电器的电弧理论(共250张精选PPT)

1、电器的电弧理论电器理论基础第1章 绪论第2章 电器的发热理论第3章 电器的电动力理论第4章 电器的电接触理论第5章 电器的电弧理论第6章 电器的电磁机构理论2022/9/212第5章 电器的电弧理论5-1 引言5-2 气体放电的物理基础5-3 电弧的物理特性5-4 直流电弧的特性与熄灭原理5-5 交流电弧的特性与熄灭原理5-6 开关电器典型灭弧装置的工作原理2022/9/2135-1 引言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）中会产生电弧电力开关设备的开断电弧电弧（arc）：温度高、发光强、能导电的气体2022/9/2145-1 引言电弧的危害电

2、弧延迟开断线路、设备受损触头烧损开关设备着火、爆炸电弧的作用泄放电路中的磁能降低过电压电力开关设备既要熄灭电弧，又要利用电弧电力开关（Switch）设备的主要任务顺利地熄灭电弧 （ Extinguish arc）保证电路的成功开断 （Breaking / Interrupting）2022/9/2155-1 引言电弧的其他应用焊接冶炼金属（电弧炉）强光源（弧光灯）电弧的定义气体或蒸汽中自持的放电现象GasVapourSelf-sustainedDischarge2022/9/2165-1 引言2022/9/217第5章 电器的电弧理论5-1 引言5-2 气体放电的物理基础5-3 电弧的物理特性

3、5-4 直流电弧的特性与熄灭原理5-5 交流电弧的特性与熄灭原理5-6 开关电器典型灭弧装置的工作原理2022/9/2185-2 气体放电的物理基础气体放电(Gas Discharge)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电弧是气体放电的一种形式电离 （Ionization） 和激励 （Excitation）外界能量（热、光、碰撞等）能量足够大，使电子成为自由电子，中性粒子成为正离子，这种现象称为电离能量不够大，只能使电子由正常轨道跳到较外层的轨道，这种现象称为激励h: 普朗克常数（6.62410-34J.s）2022/9/2195-2 气体放电的物理基础电离和激励电子伏特能

4、量1Vee获得能量量值上等于电子电荷温度k: 玻尔兹曼常数1eV 代表的温度约为11600K2022/9/21105-2 气体放电的物理基础电离和激励电离能：电离出一个自由电子所需要的能量电离电位第二（三）电离能：拉出第二（三）个电子所需的能量电离能与材料有关（金属/气体）2022/9/21115-2 气体放电的物理基础电离和激励激励能：激励一个电子所需要的能量分级电离：中性粒子激励电离分级电离介稳状态（一种特别的激励状态）：已跳到较外层的电子（不能很快返回原轨道）激励是一种不稳定的状态中性粒子处于激励状态的时间10-910-8s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

5、程中起很大作用外加能量跳到更外层返回原轨道电离2022/9/21125-2 气体放电的物理基础气体电离的方式电离气体：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）电离度电离度被电离的原子数总原子数电离度增大电导率提高气体电离的方式表面发射 （Surface emission）空间电离 （Space ionization）2022/9/21135-2 气体放电的物理基础气体电离的方式表面发射：金属电极表面发射电子进入极间气体?金属蒸汽能导电吗？金属蒸汽在未电离的情况下是不导电的表面发射的类型热发射 （Thermal emission）（TE）场致发射 （Fiel

6、d emission）（FE）热-场致发射 （Field-assisted thermionic emission）（FTE）光发射 （Photon emission）二次发射 （Secondary emission）2022/9/2114真空金属5-2 气体放电的物理基础气体电离的方式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）WF：费米能级W0：总逸出功Wi（Wyc）：有效逸出功2022/9/2115温度5-2 气体放电的物理基础气体电离的方式热发射（Th

7、ermal Emission）金属W0：总逸出功Wi（Wyc）：有效逸出功WF：费米能级表面自由电子动能 超越表面势垒 逸出真空2022/9/21165-2 气体放电的物理基础气体电离的方式热发射（Thermal Emission）温度表面自由电子动能 超越表面势垒 逸出对清洁、均匀的表面，饱和热发射电流密度常数Wyc:逸出功（eV）T:金属表面温度（K）金属沸点越高，热发射的最大电流密度越大，如钨2022/9/21175-2 气体放电的物理基础气体电离的方式场致发射（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）而逸出金属真空金

8、属真空E在较高温度时，场致发射的电流密度为2022/9/21185-2 气体放电的物理基础气体电离的方式热-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）以铜为例2022/9/21195-2 气体放电的物理基础气体电离的方式光发射 （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

