第4章电弧的基本特征

1、第第4 4章章 电弧的基本理论电弧的基本理论1 1气体放电的物理基础气体放电的物理基础 ；气体放电的理论。；气体放电的理论。2 2电弧的物理特性；电弧的物理特性；电弧产生的过程电弧产生的过程和电弧的温度、和电弧的温度、直径等特性。直径等特性。3 3直流电弧的特性和熄灭原理；直流电弧的熄灭条直流电弧的特性和熄灭原理；直流电弧的熄灭条件和熄灭方法。件和熄灭方法。4 4交流电弧的特性；交流电弧的伏安特性及电弧电交流电弧的特性；交流电弧的伏安特性及电弧电压对电路电流的影响。压对电路电流的影响。本章讲授内容 （其中红色内容是重点）3 概述概述 4-1 4-1 概述概述 4-2 4-2 气体放电的物理过程

2、气体放电的物理过程 4-3 4-3 电弧的物理特征电弧的物理特征 4-4 4-4 直流电弧的特性与熄灭原理直流电弧的特性与熄灭原理 4-5 4-5 交流电弧的特性交流电弧的特性 4-6 4-6 交流电弧的熄灭原理交流电弧的熄灭原理 4-7 4-7 熄灭电弧的基本方法和基本装置熄灭电弧的基本方法和基本装置小小 结结实验室模拟磁环爆发磁环爆发概概 述述空间空间天体等离子体天体等离子体概概 述述概概 述述一、电弧电弧是一种气体放电现象，也是一种等离是一种气体放电现象，也是一种等离子体（子体（ PlasmaPlasma ）。）。 二、学习电弧知识的目的是掌握电弧规律，尽二、学习电弧知识的目的是掌握电弧

3、规律，尽快熄弧。快熄弧。三、三、“电弧电弧”的定义：的定义： 1. 1. 定义定义 ：开断电路时，在触头间隙中：开断电路时，在触头间隙中出现的一团出现的一团温度极高温度极高、发强光发强光和和能够导电的能够导电的近似圆柱体的气体近似圆柱体的气体。可出现于大气、真空、。可出现于大气、真空、油介质和油介质和SFSF6 6气体介质等中间。气体介质等中间。概概 述述 条件条件 ：在大气中开断电路时，：在大气中开断电路时， 当电源电压当电源电压U UU U0 0 = =（12122020），）， 被开断电流被开断电流 （0.250.251 1）时，）时， 触头间隙中产生的一团温度极高、发强光、能导触头间隙

4、中产生的一团温度极高、发强光、能导电的近似圆柱体的气体。电的近似圆柱体的气体。 2. 气体放电：指气体放电：指弧隙中气体由弧隙中气体由绝缘状态绝缘状态变为变为导体状态导体状态，使电流得以通过的现象。使电流得以通过的现象。概概 述述背 景 知 识“等离子体等离子体 Plasma Plasma”一、等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子一、等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除固、液、气外的物质存在的第四态。质，它是除固、液、气外的物质存在的第四态。 看似看似“神秘神秘”的等离子体，其实是宇宙中一的等

5、离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的离子体，它占了整个宇宙的9999。 固体 冰液体 水气体 水汽等离子体 电离气体温度00C1000C100000C背 景 知 识 它是由大量带电粒子组成的非束缚态的宏观体系。非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割。集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长程的，每个粒子均与周围许多粒子同

6、时发生作用。背 景 知 识二、等离子体分为两种：高温和低温等离子体。二、等离子体分为两种：高温和低温等离子体。 1 1、高温等离子体只有在温度足够高时发生的，例如、高温等离子体只有在温度足够高时发生的，例如焊工们用高温等离子体焊接金属。太阳和恒星不断地发出焊工们用高温等离子体焊接金属。太阳和恒星不断地发出这种等离子体，组成了宇宙的这种等离子体，组成了宇宙的9999。它是高温等离子体。它是高温等离子体。 2 2、低温等离子体是在常温下发生的等离子体（虽然、低温等离子体是在常温下发生的等离子体（虽然电子的温度很高）。电子的温度很高）。背 景 知 识 低温等离子体现在广泛运用于多种生产领域，如低温等

7、离子体现在广泛运用于多种生产领域，如等离等离子电视子电视，婴儿尿布表面防水涂层婴儿尿布表面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性增加啤酒瓶阻隔性，更重，更重要的是在要的是在电脑芯片中的蚀刻运用电脑芯片中的蚀刻运用，让网络时代成为现实。，让网络时代成为现实。 低温等离子体还可以被用于氧化、变性等表面处理或者低温等离子体还可以被用于氧化、变性等表面处理或者在有机物和无机物上进行沉淀涂层处理。现在人们已经掌握在有机物和无机物上进行沉淀涂层处理。现在人们已经掌握利用电场和磁场产生来控制等离子体。利用电场和磁场产生来控制等离子体。 背 景 知 识 人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以人类的生存伴随着水，水

8、存在的环境是地球文明得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态进化、发展的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离子体就只能存在于远离普遍存在的状态。因而，天然等离子体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。 由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存由地球表面向外，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、太阳日在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是冕、太阳内部、星际空间、星云

9、及星团，毫无例外的都是等离子体。等离子体。背 景 知 识 地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。们的周围。l日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器氧发生器l典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理l高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾功率微波器件、离子源、强流束、飞行器

10、鞘套与尾迹迹背 景 知 识16密度(cm-3)温度(度)太阳核心 磁约束聚 变霓虹灯 北极光 火 焰闪电日冕氢弹星际空间荧光气体液 体固 体人类居住环境惯性聚变星 云太阳风密度跨越了 30 个量级温度跨越了 7 个量级等离子体参数空间：等离子体参数空间：火 焰星系：巨大的聚变反应堆星系：巨大的聚变反应堆背 景 知 识北极光北极光背 景 知 识 三、等离子体显示技术三、等离子体显示技术 （Plasma Display)Plasma Display) 等离子体显示技术之所以令人激动，主要是以下两原因：等离子体显示技术之所以令人激动，主要是以下两原因： （1 1）可制造超大尺寸的平面显示器（可制造超

