电弧的基本特性

电弧的基本特性第1页/共112页2第三章电弧的基本特征空间天体等离子体第2页/共112页3

概述

背景知识

§3-1气体放电的物理过程

§3-2电弧的物理特征

§3-3直流电弧的燃烧与熄灭

§3-4交流电弧的特性

小结第三章电弧的基本特征第3页/共112页4概述一、电弧是一种气体放电现象，也是一种等离子体（Plasma）。二、学习电弧知识的目的是掌握电弧规律，尽快熄弧。第4页/共112页5三、“电弧”的定义：定义(1)：开断电路时，在触头间隙中出现的一团温度极高、发强光和能够导电的近似圆柱体的气体。可出现于大气、真空、油介质和SF6气体介质等中间。概述第5页/共112页6定义(2)：在大气中开断电路时，当电源电压U>U0=（12～20）Ｖ，被开断电流Ｉ>（0.25～1）Ａ时，触头间隙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。

2、气体放电：指弧隙中气体由绝缘状态变为导体状态，使电流得以通过的现象。概述第6页/共112页7背景知识“等离子体——

Plasma”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质，它是除固、液、气外的物质存在的第四态。看似“神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99％。第7页/共112页8固体

冰液体

水气体

水汽等离子体

电离气体温度00C1000C100000C背景知识第8页/共112页9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时发生作用。背景知识第9页/共112页10二、等离子体分为两种：高温和低温等离子体。1、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这种等离子体，组成了宇宙的99％。它是高温等离子体。2、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）。背景知识第10页/共112页11低温等离子体现在广泛运用于多种生产领域，如等离子电视，婴儿尿布表面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性，更重要的是在电脑芯片中的蚀刻运用，让网络时代成为现实。低温等离子体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。现在人们已经掌握利用电场和磁场产生来控制等离子体。

背景知识第11页/共112页12人类的生存伴随着水，水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。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。背景知识第12页/共112页地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器典型的工业应用：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、飞行器鞘套与尾迹背景知识第13页/共112页14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：火焰第14页/共112页15星系：巨大的聚变反应堆背景知识第15页/共112页16北极光背景知识第16页/共112页17三、等离子体显示技术（PlasmaDisplay)等离子体显示技术之所以令人激动，主要是以下两原因：（1）可制造超大尺寸的平面显示器（50英寸甚至更大）；（2）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160度以上。换句话说，利用惰性气体（Ne、He、Xe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。背景知识第17页/共112页18

