第六章电弧讲义

1、第六章第六章 电弧电弧CHONGQING UNIVERSITYCHONGQING UNIVERSITY6.1 概述概述一、电弧现象一、电弧现象电弧或弧光放电是是气体放电的一种形式。二、电弧发生的条件和途径二、电弧发生的条件和途径 1、电路的开断 2、触头 的闭合 3、真空和气体间隙的击穿 4、从辉光放电到电弧放电的转变 5、从火花放电到电弧放电的转变CHONGQING UNIVERSITY6.1 概述概述三、电弧的分类三、电弧的分类 1、介质种类：气体、液体、蒸汽中 2、气体压力：低气压、高气压 3、外形：长弧、短弧 4、电源性质：直流、交流 5、作用：焊接、电炉、汞弧四、开关电弧四、开关电弧

2、CHONGQING UNIVERSITY6.1 概述概述四、开关电弧四、开关电弧1、强功率的放电现象、强功率的放电现象 几十几十KA的短路电流，散失功率达的短路电流，散失功率达10000kW2、自持放电、自持放电 单纯采用拉长电弧不能熄弧单纯采用拉长电弧不能熄弧3、质量极轻、质量极轻 极易改变形状极易改变形状CHONGQING UNIVERSITY6.2 电弧的产生和物理特性电弧的产生和物理特性一、弧光放电及其特点一、弧光放电及其特点AVDRUI电场比较均匀，电源功率足够大，弧光放电电场比较均匀，电源功率足够大，弧光放电电场比较均匀，气体压力较低，先出现辉光放电，然后随电流增加转变为辉光放电；

3、电场比较均匀，气体压力较低，先出现辉光放电，然后随电流增加转变为辉光放电；极不均匀电场，压力较高且回路电阻较大，先出现电晕放电，然后随电压增大一定值极不均匀电场，压力较高且回路电阻较大，先出现电晕放电，然后随电压增大一定值后变为弧光放电后变为弧光放电CHONGQING UNIVERSITY6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性二、电弧的组成部分二、电弧的组成部分CHONGQING UNIVERSITY6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性三、电弧弧柱的游离过程三、电弧弧柱的游离过程 电子的激励：电子在一定能级轨道上绕原子核旋转。离原子核越远，轨道能级越高，若电子吸收了外界能量，跃迁到能级更高的轨道

4、（但仍受原子核束缚）。电子在激励状态只能延续0.11微秒。所需的能量称为激励能(We) 电子的电离：若电子吸收的外界能量使其脱离原子核的束缚，便逸出成为自由电子，而失去电子则成为正离子的现象。所需的能量称为电离能。(Wf) 激励能和电离能的单位为电子伏，一电子伏的能量等于一个电子在电位差为一伏的两点间移动时电场所做的功。CHONGQING UNIVERSITY6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性CHONGQING UNIVERSITY6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性三、电弧弧柱的游离过程三、电弧弧柱的游离过程 介质WeWf介质WeWf氢10.213.54钠2.125.14氮6.314.55

5、锌4.029.39氧7.913.5镉3.959.0氩11.515.7汞4.8610.4CHONGQING UNIVERSITY6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性三、电弧弧柱的游离过程三、电弧弧柱的游离过程 1、表面游离(热发射、强电场发射、光发射、二次发射)热发射：电极表面被加热到20002500K时，电极表面的自由 电子就获得足以克服表面晶格电场产生的势垒而逸出空间强电场发射：电极表面存在强电场使电子逸出光发射：光和各种射线照射金属表面使电子逸出 二次发射：正离子撞击阴极或电子高速撞击阳极引起的表面发射 CHONGQING UNIVERSITY6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性三、电弧弧

6、柱的游离过程三、电弧弧柱的游离过程2、空间游离（光游离、电场游离、热游离）光游离：中性粒子在受到频率为f的光照射时yWhf h为普朗克常数，6.6310-34焦.秒CHONGQING UNIVERSITY6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性电场游离(碰撞游离) 在外加电场作用下，间隙的游离质点发生定向运动，获得动能yWmv 221m，v为游离质点的质量和平均速度碰撞游离主要是电子和原子相互撞击而造成的：其原因电子体积小、平均自由行程较长、运动速度较大，容易获得较大的动能；电子质量小，与其它质点发生弹性碰撞几乎不损失动能，容易在电场中积累能量电子半径：约2.8210-15m；电子质量：9.111