11、大尺寸的平面显示器（5050英寸甚至更大）；英寸甚至更大）； （2 2）与阴极射线管显示器不同，它没有弯曲的视觉表面，）与阴极射线管显示器不同，它没有弯曲的视觉表面，从而使视角扩大到了从而使视角扩大到了160160度以上。换句话说，利用惰性气体度以上。换句话说，利用惰性气体（NeNe、HeHe、XeXe等）放电时所产生的紫外光来激发彩色荧光粉等）放电时所产生的紫外光来激发彩色荧光粉发光，然后将这种光转换成人眼可见的光。发光，然后将这种光转换成人眼可见的光。背 景 知 识 1 1、所谓等离子彩电所谓等离子彩电 PDP（Plasma Display Panel），是指基于在两张薄玻璃板之间充填混合

12、气体，施加电），是指基于在两张薄玻璃板之间充填混合气体，施加电压使之产生压使之产生等等离子气体，然后使等离子气体放电，与基板中离子气体，然后使等离子气体放电，与基板中的荧光体发生反应，产生彩色影像的原理而设计的一种彩电。的荧光体发生反应，产生彩色影像的原理而设计的一种彩电。 2 2、等离子体显示器：又称电浆显示器，是继、等离子体显示器：又称电浆显示器，是继CRT(CRT(阴极阴极射线管）、射线管）、LCDLCD（液晶显示器）后的最新一代显示器。其特（液晶显示器）后的最新一代显示器。其特点是厚度极薄，分辨率佳。可以当壁挂电视使用，占用极少点是厚度极薄，分辨率佳。可以当壁挂电视使用，占用极少的空间

13、，代表未来显示器的发展趋势。的空间，代表未来显示器的发展趋势。 背 景 知 识 3 3、等离子体显示技术的基本原理、等离子体显示技术的基本原理 显示屏上排列有上千个密封的小低压气体室（一般都是显示屏上排列有上千个密封的小低压气体室（一般都是氙气和氖气的混合物），电流激发气体，使其发出肉眼看不氙气和氖气的混合物），电流激发气体，使其发出肉眼看不见的紫外光，这种紫外光碰击后面玻璃上的红、绿、蓝三色见的紫外光，这种紫外光碰击后面玻璃上的红、绿、蓝三色荧光体，发出在显示器上能看到的可见光。荧光体，发出在显示器上能看到的可见光。 背 景 知 识四、等离子体隐身技术四、等离子体隐身技术 在飞机、舰船等武器

14、表面产生一层等离子体，这层在飞机、舰船等武器表面产生一层等离子体，这层等离子体可以和雷达波等相互作用，使这些物体无法被感等离子体可以和雷达波等相互作用，使这些物体无法被感知或探测到。这种等离子体外壳由等离子体电流构成。知或探测到。这种等离子体外壳由等离子体电流构成。 等离子体电流就是当电子在金属物质的表面上有规等离子体电流就是当电子在金属物质的表面上有规律地运动时所产生的电子密度波。当入射光频率与等离子律地运动时所产生的电子密度波。当入射光频率与等离子体电流的谐振频率接近时，光线将被这层等离子体电流外体电流的谐振频率接近时，光线将被这层等离子体电流外壳反向散射，向外则几乎不散射光线，物体即不可

15、见。壳反向散射，向外则几乎不散射光线，物体即不可见。背 景 知 识军事应用军事应用l等离子体天线等离子体天线l等离子体雷达隐身等离子体雷达隐身l飞行器减阻飞行器减阻l假目标及诱饵假目标及诱饵高技术高技术l大功率微波器件大功率微波器件l强强X X射线源及射线源及X X射线激光射线激光l强流束技术强流束技术l等离子体推进等离子体推进l磁流体发电磁流体发电等离子体军事及高技术应用等离子体军事及高技术应用背 景 知 识 主要参数Pf = 500MWQ 10T = 500 sR = 6.2 mA = 2.0 mIp = 15 MAB = 5.3 TV = 837 m3S = 678 m2Pin= 73

16、MWITER：托卡马克聚变实验堆背 景 知 识聚变等离子体聚变等离子体20052005年年6 6月月2828日日 ITERITER：CadaracheCadarache背 景 知 识26美国Nova激光聚变装置1985年建成，10路45000焦耳，1纳秒2倍频/3倍频聚变等离子体27美国国家点火（NIF）激光聚变装置2003年建成, 192束180万焦耳，3纳秒500TW，近紫外光聚变等离子体 4-2 气体放电的物理过程气体放电：是指气体由气体放电：是指气体由绝缘状态绝缘状态变成变成导电状态导电状态，使电流，使电流通过的现象。通过的现象。气体放电的前提：气体气体放电的前提：气体游离化游离化。一

17、、激励与电离：一、激励与电离： 1. 1. 激励激励：也叫激发，是指原子吸收能量后，使电子由：也叫激发，是指原子吸收能量后，使电子由低能量轨道跳向能量较高的轨道的过程低能量轨道跳向能量较高的轨道的过程 ( (激励后原子仍是激励后原子仍是中性原子，但原子的能量提高了中性原子，但原子的能量提高了) )。此状态的存在一般低于。此状态的存在一般低于1010-9-91010-8-8秒。秒。 2. 2. 电离电离： 定义：电离是指原子吸收足够大的能量后，电定义：电离是指原子吸收足够大的能量后，电子被激发到自由态而离开原子轨道形成自由电子，使原来子被激发到自由态而离开原子轨道形成自由电子，使原来的的中性原子