1、所谓等离子彩电——

PDP（PlasmaDisplayPanel），是指基于在两张薄玻璃板之间充填混合气体，施加电压使之产生等离子气体，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。2、等离子体显示器：又称电浆显示器，是继CRT(阴极射线管）、LCD（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，占用极少的空间，代表未来显示器的发展趋势。背景知识第18页/共112页193、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、蓝三色荧光体，发出在显示器上能看到的可见光。背景知识第19页/共112页20四、等离子体隐身技术在飞机、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。背景知识第20页/共112页21军事应用等离子体天线等离子体雷达隐身飞行器减阻假目标及诱饵高技术大功率微波器件强X射线源及X射线激光强流束技术等离子体推进磁流体发电等离子体军事及高技术应用背景知识第21页/共112页22主要参数Pf=500MWQ>10T=500sR=6.2mA=2.0mIp=15MAB=5.3TV=837m3S=678m2Pin=73MW46亿美元ITER：托卡马克聚变实验堆背景知识第22页/共112页23聚变等离子体2005年6月28日ITER：Cadarache背景知识第23页/共112页24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倍频聚变等离子体第24页/共112页25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第25页/共112页26§3-1气体放电的物理过程气体放电:是指气体由绝缘状态变成导电状态，使电流通过的现象。气体放电的前提：气体游离化。一、激励与游离：１、激励：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(激励后原子仍是中性原子，但原子的能量提高了)。此状态只存在10-9～10-8秒。第26页/共112页27２、游离：①定义：游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，使原来的中性原子或分子(统称中性粒子或中性质子)变成一个带正电荷的粒子(正离子)的过程。②游离能(Ｗy)：指游离出一个电子所需的最低能量(单位为：Ｊ，其值参见教材)。为方便起见，游离能Ｗy可以直接用游离电压表示，其单位由J改为ev；§3-1气体放电的物理过程第27页/共112页281ev＝一个电子在真空中经过1V的电位差所获得的动能。例：13.45ev＝13.45×1.6×10-19Ｊ。③游离电位Ｕy：Ｕy＝Ｗy/e，其中e：电子电荷，e＝1.6×10-19Ｃ。３、分级游离：指经过激励状态再游离的过程。§3-1气体放电的物理过程第28页/共112页29二、气体游离方式：表面发射和空间游离。１、表面发射：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。①热发射：在2000～2500K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而逸出的现象。逸出功：记为Ｗyc，是指一个电子逸出金属所需的最低能量，单位为ev。§3-1气体放电的物理过程第29页/共112页30②高电压发射：也叫场致发射，是常温下当金属表面的电场强度>106(v/cm)时，自由电子逸出金属的现象。③光发射：光线(红外线、紫外线及其他射线)照在金属表面，引起电子从表面逸出的现象。④二次发射：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二次发射。§3-1气体放电的物理过程第30页/共112页31２、空间游离：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。空间游离的方式有光游离、电场游离和热游离；它们可能同时存在。①、光游离：中性粒子受光照作用，当光子能量(h•γ)原子或分子的游离能时，发生的游离。(h：普朗克常数，h＝6.624×10-34，单位是j•s；γ：光子的频率，S-1)。光游离作用的大小，与光频成正比。§3-1气体放电的物理过程第31页/共112页32②、电场游离：也叫碰撞游离。是一个质量为m的带电粒子(由光游离或表面发射所产生)在电场的作用下被加速到Ｖ后，如其动能½MV²大于Ｗy，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离子。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。第32页/共112页33③、热游离：当气体温度在3000～4000K以上时，气体粒子因高速热运动而互相碰撞所产生的游离。气体的热电离度可用沙哈公式计算：式中，P是压力（Pa），T是气体温度(k)，Wyl是中性粒子的电离能(J)。由图3-1知，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。§3-1气体放电的物理过程第33页/共112页34三、去游离及其方式：１、去游离：也叫消游离；是指游离气体中的带电粒子离开游离区域，或带电粒子失去电荷变成中性粒子的现象。２、去游离方式：包括复合与扩散。①、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：a、表面复合：四种。此时，释放的能量多用以加热电极、金属或绝缘材料的表面。§3-1气体放电的物理过程第34页/共112页35§3-1气体放电的物理过程第35页/共112页36§3-1气体放电的物理过程第36页/共112页37b、空间复合：有直接复合和间接复合(电子粘在中性粒子上，再与正离子相遇复合成为两个中性粒子)。对空间复合而言，促使空间复合的决定因素是冷却，因为冷却促使带电粒子运动速度减小。②、扩散：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。§3-1气体放电的物理过程第37页/共112页38四、气体放电§3-1气体放电的物理过程第38页/共112页39１、气体放电的几个阶段：见图3-5。①、非自持放电阶段：是指当外界因素去除后，放电无法维持的阶段，即图中的ＯC段。