7、0-31kg质子直径大约是电子的1000倍，重量大约是电子的1840倍CHONGQING UNIVERSITY6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性热游离气体分子运动速度随温度的升高而加快，高速运动的中性质点相互碰撞时发生中性质点游离；热游离度：已游离的粒子密度n与气体初始粒子密度n0之比10nn影响热游离度的因素：温度、介质的游离电位和气体压力等CHONGQING UNIVERSITY6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性CHONGQING UNIVERSITY6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性四、电弧弧柱的消游离过程四、电弧弧柱的消游离过程 1、复合两种带异性电荷的质点相互接触而形成中性质点

8、； 分为表面复合和空间复合；复合形式:H+e H- ；HH 2H复合速度与离子浓度、温度、压力和电场强度等有关2、扩散带电离子从电弧间隙中散出到周围介质；扩散是双极性进行的；扩散速度与离子浓度、正离子运动速度、弧柱直径、温度及压力等有关。CHONGQING UNIVERSITY6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性五、电弧的温度和直径五、电弧的温度和直径电弧温度约400050000K；测量方法：红外测温法、光谱分析法；电弧的温度与电流大小、电极材料、气体介质种类及压力、弧柱的冷却条件等有关CHONGQING UNIVERSITY6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性CHONGQING UNIVER

9、SITY6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性CHONGQING UNIVERSITY6.2 6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性CHONGQING UNIVERSITY6.2 6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性CHONGQING UNIVERSITY6.2 6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性电弧外形为中间稍粗而沿轴向不是等截面的柱形体；电弧中间部分明亮，外围部分亮度较弱电弧直径与电流大小、气体介质的导热系数、气体压力、燃弧管壁形状、冷却条件等有关空气中自由燃烧的电弧，其电弧直径d(cm)与电流I(A)的关系Id26. 0横向吹弧pvId81. 0吹弧速度，m/s气体压力，MPaCHONGQ

10、ING UNIVERSITY6.2 6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性纵向吹弧nmIkPd659. 08 . 0:10127. 022. 0:0039. 00023. 0:SFnAAmk压缩空气CHONGQING UNIVERSITY6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性六、电弧等离子体的热容与冷却六、电弧等离子体的热容与冷却 1、等熵冷却就是所谓的绝热膨胀。当气体沿着压力梯度进行膨胀运动时，由粒子运动形成的内部能量变成流动能，使气体温度下降而被冷却，单位容积的散热功率)(pgradvN 2、热传导就是沿着温度梯度移动的热流造成的冷却，单位容积的散热功率导热率，为温度的函数)()(Tgradd

11、ivNCHONGQING UNIVERSITY6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性3、定压比热容dTdhcTp游离速度10-710-8s；分解速度：10-3sCHONGQING UNIVERSITY6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性七、电弧的能量平衡七、电弧的能量平衡shhPdtdQUIIh电弧电流，A；Uh电弧电压，V；Q弧柱内能，J；t时间，s；Ps弧柱散失的功率，WshhPUIdtdQ加剧燃烧稳定燃烧熄灭000dtdQCHONGQING UNIVERSITY6.2 电弧的物理特性电弧的物理特性八、开关电弧的产生八、开关电弧的产生 CHONGQING UNIVERSITY6.3 直流电弧

12、直流电弧一、直流电弧的伏安特一、直流电弧的伏安特性性 1、静态伏安特性 AVDRUICHONGQING UNIVERSITY6.3 直流电弧直流电弧一、直流电弧的伏安特一、直流电弧的伏安特性性 1、静态伏安特性 21hhITTR21hhIR hhIU1CHONGQING UNIVERSITY6.3 直流电弧直流电弧一、直流电弧的伏安特一、直流电弧的伏安特性性 小电流(100A)ExU 介质及状态大气SF6(0.1Mpa)真空油油气吹E(V.cm1)15100.010.16079100200mkPE 低气压下5 . 015. 0mCHONGQING UNIVERSITY6.3 直流电弧直流电弧一