9、电子碰撞阳极正离子碰撞阴极电子发射2022/9/21205-2 气体放电的物理基础气体电离的方式空间电离 （Space ionization）电极间气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）的现象空间电离的类型光电离电场电离热电离2022/9/21215-2 气体放电的物理基础气体电离的方式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Wyl:中性粒子的电离能（J）h:普朗克常数（ 6.62410-34J.s ）光的频率越高，电离作用越强X射线，a，b，g，宇宙射线、紫外线具有较强的电离作用2022/9/21225-2 气体放电的物理

10、基础气体电离的方式电场电离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电子自由程（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2022/9/21235-2 气体放电的物理基础气体电离的方式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，不使之电离或激励，而是附着其上构成负离子，称为粘合（attachment)电

11、离几率：0.20.4%激励几率：1%或更小2022/9/21245-2 气体放电的物理基础气体电离的方式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2022/9/21255-2 气体放电的物理基础气体消电离（Deionization）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，称为消电离气体消电离的方式复合（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

12、运动从高浓区向低浓度区移动2022/9/21265-2 气体放电的物理基础气体消电离（Deionization）复合空间复合表面复合正离子接近阴极获得电子负离子接近阳极失去电子正、负粒子通过金属表面分别获得和交出电子电子进入阳极直接复合间接复合中性粒子电子正离子正离子电子2022/9/21275-2 气体放电的物理基础气体消电离（Deionization）复合电子的运动速度比负离子大得多直接复合的几率比间接复合的几率小得多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，常称为负电性气体如，SF6 具有很好的绝缘性能和灭弧性能复合释放能量：加热

13、电极（金属或绝缘物表面）、辐射、增加中性粒子的速度2022/9/21285-2 气体放电的物理基础气体消电离（Deionization）扩散：带电粒子由于热运动从高浓区向低浓度区移动扩散使电极间电离气体中带电粒子减少使极间气体电离度下降，电导率减小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2022/9/2129等离子体 电离气体100000C气体 水汽1000C固体 冰00C5-2 气体放电的物理基础等离子体物理学简介等离子体物质的第四态温度液体 水克鲁克斯W. Crookes18792022/9/21305-2 气体放

14、电的物理基础等离子体物理学简介由地球表面向外，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地球上的自然等离子体很少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?2022/9/21315-2 气体放电的物理基础等离子体物理学简介等离子体的定义：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长程库仑力是确定其统计性质的一个重要因素一个邻近粒子所产生的力远小于许多远距离粒子所施的长程库仑力，因此集体效应起主导作用 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

15、电荷的粒子（电子、离子），而不是其结合体。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。带电粒子足够多密度足够低非束缚性粒子与电磁场的不可分割性准电中性只有在一定的空间和时间尺度，才表现出电中性2022/9/21325-2 气体放电的物理基础等离子体物理学简介中性气体弱电离气体强电离等离子体完全电离等离子体集体相互作用占优两体相互作用占优库仑长程力短程力2022/9/2133热等离子体TeTi, Ta电弧、碘钨灯等离子体温度聚变、太阳核心冷等离子体TeTi, Ta极光、日光灯热：热平衡冷：非热平衡低 温等离子体高 温等离子体5-2 气体放电的物理基础等离子体物

16、理学简介等离子体的分类2022/9/21345-2 气体放电的物理基础密度(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惯性聚变星 云太阳风人类居住环境10-3密度跨越了30个量级温度跨越了7个量级2022/9/2135天体物理受控核聚变低温等离子体太阳风星云星际空间等离子体约束等离子体辐射等离子体不稳定性电弧等离子体高频感应等离子体燃烧等离子体冷等离子体5-2 气体放电的物理基础等离子体物理学简介等离子体物理学的理论研究领域2022/9/2136正负电荷分离强静电力粒子迅速运动静电位势差减小恢复电中性偏离电中性例电子氢等离子体R1cm正

17、电荷过剩Er1cm电子F5-2 气体放电的物理基础等离子体物理学简介为什么等离子体在宏观上总是表现出电中性？2022/9/21375-2 气体放电的物理基础等离子体物理学简介等离子体中正、负带电粒子是分立的，那么在多大空间尺度上局域地存在着偏离电中性呢？真空rq库仑势r0库仑势2022/9/2138r德拜势库仑势15-2 气体放电的物理基础等离子体物理学简介q等离子体过剩异号电荷r德拜屏蔽德拜势ld：德拜长度2022/9/21395-2 气体放电的物理基础等离子体物理学简介在等离子体内部一个电荷产生的静电场，是被附近其他电荷屏蔽着的，其影响不超过德拜半径的范围。这一现象称为德拜屏蔽r德拜势库仑

