電器的電弧理論演示文稿2023/3/221當(dāng)前1頁，總共250頁。電器理論基礎(chǔ)第1章緒論第2章 電器的發(fā)熱理論第3章 電器的電動(dòng)力理論第4章 電器的電接觸理論第5章 電器的電弧理論第6章 電器的電磁機(jī)構(gòu)理論2023/3/222當(dāng)前2頁，總共250頁。第5章 電器的電弧理論§5-1引言§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)§5-3電弧的物理特性§5-4直流電弧的特性與熄滅原理§5-5交流電弧的特性與熄滅原理§5-6開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理2023/3/223當(dāng)前3頁，總共250頁。§5-1引言在大氣中開斷電路時(shí)，若電流大于0.25~1A；電壓大于12~20V，觸頭間隙（簡稱弧隙）中會(huì)產(chǎn)生電弧電力開關(guān)設(shè)備的開斷電弧電弧（arc）：溫度高、發(fā)光強(qiáng)、能導(dǎo)電的氣體2023/3/224當(dāng)前4頁，總共250頁。§5-1引言電弧的危害電弧延遲開斷線路、設(shè)備受損觸頭燒損開關(guān)設(shè)備著火、爆炸電弧的作用泄放電路中的磁能降低過電壓電力開關(guān)設(shè)備既要熄滅電弧，又要利用電弧電力開關(guān)（Switch）設(shè)備的主要任務(wù)順利地熄滅電弧（Extinguisharc）保證電路的成功開斷（Breaking/Interrupting）2023/3/225當(dāng)前5頁，總共250頁。§5-1引言電弧的其他應(yīng)用焊接冶煉金屬（電弧爐）強(qiáng)光源（弧光燈）電弧的定義氣體或蒸汽中自持的放電現(xiàn)象GasVapourSelf-sustainedDischarge2023/3/226當(dāng)前6頁，總共250頁。§5-1引言2023/3/227當(dāng)前7頁，總共250頁。第5章 電器的電弧理論§5-1引言§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)§5-3電弧的物理特性§5-4直流電弧的特性與熄滅原理§5-5交流電弧的特性與熄滅原理§5-6開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理2023/3/228當(dāng)前8頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電(GasDischarge)弧隙中氣體由絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)、使電流得以通過的現(xiàn)象電弧是氣體放電的一種形式電離（Ionization）和激勵(lì)（Excitation）外界能量（熱、光、碰撞等）能量足夠大，使電子成為自由電子，中性粒子成為正離子，這種現(xiàn)象稱為電離能量不夠大，只能使電子由正常軌道跳到較外層的軌道，這種現(xiàn)象稱為激勵(lì)h:普朗克常數(shù)（6.624×10-34J.s）2023/3/229當(dāng)前9頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)電離和激勵(lì)電子伏特能量－＋1Vee獲得能量量值上等于電子電荷溫度k:玻爾茲曼常數(shù)1eV代表的溫度約為11600K2023/3/2210當(dāng)前10頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)電離和激勵(lì)電離能：電離出一個(gè)自由電子所需要的能量電離電位第二（三¨¨¨）電離能：拉出第二（三）個(gè)電子所需的能量電離能與材料有關(guān)（金屬/氣體）2023/3/2211當(dāng)前11頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)電離和激勵(lì)激勵(lì)能：激勵(lì)一個(gè)電子所需要的能量分級(jí)電離：中性粒子→激勵(lì)→電離分級(jí)電離介穩(wěn)狀態(tài)（一種特別的激勵(lì)狀態(tài)）：已跳到較外層的電子（不能很快返回原軌道）激勵(lì)是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)中性粒子處于激勵(lì)狀態(tài)的時(shí)間<10-9~10-8s中性粒子處于介穩(wěn)狀態(tài)的時(shí)間可達(dá)10-4~10-2s在中性粒子電離過程中起很大作用外加能量跳到更外層返回原軌道電離2023/3/2212當(dāng)前12頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式電離氣體：包括帶電粒子（電子、正離子、負(fù)離子）的氣體，其中也包括中性粒子（原子、分子）電離度電離度＝被電離的原子數(shù)總原子數(shù)電離度增大電導(dǎo)率提高氣體電離的方式表面發(fā)射（Surfaceemission）空間電離（Spaceionization）2023/3/2213當(dāng)前13頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式表面發(fā)射：金屬電極表面發(fā)射電子進(jìn)入極間氣體?金屬蒸汽能導(dǎo)電嗎？金屬蒸汽在未電離的情況下是不導(dǎo)電的表面發(fā)射的類型熱發(fā)射（Thermalemission）（TE）場致發(fā)射（Fieldemission）（FE）熱-場致發(fā)射（Field-assistedthermionicemission）（FTE）光發(fā)射（Photonemission）二次發(fā)射（Secondaryemission）2023/3/2214當(dāng)前14頁，總共250頁。真空金屬§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式金屬表面電子發(fā)射原理即使在絕對零度時(shí)，金屬中的電子也具有很高的能量，鎢：8.95eV（費(fèi)米能級(jí)）但電子并不能“逃出”金屬表面?金屬表面存在勢壘（Potentialbarrier）WF：費(fèi)米能級(jí)W0：總逸出功Wi（Wyc）：有效逸出功2023/3/2215當(dāng)前15頁，總共250頁。溫度↑§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式熱發(fā)射（ThermalEmission）金屬W0：總逸出功Wi（Wyc）：有效逸出功WF：費(fèi)米能級(jí)表面自由電子動(dòng)能↑超越表面勢壘逸出真空2023/3/2216當(dāng)前16頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式熱發(fā)射（ThermalEmission）溫度表面自由電子動(dòng)能超越表面勢壘逸出對清潔、均勻的表面，飽和熱發(fā)射電流密度常數(shù)Wyc: 逸出功（eV）T: 金屬表面溫度（K）金屬沸點(diǎn)越高，熱發(fā)射的最大電流密度越大，如鎢2023/3/2217當(dāng)前17頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式場致發(fā)射（FieldEmission）金屬表面施加電場時(shí)，將壓縮表面勢壘厚度，自由電子可以在常溫下穿過勢壘（隧道效應(yīng)）而逸出金屬真空金屬真空E在較高溫度時(shí)，場致發(fā)射的電流密度為2023/3/2218當(dāng)前18頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式熱-場致發(fā)射（Field-assistedthermionicemission）熱、電場共同作用時(shí)，發(fā)射電流大大增強(qiáng)（非線性提升）以銅為例2023/3/2219當(dāng)前19頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式光發(fā)射（Photonemission）光和射線照射到金屬表面引起電子逸出光波越短（頻率越高），引起光發(fā)射的作用越強(qiáng)，逸出電子的速度越高二次發(fā)射（Secondaryemission）一般來說，陰極附近的場強(qiáng)比陽極附近的場強(qiáng)高，所以陰極表面二次發(fā)射較強(qiáng)，并在氣體放電過程中起重要作用電子碰撞陽極正離子碰撞陰極電子發(fā)射2023/3/2220當(dāng)前20頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式空間電離（Spaceionization）電極間氣體自身由絕緣狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)（不是由外界送入帶電粒子）的現(xiàn)象空間電離的類型光電離電場電離熱電離2023/3/2221當(dāng)前21頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式光電離中性粒子受到頻率為v的光照射時(shí)，若滿足hv≥Wyl,則可能被電離，這一現(xiàn)象稱為光電離Wyl: 中性粒子的電離能（J）h: 普朗克常數(shù)（6.624×10-34J.s）光的頻率越高，電離作用越強(qiáng)X射線，a，b，g，宇宙射線、紫外線具有較強(qiáng)的電離作用2023/3/2222當(dāng)前22頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式電場電離若一個(gè)帶電粒子在電場中獲得的動(dòng)能，則當(dāng)其與另一中性粒子碰撞時(shí)，就有可能使之電離。稱為電場電離或碰撞電離電子自由程（freepath)長，碰撞截面（collisioncrosssection）小，容易積累足夠的動(dòng)能，在電場電離中起重要作用2023/3/2223當(dāng)前23頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式電場電離通常電極間氣體進(jìn)行電場電離的電子來自：金屬表面的電子發(fā)射、光電離電子碰撞中性粒子發(fā)生電離的幾率取決于動(dòng)能的大小和兩者電磁場相互作用的時(shí)間電場電離的幾率通常較小有時(shí)，電子碰撞中性粒子后，不使之電離或激勵(lì)，而是附著其上構(gòu)成負(fù)離子，稱為粘合（attachment)電離幾率：0.2~0.4%激勵(lì)幾率：1%或更小2023/3/2224當(dāng)前24頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式熱電離氣體粒子高速熱運(yùn)動(dòng)、相互碰撞而產(chǎn)生的電離當(dāng)氣體溫度達(dá)到3000～4000K以上時(shí)，熱電離才顯著金屬蒸汽的電離能比一般氣體小得多，所以相同溫度下其電離度高于一般氣體當(dāng)氣體中混有金屬蒸汽時(shí)，電離度提高，電導(dǎo)率也增大2023/3/2225當(dāng)前25頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體消電離（Deionization）電離氣體中帶電粒子自身消失或者失去電荷變?yōu)橹行粤Ｗ拥默F(xiàn)象，稱為消電離氣體消電離的方式復(fù)合（Combination）：帶異號(hào)電荷的粒子相遇后相互作用電荷消失擴(kuò)散（Diffusion）：帶電粒子由于熱運(yùn)動(dòng)從高濃區(qū)向低濃度區(qū)移動(dòng)2023/3/2226當(dāng)前26頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體消電離（Deionization）復(fù)合空間復(fù)合表面復(fù)合正離子接近陰極獲得電子負(fù)離子接近陽極失去電子正、負(fù)粒子通過金屬表面分別獲得和交出電子電子進(jìn)入陽極直接復(fù)合間接復(fù)合中性粒子電子正離子正離子電子2023/3/2227當(dāng)前27頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體消電離（Deionization）復(fù)合電子的運(yùn)動(dòng)速度比負(fù)離子大得多直接復(fù)合的幾率比間接復(fù)合的幾率小得多電子和中性粒子形成負(fù)離子的可能性與氣體的性質(zhì)和純度有關(guān)氟原子及其化合物的分子對電子的粘合作用特別強(qiáng)，常稱為負(fù)電性氣體如，SF6具有很好的絕緣性能和滅弧性能復(fù)合釋放能量：加熱電極（金屬或絕緣物表面）、輻射、增加中性粒子的速度2023/3/2228當(dāng)前28頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體消電離（Deionization）擴(kuò)散：帶電粒子由于熱運(yùn)動(dòng)從高濃區(qū)向低濃度區(qū)移動(dòng)擴(kuò)散使電極間電離氣體中帶電粒子減少使極間氣體電離度下降，電導(dǎo)率減小當(dāng)電離氣體中正負(fù)帶電粒子數(shù)相等（稱為等離子體Plasma）時(shí)，擴(kuò)散必為雙極性。即在同一時(shí)間內(nèi)，擴(kuò)散的正負(fù)粒子數(shù)相等2023/3/2229當(dāng)前29頁，總共250頁。等離子體

