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1、第四章电弧及其与电路的相互作用电弧及其与电路的相互作用 本章要点：本章要点：1.电弧的性质 2.弧光放电过程 3.交直流电弧的伏安特性 4.交直流电弧的熄灭方法 5.交流电弧的过零现象 6.电弧模型（不做要求）第一节 概述n开关开断过程中会产生电弧。开关开断过程中会产生电弧。，称为开关电弧。，称为开关电弧。n电弧是气体放电的一种形式电弧是气体放电的一种形式 特点特点:电弧具有强光电弧具有强光 很高的热力学温度（可达几千至几万度）很高的热力学温度（可达几千至几万度）n对于高电压大电流电路的分断来说，只有产生对于高电压大电流电路的分断来说，只有产生电弧，才能实现对电弧，才能实现对电路的电路的控制控
2、制。对开关电弧的要求 对于断路器中的电弧等离子体来说，对于断路器中的电弧等离子体来说，希望具有下列特性：希望具有下列特性：n电导率的变化范围尽可能大电导率的变化范围尽可能大，即要在，即要在导体至完全绝缘体之间变化；导体至完全绝缘体之间变化；n电导率的变化速度尽可能快电导率的变化速度尽可能快。第二节第二节 电弧的产生和描述电弧的产生和描述 一一.弧光放电及其特点弧光放电及其特点图4-1 气体间隙中的电流与电压的关系(a)有气体间隙的直流电路；（b）气体放电的特性 3.电弧的形成n电弧的形成：大量带电质点在电场力的作用定向运动n带电质点的来源：带电质点的来源：n电极发射大量自由电子n强电场发射强电
3、场n热电子发射高温n电极间弧柱气体游离产生大量的电子和离子n碰撞游离电场加速电子，由高速运动的电子与中性粒子碰撞产生新的带电粒子n热游离高温（起弧），由中性质点热运动碰撞产生3.弧光放电的特点n在辉光、电晕、弧光等自持性放电形式中，弧光放电的特点是电流密度大（伴随有高温和强光）、阴极位降低。形成的电弧是一种能量集中、温度很高、亮度很强的具有良好导电性的游离气体。n除正负两个电极外，整个电弧可以分为三个部分：阴极位降区域、弧柱和阳极位降区域。图4-2给出了沿电弧轴向分布的电弧三个区域的电位降和电位梯度。电弧形成后，在阴极附近会有正空间电荷（正离子鞘层）的存在，使阴极附近的电位有一个很大的跃变，形
4、成阴极电位降Uc；而在阳极附近则有未被补偿的负空间电荷（电子）存在，也有一个电位跃变，形成阳极电位降Ua。阴极和阳极位降区域都处于靠近电极的很小范围内，其长度约为10-4cm，因而其电位梯度可达到较大的数值。电弧的中间部分是弧柱，它的电位沿轴向基本上为均匀分布。电弧的电位降及电位梯度的分布 图4-2 电弧的电位降及电位梯度的分布.弧柱阳极区阴极区电弧的特点（归纳）A 电弧放电现象是一种气体自持放电。B 电弧是一种离子通道（载流通道）：只有触头间的电弧熄灭后，电流才真正切断。C 电弧的温度很高、能量大：容易烧坏触头，或使触头周围的绝缘材料遭受破坏。D 电弧燃烧时间过长，压力过高，有可能使电器发生
5、爆炸事故。E电弧质量轻，在外力的作用下易变形，如气吹、磁吹情形下电弧长度容易发生变化二、高气压电弧与真空电弧比较n高气压电弧与真空电弧的定义n由于形成机理不同，二者在很多方面表现明显不同。1、外观形态上的区别 电弧形态示意图 从外观形态上来看，高气压电弧有集中的阴极斑点和阳极斑点。由于受到自身电流产生的磁场箍缩效应，在高气压电弧阴极斑点和阳极斑点之间，有一根明亮而且集中的弧柱。而真空电弧却不同，在阴极表面上往往有许多明亮而分散的阴极斑点，阴极斑点作无规则运动。在阳极表面，只有当电流超过一定的数值时，才能出现阳极斑点。各个阴极斑点之间好象是独立的，弧柱呈锥状向阳极伸展。两极之间的弧柱亮度较弱。2