18、或分子中性原子或分子( (统称中性粒子或中性质子统称中性粒子或中性质子) ) 变成一个变成一个带带正电荷的粒子正电荷的粒子( (正离子正离子) )的过程。的过程。 电离能电离能( (yl)yl)： 指游离出指游离出一个电子一个电子所需的最所需的最低能量低能量( (单位为：，其值参见教材单位为：，其值参见教材) )。为方便起见，游离。为方便起见，游离能能y y可以直接用游离电压表示，其单位由可以直接用游离电压表示，其单位由J J改为改为eVeV； 4-2 气体放电的物理过程 1eV1eV一个电子在真空中经过一个电子在真空中经过1V1V的电位差所获得的动能。的电位差所获得的动能。 例：例： 13.

19、45eV13.45eV13.4513.451.61.61010-19-19。 电离电位电离电位y y：y yyl/eyl/e，其中，其中e e：电子电荷，：电子电荷，e e1.61.61010-19-19。3. 3. 分级游离：指经过激励状态再游离的过程。分级游离：指经过激励状态再游离的过程。 4-2 气体放电的物理过程二、气体电离方式：二、气体电离方式：表面发射表面发射和和空间游离空间游离。 1. 1. 表面发射表面发射：指由金属表面发射电子的现象；：指由金属表面发射电子的现象； 它包括了热发射、高电场发射、光发射和二次发射。它包括了热发射、高电场发射、光发射和二次发射。 热发射热发射：在：

20、在200020002500K2500K范围内，金属表面自由范围内，金属表面自由电子获得足够的动能，超越金属表面晶格电场造成的势垒电子获得足够的动能，超越金属表面晶格电场造成的势垒而逸出的现象。而逸出的现象。 逸出功：记为逸出功：记为ycyc，是指一个电子逸出金属所需的最，是指一个电子逸出金属所需的最低能量，单位为低能量，单位为eVeV。 4-2 气体放电的物理过程 高电压发射高电压发射：也叫场致发射，是常温下当金属表面：也叫场致发射，是常温下当金属表面的电场强度的电场强度10106 6(v/cm)(v/cm)时，自由电子逸出金属的现象。时，自由电子逸出金属的现象。 光发射光发射：光线：光线(

21、(紫外线及其他射线紫外线及其他射线) )照在金属表面，引照在金属表面，引起电子从表面逸出的现象。起电子从表面逸出的现象。 二次发射二次发射：是指正离子高速撞击阴极或电子高速撞击：是指正离子高速撞击阴极或电子高速撞击阳极，引起金属表面发射电子的现象。主要考虑阴极表面的阳极，引起金属表面发射电子的现象。主要考虑阴极表面的二次发射。二次发射。 4-2 气体放电的物理过程 2. 2. 空间电离空间电离：是指电极间气体受外力影响，其分子及原子：是指电极间气体受外力影响，其分子及原子分裂成自由电子和正离子的现象。分裂成自由电子和正离子的现象。 空间游离的方式有空间游离的方式有光电离光电离、电场电离电场电离

22、和和热电离热电离；它们可；它们可能同时存在。能同时存在。 光电离光电离：中性粒子受光照作用，当光子能量：中性粒子受光照作用，当光子能量 ( ) ( ) 原子或分子的游离能时，发生的游离。原子或分子的游离能时，发生的游离。( h( h：普朗克常数，：普朗克常数，h h6.6246.6241010-34-34，单位是，单位是JsJs； ：光子的频率，：光子的频率，s s-1-1) )。光游。光游离作用的大小，与光频成正比。离作用的大小，与光频成正比。 4-2 气体放电的物理过程h 电场电离电场电离：也叫：也叫碰撞电离碰撞电离。是一个质量为。是一个质量为m m的带电粒的带电粒子子( (由光游离或表面

23、发射所产生由光游离或表面发射所产生) )在电场的作用下被加速到在电场的作用下被加速到后，如其动能后，如其动能 大于大于ylyl，那么，当其与中性粒子发生，那么，当其与中性粒子发生碰撞时，此动能就可以被传递给中性粒子的外层电子，使它碰撞时，此动能就可以被传递给中性粒子的外层电子，使它脱离原子核的引力范围成为自由电子。脱离原子核的引力范围成为自由电子。 负离子：是因电子吸附在中性粒子上形成的带负电荷的负离子：是因电子吸附在中性粒子上形成的带负电荷的离子。离子。 负电性气体：对电子的粘合作用特强的气体，多为氟原负电性气体：对电子的粘合作用特强的气体，多为氟原子及其化合物。子及其化合物。 4-2 气体

24、放电的物理过程212mv 热电离热电离：当气体温度在：当气体温度在300030004000K4000K以上时，气体粒子以上时，气体粒子因高速热运动而互相碰撞所产生的电离。因高速热运动而互相碰撞所产生的电离。气体的热电离度可用沙哈公式计算：气体的热电离度可用沙哈公式计算：58001.2521.5510133ylWTTeP式中，式中，P P是压力（是压力（PaPa），），T T是气体温度是气体温度(K)(K)，W Wylyl是中性粒子的是中性粒子的电离能电离能(J)(J)。气体中混有金属蒸汽时，其电离度要比纯气体的高，气体中混有金属蒸汽时，其电离度要比纯气体的高，即电导率要大。即电导率要大。 4-