18、势1德拜屏蔽2022/9/2140在等离子体中引入电场，经过一定的时间5-2 气体放电的物理基础2022/9/21415-2 气体放电的物理基础2022/9/21425-2 气体放电的物理基础气体放电的几个阶段由直流电路研究气体放电的伏-安特性2022/9/21435-2 气体放电的物理基础气体放电的几个阶段按放电性质分为两个阶段OC: 非自持放电阶段（Non-self-sustained discharge）CF: 自持放电阶段（self-sustained discharge）2022/9/21445-2 气体放电的物理基础气体放电的几个阶段非自持放电阶段OA区电压过低外加电离因素产生的带

19、电粒子不能全部到达阳极I 随U 增加而增大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2022/9/21455-2 气体放电的物理基础气体放电的几个阶段非自持放电阶段AB区电压较低不足以产生场致发射和电场电离I 几乎与U 无关带电粒子已可全部到达阳极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2022/9/21465-2 气体放电的物理基础气体放电的几个阶段非自持放电阶段BC区电压较高电场电离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二次

20、发射I 随U增长较快2022/9/21475-2 气体放电的物理基础气体放电的几个阶段自持放电阶段当U升到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2022/9/21485-2 气体放电的物理基础气体放电的几个阶段自持放电阶段当U升到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BD区汤逊放电区2022/9/21495-2 气体放电的物理基础气体放电的几个阶段自持放电阶段当U升到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DE区辉光放

21、电区电离方式主要是电场电离放电温度低（常温）电流密度小（0.1A/m2）阴极压降高（几百V）2022/9/21505-2 气体放电的物理基础气体放电的几个阶段自持放电阶段当U升到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EF区弧光放电区放电温度极高（6000K以上）电流密度很大（107A/m2）阴极压降很低（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）2022/9/21515-2 气体放电的物理基础气体放电的几个阶段辉光放电（glow discharge）弧光放电（arc discharge）电场电离为主热电离

22、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）辉光放电与弧光放电的特征比较2022/9/21525-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论气体间隙击穿：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击穿电压由非自持放电转为自持放电的电压2022/9/21535-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论关心的问题击穿电压与气体间隙参数的关系汤逊气体放电理论理论要点：假定电

23、子碰撞电离和正离子撞击阴极产生的金属表面电离是使带电质点激增，并导致击穿的主要因素。击穿电压大 体上是 气体压力与气隙间距乘积的函数。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电子崩理论2022/9/21545-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论电子崩：外界电离因子在阴极附近产生一个初始电子，如果空间的电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生出一个新电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生出更多的电子。依次类推，电子数将按几何级数不断增多，像

24、雪崩似的发展，这种急剧增大的空间电流被称为电子崩。电子崩理论2022/9/2155电流过零后，弧隙两端的电压由零或反向电弧电压上升到电源电压的过程称为电压恢复过程大部分交流开关设备都利用该原理熄灭电弧开关电器弧隙的介质恢复强度特性Ujf0 和Kjf 随开断电流 I0 变化的关系但动态伏-安特性只能在一定的范围之内这一调节过程需要一定的时间（电弧的热惯性）一个电子碰撞一次就发生电离的几率5-2 气体放电的物理基础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（有一定条件，而且真空电弧不是这样！实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响 ，但大气压力下空气中实测得到的击穿电压却和

25、阴极材料无 关。均匀电场的间隙，击穿电压为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开断电路时电弧的产生过程5-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论电子崩理论2022/9/21565-2 气体放电的物理基础电子与重粒子碰撞时能量的传递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 的量级对于电离碰撞，能量守恒方程为碰撞前电子的动能碰撞后电子的动能电离出的电子的动能电离能2022/9/21575-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放

26、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）空间电离系数汤逊第一系数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2022/9/21585-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论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一般形式的推导自由行程：l（电子与气体分子两次碰撞之间相隔的距离）（m）电离能：Wdl（J）电离电位：Udl（V）电场强度：E（V/m）2022/9/21595-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论一

27、次碰撞发生电场电离的条件？2022/9/21605-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论刚性球假定下的平均自由行程平均自由行程： （N个粒子自由行程的平均值）n：粒子数密度（m-3）d：粒子直径（m）理想气体的状态方程k：玻尔兹曼常数2022/9/21615-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论 的电子数（自由行程是有分布的）2022/9/21625-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论 的电子数（自由行程是有分布的）一个电子碰撞一次就发生电离的几率一个电子经过单位距离