13、、直流电弧的伏安特一、直流电弧的伏安特性性 2、影响伏安特性的因素 CHONGQING UNIVERSITY6.3 直流电弧直流电弧一、直流电弧的伏安特一、直流电弧的伏安特性性 3、动态伏安特性热惯性作用，温度变化滞后于电流变化CHONGQING UNIVERSITY6.3 直流电弧直流电弧二、直流电弧的燃烧与熄灭二、直流电弧的燃烧与熄灭hhuiRUdtdiLudtdiLiRU)(00CHONGQING UNIVERSITY6.3 直流电弧直流电弧二、直流电弧的燃烧与熄灭二、直流电弧的燃烧与熄灭稳定燃烧：0dtdiLhuiRU0剧烈燃烧：0dtdiLhuiRU0熄灭：0dtdiLhuiRU0C

14、HONGQING UNIVERSITY6.3 直流电弧直流电弧三、开断直流电弧时的几个参数三、开断直流电弧时的几个参数 1、燃弧时间IhhIhthhiRUuLdituiRULdidtuiRULdidtuiRUdtdiLh0000000)()()()(CHONGQING UNIVERSITY6.3 直流电弧直流电弧三、开断直流电弧时的几个参数三、开断直流电弧时的几个参数 2、电弧能量20000000021)()()(LIidtiRULidiidtiRUidtdtdiLiRUidtuAhhhhtIttthhCHONGQING UNIVERSITY6.3 直流电弧直流电弧三、开断直流电弧时的几个参数

15、三、开断直流电弧时的几个参数3、过电压000000)()(UUUUUiRUudtdiLUiRUudtdiLUxxihihCHONGQING UNIVERSITY6.4 交流电弧交流电弧一、交流电弧的特点一、交流电弧的特点CHONGQING UNIVERSITYhUAB1B1AhI6.4 交流电弧交流电弧一、交流电弧的特点一、交流电弧的特点hUAB1B1AhImaxTTiminT(a)(b)TiminTmaxTCHONGQING UNIVERSITY6.4 交流电弧交流电弧二、交流电弧对电路的影响二、交流电弧对电路的影响iLReCiChRihcoshmhhhhChhdiLiRuEtdtui Rd

16、uiiiCidtcoshhhmhhhdiLi RuEtdtui RcosmhhmEUditdtLE忽略电容电流，即ic0忽略电阻R；以电流过零为起始点；当ta/w，电弧燃烧；电弧电压uh为常数，并随电流改变正负号CHONGQING UNIVERSITY6.4 交流电弧交流电弧二、交流电弧对电路的影响二、交流电弧对电路的影响0cos()()sinttmhmhhmmEUEUitdtdtttLELE11sinhmUttEsinhmUECHONGQING UNIVERSITY6.4 交流电弧交流电弧三、电压恢复过程与介质强度恢复过程三、电压恢复过程与介质强度恢复过程hihihuhuee0EhfmUhf

17、mUtt000E(a)(b)CHONGQING UNIVERSITY6.4 交流电弧交流电弧四、交流电弧的过零现象四、交流电弧的过零现象huLiLCiChiehLChCiiiduiCdthihubacthfu(a)hihu0Pihfut(b)CHONGQING UNIVERSITY6.4 交流电弧交流电弧五、交流电弧的熄灭与重燃五、交流电弧的熄灭与重燃 1、电击穿理论(斯列宾) 取决于弧隙上电压恢复过程和介质强度恢复过程能解释电弧电流超前过零、弧隙电导预先消失的重燃现象，无法解释弧后电流的现象 2、热击穿理论(克西) 取决于能量平衡对弧隙电导预先消失和因电击穿而发生的重燃不能确切的解释u1ju

18、2juAhfuhutCHONGQING UNIVERSITY6.4 交流电弧交流电弧六、交流电弧的能量六、交流电弧的能量0000020012hhhtth hhhhtthhAu i dtei R i dtL i diei R i dtLi0hthhAei R i dtCHONGQING UNIVERSITY6.5 空气电弧的熄灭原理空气电弧的熄灭原理一、交流电弧的熄灭一、交流电弧的熄灭二、磁吹熄弧二、磁吹熄弧利用电磁力将电弧吹入灭弧装置；散热损耗以热传导为主；磁吹灭弧装置的形式： 绝缘板式灭弧槽，电弧在特殊形状的耐热绝缘材料制成的灭弧槽中被拉长和冷却； 金属板式灭弧栅：金属板将整个电弧分成许多串联的电弧，使之冷却。CHONGQING UNIVERSITY6.5 空气电弧的熄灭原理空气电弧的熄灭原理三、压缩空气的