OA段：电场强度较小，带电粒子仅由宇宙射线、χ射线等产生，属漫游状态，当U↑时，到达阴极的带电粒子成比例增加；

AC段：电压较高，间隙电场强度较大，I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后，放电停止，故称之为非自持放电阶段。§3-1气体放电的物理过程第39页/共112页40②、自持放电阶段：图3-5中的CF段。a、定义：是指当外界因素去除后，放电能够维持的阶段，即图中的CF段。b、自持放电的条件：发生了间隙击穿(放电电流雪崩般增加，即放电突变的现象)。间隙击穿电压主要决定于气体压力Ｐ和电极间距离Ｌ的乘积，即Ｕjc＝f(p•l)，其也称为巴申曲线。§3-1气体放电的物理过程第40页/共112页41§3-1气体放电的物理过程第41页/共112页42c、举例：将BF段分为BD区和EF区。其中，#C点附近的BD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Ｉ＝0.1Ａ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阴极区的碰撞电离。维持辉光放电的重要条件是阴极的低温。§3-1气体放电的物理过程第42页/共112页43#EF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，最后由电子进入阳极区而被阳极所吸收。游离方式有热游离与光游离；形式：电弧；特征：温度极高（6000k以上），电流密度很大（几千安/平方厘米），阴极压降很小（几十伏）。§3-1气体放电的物理过程第43页/共112页44２、气体放电的几种形式：①.辉光放电：图3-5的BＤ段；Ｉ＝0.1Ａ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。②.弧光放电：图3-5的ＥF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，最后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。§3-1气体放电的物理过程第44页/共112页45五、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。2、汤逊放电理论：1）表达式1：电离的条件是

式中

λ是电子平均自由行程.3）电子沿电场运动时，不考虑实际的“Z”字形轨迹特征。2）表达式2：§3-1气体放电的物理过程第45页/共112页463、汤逊第一系数α：即空间游离系数，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粒子对数（一个电子和一个正离子为一对），其表达式为：其中，P是气压，mmHg；T：气温，k；A0、B0：是经验数据。§3-1气体放电的物理过程第46页/共112页474、间隙击穿条件：分均匀电场和不均匀电场考虑。1）均匀电场：（1）气体间隙击穿条件：式中γ是表面游离系数，又叫汤逊游离第二系数，见表3-3，例如铜电极的γ＝0.025；汤逊第一系数α是空间游离系数。§3-1气体放电的物理过程第47页/共112页48§3-1气体放电的物理过程第48页/共112页49式中，A、B是常数，见表3-4。另外，“pl”应看作一个参数。铜电极在空气下的Ujc对pl试验曲线（实线）与令r=0.025、按上式作出的Ujc对pl的关系曲线（虚线）如图所示，称为“巴申曲线”。（2）间隙击穿电压Ujc：§3-1气体放电的物理过程第49页/共112页50“巴申曲线”分析，结果：①除pl很小外，实线与虚线很接近；②pl很高（提高气压）或很低（真空）时，Ujc较大；③p在特定位置[（pl）min]时，Ujc最小（Ujcmin）。§3-1气体放电的物理过程第50页/共112页51将上式对pl求极值，可得铜电极在空气中的最小击穿电压：实际为327V。§3-1气体放电的物理过程第51页/共112页52最小击穿电压计算：2）不均匀电场的气体间隙击穿条件：§3-1气体放电的物理过程第52页/共112页53当带电粒子变化，电弧燃烧趋热；当时，电弧燃烧趋于稳定；当时，电弧燃烧趋于熄灭。5、弧隙中带电粒子的变化情况可用离子平衡方程式§3-1气体放电的物理过程第53页/共112页54§3-2电弧的物理特征一、开断电路时电弧的产生过程1、最小生弧电流和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流和最小生弧电压（直流见表3-5，交流见表3-6）时，弧隙中将产生电弧。