電離氣體100000C氣體

水汽1000C固體冰00C§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡介等離子體－物質(zhì)的第四態(tài)溫度液體水克魯克斯W.Crookes18792023/3/2230當(dāng)前30頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡介由地球表面向外，等離子體是幾乎所有可見物質(zhì)的存在形式，大氣外側(cè)的電離層、日地空間的太陽風(fēng)、太陽日冕、太陽內(nèi)部、星際空間、星云及星團(tuán)，毫無例外的都是等離子體地球上的自然等離子體很少地球及其附近大氣的低溫度和高密度阻礙了等離子體的存在?2023/3/2231當(dāng)前31頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡介等離子體的定義：由大量帶電粒子組成的，在一定的空間和時(shí)間尺度，維持電中性的非束縛態(tài)的宏觀體系長程庫侖力是確定其統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的一個(gè)重要因素一個(gè)鄰近粒子所產(chǎn)生的力遠(yuǎn)小于許多遠(yuǎn)距離粒子所施的長程庫侖力，因此集體效應(yīng)起主導(dǎo)作用異類帶電粒子之間相互“自由”，等離子體的基本粒子元是正負(fù)電荷的粒子（電子、離子），而不是其結(jié)合體。等離子體中粒子的運(yùn)動(dòng)與電磁場（外場及粒子產(chǎn)生的自洽場）的運(yùn)動(dòng)緊密耦合，不可分割。帶電粒子足夠多密度足夠低非束縛性粒子與電磁場的不可分割性準(zhǔn)電中性只有在一定的空間和時(shí)間尺度，才表現(xiàn)出電中性2023/3/2232當(dāng)前32頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡介中性氣體弱電離氣體強(qiáng)電離等離子體完全電離等離子體集體相互作用占優(yōu)兩體相互作用占優(yōu)庫侖長程力短程力2023/3/2233當(dāng)前33頁，總共250頁。熱等離子體

Te＝Ti,Ta電弧、碘鎢燈等離子體溫度聚變、太陽核心冷等離子體

Te≠Ti,Ta極光、日光燈熱：熱平衡冷：非熱平衡低溫

等離子體高溫

等離子體§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡介等離子體的分類2023/3/2234當(dāng)前34頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)密度(cm-3)溫度(度)太陽核心磁約束聚變霓虹燈北極光火焰閃電日冕氫彈星際空間熒光氣體

液體

固體

慣性聚變星云太陽風(fēng)人類居住環(huán)境10-3密度跨越了30個(gè)量級(jí)溫度跨越了7個(gè)量級(jí)2023/3/2235當(dāng)前35頁，總共250頁。天體物理受控核聚變低溫等離子體太陽風(fēng)星云星際空間等離子體約束等離子體輻射等離子體不穩(wěn)定性電弧等離子體高頻感應(yīng)等離子體燃燒等離子體冷等離子體§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡介等離子體物理學(xué)的理論研究領(lǐng)域2023/3/2236當(dāng)前36頁，總共250頁。正負(fù)電荷分離強(qiáng)靜電力粒子迅速運(yùn)動(dòng)靜電位勢差減小恢復(fù)電中性偏離電中性例電子氫等離子體R＝1cm＋正電荷過剩E＋＋＋＋r＝1cm＋＋＋＋電子F§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡介為什么等離子體在宏觀上總是表現(xiàn)出電中性？2023/3/2237當(dāng)前37頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡介等離子體中正、負(fù)帶電粒子是分立的，那么在多大空間尺度上局域地存在著偏離電中性呢？真空rq庫侖勢r0庫侖勢2023/3/2238當(dāng)前38頁，總共250頁。r德拜勢庫侖勢1§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡介q等離子體過剩異號(hào)電荷r德拜屏蔽德拜勢ld：德拜長度2023/3/2239當(dāng)前39頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡介在等離子體內(nèi)部一個(gè)電荷產(chǎn)生的靜電場，是被附近其他電荷屏蔽著的，其影響不超過德拜半徑的范圍。這一現(xiàn)象稱為德拜屏蔽r德拜勢庫侖勢1德拜屏蔽2023/3/2240當(dāng)前40頁，總共250頁。