28、的碰撞次数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2022/9/21635-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论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2022/9/21645-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论均匀电场间隙击穿条件单位时间内，有N个电子进入dx穿过dx后，电子的增量为N0Nl解2022/9/21655-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论均匀电场间隙击穿条件N0Nl间隙中电场电离产生的正离子数为一个正离子使

29、阴极由于二次发射而产生的电子数，称为表面电离系数或汤逊第二系数，记为 g 若二次发射电子数 N0 ，则放电可自持2022/9/21665-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论N0Nl间隙中电场电离产生的正离子数为若二次发射电子数 N0 ，则放电可自持均匀电场间隙击穿条件2022/9/21675-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论N0Nl均匀电场间隙击穿条件均匀电场的间隙，击穿电压为Ujc 基本与p/T成正比2022/9/21685-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论

30、N0Nl均匀电场的间隙，击穿电压为T为常数时，击穿电压为A，B与气体种类及温度 有关2022/9/21695-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论均匀电场的间隙，击穿电压为T为常数时，击穿电压为平均自由行程： （N个粒子自由行程的平均值）2022/9/21705-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论量纲分析2022/9/21715-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论2022/9/21725-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论

31、铜电极时空气的试验曲线与计算曲线除pl 值甚小以外，两者相当接近存在一最小击穿电压Ujcmin和相应的( pl )min当pl大于或小于( pl )min时， Ujc均会增大提高或降低间隙气压都可以提高其击穿电压巴申（Paschen）曲线2022/9/21735-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论设l不变，p 改变气压很小时，气体稀薄，电子自由行程很大，虽然碰撞可积累较大动能，但碰撞次数太少。因此，随着p 减小，击穿电压增大气压很大时，气体密度大，自由行程很小，虽然碰撞次数多，但电子不易积累动能。因此故，随着p增大，击穿电压也增大 ?巴申曲线为何存在

32、最低点应用：采用高真空和高气压可提高间隙的击穿电压2022/9/21745-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论设 p 不变，l 改变随着气体间隙距离 l 的增大，电场强度E减小，碰撞电离减弱，故击穿电压增大。?巴申曲线为何存在最低点应用：增加气体间隙的距离可提高间隙的击穿电压汤逊气体放电理论适用范围适用于低气压、短间隙的电场中2022/9/21755-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论放电外形根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展。 低气压下气体放电发光区确实占据了整个间隙空间，如辉光放电。但在

33、大气压下 气体击穿时出现的却是带有分支的明亮细通道。在高气压、长气隙中的放电现象 无法用汤逊理论加以解释击穿电压根据汤逊理论，pl 值较小时，选择适当的参数，根据汤逊自持放电条件求得的击穿电压和实验值比较一致。pl 值很大时，如仍采用原来的值，则击穿电压计算值和实验值将有很大出入。2022/9/21765-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论汤逊气体放电理论放电时间根据汤逊理论，闻隙完成击穿，需要好几次循环：形成电子崩，正离子到达阴极产生二次电子，又形成更多的电子崩。完成击穿需要一定的时间。但实测到的在大气压下气体的放电时间要短得多。在高气压、长气隙中的放电现象 无法

34、用汤逊理论加以解释阴极材料的影响 根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿过程中应起一定作用。实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响 ，但大气压力下空气中实测得到的击穿电压却和阴极材料无 关。 2022/9/21775-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论流柱（Streaming）理论流注理论的基本思想阴极阳极辐射电子崩基于光子辐射使气体逐段电离（光电离），然后连成一片，很好地解释了长间隙击穿过程的快速性2022/9/2178辐射5-2 气体放电的物理基础气体间隙击穿 （Breakdown）理论流柱（Streaming）理论气隙击穿过程阴极阳极电子崩电子崩内电荷分布

35、阴极发射电子大量电子、正离子（电子崩）电场加速碰撞电离内部复合放出光子电子崩头部光电离产生电子产生第二个电子崩各电子崩头尾发展连成一个通道崩头、崩尾电场加强崩内部电场减弱2022/9/21795-2 气体放电的物理基础弧隙中带电粒子数的变化离子平衡公式开关电器中，气体间隙击穿后，通常立即发生弧光放电（电弧）光发射热发射电离作用场致发射二次发射电场电离带电粒子变化复合扩散2022/9/21805-2 气体放电的物理基础弧隙中带电粒子数的变化离子平衡公式根据弧隙中带电粒子数的增减来判别电弧燃烧的变化趋势 稳定燃烧=0 趋于熄灭0电弧强度电离度带电粒子数2022/9/2181第5章 电器的电弧理论5