第54页/共112页552、电弧产生和发展的过程：1）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；2）触头闭合过程中，因动触头“弹跳”，在一定条件下产生电弧；3）触头分离时，电弧产生过程。§3-2电弧的物理特征第55页/共112页563、触头分离：1）开始分离：接触面积减小，电流密度增大，强烈发热；2）分离瞬间：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，再由电场游离产生电子和正离子，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。注意：高电场发射是电弧产生的根本原因。§3-2电弧的物理特征第56页/共112页57二、电弧近极区和弧柱区的特征：1、直流电弧电弧压降Uh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；阴极压降Uc较大，其值与阴极材料和气体介质有关，数值见表3-7。（2）近阳极区：聚集大量电子，属负空间电荷区；阳极压降Ua，其值与阳极材料有关；§3-2电弧的物理特征第57页/共112页58（3）弧柱区：近似圆柱形；电离气体中正负带电粒子数相等，为等离子体，类似金属导体；E沿弧长可看作是常数，其值与电极材料、气压、介质对电弧的作用等有关；弧柱电压Uz＝IhRh。§3-2电弧的物理特征第58页/共112页59式中，U0是近极压降；E是弧柱电场强度V/cm；l是电弧长度。按Ua和Uc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，Uh>>U0，且UhE的电弧）。2、直流电弧电压：§3-2电弧的物理特征第59页/共112页60三、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。开关电器：燃弧温度6000～20000K；趋向熄灭温度：3000～4000k。五、弧柱的直径。§3-2电弧的物理特征第60页/共112页61六、电弧的弧根和斑点：1、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，其中：（1）阴极斑点：是维持电弧存在的电子发射处，其电流密度高（104A/cm2，甚至达107A/cm2），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。§3-2电弧的物理特征第61页/共112页62（2）阳极斑点：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。§3-2电弧的物理特征第62页/共112页633、电弧的能量平衡：（1）电弧的发热功率：

（2）电弧的散热功率（传导、对流、辐射）：§3-2电弧的物理特征第63页/共112页64式中

WQ是电弧的含热量，J；Ps：弧柱总散热量；

Ph：电弧功率。因此，当时，电弧燃烧趋热；当时，电弧稳定燃烧；当时，电弧趋于熄灭。（3）由上两式，可得电弧的动态能量平衡方程：§3-2电弧的物理特征第64页/共112页65三、维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理：１、前提：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能，通过传导(cd)、对流(dl)和辐射(fs)三种方式散失。§3-2电弧的物理特征第65页/共112页66２、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：令：Ｐh：输入弧隙的功率，Ｗ；Ｐs：散失功率，Ｗ；①Ｐh>Ｐs：Ｉh增加，th增加，弧径变粗；②Ｐh＝Ｐs：h恒定，电弧稳定燃烧；③Ｐh<Ｐs：逐渐熄灭。§3-2电弧的物理特征第66页/共112页67３、用离子平衡的观点，分析维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理：令Ｑ1：游离强度，即带电粒子增加率；Ｑ2：去游离强度，即带电粒子减小率；①Ｑ1>Ｑ2：Ｉh增加；②Ｑ1＝Ｑ2：Ｉh恒定，电弧稳定燃烧；③Ｑ1<Ｑ2：电弧逐渐熄灭。§3-2电弧的物理特征第67页/共112页684、总结：电弧是热和电的统一体，具有“热-电效应”。热方面，熄灭电弧的关键是创造条件使电弧迅速冷却，使输入热功率小于散失功率；离子动平衡方面，使去游离强度大于游离强度，可使电弧熄灭。§3-2电弧的物理特征第68页/共112页69§3-3直流电弧的燃烧与熄灭一、直流电弧的伏安特性(非线性)：１、测量直流电弧伏安特性的电路第69页/共112页702、直流电弧伏安特性曲线（见图3-19）：§3-3直流电弧的燃烧与熄灭第70页/共112页71（1）概念：在电弧长度维持不变的情况下，对应每一个直流电流Ih，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Uh，则称Uh与Ih的关系为直流电弧的静态伏安特性，是非线性、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；（3）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。（4）电弧电阻Rh的计算公式：