25、2 气体放电的物理过程三、消电离及其方式：三、消电离及其方式：1. 1. 消电离消电离：也叫去游离；是指电离气体中的带电粒子：也叫去游离；是指电离气体中的带电粒子自身消失或者失去电荷变为中性粒子的现象。自身消失或者失去电荷变为中性粒子的现象。2. 2. 消电离方式：包括消电离方式：包括复合复合与与扩散扩散。 复合：两个带异性电荷的粒子相遇后，相互作用引复合：两个带异性电荷的粒子相遇后，相互作用引起电荷消失，形成中性粒子的现象。具体有以下两种方式：起电荷消失，形成中性粒子的现象。具体有以下两种方式： a. a. 表面复合表面复合：有四种方式。此时，释放的能量多用：有四种方式。此时，释放的能量多用

26、以加热电极、金属或绝缘材料的表面。以加热电极、金属或绝缘材料的表面。 4-2 气体放电的物理过程 4-2 气体放电的物理过程 图图4-1 4-1 在金属表面的复合过程在金属表面的复合过程a) a) 正离子和电子复合成一个中性粒子正离子和电子复合成一个中性粒子b) b) 正离子和负离子复合成两个中性粒子正离子和负离子复合成两个中性粒子 4-2 气体放电的物理过程 图图4-2 4-2 间接空间复合的过程间接空间复合的过程 b. b. 空间复合：有直接复合和间接复合空间复合：有直接复合和间接复合( (电子粘在中性粒电子粘在中性粒子上，子上， 再与正离子相遇复合成为两个中性粒子再与正离子相遇复合成为两

27、个中性粒子) )。 对空间复合而言，促使空间复合的决定因素是冷却，因对空间复合而言，促使空间复合的决定因素是冷却，因为冷却促使带电粒子运动速度减小。为冷却促使带电粒子运动速度减小。 扩散扩散：弧柱中的带电粒子，由于热运动，从弧柱中浓度高：弧柱中的带电粒子，由于热运动，从弧柱中浓度高的区域移到浓度低的区域的现象。的区域移到浓度低的区域的现象。 4-2 气体放电的物理过程四、气体放电四、气体放电 4-2 气体放电的物理过程 图图4-4 4-4 气体放电间隙的伏安特性气体放电间隙的伏安特性 图图4-3 4-3 试验气体放电的电路试验气体放电的电路REU12IFEDCBA UI010-1110-610

28、-310-11(V)(A) 1. 1. 气体放电的几个阶段：气体放电的几个阶段： 见图见图4-44-4。 非自持放电阶段非自持放电阶段：是指当外界因素去除后，放电：是指当外界因素去除后，放电无法维持的阶段，即图中的无法维持的阶段，即图中的C C段。段。OA段：电场强度较小，带电粒子仅由宇宙射线、段：电场强度较小，带电粒子仅由宇宙射线、射射线等产生，属漫游状态，当线等产生，属漫游状态，当U时，到达阴极的带电粒子时，到达阴极的带电粒子成比例增加；成比例增加；AC段：电压较高，间隙电场强度较大，段：电压较高，间隙电场强度较大，I继续增加，继续增加，可产生电场电离，并出现二次发射；因去掉外加电离因素可

29、产生电场电离，并出现二次发射；因去掉外加电离因素后，放电停止，故称之为非自持放电阶段。后，放电停止，故称之为非自持放电阶段。 4-2 气体放电的物理过程FEDCBA UI010-1110-610-310-11(V)(A) 自持放电阶段自持放电阶段：图：图4-44-4中的中的CFCF段。段。 a. a. 定义：是指当外界因素去除后，放电能够维持的定义：是指当外界因素去除后，放电能够维持的阶段，阶段， 即图中的即图中的CFCF段。段。 b. b. 自持放电的条件：自持放电的条件：发生了间隙击穿发生了间隙击穿 ( (放电电流雪放电电流雪崩般增加，即放电突变的现象崩般增加，即放电突变的现象) )。 间

30、隙击穿电压主要决定于气体压力和电极间距离间隙击穿电压主要决定于气体压力和电极间距离的乘积，即的乘积，即jcjc f(pl)f(pl)，其也称为，其也称为巴申曲线巴申曲线。 4-2 气体放电的物理过程FEDCBA UI010-1110-610-310-11(V)(A) 4-2 气体放电的物理过程 图图4-5 4-5 铜电极时空气的铜电极时空气的UjcUjc和和plpl的试验曲线（实线）和计算曲线（虚线）的试验曲线（实线）和计算曲线（虚线）“巴申曲线巴申曲线”分析，结果：分析，结果： 除除pl很小外，实线与虚线很接近；很小外，实线与虚线很接近； pl很高（提高气压）或很低（真空）时，很高（提高气压

31、）或很低（真空）时，Ujc较大；较大； p在特定位置在特定位置(pl)min时，时，Ujc最小（最小（Ujcmin）。）。 4-2 气体放电的物理过程 c. c. 举例：将举例：将BF段分为段分为BD区和区和EF区。其中，区。其中，#C点点附近的附近的BD区的特征：通道是常温，电流密度小，阴极压区的特征：通道是常温，电流密度小，阴极压降高（几百伏），呈辉光，称为辉光放电区。电流降高（几百伏），呈辉光，称为辉光放电区。电流0.1左右，无明显发热。左右，无明显发热。带电粒子产生的主要原因是阴极的二次电子发射和带电粒子产生的主要原因是阴极的二次电子发射和阴极区的碰撞电离。阴极区的碰撞电离。维持辉光放

32、电的重要条件是阴极的低温。维持辉光放电的重要条件是阴极的低温。 4-2 气体放电的物理过程#EF区：在外加电压作用下，由阴极压降区连续提供区：在外加电压作用下，由阴极压降区连续提供电子流，在弧柱区产生高温热电离，最后由电子进入阳电子流，在弧柱区产生高温热电离，最后由电子进入阳极区而被阳极所吸收。极区而被阳极所吸收。游离方式有热游离与光游离；游离方式有热游离与光游离；形式：电弧；形式：电弧；特征：温度极高（特征：温度极高（6000k以上），电流密度很大（几千以上），电流密度很大（几千安安/平方厘米），阴极压降很小（几十伏）。平方厘米），阴极压降很小（几十伏）。 4-2 气体放电的物理过程 2.