在等離子體中引入電場，經(jīng)過一定的時(shí)間……＋－§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)2023/3/2241當(dāng)前41頁，總共250頁。－＋§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)2023/3/2242當(dāng)前42頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段由直流電路研究氣體放電的伏-安特性2023/3/2243當(dāng)前43頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段按放電性質(zhì)分為兩個(gè)階段OC:非自持放電階段（Non-self-sustaineddischarge）CF:自持放電階段（self-sustaineddischarge）2023/3/2244當(dāng)前44頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段非自持放電階段OA區(qū)電壓過低外加電離因素產(chǎn)生的帶電粒子不能全部到達(dá)陽極I隨U增加而增大間隙中最初的自由電子是由外加電離因素產(chǎn)生的，如果除去外加電離因素則放電停止，故稱為非自持放電階段2023/3/2245當(dāng)前45頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段非自持放電階段AB區(qū)電壓較低不足以產(chǎn)生場致發(fā)射和電場電離I幾乎與U無關(guān)帶電粒子已可全部到達(dá)陽極間隙中最初的自由電子是由外加電離因素產(chǎn)生的，如果除去外加電離因素則放電停止，故稱為非自持放電階段2023/3/2246當(dāng)前46頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段非自持放電階段BC區(qū)電壓較高電場電離間隙中最初的自由電子是由外加電離因素產(chǎn)生的，如果除去外加電離因素則放電停止，故稱為非自持放電階段二次發(fā)射I隨U增長較快2023/3/2247當(dāng)前47頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段自持放電階段當(dāng)U升到C點(diǎn)，場致發(fā)射和二次發(fā)射的電子已足夠多，即使除去外加電離因素，也能維持間隙放電，故稱為自持放電階段2023/3/2248當(dāng)前48頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段自持放電階段當(dāng)U升到C點(diǎn)，場致發(fā)射和二次發(fā)射的電子已足夠多，即使除去外加電離因素，也能維持間隙放電，故稱為自持放電階段BD區(qū)湯遜放電區(qū)2023/3/2249當(dāng)前49頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段自持放電階段當(dāng)U升到C點(diǎn)，場致發(fā)射和二次發(fā)射的電子已足夠多，即使除去外加電離因素，也能維持間隙放電，故稱為自持放電階段DE區(qū)輝光放電區(qū)電離方式主要是電場電離放電溫度低（常溫）電流密度小（0.1A/m2）陰極壓降高（幾百V）2023/3/2250當(dāng)前50頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段自持放電階段當(dāng)U升到C點(diǎn)，場致發(fā)射和二次發(fā)射的電子已足夠多，即使除去外加電離因素，也能維持間隙放電，故稱為自持放電階段EF區(qū)弧光放電區(qū)放電溫度極高（6000K以上）電流密度很大（107A/m2）陰極壓降很低（幾十V）電離方式主要是熱電離（真空電弧不同）電弧邊界（有不同的判別依據(jù)）2023/3/2251當(dāng)前51頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個(gè)階段輝光放電（glowdischarge）弧光放電（arcdischarge）電場電離為主熱電離為主放電通道溫度低（常溫）放電通道溫度極高（6000K以上）電流密度較小（約0.1A/m2）電流密度很大（達(dá)107A/m2

）陰極壓降較高（幾百伏）陰極壓降很小（幾十伏）輝光放電與弧光放電的特征比較2023/3/2252當(dāng)前52頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論氣體間隙擊穿：隨著電壓升高，間隙氣體進(jìn)入輝光或弧光放電區(qū)，氣體間隙由絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)體狀態(tài)，這一現(xiàn)象稱為氣體間隙擊穿擊穿電壓由非自持放電轉(zhuǎn)為自持放電的電壓2023/3/2253當(dāng)前53頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論關(guān)心的問題擊穿電壓與氣體間隙參數(shù)的關(guān)系湯遜氣體放電理論理論要點(diǎn)：假定電子碰撞電離和正離子撞擊陰極產(chǎn)生的金屬表面電離是使帶電質(zhì)點(diǎn)激增，并導(dǎo)致?lián)舸┑闹饕蛩亍舸╇妷捍篌w上是氣體壓力與氣隙間距乘積的函數(shù)。如果電子動(dòng)能＞氣體粒子電離能，則碰撞一定電離，否則不能電離電子和氣體粒子碰撞會(huì)釋放出全部能量電子只沿電場方向運(yùn)動(dòng)電子崩理論2023/3/2254當(dāng)前54頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論電子崩：外界電離因子在陰極附近產(chǎn)生一個(gè)初始電子，如果空間的電場強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)引起碰撞電離，產(chǎn)生出一個(gè)新電子，初始電子和新電子繼續(xù)向陽極運(yùn)動(dòng)，又會(huì)引起新的碰撞電離，產(chǎn)生出更多的電子。依次類推，電子數(shù)將按幾何級(jí)數(shù)不斷增多，像雪崩似的發(fā)展，這種急劇增大的空間電流被稱為電子崩。電子崩理論2023/3/2255當(dāng)前55頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論電子崩理論2023/3/2256當(dāng)前56頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)電子與重粒子碰撞時(shí)能量的傳遞在研究電子與重粒子的激發(fā)或電離碰撞中（非彈性碰撞），可以近似認(rèn)為重粒子的動(dòng)能不變，這一近似準(zhǔn)確到me/ma

的量級(jí)對于電離碰撞，能量守恒方程為碰撞前電子的動(dòng)能碰撞后電子的動(dòng)能電離出的電子的動(dòng)能電離能2023/3/2257當(dāng)前57頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論一個(gè)電子沿電場運(yùn)動(dòng)時(shí)，單位距離內(nèi)由電場電離而產(chǎn)生的帶電粒子對數(shù)（電子和正離子）空間電離系數(shù)湯遜第一系數(shù)E: 電場強(qiáng)度（V/m）p: 氣體壓力（Pa）T: 氣體溫度（K）A0: 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)B0: 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)2023/3/2258當(dāng)前58頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論電子沿電場運(yùn)動(dòng)時(shí)，單位距離內(nèi)由電場電離而產(chǎn)生的帶電粒子對數(shù)一般形式的推導(dǎo)自由行程： l（電子與氣體分子兩次碰撞之間相隔的距離）（m）電離能： Wdl（J）電離電位： Udl（V）電場強(qiáng)度： E（V/m）2023/3/2259當(dāng)前59頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論一次碰撞發(fā)生電場電離的條件？2023/3/2260當(dāng)前60頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論剛性球假定下的平均自由行程平均自由行程：（N個(gè)粒子自由行程的平均值）n： 粒子數(shù)密度（m-3）d： 粒子直徑（m）理想氣體的狀態(tài)方程k： 玻爾茲曼常數(shù)2023/3/2261當(dāng)前61頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論的電子數(shù)（自由行程是有分布的）2023/3/2262當(dāng)前62頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論的電子數(shù)（自由行程是有分布的）一個(gè)電子碰撞一次就發(fā)生電離的幾率一個(gè)電子經(jīng)過單位距離的碰撞次數(shù)一個(gè)電子經(jīng)過單位距離發(fā)生電離碰撞的次數(shù)，即所產(chǎn)生的帶電粒子對數(shù)2023/3/2263當(dāng)前63頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論一個(gè)電子經(jīng)過單位距離發(fā)生電離碰撞的次數(shù)，即所產(chǎn)生的帶電粒子對數(shù)2023/3/2264當(dāng)前64頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論均勻電場間隙擊穿條件單位時(shí)間內(nèi)，有N個(gè)電子進(jìn)入dx穿過dx后，電子的增量為N0Nl解2023/3/2265當(dāng)前65頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論均勻電場間隙擊穿條件N0Nl間隙中電場電離產(chǎn)生的正離子數(shù)為一個(gè)正離子使陰極由于二次發(fā)射而產(chǎn)生的電子數(shù)，稱為表面電離系數(shù)或湯遜第二系數(shù)，記為g

