡l弧柱散热方式：传导、对流、辐射对流周围冷的气体介质弧柱中炽热的电离气体2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性983232 电弧的物理特性电弧的物理特性n电弧的能量平衡l弧柱散热方式：传导、对流、辐射对流自由燃烧时，传导与对流散热功率相当开关电器中常采用强迫对流，对流起主导作用横吹 Pdl：对流散热功率（）v：横吹速度（cm/s）dh：弧柱直径（cm）l：电弧长度（cm）Th:弧柱平均温度（K）T0:介质温度（K）2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性993232 电弧的物理特性电弧的物理特性n电弧的能量平衡l弧柱散热方式：传导、对流、辐射对
45、流自由燃烧时，传导与对流散热功率相当开关电器中常采用强迫对流，对流起主导作用纵吹 Pdl：对流散热功率（）v：纵吹速度（cm/s）dh：弧柱直径（cm）Th:弧柱平均温度（K）T0:介质温度（K）2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性1003232 电弧的物理特性电弧的物理特性n电弧的能量平衡l弧柱散热方式：传导、对流、辐射对流纵吹横吹横吹时，对流散发的功率与电弧纵截面积成正比纵吹时，对流散发的功率与电弧横截面积成正比，侧面也有作用对流散发的功率与气流速度成正比2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性1013232 电弧的物理特性电弧的物理特性n电弧的能量
46、平衡l弧柱散热方式：传导、对流、辐射辐射辐射散发的功率Pfs与弧柱体积成正比电弧不一定是透明体!自由燃弧时：通常只占总散发功率的百分之几到十几强迫冷却时：辐射可以忽略fs：弧柱的发射率(/(cm3.K4)l：电弧长度（cm）rh:弧柱半径（cm）Th:弧柱平均温度（K）T0:介质温度（K）2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性1023232 电弧的物理特性电弧的物理特性n电弧的能量平衡Ps=Pz+IhU0l长弧时近极区耗散功率 电极2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性1033232 电弧的物理特性电弧的物理特性n电弧的能量平衡l电弧产生稳定燃烧的能量平
47、衡过程假定 Ih不变Th较小dh较小Rh较大h较大h较大Ps较小Ph=IhUhPshdhRhhIhUhPsPh=IhUh=Ps电弧进入稳定燃烧状态2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性1043232 电弧的物理特性电弧的物理特性n电弧的能量平衡l电弧达到稳定燃烧状态时的电弧温度、电阻和直径与电弧电流有密切关系电弧电流越大 弧柱温度越高 电弧直径越大电弧电阻越小 电弧电压越低（真空电弧不是这样!）但电弧的输入功率增大用来平衡散发功率的增加（原因：温度升高、直径增大）电弧自动调节弧柱温度和直径以达到输入和散发功率平衡这一调节过程需要一定的时间（电弧的热惯性）2023-1-10第
48、三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性1053232 电弧的物理特性电弧的物理特性n电弧的能量平衡l电弧的动态能量平衡（守恒）方程物理意义：单位时间内电弧所含热能的变化量，等于发热和散热功率之差电弧所含的热能（J）2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性106第三章第三章 电弧的基本特性电弧的基本特性30 30 序序31 31 气体放电的物理基础气体放电的物理基础32 32 电弧的物理特性电弧的物理特性33 33 直流电弧的特性和熄灭原理直流电弧的特性和熄灭原理34 34 交流电弧的特性交流电弧的特性35 35 麦也尔电弧数学模型简介麦也尔电弧数学模型简介2023-1-10第
49、三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性1073 3 直流电弧的特性和熄灭原理直流电弧的特性和熄灭原理n直流电弧的静态伏安特性l静态伏安特性：对于固定的弧长l，在（发热和散热达到平衡）时，测得的Uh-Ih特性0dtdIh2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性1083 3 直流电弧的特性和熄灭原理直流电弧的特性和熄灭原理n直流电弧的静态伏安特性l静态伏安特性：对于固定的弧长l，在（发热和散热达到平衡）时，测得的Uh-Ih特性0dtdIh弧长增大 伏-安特性抬高（电弧电压增大）电弧电阻：Uh-Ih 曲线上点的斜率（）2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性109
50、3 3 直流电弧的特性和熄灭原理直流电弧的特性和熄灭原理n直流电弧的静态伏安特性l静态伏安特性：对于固定的弧长l，在（发热和散热达到平衡）时，测得的Uh-Ih特性0dtdIh弧长增大 伏-安特性抬高（电弧电压增大）电弧电阻：Uh-Ih 曲线上点的斜率（）非线性：电阻随电流变化负阻性：电流增大，电阻减小hhhTh dhh 2023-1-10第三章电弧的第三章电弧的基本特性基本特性1103 3 直流电弧的特性和熄灭原理直流电弧的特性和熄灭原理n直流电弧的静态伏安特性l静态伏安特性：对于固定的弧长l，在（发热和散热达到平衡）时，测得的Uh-Ih特性0dtdIhS1 R4 U3 U4 lI1 I3：R