33、2. 气体放电的几种气体放电的几种形式形式： . . 辉光放电辉光放电：图：图4-44-4的的B B段；段；0.10.1左右，无左右，无明显发热；带电粒子产生的主要原因是阴极的二次电子发明显发热；带电粒子产生的主要原因是阴极的二次电子发射和阴极区的碰撞游离；维持辉光放电的重要条件是阴极射和阴极区的碰撞游离；维持辉光放电的重要条件是阴极的低温。的低温。 . . 弧光放电弧光放电：图：图4-44-4的的F F段；是在外加电压作用下，段；是在外加电压作用下，由阴极压降区连续提供电子流，在弧柱区产生高温热游离，由阴极压降区连续提供电子流，在弧柱区产生高温热游离，最后由电子进入阳极区而被阳极所吸收。最后

34、由电子进入阳极区而被阳极所吸收。 等粒子体：是正、负带电粒子数相等的游离气体。等粒子体：是正、负带电粒子数相等的游离气体。 4-2 气体放电的物理过程FEDCBA UI010-1110-610-310-11(V)(A)五、气体间隙的击穿理论：五、气体间隙的击穿理论：1.气体间隙击穿即是由绝缘变为导电。气体间隙击穿即是由绝缘变为导电。2.汤逊放电理论：汤逊放电理论： 1）表达式）表达式1：电离的条件是：电离的条件是 eeyleylEWEU或y ley lUE式中式中：是电子平均自由行程是电子平均自由行程.3）电子沿电场运动时，不考虑实际的）电子沿电场运动时，不考虑实际的“Z”字形轨迹特征。字形轨

35、迹特征。 2 2）表达式）表达式2 2： 4-2 气体放电的物理过程 3.3. 汤逊第一系数汤逊第一系数：即空间游离系数：即空间游离系数，是一个电，是一个电子沿电场运动时，在单位距离内由电场电离而产生的带电子沿电场运动时，在单位距离内由电场电离而产生的带电粒子对数（一个电子和一个正离子为一对），其表达式为：粒子对数（一个电子和一个正离子为一对），其表达式为：00B PTEA PeT 其中，其中，P P是气压，是气压，mmHgmmHg； T T：气温，：气温，K K； A A0 0、B B0 0：是经：是经验数据。验数据。 4-2 气体放电的物理过程4.间隙击穿条件间隙击穿条件：分均匀电场和不均

36、匀电场考虑。：分均匀电场和不均匀电场考虑。 1）均匀电场均匀电场： （1）气体间隙击穿条件气体间隙击穿条件：l（e -1）=1式中式中是表面游离系数，又叫汤逊游离第二系数，见下表，是表面游离系数，又叫汤逊游离第二系数，见下表，例如铜电极的例如铜电极的0.025； 汤逊第一系数汤逊第一系数是是空间游离空间游离系数。系数。 4-2 气体放电的物理过程 4-2 气体放电的物理过程阴极材料阴极材料空气空气氢氢H2氮氮N2铝铝Al0.0350.10.1铜铜Cu0.0250.050.065铁铁Fe0.020.060.06不同气体和不同电极材料时不同气体和不同电极材料时的数值的数值 式中，式中，A、B是常数

37、，查手册知。另外，是常数，查手册知。另外，“pl”应看应看作一个参数。作一个参数。铜电极在空气下的铜电极在空气下的Ujc对对pl试验曲线（实线）与令试验曲线（实线）与令r=0.025、按上式作出的、按上式作出的Ujc对对pl的关系曲线（虚线）的关系曲线（虚线）如图巴申曲线所示。如图巴申曲线所示。lnlnjcBplUApl1（ 1+）r（2）间隙击穿电压间隙击穿电压Ujc： 4-2 气体放电的物理过程将上式对将上式对pl求极值，可得铜电极在空气中的最小击穿求极值，可得铜电极在空气中的最小击穿电压：电压：minmin()248jcUBplV实际上，对空气为实际上，对空气为327V327V。 4-2

38、 气体放电的物理过程最小击穿电压计算：最小击穿电压计算：l0dx（e-1）=1jcminminelnU=B (pl)=B1（1+）A2）不均匀电场的气体间隙击穿条件不均匀电场的气体间隙击穿条件： 4-2 气体放电的物理过程当带电粒子变化当带电粒子变化，电弧燃烧趋热；当，电弧燃烧趋热；当时，时，电弧燃烧趋于稳定；当电弧燃烧趋于稳定；当时，电弧燃烧趋于熄灭。时，电弧燃烧趋于熄灭。dNdNdNdNdNdtdtdtdtdtrcfq（） （） （）-（）0dNdt0dNdt0dNdt5. 弧隙中带电粒子的变化情况可用离子平衡方程式弧隙中带电粒子的变化情况可用离子平衡方程式 4-2 气体放电的物理过程 4

39、-3 电弧的物理特征一、开断电路时电弧的产生过程一、开断电路时电弧的产生过程1.最小生弧电流最小生弧电流和和最小生弧电压最小生弧电压当被开断的电流和电压超过触头材料的最小生弧电当被开断的电流和电压超过触头材料的最小生弧电流和最小生弧电压（直流见表流和最小生弧电压（直流见表4-2-2，交流见表，交流见表4-3-3）时，）时，弧隙中将产生电弧。弧隙中将产生电弧。 4-3 电弧的物理特征 4-3 电弧的物理特征 2. 2. 电弧产生和发展的过程：电弧产生和发展的过程： 1 1） 电压、电流大于最小生弧电压和最小生弧电流时，电压、电流大于最小生弧电压和最小生弧电流时，会产生电弧；会产生电弧； 2 2）