36、-1 引言5-2 气体放电的物理基础5-3 电弧的物理特性5-4 直流电弧的特性与熄灭原理5-5 交流电弧的特性与熄灭原理5-6 开关电器典型灭弧装置的工作原理2022/9/21825-3 电弧的物理特性产生电弧的方式开断电路（拉弧）（Drawn arc）火花触发（Triggered arc）熔丝引弧2022/9/21835-3 电弧的物理特性开断电路时电弧的产生过程起弧条件大气中开断直流电路最小生弧电压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 或 则只产生

37、火花（spark）2022/9/21845-3 电弧的物理特性开断电路时电弧的产生过程触头开始分离接触处熔化，形成液态金属桥（Metal bridge）液桥变细拉长，开始蒸发触头压力接触电阻接触面积电流密度发热2022/9/21855-3 电弧的物理特性开断电路时电弧的产生过程液桥变细拉长，开始蒸发复合阳极温度离子阴极阴极电场二次发射复合阴极温度热发射电子离子复合弧隙温度热电离电弧稳定燃烧电弧电压液桥完全蒸发：蒸汽进入弧隙阴极：发射电子（热发射、场致发射）弧隙：电场电离产生大量带电粒子电子阳极弧隙温度热电离主导电导率2022/9/21865-3 电弧的物理特性开断电路时电弧的产生过程2022/

38、9/21875-3 电弧的物理特性电弧电压的特性电弧电压Uh沿弧长分布不均匀，分为三个区域以直流电弧为例近阴极区：Cathode弧柱区：Z近阳极区：Anode2022/9/21885-3 电弧的物理特性电弧电压的特性近阴极区长度与电子平均自由程相当（10-6m）近似无碰撞有大量正离子正空间电荷区形成阴极压降Uc电场强度高利于二次发射和场致发射阴极压降与阴极材料和气体介质特性有关低沸点阴极：大致等于阴极材料蒸汽的电离电位高沸点阴极：大致等于气体介质的电离电位2022/9/21895-3 电弧的物理特性电弧电压的特性近阳极区长度约为阴极区的几倍有大量电子负空间电荷区形成阳极压降Ua（与阳极材料有关

39、）电场强度较低稳定燃弧时，Uc、Ua 随 I 变化不大，一般认为是常数2022/9/21905-3 电弧的物理特性电弧电压的特性弧柱区不一定为“圆柱形”正负带电粒子数相等，为等离子体不存在空间电荷，类似电阻单位长度弧柱的压降基本相等电场强度沿轴向近似为常数影响电场强度 E 的因素电极材料电流大小气体介质种类气压介质对电弧作用2022/9/2191电弧电压的特性弧柱区弧柱电阻燃弧过程中，基本不变电弧电压近极压降弧柱电压E：弧柱电场强度（V/m）l：电弧长度（m）（近似等于极间距离）5-3 电弧的物理特性2022/9/2192电弧电压的特性按U0、Uz 在Uh 中所占的比例将电弧分为短弧和长弧5-

40、3 电弧的物理特性短弧：l 很小，Uz可忽略，Uh 几乎与 I 无关长弧：l 很大，UzU0，Uh 大致与E 成正比2022/9/2193弧柱温度5-3 电弧的物理特性具有很高的温度：大于6000K一般需要间接测量温度开关电器中一般采用的数据Th20000K：c（电离度）1Th rh）?2022/9/21111电弧的能量平衡5-3 电弧的物理特性弧柱散热方式：传导、对流、辐射传导利用热路的方法电弧0周围介质l2022/9/21112电弧的能量平衡5-3 电弧的物理特性弧柱散热方式：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分子原子（吸热）原子分子（散热）?l 愈大，Pcd 愈

41、大，电弧电压高且较易熄灭2022/9/21113电弧的能量平衡5-3 电弧的物理特性弧柱散热方式：传导、对流、辐射对流弧柱中炽热的电离气体周围冷的气体介质2022/9/21114电弧的能量平衡5-3 电弧的物理特性弧柱散热方式：传导、对流、辐射对流 自由燃弧时，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（W）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）2022/9/21115电弧的能量平衡5-3 电弧的物理特性弧柱散热方式：传导、对流、辐射对流 自由燃弧时，传导与对流散热功率相当 开