§3-3直流电弧的燃烧与熄灭第71页/共112页723、直流电弧伏安特性曲线分析：①计算直流电弧静伏安特性电压与电流间的经验公式：Ｕh＝Ｕ0＋Ｃ•Ｌz/(ih)n式中Ｕ0：电弧近极压降，Ｖ；Ｌz：电弧长度，cm；n和c：常数，n＝0.25；ih：电弧电流，Ａ；②静伏安特性曲线１/动伏安特性曲线２、3、４：如图3-8所示.§3-3直流电弧的燃烧与熄灭第72页/共112页73§3-3直流电弧的燃烧与熄灭第73页/共112页74图中，Ih↑时，Uh↓，原因是：Ih↑时，输入功率IhUh↑，温度T↑，结果直径d↑，导致Ps↑,Rh↓，最终Uh↓,即Rh↓。曲线２低于曲线１的原因：热惯性作用，即对同样的电弧电流，曲线２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Ｕh偏小些。§3-3直流电弧的燃烧与熄灭第74页/共112页75任取图3-20的稳定燃烧曲线6中一点1（I=I1）分析图中曲线的变化情况：§3-3直流电弧的燃烧与熄灭第75页/共112页76二、直流电弧的稳定燃烧点与熄灭条件：１、直流电弧的稳定燃烧点：（１）对比直流电弧的静伏安特性曲线与电路的伏安特性曲线的关系。（２）直流电弧的稳定燃烧点：也叫“工作点”，它们满足：Ｅ-ＩＲ＝Ｕh。（３）用图解法求直流电弧的稳定燃烧点并分析之：①.Ａ点：视在稳定燃烧点；Ｂ点：稳定燃烧点。②.原因是：Ｅ-ＩＲ＝f（Ｉ）与Ｕh＝f（Ｉ）间的大小关系。§3-3直流电弧的燃烧与熄灭第76页/共112页77§3-3直流电弧的燃烧与熄灭第77页/共112页78§3-3直流电弧的燃烧与熄灭第78页/共112页79２、直流电弧的熄灭条件：E-IR<Uh３、促使低压电器直流电弧熄灭的常用措施：①用金属栅片分隔电弧，以增加近极压降；②增加触头开距，或用电动力磁吹灭弧，以拉长电弧；③增大弧柱中的电场强度Ｅz，具体方法有：

a增大气体介质的压力Ｐ；

b增大电弧与流体介质间的相对运动速度(纵吹和横吹)；

c加强电弧与耐弧的绝缘材料的密切接触。§3-3直流电弧的燃烧与熄灭第79页/共112页80４、促使高压电器直流电弧熄灭的常用措施：增大电路电阻Ｒ。

§3-3直流电弧的燃烧与熄灭第80页/共112页81三、电弧能量及开断直流电弧过电压：１、电弧能量是由电源供给的能量和未开断电路前原存于电感中的磁能。２、开断直流电弧的过电压：电压方程：Ｕh＝Ｅ-ＩＲ-Ｌ•di/dt积分：∫t0ＵhＩdt=∫12(Ｅ-ＩＲ)Ｉdt＋½ＬＩ2得：Ｕlm=Ｅ－Ｌ•di/dt1t→0

故Ｉ＝0时，出现过电压。§3-3直流电弧的燃烧与熄灭第81页/共112页82§3-3直流电弧的燃烧与熄灭第82页/共112页833、限制过电压的几种措施：§3-3直流电弧的燃烧与熄灭第83页/共112页84

交流电流用i表示，其瞬时值随时间t变化，每周期过零二次；当动态交流电弧电流i=0时，电弧自行熄灭；其后，在一定条件下重燃。一、交流电弧的伏安特性：1、试验电路如图所示。2、交流电弧伏安特性的定义：是指一个周期内Ｕh与Ｉh关系曲线，用uh-ih表示。§3-4交流电弧的特性第84页/共112页85§3-4交流电弧的特性第85页/共112页86

3、用“能量平衡原理”分析解释交流电弧的伏安特性曲线：1）暂时不考虑负载的影响。（1）OA段：

ih由0上升的零休期间，弧柱变冷、变细，Rh增大，因此uh（=

ihRh）以很陡斜率上升；（2）靠近A点与AB段：

ih增大，Ph也增大，弧柱变热变粗，uh随

ih的增长再下降，其最高点A点的电压称为燃弧尖峰Urh。§3-4交流电弧的特性第86页/共112页87（3）BC段：

ih到最大值（B点）后减小，uh沿BC曲线上升，因弧柱存在热惯性，Rh会比ih增大情况下同一ih时的数值为小，故曲线BC比AB低。C点电压为熄弧尖峰Uxh。（4）CO段：

ih减小，Ph也减小，Rh逐渐上升。当ih下降速度比Rh上升速度要大于某一数值时，uh又开始随ih减小而下降。ih趋近于零，ih也趋近于零。（5）对应上图的电弧电压uh随时间t变化的波形：见图3-33，为马鞍形。