40、 触头闭合过程中，因动触头触头闭合过程中，因动触头“弹跳弹跳”，在一定条件，在一定条件下产生电弧；下产生电弧； 3 3） 触头分离时，电弧产生过程。触头分离时，电弧产生过程。 4-3 电弧的物理特征 3. 3. 触头分离：触头分离： 1 1）开始分离开始分离：接触面积减小，电流密度增大，强烈发热；：接触面积减小，电流密度增大，强烈发热； 2 2）分离瞬间分离瞬间：接触处的金属先熔化，产生液态金属桥及金：接触处的金属先熔化，产生液态金属桥及金属蒸汽，然后由热发射、高电场发射产生大量电子，再由电属蒸汽，然后由热发射、高电场发射产生大量电子，再由电场游离产生电子和正离子，由复合作用维持热发射。场游离

41、产生电子和正离子，由复合作用维持热发射。 结果：弧隙温度升高，热电离起主导作用，气体带电离子结果：弧隙温度升高，热电离起主导作用，气体带电离子增多，气体电导率增大，弧隙两端电压降低，直至带电粒子增多，气体电导率增大，弧隙两端电压降低，直至带电粒子达到平衡，电弧稳定燃烧。达到平衡，电弧稳定燃烧。 注意：高电场发射是电弧产生的根本原因。注意：高电场发射是电弧产生的根本原因。 4-3 电弧的物理特征二、电弧近极区和弧柱区的特征：二、电弧近极区和弧柱区的特征： 1. 直流电弧电弧压降直流电弧电弧压降Uh的三个区域：的三个区域：（1）近阴极区：聚集大量正离子，是一个正空间电荷；）近阴极区：聚集大量正离子

42、，是一个正空间电荷；阴极压降阴极压降Uc较大，其值与阴极材料和气体介质有关，数较大，其值与阴极材料和气体介质有关，数值见表值见表4-4。（2）近阳极区：聚集大量电子，属负空间电荷区；阳）近阳极区：聚集大量电子，属负空间电荷区；阳极压降极压降Ua，其值与阳极材料有关；，其值与阳极材料有关； 4-3 电弧的物理特征（3）弧柱区弧柱区：近似圆柱：近似圆柱形；电离气体中正负带电粒形；电离气体中正负带电粒子数相等，为等离子体，类子数相等，为等离子体，类似金属导体；似金属导体；E沿弧长可看沿弧长可看作是常数，其值与电极材料、作是常数，其值与电极材料、气压、介质对电弧的作用等气压、介质对电弧的作用等有关；弧

43、柱电压有关；弧柱电压UzIhRh。 4-3 电弧的物理特征Za)CA-+UaUzUcUh0b)xEUE 图4-6 电弧的特性a) 划分为三个区域 b）各区域的电压和电场强度 式中，式中，U U0 0是近极压降；是近极压降； E E是弧柱电场强度是弧柱电场强度V/cmV/cm； l l是电是电弧长度。弧长度。 按按U Ua a和和U Uc c在电弧电压中所占比例不同，可将电弧分在电弧电压中所占比例不同，可将电弧分为短弧（极间距离很短的电弧）和长弧（极间距离很长，为短弧（极间距离很短的电弧）和长弧（极间距离很长，U Uh hUU0 0，且，且U Uh hE E的电弧）。的电弧）。0( )hcazU

44、UUUUEl V2. 2. 直流电弧电压直流电弧电压： 4-3 电弧的物理特征三、电弧长度：与发热及气流有关。三、电弧长度：与发热及气流有关。四、弧柱的温度：用光学方法测量。四、弧柱的温度：用光学方法测量。 常用的测量方法是光谱分析法常用的测量方法是光谱分析法 4-3 电弧的物理特征12000K10000K1000K2000K8000K6000K4000K500K阴极阳极图图4-7 200A碳电极碳电极 电弧的温度场电弧的温度场开关电器：开关电器： 燃弧温度：燃弧温度：600020000K； 趋向熄灭温度：趋向熄灭温度：30004000k。 4-3 电弧的物理特征050100200246810

45、Ih17A26A36ATh /10 K3150图4-8 交流弧柱温度 随电流相角的变化 弧柱温度的变化要滞后电流一定的时间，这种现象主要是由于电弧的热惯性所决定的。 所以呈现这一现象，是因为构成电弧的气体具有一定的热容量，要使温度升高或降低，必须供给或从中散发一定的热量，而热量的供给或散发需要经过一定的时间。 温度的变化滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性 五、弧柱的直径。五、弧柱的直径。 弧柱直径的大小与触头材料、电流大小、气体弧柱直径的大小与触头材料、电流大小、气体介质种类、气压以及气体介质与弧柱的作用强烈介质种类、气压以及气体介质与弧柱的作用强烈程度有关。程度有关。 弧柱直径随电流

46、大小改变的情况，其原因也是由于弧柱具有热惯性。 4-3 电弧的物理特征 六、电弧的弧根和斑点：六、电弧的弧根和斑点： 1. 弧根：弧柱贴近电极的部分；弧根：弧柱贴近电极的部分； 2. 斑点：弧根在电极表面上形成的圆形明亮点。斑点：弧根在电极表面上形成的圆形明亮点。 4-3 电弧的物理特征（1）阴极斑点：是维持电弧存在的电子发射处，其电流）阴极斑点：是维持电弧存在的电子发射处，其电流密度高（密度高（104A/cm2，甚至达，甚至达107A/cm2），导致电），导致电极材料迅速汽化，形成金属蒸汽进入弧隙。同时斑点区极材料迅速汽化，形成金属蒸汽进入弧隙。同时斑点区通过热发射、高电场发射和二次发射提供