42、关电器中常采用强迫对流，对流起主导作用Pdl:对流散热功率（W）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）纵吹2022/9/21116电弧的能量平衡弧柱散热方式：传导、对流、辐射对流横吹纵吹横吹时：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5-3 电弧的物理特性2022/9/21117电弧的能量平衡弧柱散热方式：传导、对流、辐射辐射5-3 电弧的物理特性辐射散发的功率Pfs与弧柱体积成正比电弧不一定是透明体！efs:弧柱的发射率（W/(cm3.K4)）l:电弧长度（cm

43、）rh:弧柱半径（cm）Th:弧柱平均温度（K）T0:介质温度（K）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2022/9/21118电弧的能量平衡5-3 电弧的物理特性弧柱总的散发功率传导散发功率对流散发功率辐射散发功率长弧时近极区耗散功率电极2022/9/21119电弧的能量平衡5-3 电弧的物理特性电弧产生稳定燃烧的能量平衡过程假定 Ih 不变Th较小dh较小Rh较大Uh较大Ph较大Ps较小电弧进入稳定燃烧状态 Th dh Rh Uh IhUh Ps2022/9/21120电弧的能量平衡5-3 电弧的物理特性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

44、流有密切的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（有一定条件，而且真空电弧不是这样！）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）2022/9/21121电弧的能量平衡5-3 电弧的物理特性电弧的动态能量平衡（守恒）方程电弧所含的热能（J）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Ph-PsThdh电弧强度0趋于炽热 S2S1 = S2S1 S2S1 R4U3 U4I1I3：R5 R6U5 U62022/9/211325-4 直

45、流电弧的特性与熄灭原理直流电弧的动态伏安特性静态伏-安特性极端情况电弧在 I1 稳定燃烧电弧电流：以dIh/dt =由 I1增大到I2电弧电压：124电弧在 I1 稳定燃烧电弧电流：以dIh/dt =由 I1减小到0电弧电压：10（忽略近极压降）曲线0-1-2 称为电流变化速度为无穷大时的电弧动态伏-安特性2022/9/211335-4 直流电弧的特性与熄灭原理直流电弧的动态伏安特性一定条件下，电弧的静态伏-安特性只有一条动态伏-安特性却有无数条?动态伏-安特性与电流的变化率有关注意：起始点不同，动态伏-安特性范围不同但动态伏-安特性只能在一定的范围之内?2022/9/211345-4 直流电

46、弧的特性与熄灭原理直流电弧的动态伏安特性一定条件下，电弧的静态伏-安特性只有一条动态伏-安特性却有无数条动态伏-安特性与电流的变化率有关对于交流电弧 ， 也随时间变化，则动态伏-安特性更复杂2022/9/211355-4 直流电弧的特性与熄灭原理直流电弧的熄灭原理直流电路中：电弧 稳定燃烧 时的电弧电流?稳定燃烧熄灭2022/9/211365-4 直流电弧的特性与熄灭原理直流电弧的熄灭原理直流电路中：电弧 稳定燃烧 时的电弧电流折算到弧隙两端的线路电容（也包括弧隙间的寄生电容）一般很小当电弧电压变化不快时可以忽略电路方程2022/9/211375-4 直流电弧的特性与熄灭原理直流电弧的熄灭原理

47、直流电路中：电弧 稳定燃烧 时的电弧电流电路方程电弧电阻为非线性，可采用图解法R = tan (a)稳定燃烧时：电弧可以在 I1和I2 稳定燃烧吗？?I2 是真正的电弧稳定燃烧点2022/9/211385-4 直流电弧的特性与熄灭原理直流电弧的熄灭原理I2 是真正的电弧稳定燃烧点在开关电器中，并不希望电弧稳定燃烧使稳定燃弧点2不存在的措施?2022/9/211395-4 直流电弧的特性与熄灭原理直流电弧的熄灭原理使稳定燃弧点2不存在的措施熄弧过程中串入另一电阻增大Uh近极压降电场强度电弧长度增大RR = tan (a)2022/9/211405-4 直流电弧的特性与熄灭原理直流电弧的熄灭原理提

48、高电弧电压的措施提高近极压降用金属栅片将电弧分成多个短弧 U0:近极压降n：短弧数E：弧柱电场强度l:全部短弧的长度之和2022/9/211415-4 直流电弧的特性与熄灭原理直流电弧的熄灭原理提高电弧电压的措施增大电弧长度触头运动电动力吹弧触头形状结合磁吹2022/9/211425-4 直流电弧的特性与熄灭原理直流电弧的熄灭原理提高电弧电压的措施增大弧柱电场强度提高气体介质压力提高电弧与介质的相对速度绝缘栅片冷却电弧，加强带电粒子的复合作用?2022/9/211435-4 直流电弧的特性与熄灭原理直流电弧的熄灭原理低压开关电器：一般采用提高电弧电压的方法熄灭直流电弧高压开关电器：采用提高电弧