若二次發(fā)射電子數(shù)＝N0，則放電可自持2023/3/2266當(dāng)前66頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論N0Nl間隙中電場電離產(chǎn)生的正離子數(shù)為若二次發(fā)射電子數(shù)＝N0，則放電可自持均勻電場間隙擊穿條件2023/3/2267當(dāng)前67頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論N0Nl均勻電場間隙擊穿條件均勻電場的間隙，擊穿電壓為Ujc基本與p/T成正比2023/3/2268當(dāng)前68頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論N0Nl均勻電場的間隙，擊穿電壓為T為常數(shù)時(shí)，擊穿電壓為A，B與氣體種類及溫度有關(guān)2023/3/2269當(dāng)前69頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論均勻電場的間隙，擊穿電壓為T為常數(shù)時(shí)，擊穿電壓為平均自由行程：（N個(gè)粒子自由行程的平均值）2023/3/2270當(dāng)前70頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論量綱分析2023/3/2271當(dāng)前71頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論2023/3/2272當(dāng)前72頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論銅電極時(shí)空氣的試驗(yàn)曲線與計(jì)算曲線除pl

值甚小以外，兩者相當(dāng)接近存在一最小擊穿電壓Ujcmin和相應(yīng)的(pl)min當(dāng)pl大于或小于(pl)min時(shí)，Ujc均會(huì)增大提高或降低間隙氣壓都可以提高其擊穿電壓巴申（Paschen）曲線2023/3/2273當(dāng)前73頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論設(shè)l不變，p改變氣壓很小時(shí)，氣體稀薄，電子自由行程很大，雖然碰撞可積累較大動(dòng)能，但碰撞次數(shù)太少。因此，隨著p

減小，擊穿電壓增大氣壓很大時(shí)，氣體密度大，自由行程很小，雖然碰撞次數(shù)多，但電子不易積累動(dòng)能。因此故，隨著p增大，擊穿電壓也增大?巴申曲線為何存在最低點(diǎn)應(yīng)用：采用高真空和高氣壓可提高間隙的擊穿電壓2023/3/2274當(dāng)前74頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論設(shè)p不變，l改變隨著氣體間隙距離l的增大，電場強(qiáng)度E減小，碰撞電離減弱，故擊穿電壓增大。?巴申曲線為何存在最低點(diǎn)應(yīng)用：增加氣體間隙的距離可提高間隙的擊穿電壓湯遜氣體放電理論適用范圍適用于低氣壓、短間隙的電場中2023/3/2275當(dāng)前75頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論放電外形根據(jù)湯遜理論，氣體放電應(yīng)在整個(gè)間隙中均勻連續(xù)地發(fā)展。低氣壓下氣體放電發(fā)光區(qū)確實(shí)占據(jù)了整個(gè)間隙空間，如輝光放電。但在大氣壓下氣體擊穿時(shí)出現(xiàn)的卻是帶有分支的明亮細(xì)通道。在高氣壓、長氣隙中的放電現(xiàn)象無法用湯遜理論加以解釋擊穿電壓根據(jù)湯遜理論，pl值較小時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)，根據(jù)湯遜自持放電條件求得的擊穿電壓和實(shí)驗(yàn)值比較一致。pl值很大時(shí)，如仍采用原來的值，則擊穿電壓計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值將有很大出入。2023/3/2276當(dāng)前76頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論湯遜氣體放電理論放電時(shí)間根據(jù)湯遜理論，聞隙完成擊穿，需要好幾次循環(huán)：形成電子崩，正離子到達(dá)陰極產(chǎn)生二次電子，又形成更多的電子崩。完成擊穿需要一定的時(shí)間。但實(shí)測到的在大氣壓下氣體的放電時(shí)間要短得多。在高氣壓、長氣隙中的放電現(xiàn)象無法用湯遜理論加以解釋陰極材料的影響根據(jù)湯遜理論，陰極材料的性質(zhì)在擊穿過程中應(yīng)起一定作用。實(shí)驗(yàn)表明，低氣壓下陰極材料對擊穿電壓有一定影響，但大氣壓力下空氣中實(shí)測得到的擊穿電壓卻和陰極材料無關(guān)。2023/3/2277當(dāng)前77頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論流柱（Streaming）理論流注理論的基本思想陰極陽極～～～輻射電子崩基于光子輻射使氣體逐段電離（光電離），然后連成一片，很好地解釋了長間隙擊穿過程的快速性2023/3/2278當(dāng)前78頁，總共250頁。～輻射§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論流柱（Streaming）理論氣隙擊穿過程陰極陽極～～電子崩電子崩內(nèi)電荷分布陰極發(fā)射電子大量電子、正離子（電子崩）電場加速碰撞電離內(nèi)部復(fù)合放出光子電子崩頭部光電離產(chǎn)生電子產(chǎn)生第二個(gè)電子崩…各電子崩頭尾發(fā)展連成一個(gè)通道崩頭、崩尾電場加強(qiáng)崩內(nèi)部電場減弱2023/3/2279當(dāng)前79頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)弧隙中帶電粒子數(shù)的變化－離子平衡公式開關(guān)電器中，氣體間隙擊穿后，通常立即發(fā)生弧光放電（電弧）光發(fā)射熱發(fā)射電離作用場致發(fā)射二次發(fā)射電場電離帶電粒子變化復(fù)合擴(kuò)散2023/3/2280當(dāng)前80頁，總共250頁。§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)弧隙中帶電粒子數(shù)的變化－離子平衡公式根據(jù)弧隙中帶電粒子數(shù)的增減來判別電弧燃燒的變化趨勢—穩(wěn)定燃燒——=0趨于熄滅<0趨于熾熱>0電弧強(qiáng)度電離度帶電粒子數(shù)2023/3/2281當(dāng)前81頁，總共250頁。第5章 電器的電弧理論§5-1引言§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)§5-3電弧的物理特性§5-4直流電弧的特性與熄滅原理§5-5交流電弧的特性與熄滅原理§5-6開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理2023/3/2282當(dāng)前82頁，總共250頁。§5-3電弧的物理特性產(chǎn)生電弧的方式開斷電路（拉弧）（Drawnarc）火花觸發(fā)（Triggeredarc）熔絲引弧2023/3/2283當(dāng)前83頁，總共250頁。§5-3電弧的物理特性開斷電路時(shí)電弧的產(chǎn)生過程起弧條件大氣中開斷直流電路最小生弧電壓最小生弧電流最小生弧電流、最小生弧電壓與觸頭材料有關(guān)大氣中開斷交流電路電源電壓不同，最小生弧電流不同電源電壓提高，最小生弧電流減小在相近的電源電壓下，最小生弧電流比開斷直流時(shí)大若或