47、大量的电子；通过热发射、高电场发射和二次发射提供大量的电子；结果阴极表面逐渐烧损，形成凹坑。结果阴极表面逐渐烧损，形成凹坑。（2）阳极斑点阳极斑点：是电子进入阳极的入口，面积大于阴极：是电子进入阳极的入口，面积大于阴极斑点，故电流密度较小。斑点，故电流密度较小。 4-3 电弧的物理特征3. 3. 电弧的能量平衡电弧的能量平衡： （1 1）电弧的发热功率电弧的发热功率： hhhhPU II0z（U +U ）ScddlfsPPPP（2 2）电弧的散热功率（传导、对流、辐射）电弧的散热功率（传导、对流、辐射）： 4-3 电弧的物理特征式中式中 WQ是电弧的含热量，是电弧的含热量，J； Ps：弧柱总散

48、热量；：弧柱总散热量； Ph：电弧功率。：电弧功率。当当时，电弧燃烧趋于燃烧；当时，电弧燃烧趋于燃烧；当时，时，电弧稳定燃烧；当电弧稳定燃烧；当时，电弧趋于熄灭。时，电弧趋于熄灭。QhhsdWU IPdt0QdWdt0QdWdt0QdWdt（3）由上两式，可得）由上两式，可得电弧的动态能量平衡方程电弧的动态能量平衡方程： 4-3 电弧的物理特征三、维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理：三、维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理： 1. 1. 前提：前提： 假定电弧是一个纯电阻性的发热元件。假定电弧是一个纯电阻性的发热元件。 电弧燃烧时，从电源输入到电弧内部的能量转变成热电弧燃烧时，从电源输入到电

49、弧内部的能量转变成热能，通过传导能，通过传导(cd)(cd)、对流、对流(dl)(dl)和辐射和辐射(fs)(fs)三种方式散失。三种方式散失。 4-3 电弧的物理特征 2. 2. 用能量平衡的观点，分析维持电弧燃烧或促使电弧用能量平衡的观点，分析维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理：熄灭的基本原理： 令：令：h h：输入弧隙的功率；：输入弧隙的功率；s s：散失功率；：散失功率； h h s s： h h增加，增加，t th h增加，弧径变粗，电弧趋增加，弧径变粗，电弧趋于燃烧；于燃烧； h h s s： I Ih h恒定，弧径不变，电弧稳定燃烧；恒定，弧径不变，电弧稳定燃烧； h h 2

50、2 ： h h增加增加, ,电弧燃烧更剧烈；电弧燃烧更剧烈； 1 1 2 2 ： h h恒定，电弧稳定燃烧；恒定，电弧稳定燃烧； 1 1 l1Uhl2l1IhO图4-11 不同弧长时直流电弧的静态伏安特性 直流电弧的静态伏安特性 （1）概念概念：在电弧长度维持不变的情况下，对应每一个：在电弧长度维持不变的情况下，对应每一个直流电流直流电流Ih，当电弧中的发热和散热过程达到平衡后，弧隙，当电弧中的发热和散热过程达到平衡后，弧隙两端都会有一个与之对应的电压两端都会有一个与之对应的电压Uh，则称，则称Uh与与Ih的关系为的关系为直流电弧的静态伏安特性，是非线性、反时限特性。直流电弧的静态伏安特性，是

51、非线性、反时限特性。（2）弧长改变时，直流电弧静态特性曲线将上下近似平移；）弧长改变时，直流电弧静态特性曲线将上下近似平移；（3）特性与电极材料、介质的种类、气压、温度、相对）特性与电极材料、介质的种类、气压、温度、相对运动速度等有关。运动速度等有关。（4）电弧电阻电弧电阻Rh的计算公式的计算公式： hhhURtgI 4-4 直流电弧的燃烧与熄灭3. 直流电弧伏安特性曲线分析：直流电弧伏安特性曲线分析： 计算直流电弧静伏安特性电压与电流间的经验公式计算直流电弧静伏安特性电压与电流间的经验公式 ：式中式中 0 0：电弧近极压降，；：电弧近极压降，； l：电弧长度，：电弧长度，cmcm； n n和

52、和c c：常数，：常数，n n0.250.25； I Ih h：电弧电流，；：电弧电流，； 静伏安特性曲线静伏安特性曲线/ /动伏安特性曲线、动伏安特性曲线、3 3、：、： 如图如图4-124-12所示所示. . 4-4 直流电弧的燃烧与熄灭0hnhclUUI 4-4 直流电弧的燃烧与熄灭U0U0I1I12345hhdIh/dt=0dIh/dtdIh/dtdIh/dt0- 图4-12 直流电弧的伏安特性1电弧静态伏安特性 2、3、4、5电弧动态伏安特性 图中，图中，I Ih h时，时，U Uh h，原因是：，原因是：I Ih h时，输入功率时，输入功率I Ih hU Uh h，温度，温度TT，

53、结果直径，结果直径dd，导致，导致P Ps s,R,Rh h，最终，最终U Uh h,即即R Rh h。 曲线低于曲线的原因：热惯性作用，即对同样曲线低于曲线的原因：热惯性作用，即对同样的电弧电流，曲线的弧隙温度相对偏高些，使得对应的的电弧电流，曲线的弧隙温度相对偏高些，使得对应的电弧电阻偏小些，对应有电弧电阻偏小些，对应有h h偏小些。偏小些。 4-4 直流电弧的燃烧与熄灭 任取图任取图4-124-12的稳定燃烧曲线的稳定燃烧曲线1 1中一点（中一点（I=II=I1 1）分析图中曲）分析图中曲线的变化情况：线的变化情况：123(),hhhhhhhhhhIRI RIRI RdIITdt hhh