6、、电弧伏安特性曲线上的区别 电弧伏安特性曲线 二者具有不同的伏安特性曲线。高气压电弧具有下降的伏安特性。电弧电流增加，电弧压降减少，具有“负”特性。真空电弧却相反，具有正伏安特性。弧压增加，电流增加3、电弧在横向磁场中的运动特性 电弧在横向磁场中的运动特性 从外加横向磁场中的电弧运动特性来看，高气压电弧的运动服从安培定律和左手定则，而真空电弧的运动与安培定律和左手定则规定的方向相反。在不同的气压范围内横向磁场中电弧运动的一般规律 在不同的气压范围内横向磁场中电弧运动的一般规律4、运行气体环境不同n高气压电弧运行在高气压状态下，一般指133Pa 以上的气体环境中，通常为大气电弧。带电粒子的自由程
7、远远小于电极之间的距离，在两极之间，与气体分子间碰撞次数较多。气体电离以碰撞电离为主气体电离以碰撞电离为主，弧柱内有强烈的电磁发射。n真空电弧运行在真空状态下，一般指1.33Pa1.33X10-5Pa范围内。带电粒子的自由程大于电极之间的距离。在两极之间，带电粒子与气体分子间几乎不发生碰撞。气体电离以热电离为主。气体电离以热电离为主。5、带电粒子的能量区别 n高气压电弧带电粒子与气体分子间碰撞频繁。带电粒子的能量相对较小，气体电离度小,主要以一次电离为主。n真空电弧以热电离为主，带电粒子与气体分子间几乎不发生碰撞，带电粒子的能量很高，含有较高的多次电离成份。三、三、弧柱特性n弧柱是由高温、高游
8、离化的气体形成的充弧柱是由高温、高游离化的气体形成的充满了带电粒子的等离子体通道满了带电粒子的等离子体通道，它的特性和物理过程对电弧起着重要的作用，开关电弧中主要的研究对象之一就是弧柱的特性。电弧的熄灭：带电质点不断消失电弧的熄灭：带电质点不断消失n关键是加强去游离作用n 介质的游离作用电弧产生 n 介质的去游离作用电弧熄灭n 去游离：正、负质点相互中和为中性质点。n 游离与去游离n当游离去游离电弧电流（剧烈燃烧）n当游离=去游离电弧电流不变（稳定燃烧）n当游离去游离电弧电流（熄灭）四、弧柱的消游离过程四、弧柱的消游离过程1.复合复合n两种带异性电荷的质点互相接触而形成中性质点称为复合，也就是
9、正两种带异性电荷的质点互相接触而形成中性质点称为复合，也就是正负电荷的中和作用。负电荷的中和作用。复合可以在电极的表面及灭弧栅板的表面上发生，称为表面复合，也可以在间隙的空间中发生，称为空间复合。2.扩散扩散 扩散就是带电粒子从电弧间隙中散出到周围介质中去。它也可使弧柱扩散就是带电粒子从电弧间隙中散出到周围介质中去。它也可使弧柱中的带电粒子减少，游离程度降低。中的带电粒子减少，游离程度降低。通常扩散是双极性进行的，即正负粒子成对地向外扩散出去，以保持弧柱中正负电荷的数量相等。扩散的速度与粒子浓度、正离子运动速度、弧柱直径、温度及压力等有关，其中以弧柱直径的影响为最大。弧柱直径越小，则扩散越强烈
10、。第三节第三节 直流电弧直流电弧一、直流电弧的伏安特性一、直流电弧的伏安特性 在直流电路中产生的电弧称为直流电弧。在直流电路中产生的电弧称为直流电弧。伏安特性是直流电弧的基本特性，它表伏安特性是直流电弧的基本特性，它表示直流电弧两端示直流电弧两端 的电弧电压的电弧电压Uh与流过与流过它的电弧电流它的电弧电流Ih的关系。的关系。1.静态伏安特性n直流电弧在一定长度下稳定燃烧时所测得的伏安特性称为静态伏安特性静态伏安特性。图4-5 静态伏安特性下降的电弧伏安特性曲线定性解释 从图4-5可见，电弧伏安特性是一条非线性的下降曲线。可简要地对静态直流伏安特性作如下的定性解释，因为电弧电阻Rh取决于弧柱的
11、热游离程度，热游离程度又与温度，也即是弧柱中的能量损耗有关，它与电弧电流Ih的平方成正比，因此电弧电阻与电流的二次方成反比。而电弧电压等于电流与电阻的乘积，因此可知电弧电压是随电弧电流的增加而减小的。IPUUIP弧压nUh=阴极区压降Uc+弧柱区压降Us+阳极区压降Uan短弧：几个mm长、主要由阴极区压降Uc+阳极区压降Ua区组成,Us近似于零n长弧：几个cm几个m长，主要由Us组成长弧中的电弧电压n实验指出，在其他条件不变时，当电弧电流增大到几十安时，电弧电压不再随电流的增加而下降，而是基本上保持为常数。因此在小电流范围时，电弧电阻随电流的增加而急剧地（近似为二次方）减小；而在大电流范围时，