則只產(chǎn)生火花（spark）2023/3/2284當(dāng)前84頁，總共250頁。§5-3電弧的物理特性開斷電路時(shí)電弧的產(chǎn)生過程觸頭開始分離接觸處熔化，形成液態(tài)金屬橋（Metalbridge）液橋變細(xì)拉長，開始蒸發(fā)觸頭壓力接觸電阻接觸面積電流密度發(fā)熱2023/3/2285當(dāng)前85頁，總共250頁。§5-3電弧的物理特性開斷電路時(shí)電弧的產(chǎn)生過程液橋變細(xì)拉長，開始蒸發(fā)復(fù)合陽極溫度離子→陰極陰極電場二次發(fā)射復(fù)合陰極溫度熱發(fā)射電子→離子復(fù)合弧隙溫度熱電離電弧穩(wěn)定燃燒電弧電壓液橋完全蒸發(fā)：蒸汽進(jìn)入弧隙陰極：發(fā)射電子（熱發(fā)射、場致發(fā)射）弧隙：電場電離產(chǎn)生大量帶電粒子電子→陽極弧隙溫度熱電離主導(dǎo)電導(dǎo)率2023/3/2286當(dāng)前86頁，總共250頁。§5-3電弧的物理特性開斷電路時(shí)電弧的產(chǎn)生過程2023/3/2287當(dāng)前87頁，總共250頁。§5-3電弧的物理特性電弧電壓的特性電弧電壓Uh沿弧長分布不均勻，分為三個(gè)區(qū)域以直流電弧為例近陰極區(qū)：Cathode弧柱區(qū)：Z近陽極區(qū)：Anode2023/3/2288當(dāng)前88頁，總共250頁。§5-3電弧的物理特性電弧電壓的特性近陰極區(qū)長度與電子平均自由程相當(dāng)（10-6m）近似無碰撞有大量正離子正空間電荷區(qū)形成陰極壓降Uc電場強(qiáng)度高利于二次發(fā)射和場致發(fā)射陰極壓降與陰極材料和氣體介質(zhì)特性有關(guān)低沸點(diǎn)陰極：大致等于陰極材料蒸汽的電離電位高沸點(diǎn)陰極：大致等于氣體介質(zhì)的電離電位2023/3/2289當(dāng)前89頁，總共250頁。§5-3電弧的物理特性電弧電壓的特性近陽極區(qū)長度約為陰極區(qū)的幾倍有大量電子負(fù)空間電荷區(qū)形成陽極壓降Ua（與陽極材料有關(guān)）電場強(qiáng)度較低穩(wěn)定燃弧時(shí)，Uc、Ua隨I變化不大，一般認(rèn)為是常數(shù)2023/3/2290當(dāng)前90頁，總共250頁。§5-3電弧的物理特性電弧電壓的特性弧柱區(qū)不一定為“圓柱形”正負(fù)帶電粒子數(shù)相等，為等離子體不存在空間電荷，類似電阻單位長度弧柱的壓降基本相等電場強(qiáng)度沿軸向近似為常數(shù)影響電場強(qiáng)度E的因素電極材料電流大小氣體介質(zhì)種類氣壓介質(zhì)對電弧作用2023/3/2291當(dāng)前91頁，總共250頁。電弧電壓的特性弧柱區(qū)弧柱電阻燃弧過程中，基本不變電弧電壓近極壓降弧柱電壓E：弧柱電場強(qiáng)度（V/m）l：電弧長度（m）（近似等于極間距離）§5-3電弧的物理特性2023/3/2292當(dāng)前92頁，總共250頁。電弧電壓的特性按U0、Uz在Uh

中所占的比例將電弧分為短弧和長弧§5-3電弧的物理特性短弧：l很小，Uz可忽略，Uh幾乎與I無關(guān)長弧：l很大，Uz>>U0，Uh大致與E成正比2023/3/2293當(dāng)前93頁，總共250頁。弧柱溫度§5-3電弧的物理特性具有很高的溫度：大于6000K一般需要間接測量溫度開關(guān)電器中一般采用的數(shù)據(jù)Th>20000K：c（電離度）→1Th<3000-4000K：c（電離度）→0電弧溫度的影響因素電弧電流燃弧介質(zhì)電極材料2023/3/2294當(dāng)前94頁，總共250頁。假定弧柱溫度處于某平均值，則弧柱各點(diǎn)電導(dǎo)率相同，弧柱電阻為弧柱溫度§5-3電弧的物理特性rh: 弧柱電阻率l: 電弧長度d: 弧柱直徑近似分析時(shí)，可以認(rèn)為弧柱電阻率為常數(shù)Rz與d成反比2023/3/2295當(dāng)前95頁，總共250頁。弧柱溫度§5-3電弧的物理特性交流電弧時(shí)，電弧溫度隨電流變化而變化，其特點(diǎn)為電弧溫度的變化滯后于電流的變化電弧溫度的最大值滯后于電流峰值電流過零時(shí)，電弧溫度不為零電弧的熱慣性：電弧溫度的升高和降低，必須供給或散發(fā)一定的熱量，需要一定的時(shí)間類似于導(dǎo)體的熱慣性近極區(qū)的溫度受電極材料沸點(diǎn)的限制，低于弧柱的溫度2023/3/2296當(dāng)前96頁，總共250頁。弧柱直徑§5-3電弧的物理特性電弧實(shí)質(zhì)為導(dǎo)電氣體，本身并無明確邊界測量和描述弧柱直徑有不同的方法探針法（測電流）攝像法（測亮度）狹縫法（測溫度）弧柱直徑的影響因素觸頭材料電流大小介質(zhì)種類氣壓及氣體作用方式磁場2023/3/2297當(dāng)前97頁，總共250頁。弧柱直徑§5-3電弧的物理特性弧柱形態(tài)和直徑受燃弧條件的控制氣體中垂直自由燃燒：倒圓錐形絕緣狹縫中：橢圓形長弧：彎曲、扭曲真空電弧：擴(kuò)散、集聚弧柱直徑變化也因熱慣性而滯后于電流經(jīng)驗(yàn)公式大氣中橫向運(yùn)動(dòng)壓縮空氣縱吹2023/3/2298當(dāng)前98頁，總共250頁。弧根和斑點(diǎn)§5-3電弧的物理特性弧根（arcroot）：電弧貼近電極的部分弧根的截面積通常小于弧柱斑點(diǎn)（arcspot）：弧根在電極表面上形成的明亮圓點(diǎn)陰極斑點(diǎn)發(fā)射電子（熱發(fā)射、場致發(fā)射、二次發(fā)射）、接收正離子具有很高的電流密度（104~107A/cm2）溫度高、蒸發(fā)、造成燒蝕（Erosion）也有無陰極斑點(diǎn)的電弧（高沸點(diǎn)陰極，如碳、鎢）穩(wěn)定的陰極斑點(diǎn)（金屬陰極在高氣壓下）快速運(yùn)動(dòng)的陰極斑點(diǎn)（真空電弧）2023/3/2299當(dāng)前99頁，總共250頁。弧根和斑點(diǎn)§5-3電弧的物理特性真空電弧的陰極斑點(diǎn)（25A）2023/3/22100當(dāng)前100頁，總共250頁。弧根和斑點(diǎn)§5-3電弧的物理特性真空電弧的陰極斑點(diǎn)（有效值10kA）真空電弧的陰極斑點(diǎn)（有效值25kA）2023/3/22101當(dāng)前101頁，總共250頁。弧根和斑點(diǎn)§5-3電弧的物理特性斑點(diǎn)（arcspot）：弧根在電極表面上形成的明亮圓點(diǎn)陽極斑點(diǎn)接收電子面積一般比陰極斑點(diǎn)大，電流密度較小在真空電弧中，陽極斑點(diǎn)有特殊的含義：

若形成陽極斑點(diǎn)，則很容易導(dǎo)致開斷失敗斑點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)陰極