49、电压和增大回路电阻相结合的方法熄灭直流电弧也可采用人工过零的方法熄灭直流电弧加反向电流使 Ih 强迫过零2022/9/211445-4 直流电弧的特性与熄灭原理直流电弧的能量和燃弧时间燃弧时间：从触头分开产生电弧到电弧熄灭的时间满足熄弧条件时，电弧不会立即熄灭?回路中存在电感 弧柱具有热惯性2022/9/21145直流电弧的能量和燃弧时间燃弧时间的计算5-4 直流电弧的特性与熄灭原理假定：电感为主要影响因素忽略热惯性可采用静态伏安特性采用经验公式：电极以速度v 打开电弧长度：l = vt非线性微分方程2022/9/21146直流电弧的能量和燃弧时间直流电弧的能量5-4 直流电弧的特性与熄灭原理

50、2022/9/21147直流电弧的能量和燃弧时间直流电弧的能量5-4 直流电弧的特性与熄灭原理电弧消耗的能量电源供给的能量电阻消耗的能量电感存储的能量燃弧开始时储存在电感中的能量必须泻放到弧隙中若已知Ih ( t )可计算电弧能量Wh2022/9/21148直流电弧的能量和燃弧时间结论5-4 直流电弧的特性与熄灭原理电路电感越大，储能越多，电弧越难熄灭电感中能量的泄放需一定时间，故电弧不能立即熄灭电弧也是开断过程中重要的泄能方式若电弧由电流较大的值突然熄灭，会有什么后果？?过电压2022/9/21149直流电弧熄灭时的过电压（over-voltage）电弧熄灭时产生过电压的原因5-4 直流电弧

51、的特性与熄灭原理回路电感| dIh/dt | 较大很大的自感电势Ul = LdIh/dtdIh/dt 0 电源电势过电压过电压的影响间隙重击穿，重燃（reignition）导致系统设备损坏若没有过电压抑制措施，不能过分减少燃弧时间2022/9/21150直流电弧熄灭时的过电压（over-voltage）过电压的计算5-4 直流电弧的特性与熄灭原理一般在电流过零时，过电压最大 LUgmax Ugmax消电离作用过强结论2022/9/21151直流电弧熄灭时的过电压（over-voltage）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零5-4 直流电弧的特

52、性与熄灭原理由此产生的过电压称为截流过电压2022/9/21152直流电弧熄灭时的过电压（over-voltage）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零5-4 直流电弧的特性与熄灭原理电感电流不能突变电流经寄生电容导通截流后电流怎样流动?2022/9/21153直流电弧熄灭时的过电压（over-voltage）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零5-4 直流电弧的特性与熄灭原理截流后电路中的电压和电流怎样变化?2022/9/21154直流电弧熄灭时的过电压（over-voltage）弧隙消电离作

53、用过分强烈时，可出现截流（Current chop），即电弧电流突然降到零5-4 直流电弧的特性与熄灭原理L、C、R 形成衰减振荡电路弧隙两端电压（Uc）最终稳定在E2022/9/21155直流电弧熄灭时的过电压（over-voltage）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零5-4 直流电弧的特性与熄灭原理2022/9/21156直流电弧熄灭时的过电压（over-voltage）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零5-4 直流电弧的特性与熄灭原理Ug（ Uc）何时达到最大值（Ugmax）?振荡电

54、流过零时，Ug（ Uc）达到最大值（Ugmax）此时磁场能量全部转变为电场能量2022/9/21157直流电弧熄灭时的过电压（over-voltage）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零5-4 直流电弧的特性与熄灭原理振荡电流过零时，Ug（ Uc）达到最大值（Ugmax）此时电场能量全部转变为磁场能量U0 相对较小波阻抗2022/9/21158直流电弧熄灭时的过电压（over-voltage）开断感性负载的限压措施5-4 直流电弧的特性与熄灭原理K1灭弧能力比K2 强降低电流减小储能K1先分K2 后分提供泄能回路不影响回路正常工作2022/9