12、电弧电阻只随电流的增加而缓慢减小。n在长弧中，电弧电压主要是弧柱的电压降在长弧中，电弧电压主要是弧柱的电压降，即UE lhh h(4-9)式中 Eh 弧柱的电场强度（Vcm）lh 电弧的长度（cm）近阴极效应近阴极效应（短弧原理）（短弧原理）n将长弧切割成多段电弧串联，每一段即构成一个短弧，获得一个阴极区压降。n如果加在触头间的电压小于各段短弧的阴极电压之和，则电弧就不能维持而熄灭。大电流时弧柱电场强度n弧柱电场强度弧柱电场强度Eh也将随电弧电流变化也将随电弧电流变化。在大电流情况下，弧柱的电场强度基本上保持为一常数。几个典型的弧柱电场强度数值示于表4-3中 2.影响伏安特性的因素n电弧电压的
13、大小取决于电弧长度和弧柱电场强度的乘积，因此电弧长度和弧柱电场强度将直接影响到电弧的伏安特性。在其他条件不变时，电弧电压Uh随电弧长度l的增大而升高，伏安特性曲线向上移冷却条件对伏安特性的影响 n冷却情况有关 n冷却条件越好，伏安特性冷却条件越好，伏安特性曲线越向上移。曲线越向上移。这是因为外界对电弧冷却作用的增强会使弧柱内的消游离过程加强，在相同的电流下，必须有较高的电场强度（在一定弧长时，也即要有较高的电弧电压）才能给弧道提供足够的能量来加强热游离，继续维持电弧的稳定燃烧。3.动态伏安特性n图中曲线1为为静态伏安特性，当电流较快增加时，由于热惯性的作用，弧柱中的温度上升得较慢，使游离作用的
14、变化赶不上电流的相应变化，因此电阻值较大，动态伏安特性曲线偏于静态伏安特性曲线之上。n图中曲线图中曲线2即为电流增加时的动态伏安特性曲线即为电流增加时的动态伏安特性曲线。n图中曲线图中曲线3即为电流尖小时的动态伏安特性曲线即为电流尖小时的动态伏安特性曲线。动态伏安曲线动态伏安曲线n对于长度不变的直流电弧，对于长度不变的直流电弧，其静态伏安曲线只有一条，其静态伏安曲线只有一条，而动态伏安曲线可以有千万而动态伏安曲线可以有千万条！条！注意事项 实际上开关中的直流电弧在熄灭实际上开关中的直流电弧在熄灭过程中电流的变化都是较快的，因过程中电流的变化都是较快的，因此在讨论电弧电压与电流的关系时此在讨论电
15、弧电压与电流的关系时必须采用必须采用动态伏安特性动态伏安特性。二、直流电弧的稳定燃烧与熄灭二、直流电弧的稳定燃烧与熄灭等效回路等效回路它的电压平衡方程式为 hhhUdtdILRIU0(4-10)电弧伏安特性曲线 hhhURIUdtdIL)(0(4-11)直流电弧的熄灭条件 n如要使直流电弧熄灭，则必须减小电流，使即0dtdIh)(0RIUUhh(4-14)因此，式（4-14）即为直流电弧的熄灭条件。它说明当电路中电源电压不足以维持电弧电压与线路压降之和时，直流电弧将被熄灭。两条曲线无交点情形n两条曲线无交点情形分析和结论直流电弧的熄灭条件直流电弧的熄灭条件huiRE)(开关中熄灭直流电弧 在开
16、关中熄灭电弧时，线路内的参数一般是不变的，因此常采用下面方法来提高电弧的伏安特性曲线，以满足电弧的熄灭条件。（1）拉长电弧；拉长电弧；触头的分断过程，就可把电弧拉长，另外还可采用吹弧（磁吹气吹）的办法使燃弧路径增长，从而拉长电弧。当电弧实际长度超过熄灭所要求的临界长度时，电弧必然熄灭。（2）增强冷却；增强冷却可使Eh增大，从而把伏安特性曲线提高。油、SF6、真空、压缩空气开关中熄灭电弧（续）n3)将长弧分割成多段短弧n4)提高触头的开断速度（分闸弹簧）n5)将触头置于真空灭弧室中直流电弧的熄灭注意事项直流电弧的熄灭注意事项 在直流电路中不能采用灭弧能力太强的开关电器，避免产生过电压。第四节第四节 交流电弧交流电弧n一、交流电弧的特点一、交流电弧的特点交流电弧的特性及熄灭交流电弧的特性及熄灭n电弧在自然过零时将自动熄灭，但下半周期随着电压的升高，电弧会重燃。n若电流过零时，电弧不再重燃，电弧就此熄灭。n热惯性：电弧温度的变化滞后于电流的变化交流电弧的熄灭条件弧隙此时恢复电压小于此时弧隙击穿电压jhfUU交流电弧伏安特性 n图4-11 交流电弧在一周期内的伏安特性 电弧的温度曲线 图4-1