（連續(xù)運(yùn)動(dòng)）陽極

（跳躍運(yùn)動(dòng)）斑點(diǎn)運(yùn)動(dòng)受電流、材料、磁場等因素的影響2023/3/22102當(dāng)前102頁，總共250頁。弧根和斑點(diǎn)§5-3電弧的物理特性斑點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)磁場對斑點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的影響真空電弧：20kA2023/3/22103當(dāng)前103頁，總共250頁。弧根和斑點(diǎn)§5-3電弧的物理特性斑點(diǎn)的溫度一般大致等于電極材料的沸點(diǎn)觸頭材料沸點(diǎn)低燃弧時(shí)，弧隙金屬蒸汽多電流過零后陰極熱發(fā)射電子少觸頭材料沸點(diǎn)高燃弧時(shí)，弧隙金屬蒸汽少電流過零后陰極熱發(fā)射電子多金屬蒸汽對長弧熄滅非常重要熱發(fā)射電子對短弧熄滅極為重要2023/3/22104當(dāng)前104頁，總共250頁。電弧的等離子流§5-3電弧的物理特性電弧電流自生環(huán)向磁場（Bq）作用于電弧，壓縮弧柱，產(chǎn)生壓力（收縮壓力）IBqFP: 弧柱截面壓強(qiáng)（Pa）Ih: 電弧電流（A）rh: 電弧半徑（cm）2023/3/22105當(dāng)前105頁，總共250頁。電弧的等離子流§5-3電弧的物理特性電弧電流自生環(huán)向磁場（Bq）作用于電弧，壓縮弧柱，產(chǎn)生壓力（收縮壓力）收縮壓力沿弧柱徑向分布不均勻，在弧柱中心壓力最大自由燃燒時(shí)，弧根處半徑最小，故該處弧柱中心壓力最大2023/3/22106當(dāng)前106頁，總共250頁。電弧的等離子流§5-3電弧的物理特性電弧電流自生環(huán)向磁場（Bq）作用于電弧，壓縮弧柱，產(chǎn)生壓力（收縮壓力）收縮壓力沿弧柱徑向分布不均勻，在弧柱中心壓力最大自由燃燒時(shí)，弧根處半徑最小，故該處弧柱中心壓力最大因壓力梯度，弧根等離子體向弧柱中部流動(dòng)電極材料氣化垂直于電極表面流動(dòng)等離子體流2023/3/22107當(dāng)前107頁，總共250頁。電弧的等離子流§5-3電弧的物理特性2023/3/22108當(dāng)前108頁，總共250頁。電弧的等離子流§5-3電弧的物理特性電弧電流大于一定值時(shí)，才產(chǎn)生等離子體流等離子體流中粒子流動(dòng)的速度：10～100m/s，真空電弧中可達(dá)104m/s通過人工減小電弧半徑的方法，也可以產(chǎn)生等離子體流當(dāng)兩股等離子流在空間不相遇時(shí)，電弧不是在極間燃燒，而是在等離子流間燃燒等離子體流是高溫且含有金屬蒸汽的電離氣體，不利于介質(zhì)恢復(fù)和電弧的熄滅2023/3/22109當(dāng)前109頁，總共250頁。電弧的能量平衡§5-3電弧的物理特性電弧相當(dāng)于一純電阻性發(fā)熱元件電弧耗散的功率為：短弧Ph主要電極其他部件周圍介質(zhì)長弧Ph主要周圍介質(zhì)一般認(rèn)為：IhU0由電極傳出，IhUz由弧柱散發(fā)2023/3/22110當(dāng)前110頁，總共250頁。電弧的能量平衡§5-3電弧的物理特性弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射傳導(dǎo)傳導(dǎo)散發(fā)的功率Pcd: 傳導(dǎo)散熱功率（W）l: 氣體熱導(dǎo)率（W/(K.m)）l: 電弧長度（m）rh: 電弧半徑（m）Th: 弧柱表面溫度（K）T0

: 環(huán)境溫度（K）r0: T0處的半徑（m）（r0>>rh）?2023/3/22111當(dāng)前111頁，總共250頁。電弧的能量平衡§5-3電弧的物理特性弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射傳導(dǎo)利用熱路的方法電弧0周圍介質(zhì)l2023/3/22112當(dāng)前112頁，總共250頁。電弧的能量平衡§5-3電弧的物理特性弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射傳導(dǎo)氣體熱導(dǎo)率與溫度有關(guān)氫氣具有很好的導(dǎo)熱性分子→原子（吸熱）原子→分子（散熱）?l愈大，Pcd愈大，電弧電壓高且較易熄滅2023/3/22113當(dāng)前113頁，總共250頁。電弧的能量平衡§5-3電弧的物理特性弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射對流弧柱中熾熱的電離氣體周圍冷的氣體介質(zhì)2023/3/22114當(dāng)前114頁，總共250頁。電弧的能量平衡§5-3電弧的物理特性弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射對流自由燃弧時(shí)，傳導(dǎo)與對流散熱功率相當(dāng)開關(guān)電器中常采用強(qiáng)迫對流，對流起主導(dǎo)作用橫吹Pdl: 對流散熱功率（W）v: 橫吹速度（cm/s）dh: 弧柱直徑（cm）l: 電弧長度（cm）Th: 弧柱平均溫度（K）T0: 介質(zhì)溫度（K）2023/3/22115當(dāng)前115頁，總共250頁。電弧的能量平衡§5-3電弧的物理特性弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射對流自由燃弧時(shí)，傳導(dǎo)與對流散熱功率相當(dāng)開關(guān)電器中常采用強(qiáng)迫對流，對流起主導(dǎo)作用Pdl: 對流散熱功率（W）v: 縱吹速度（cm/s）dh: 弧柱直徑（cm）Th: 弧柱平均溫度（K）T0: 介質(zhì)溫度（K）縱吹2023/3/22116當(dāng)前116頁，總共250頁。電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射對流橫吹縱吹橫吹時(shí)：對流散發(fā)的功率與電弧縱截面積成正比縱吹時(shí)：對流散發(fā)的功率與電弧橫截面積成正比，側(cè) 面也有作用對流散發(fā)的功率與氣流速度成正比§5-3電弧的物理特性2023/3/22117當(dāng)前117頁，總共250頁。電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射輻射§5-3電弧的物理特性輻射散發(fā)的功率Pfs與弧柱體積成正比電弧不一定是透明體！efs: 弧柱的發(fā)射率（W/(cm3.K4)）l: 電弧長度（cm）rh: 弧柱半徑（cm）Th: 弧柱平均溫度（K）T0: 介質(zhì)溫度（K）自由燃弧時(shí)：通常只占總散發(fā)功率的百分之幾到十幾強(qiáng)迫冷卻時(shí)：輻射可以忽略2023/3/22118當(dāng)前118頁，總共250頁。電弧的能量平衡§5-3電弧的物理特性弧柱總的散發(fā)功率＝傳導(dǎo)散發(fā)功率對流散發(fā)功率輻射散發(fā)功率＋＋長弧時(shí)近極區(qū)耗散功率→電極2023/3/22119當(dāng)前119頁，總共250頁。電弧的能量平衡§5-3電弧的物理特性電弧產(chǎn)生→穩(wěn)定燃燒的能量平衡過程假定Ih不變Th較小dh較小Rh較大Uh較大Ph較大Ps較小……電弧進(jìn)入穩(wěn)定燃燒狀態(tài)Thdh