§3-4交流电弧的特性第87页/共112页882）

考虑负载（电阻性与电感性）影响后的uh-ih波形：图3-33和图3-35。

§3-4交流电弧的特性第88页/共112页89

（1）、纯电阻负载时，交流电弧的熄灭过程：电阻性负载下，ih与电源电压u同相。当ih过零以后、urh到来之前（电弧已熄灭），因Rh迅速增大，加在弧隙上的电压即是u的瞬时值，uh乃是u的波形；ih=u/Rh，值很小。随着u上升，ih逐渐增大。当uh＝urh后，ih的大小由u/Rh决定，是逐渐增大的。在ih半波末了时，ih减小，uh上升；当u下降至低于uxh时，电弧uh又随u变化（电弧完全熄灭）。结果：urh之前和uxh之后的uh波形（实际是弧熄的波形），皆与u的波形基本重合。§3-4交流电弧的特性第89页/共112页90（2）、电感性负载下，交流电弧的熄灭过程：ih落后电源电压u约90°。当ih过零时，电弧熄灭，u约为幅值。因Rh迅速增大，电路相当于完全开断，uh将以很快的速度（比电阻性负载快得多）超过u的幅值，故urh出现较早，弧熄中通过较大负载电流的时间也提前。§3-4交流电弧的特性第90页/共112页91§3-4交流电弧的特性第91页/共112页92（3）在开断同一电流时，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：一是：“电压比较”的结果。

见P85第二段的说明，加上“在ih过零前的一段时间内，Ph<Ps，弧柱是变冷、变细的。如ih过零后加在弧熄上的电压缓慢上升，则在较长时间内电弧的Ph<Ps，弧柱将变冷、变细，Rh将更加增大，也使urh更加增高。如urh的增高大于u的幅值，Rh将不再迅速下降，因此电弧将不再重燃”。§3-4交流电弧的特性第92页/共112页93二是：“零休期时间”的长短对电弧的熄灭影响很大，时间越长，弧柱会越细越冷，甚至会消失，电弧熄灭也越容易。由于电阻性负载的零休期时间比电感性负载的零休期时间长，故熄灭电弧越容易。§3-4交流电弧的特性第93页/共112页94二、电弧电压对交流电路电流的影响1、零休现象：1）电阻性负载：urh到来之前，Rh很大，ih为零，称其为电流过零后的“零休”；而在uxh出现之后，u低于uxh，ih≈0，称其为电流过零前的“零休”。§3-4交流电弧的特性第94页/共112页952）电感性负载：电感性负载的“零休”时间很短。urh到来之前，有电流过零后的“零休”，但因urh出现较早，故零休时间短得多；而在uxh出现之后，因uh可由电感中的自感电势维持而与u无关，因此，几乎不存在电流过零前的“零休”。比较二者可知，电阻性负载”零休”现象比电感性负载严重得多，即零休时间长得多，这也从另一方面说明了电阻性负载电路比电感性的易于熄灭。§3-4交流电弧的特性第95页/共112页962、电弧将使电路的功率因数角减小：§3-4交流电弧的特性第96页/共112页97式中

Uh：电弧电压；Um：电源电压幅值；Uh/Um：电弧电压占总电源幅值的比例。如Uh/Um越大，则越小，故电弧的存在，相当于在电路中串联了电阻。§3-4交流电弧的特性第97页/共112页98式中uh：电弧电压；ih：电弧电流；

ts：从t=0至电弧产生所需的时间；

tx：从t=0至电弧熄灭所需的时间。t：以触头分开瞬间前电流过零为起点计算的时间。三、开断过程中，交流电弧能量的计算§3-4交流电弧的特性第98页/共112页99式中

n是半波个数。如设（指触头的平均运动速度），则：在理想情况下（即若干假设下），电弧能量Wh为：§3-4交流电弧的特性第99页/共112页100例题：设一开关电器中流过的工频短路电流波形如图3-39所示。短路电