55、/21159第5章 电器的电弧理论5-1 引言5-2 气体放电的物理基础5-3 电弧的物理特性5-4 直流电弧的特性与熄灭原理5-5 交流电弧的特性与熄灭原理5-6 开关电器典型灭弧装置的工作原理2022/9/21160O5-5 交流电弧的特性与熄灭原理交流电弧的伏-安特性 交流电弧的伏安特性：Uh, Ih均随时间变化，dih/dt 也变化假定：电流过零期间，电弧电阻为有限值（介质对电弧的冷却作用不太强）OOIh很小Ph0dWQ / dt = -Ps 0duh / dih 0duh / dt 02022/9/211615-5 交流电弧的特性与熄灭原理交流电弧的伏-安特性 OAIh Ph弧柱变热

56、、变粗RhdWQ / dt = Ph-Ps 0duh / dt 0ABIh Ph弧柱变热、变粗Rh：迅速减小dWQ / dt = Ph-Ps 0一定值duh / dt 0duh / dih 0一定值duh / dt 0duh / dih 0（负电阻）BCIh Ph热惯性：RhBC RhABuhBC uhABRhuh2022/9/211635-5 交流电弧的特性与熄灭原理交流电弧的伏-安特性 COIh Ph弧柱变冷、变细Rh一定值duh / dt 0BCIh Ph热惯性：RhBC RhABuhBC 0一定值duh / dt 0duh / dih 0（负电阻）燃弧尖峰熄弧尖峰COIh Ph弧柱变冷

57、、变细Rh一定值duh / dt 电流过零后的零休电流过零后的零休零休的作用：利于电弧冷却，进一步增大电弧电阻，利于电弧熄灭2022/9/211725-5 交流电弧的特性与熄灭原理电弧电压对交流电路电流的影响阻性负载感性负载电流过零前的零休电流过零后的零休电流过零前的零休电流过零后的零休交流情况下，阻性负载电路比感性负载电路中的电弧更容易熄灭阻性负载中：电流过零前后的零休时间比感性负载中的零休时间长，更利于电弧的冷却和介质恢复，利于电弧熄灭原因之二2022/9/211735-5 交流电弧的特性与熄灭原理电弧电压对交流电路电流的影响电流过零的速度感性负载电路中uxh 使电流过零时的下降速度增大，

58、电弧在过零前的冷却时间 变短，从这个角度来看，不利于熄弧2022/9/211745-5 交流电弧的特性与熄灭原理电弧电压对交流电路电流的影响限流作用当 uh 与 u 可比拟时，体现出限流作用假定：u 处于峰值时，发生短路，则短路电流不存在非周期分量系统发生单相短路时，短路电流的一般表达式稳态分量暂态分量短路电流周期分量有效值短路瞬间电压的相位角 电流滞后于电压的相位角 时，非周期分量（暂态分量）为零2022/9/211755-5 交流电弧的特性与熄灭原理电弧电压对交流电路电流的影响限流作用假定：t = t1时，触头以速度v 打开，形成电弧回路1回路22022/9/211765-5 交流电弧的特

59、性与熄灭原理电弧电压对交流电路电流的影响限流作用回路1回路2回路12022/9/211775-5 交流电弧的特性与熄灭原理电弧电压对交流电路电流的影响限流作用回路1回路2回路2假定：电场强度为常数假定：忽略近极压降（长弧）2022/9/211785-5 交流电弧的特性与熄灭原理电弧电压对交流电路电流的影响限流作用回路1回路22022/9/211795-5 交流电弧的特性与熄灭原理电弧电压对交流电路电流的影响限流作用由于电弧电压的作用，减小了短路电流峰值，缩小了第一个半波电流的时间，称为限流作用限流峰值：i 的幅值限流系数：i 和 i 的幅值之比限流的作用：减小短路电流电动力和热的作用应用：常用

60、于低压开关电器，在高压开关电器中作用不显著?2022/9/211805-5 交流电弧的特性与熄灭原理电弧电压对交流电路电流的影响减小电路的功率因数角j感性电路，若无电弧，功率因数角感性电路，若有电弧，相当于电路中串入了电阻，功率因数角减小2022/9/211815-5 交流电弧的特性与熄灭原理交流电弧能量的计算计算电弧能量的意义掌握触头及灭弧室的发热及烧蚀情况影响灭弧性能计算电弧能量的基本方法电弧产生的时刻电弧熄灭的时刻n：燃弧半波数?实际的交流电弧总在电流过零时熄灭2022/9/211825-5 交流电弧的特性与熄灭原理交流电流过零时，电弧的输入功率为零，有利于熄弧大部分交流开关设备都利用该