Rh

UhIhUh

Ps2023/3/22120當(dāng)前120頁，總共250頁。電弧的能量平衡§5-3電弧的物理特性電弧達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)時(shí)的電弧溫度、電阻和直徑與電弧電流有密切的關(guān)系電弧電流越大→弧柱溫度越高→電弧直徑越大→電弧電阻越小→電弧電壓越低（有一定條件，而且真空電弧不是這樣！）但電弧的輸入功率增大?用來平衡散發(fā)功率的增加（原因：溫度升高、直徑增大）電弧自動(dòng)調(diào)節(jié)弧柱溫度和直徑以達(dá)到輸入和散發(fā)功率平衡這一調(diào)節(jié)過程需要一定的時(shí)間（電弧的熱慣性）2023/3/22121當(dāng)前121頁，總共250頁。電弧的能量平衡§5-3電弧的物理特性電弧的動(dòng)態(tài)能量平衡（守恒）方程電弧所含的熱能（J）物理意義：單位時(shí)間內(nèi)電弧所含熱能的變化量，等于發(fā)熱和散熱功率之差Ph-PsThdh電弧強(qiáng)度>0↑↑趨于熾熱<0↓↓趨于熄滅=0——穩(wěn)定燃燒2023/3/22122當(dāng)前122頁，總共250頁。第5章 電器的電弧理論§5-1引言§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)§5-3電弧的物理特性§5-4直流電弧的特性與熄滅原理§5-5交流電弧的特性與熄滅原理§5-6開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理2023/3/22123當(dāng)前123頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的靜態(tài)伏-安特性靜態(tài)伏安特性：對于固定的弧長l，在（發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測得的Uh－Ih特性2023/3/22124當(dāng)前124頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的靜態(tài)伏－安特性靜態(tài)伏安特性：對于固定的弧長l，在（發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測得的Uh－Ih特性弧長增大→伏－安特性抬高（電弧電壓增大）電弧電阻：Uh－Ih曲線上點(diǎn)的斜率（）2023/3/22125當(dāng)前125頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的靜態(tài)伏－安特性靜態(tài)伏安特性：對于固定的弧長l，在（發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測得的Uh－Ih特性弧長增大→伏－安特性抬高（電弧電壓增大）電弧電阻：Uh－Ih曲線上點(diǎn)的斜率（）非線性：電阻隨電流變化負(fù)阻性：電流增大，電阻減小?2023/3/22126當(dāng)前126頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的靜態(tài)伏－安特性靜態(tài)伏安特性：對于固定的弧長l，在（發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測得的Uh－Ih特性S1S2?S1>S2S1=S2S1<S2S1<S2：用來平衡散發(fā)功率的增加（原因：溫度升高、直徑增大）2023/3/22127當(dāng)前127頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的靜態(tài)伏－安特性靜態(tài)伏安特性：對于固定的弧長l，在（發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測得的Uh－Ih特性電弧靜態(tài)伏安特性的影響因素電弧長度電極材料氣體介質(zhì)氣體壓力介質(zhì)相對于電弧的運(yùn)動(dòng)速度經(jīng)驗(yàn)公式：2023/3/22128當(dāng)前128頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的動(dòng)態(tài)伏－安特性動(dòng)態(tài)伏安特性：對于固定的弧長l，Ih按一定速度變化，Uh隨之變化，測得的Uh－Ih特性2023/3/22129當(dāng)前129頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的動(dòng)態(tài)伏－安特性靜態(tài)伏-安特性電弧在I1

穩(wěn)定燃燒電弧電流：以某一較快的速度由I1增大到I2電弧電壓：1→3→4電弧在I1

穩(wěn)定燃燒電弧電流：以某一較快的速度由I1減小到I3電弧電壓：1→5→6曲線1-3和1-5稱為電流以某一速度變化時(shí)的電弧動(dòng)態(tài)伏-安特性??2023/3/22130當(dāng)前130頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的動(dòng)態(tài)伏－安特性靜態(tài)伏-安特性電弧在I1

穩(wěn)定燃燒電弧電流：以某一較快的速度由I1增大到I2電弧電壓：1→3→4電弧在I1

穩(wěn)定燃燒電弧電流：以某一較快的速度由I1減小到I3電弧電壓：1→5→6??電弧自動(dòng)調(diào)節(jié)弧柱溫度和直徑以達(dá)到輸入和散發(fā)功率平衡這一調(diào)節(jié)過程需要一定的時(shí)間（電弧的熱慣性）2023/3/22131當(dāng)前131頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的動(dòng)態(tài)伏－安特性靜態(tài)伏-安特性電弧在I1

穩(wěn)定燃燒電弧電流：以某一較快的速度由I1增大到I2電弧電壓：1→3→4電弧在I1

穩(wěn)定燃燒電弧電流：以某一較快的速度由I1減小到I3電弧電壓：1→5→6??I1→I2：R3>R4U3>U4I1→I3：R5<R6U5<U62023/3/22132當(dāng)前132頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的動(dòng)態(tài)伏－安特性靜態(tài)伏-安特性極端情況電弧在I1

穩(wěn)定燃燒電弧電流：以dIh/dt=＋∞由I1增大到I2電弧電壓：1→2→4電弧在I1

穩(wěn)定燃燒電弧電流：以dIh/dt=－∞由I1減小到0電弧電壓：1→0（忽略近極壓降）曲線0-1-2稱為電流變化速度為無窮大時(shí)的電弧動(dòng)態(tài)伏-安特性2023/3/22133當(dāng)前133頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的動(dòng)態(tài)伏－安特性一定條件下，電弧的靜態(tài)伏-安特性只有一條動(dòng)態(tài)伏-安特性卻有無數(shù)條?動(dòng)態(tài)伏-安特性與電流的變化率有關(guān)注意：起始點(diǎn)不同，動(dòng)態(tài)伏-安特性范圍不同但動(dòng)態(tài)伏-安特性只能在一定的范圍之內(nèi)?2023/3/22134當(dāng)前134頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的動(dòng)態(tài)伏－安特性一定條件下，電弧的靜態(tài)伏-安特性只有一條動(dòng)態(tài)伏-安特性卻有無數(shù)條動(dòng)態(tài)伏-安特性與電流的變化率有關(guān)對于交流電弧，也隨時(shí)間變化，則動(dòng)態(tài)伏-安特性更復(fù)雜2023/3/22135當(dāng)前135頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的熄滅原理直流電路中：電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)的電弧電流?穩(wěn)定燃燒熄滅2023/3/22136當(dāng)前136頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的熄滅原理直流電路中：電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)的電弧電流折算到弧隙兩端的線路電容（也包括弧隙間的寄生電容）一般很小當(dāng)電弧電壓變化不快時(shí)可以忽略電路方程2023/3/22137當(dāng)前137頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的熄滅原理直流電路中：電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)的電弧電流電路方程電弧電阻為非線性，可采用圖解法R=tan(a)穩(wěn)定燃燒時(shí)：電弧可以在I1和I2穩(wěn)定燃燒嗎？?I2是真正的電弧穩(wěn)定燃燒點(diǎn)2023/3/22138當(dāng)前138頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的熄滅原理I2是真正的電弧穩(wěn)定燃燒點(diǎn)在開關(guān)電器中，并不希望電弧穩(wěn)定燃燒使穩(wěn)定燃弧點(diǎn)2不存在的措施?2023/3/22139當(dāng)前139頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的熄滅原理使穩(wěn)定燃弧點(diǎn)2不存在的措施熄弧過程中串入另一電阻增大Uh近極壓降↑電場強(qiáng)度↑電弧長度↑增大RR=tan(a)2023/3/22140當(dāng)前140頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的熄滅原理提高電弧電壓的措施提高近極壓降用金屬柵片將電弧分成多個(gè)短弧