54、hh、 快速 ， 来不及减小，则U新稳态时的U 值；、 快速 ， 来不及增大，则U新稳态时的U 值；、变化期间，弧柱的 、直径保持不变，R 也不变，为直线。 4-4 直流电弧的燃烧与熄灭二、直流电弧的稳定燃烧点与熄灭条件：二、直流电弧的稳定燃烧点与熄灭条件： . .直流电弧的稳定燃烧点：直流电弧的稳定燃烧点： (1) (1) 对比直流电弧的对比直流电弧的静伏安特性曲线静伏安特性曲线与与电路的伏安特电路的伏安特性曲线性曲线的关系：的关系： (2) (2) 直流电弧的稳定燃烧点：也叫直流电弧的稳定燃烧点：也叫“工作点工作点”，它们，它们满足：满足： 。 (3) (3) 用图解法求直流电弧的稳定燃烧

55、点并分析之：用图解法求直流电弧的稳定燃烧点并分析之： 点点1 1：视在稳定燃烧点视在稳定燃烧点；点；点2 2：稳定燃烧点稳定燃烧点。 原因是：原因是：- -f f（）与（）与h hf f（）间的大（）间的大小关系。小关系。 4-4 直流电弧的燃烧与熄灭hhEI RUhhUEI R 4-4 直流电弧的燃烧与熄灭图图4-14 直流电弧的稳定燃烧点直流电弧的稳定燃烧点. . 直流电弧的熄灭条件：直流电弧的熄灭条件：E-IRUE-IRPPs s，R Rh h迅速减小，迅速减小，i ih h迅速增大。迅速增大。在在i ih h半波末了时，半波末了时，i ih h减小，减小，u uh h上升；当上升；当u

56、 u下降至低于下降至低于u uxhxh时，电弧时，电弧u uh h又随又随u u变化变化（电弧完全熄灭）（电弧完全熄灭）。 一、交流电弧的伏安特性一、交流电弧的伏安特性( )huf t( )hif t2. 电弧电压和电流随时间变化的波形：电弧电压和电流随时间变化的波形： （2）电感性电感性负载下，交流电弧的熄灭过程：负载下，交流电弧的熄灭过程： ih落后落后电源电压电源电压u约约90。当。当ih过零时，电过零时，电弧熄灭，弧熄灭，u约为幅值。因约为幅值。因Rh迅速增大，电路相当迅速增大，电路相当于完全开断，于完全开断，uh将以很快的速度（比电阻性负将以很快的速度（比电阻性负载快得多）趋向载快得

57、多）趋向u的幅值，故的幅值，故urh出现较早出现较早，弧，弧熄中通过较大负载电流的时间也将提前。熄中通过较大负载电流的时间也将提前。一、交流电弧的伏安特性一、交流电弧的伏安特性( )huf t( )hif t2. 电弧电压和电流随时间变化的波形：电弧电压和电流随时间变化的波形： （3 3）在开断同一交流电流时，电阻性负载电路中的）在开断同一交流电流时，电阻性负载电路中的电弧比电感性负载电路中的电弧容易熄灭的原因：电弧比电感性负载电路中的电弧容易熄灭的原因： 一是：一是：“电压比较电压比较”的结果。的结果。在在ih过零前的一段时间内，过零前的一段时间内，PhPs，弧柱是变冷、，弧柱是变冷、变细的

58、。如变细的。如ih过零后加在弧熄上的过零后加在弧熄上的电压缓慢上升电压缓慢上升，则，则在较长时间内电弧的在较长时间内电弧的PhPs，弧柱将变冷、变细，弧柱将变冷、变细，Rh将更加增大，也使将更加增大，也使urh更加增高。如更加增高。如urh的增高大的增高大于于u的幅值，的幅值，Rh将不再迅速下降，因此电弧将不再重将不再迅速下降，因此电弧将不再重燃。燃。一、交流电弧的伏安特性一、交流电弧的伏安特性( )huf t( )hif t2. 电弧电压和电流随时间变化的波形：电弧电压和电流随时间变化的波形：二是：二是：“零休期时间零休期时间”的长短对电弧的熄灭的长短对电弧的熄灭影响很大。影响很大。零休期时

59、间越长，弧柱会越细越冷，甚至会零休期时间越长，弧柱会越细越冷，甚至会消失，电弧熄灭也越容易。由于消失，电弧熄灭也越容易。由于电阻性负载的零电阻性负载的零休期时间比电感性负载的零休期时间长休期时间比电感性负载的零休期时间长，故熄灭，故熄灭电弧越容易。电弧越容易。一、交流电弧的伏安特性一、交流电弧的伏安特性( )huf t( )hif t2. 电弧电压和电流随时间变化的波形：电弧电压和电流随时间变化的波形： （4 4）交流电弧与直流电弧相比，交流电弧容易熄）交流电弧与直流电弧相比，交流电弧容易熄灭：灭： 交流电路中，电流在交流电路中，电流在1s1s内要通过零点内要通过零点2f2f（电源（电源频率）

60、次频率）次。过零附近一段时间内，。过零附近一段时间内，P Ph hPPs s，弧柱要变，弧柱要变冷、变细，甚至可能由导体状态变为绝缘状态。冷、变细，甚至可能由导体状态变为绝缘状态。 直流电路中，直流电路中，电流不随时间变化而变化电流不随时间变化而变化，不改，不改变外部条件时，电弧稳定燃烧。变外部条件时，电弧稳定燃烧。一、交流电弧的伏安特性一、交流电弧的伏安特性( )huf t( )hif t2. 电弧电压和电流随时间变化的波形：电弧电压和电流随时间变化的波形：1. 1. 零休现象：零休现象： (1) (1) 电阻性负载：电阻性负载： u ur rh h到来之前，到来之前，R Rh h很大很大，