U0: 近極壓降n： 短弧數(shù)E： 弧柱電場強(qiáng)度l`: 全部短弧的長度之和2023/3/22141當(dāng)前141頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的熄滅原理提高電弧電壓的措施增大電弧長度觸頭運(yùn)動(dòng)電動(dòng)力吹弧觸頭形狀結(jié)合磁吹2023/3/22142當(dāng)前142頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的熄滅原理提高電弧電壓的措施增大弧柱電場強(qiáng)度提高氣體介質(zhì)壓力提高電弧與介質(zhì)的相對速度絕緣柵片冷卻電弧，加強(qiáng)帶電粒子的復(fù)合作用?2023/3/22143當(dāng)前143頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的熄滅原理低壓開關(guān)電器：一般采用提高電弧電壓的方法熄滅直流電弧高壓開關(guān)電器：采用提高電弧電壓和增大回路電阻相結(jié)合的方法熄滅直流電弧也可采用人工過零的方法熄滅直流電弧加反向電流使Ih強(qiáng)迫過零2023/3/22144當(dāng)前144頁，總共250頁。§5-4直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的能量和燃弧時(shí)間燃弧時(shí)間：從觸頭分開產(chǎn)生電弧到電弧熄滅的時(shí)間滿足熄弧條件時(shí)，電弧不會(huì)立即熄滅?回路中存在電感弧柱具有熱慣性2023/3/22145當(dāng)前145頁，總共250頁。直流電弧的能量和燃弧時(shí)間燃弧時(shí)間的計(jì)算§5-4直流電弧的特性與熄滅原理假定：電感為主要影響因素忽略熱慣性可采用靜態(tài)伏－安特性采用經(jīng)驗(yàn)公式：電極以速度v打開電弧長度：l=vt非線性微分方程2023/3/22146當(dāng)前146頁，總共250頁。直流電弧的能量和燃弧時(shí)間直流電弧的能量§5-4直流電弧的特性與熄滅原理2023/3/22147當(dāng)前147頁，總共250頁。直流電弧的能量和燃弧時(shí)間直流電弧的能量§5-4直流電弧的特性與熄滅原理電弧消耗的能量電源供給的能量電阻消耗的能量電感存儲(chǔ)的能量燃弧開始時(shí)儲(chǔ)存在電感中的能量必須瀉放到弧隙中若已知Ih(t)可計(jì)算電弧能量Wh2023/3/22148當(dāng)前148頁，總共250頁。直流電弧的能量和燃弧時(shí)間結(jié)論§5-4直流電弧的特性與熄滅原理電路電感越大，儲(chǔ)能越多，電弧越難熄滅電感中能量的泄放需一定時(shí)間，故電弧不能立即熄滅電弧也是開斷過程中重要的泄能方式若電弧由電流較大的值突然熄滅，會(huì)有什么后果？?過電壓2023/3/22149當(dāng)前149頁，總共250頁。直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）電弧熄滅時(shí)產(chǎn)生過電壓的原因§5-4直流電弧的特性與熄滅原理回路電感|dIh/dt|

較大很大的自感電勢Ul=LdIh/dtdIh/dt<0－＋電源電勢過電壓過電壓的影響間隙重?fù)舸厝迹╮eignition）導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備損壞若沒有過電壓抑制措施，不能過分減少燃弧時(shí)間2023/3/22150當(dāng)前150頁，總共250頁。直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）過電壓的計(jì)算§5-4直流電弧的特性與熄滅原理一般在電流過零時(shí)，過電壓最大

L↑Ugmax↑

Ugmax↑消電離作用過強(qiáng)結(jié)論2023/3/22151當(dāng)前151頁，總共250頁。直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）弧隙消電離作用過分強(qiáng)烈時(shí)，可出現(xiàn)截流（Currentchop），即電弧電流突然降到零§5-4直流電弧的特性與熄滅原理由此產(chǎn)生的過電壓稱為截流過電壓2023/3/22152當(dāng)前152頁，總共250頁。直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）弧隙消電離作用過分強(qiáng)烈時(shí)，可出現(xiàn)截流（Currentchop），即電弧電流突然降到零§5-4直流電弧的特性與熄滅原理電感電流不能突變電流經(jīng)寄生電容導(dǎo)通截流后電流怎樣流動(dòng)?2023/3/22153當(dāng)前153頁，總共250頁。直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）弧隙消電離作用過分強(qiáng)烈時(shí)，可出現(xiàn)截流（Currentchop），即電弧電流突然降到零§5-4直流電弧的特性與熄滅原理截流后電路中的電壓和電流怎樣變化?2023/3/22154當(dāng)前154頁，總共250頁。直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）弧隙消電離作用過分強(qiáng)烈時(shí)，可出現(xiàn)截流（Currentchop），即電弧電流突然降到零§5-4直流電弧的特性與熄滅原理L、C、R形成衰減振蕩電路弧隙兩端電壓（Uc）最終穩(wěn)定在E2023/3/22155當(dāng)前155頁，總共250頁。直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）弧隙消電離作用過分強(qiáng)烈時(shí)，可出現(xiàn)截流（Currentchop），即電弧電流突然降到零§5-4直流電弧的特性與熄滅原理2023/3/22156當(dāng)前156頁，總共250頁。直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）弧隙消電離作用過分強(qiáng)烈時(shí)，可出現(xiàn)截流（Currentchop），即電弧電流突然降到零§5-4直流電弧的特性與熄滅原理Ug（Uc）何時(shí)達(dá)到最大值（Ugmax）?振蕩電流過零時(shí)，Ug（Uc）達(dá)到最大值（Ugmax）此時(shí)磁場能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶瞿芰?023/3/22157當(dāng)前157頁，總共250頁。直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）弧隙消電離作用過分強(qiáng)烈時(shí)，可出現(xiàn)截流（Currentchop），即電弧電流突然降到零§5-4直流電弧的特性與熄滅原理振蕩電流過零時(shí)，Ug（Uc）達(dá)到最大值（Ugmax）此時(shí)電場能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌瞿芰縐0相對較小波阻抗2023/3/22158當(dāng)前158頁，總共250頁。直流電弧熄滅時(shí)的過電壓（over-voltage）開斷感性負(fù)載的限壓措施§5-4直流電弧的特性與熄滅原理K1滅弧能力比K2強(qiáng)降低電流減小儲(chǔ)能K1先分K2后分提供泄能回路不影響回路正常工作2023/3/22159當(dāng)前159頁，總共250頁。第5章 電器的電弧理論§5-1引言§5-2氣體放電的物理基礎(chǔ)§5-3電弧的物理特性§5-4直流電弧的特性與熄滅原理§5-5交流電弧的特性與熄滅原理§5-6開關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理2023/3/22160當(dāng)前160頁，總共250頁。O`§5-5交流電弧的特性與熄滅原理交流電弧的伏-安特性交流電弧的伏－安特性：Uh,Ih均隨時(shí)間變化，dih/dt也變化假定：電流過零期間，電弧電阻為有限值（介質(zhì)對電弧的冷卻作用不太強(qiáng)）OO`Ih很小→Ph≈0dWQ/dt=-Ps<0弧柱變冷、變細(xì)Rh：迅速增大O`AIh↑→Ph↑弧柱變熱、變粗Rh↓dWQ/dt=Ph-Ps>0duh/dih>0duh/dt>02023/3/22161當(dāng)前161頁，總共250頁。§5-5交流電弧的特性與熄滅原理交流電弧的伏-安特性O(shè)`AIh↑→Ph↑弧柱變熱、變粗Rh↓dWQ/dt=Ph-Ps>0duh/dt>0ABIh↑→Ph↑弧柱變熱、變粗Rh：迅速減小dWQ/dt=Ph-Ps>0一定值duh/dt<0duh/dih<0（負(fù)電阻）燃弧尖峰O`2023/3/22162當(dāng)前162頁，總共250頁。§5-5交流電弧的特性與熄滅原理交流電弧的伏-安特性ABIh↑→Ph↑弧柱變熱、變粗Rh：迅速減小dWQ/dt=Ph-Ps>0一定值duh/dt<0duh/dih<0（負(fù)電阻）BCIh↓→Ph↓熱慣性：RhBC<RhABuhBC<uhABRh↑→uh↑2023/3/22163當(dāng)前163頁，總共250頁。§5-5交流電弧的特性與熄滅原理交流電弧的伏-安特性COIh↓→Ph↓弧柱變冷、變細(xì)Rh↑一定值duh/dt<0BCIh↓→P