电弧的基本特性.ppt

《电弧的基本特性.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电弧的基本特性.ppt（112页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、1l本章教学目的与要求本章教学目的与要求：掌握电弧的物理特性，了解气体放电的物理过程；掌握直流电弧的特性及熄弧原理，熟知在直流开关电器中可以使用的促使直流电弧尽快熄灭的原理方法；掌握交流电弧的伏安特性，熟悉电弧电压对交流电路电流的影响，了解交流电弧的能量计算及电弧数学模型。l本章教学重点与难点本章教学重点与难点：电弧的物理特性，生弧电压与生弧电流；直流电弧的伏安特性与熄灭原理；交流电弧的伏安特性，零休现象l本章教学基本内容本章教学基本内容：l气体放电的物理过程l电弧的物理特性l直流电弧的伏安特性l直流电弧的熄灭原理l直流电弧的能量l直流电弧熄灭时的过电压l交流电弧的伏安特性l电弧电压对交流电路

2、电流的影响l交流电弧的能量计算l麦也耳电弧数学模型第三章 电弧的基本特征2实验室模拟磁环爆发磁环爆发第三章 电弧的基本特征3第三章第三章 电弧的基本特征电弧的基本特征 空间空间天体等离子体天体等离子体4 概概 述述 背背 景景 知知 识识 3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程 3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征 3-3 3-3 直流电弧的燃烧与熄灭直流电弧的燃烧与熄灭 3-4 3-4 交流电弧的特性交流电弧的特性 小小 结结第三章 电弧的基本特征5概概 述述一、电弧电弧是一种气体放电现象，也是一种等离子体（是一种气体放电现象，也是一种等离子体（PlasmaPlasma

3、）。）。二、学习电弧知识的目的是掌握电弧规律，尽快熄弧。二、学习电弧知识的目的是掌握电弧规律，尽快熄弧。6三、三、“电弧电弧”的定义：的定义：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、：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、油介质和介质和SF6气体介质等中间。气体介质等中间。概概 述述7定义定义(2)：在大气中开断电路时，当电源电压：在大气中开断电路时，当电源电压U UU U0 0=（12122020），被开断电流，被开断电流（0.250.251 1）时，触

4、头间隙中产生的一团温度极）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。高、发强光、能导电的近似圆柱体的气体。2、气体放电：指、气体放电：指弧隙中气体由绝缘状态变为导体状态，使电流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。得以通过的现象。概概 述述8背 景 知 识“等离子体等离子体 PlasmaPlasma”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。第四态

5、。看似看似“神秘神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太的等离子体，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，它占了整个宇宙的阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的9999。9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10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

6、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11二、等离子体分为两种：二、等离子体分为两种：高温和低温等离子体。高温和低温等离子体。1 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、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，组成了宇宙的宙的9999。它是高温等离子体。它是高温等离子体。2 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、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）。高）。背 景 知

7、 识12 低温等离子体现在广泛运用于多种生产领域，如低温等离子体现在广泛运用于多种生产领域，如等离子电视等离子电视，婴儿婴儿尿布表面防水涂层尿布表面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性增加啤酒瓶阻隔性，更重要的是在，更重要的是在电脑芯片中的蚀电脑芯片中的蚀刻运用刻运用，让网络时代成为现实。，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。来控制等离子体。背 景 知 识13人人类类

8、的的生生存存伴伴随随着着水水，水水存存在在的的环环境境是是地地球球文文明明得得以以进进化化、发发展展的的的的热热力力学学环环境境，这这种种环环境境远远离离等等离离子子体体物物态态普普遍遍存存在在的的状状态态。因因而而，天天然然等等离离子子体体就就只只能能存存在在于于远远离离人人群群的的地地方方，以以闪闪电电、极极光光的的形形式式为为人们所敬畏、所赞叹。人们所敬畏、所赞叹。由由地地球球表表面面向向外外，等等离离子子体体是是几几乎乎所所有有可可见见物物质质的的存存在在形形式式，大大气气外外侧侧的的电电离离层层、日日地地空空间间的的太太阳阳风风、太太阳阳日日冕冕、太太阳阳内内部部、星星际际空空间间、

9、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。星云及星团，毫无例外的都是等离子体。背 景 知 识第三章第三章 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背景景知知识15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等离子

10、体参数空间：火 焰16星系：巨大的聚星系：巨大的聚变反反应堆堆背 景 知 识17北极光北极光北极光北极光背 景 知 识18 三、等离子体显示技术三、等离子体显示技术 （Plasma Display)Plasma Display)等离子体显示技术之所以令人激动，主要是以下两原因：等离子体显示技术之所以令人激动，主要是以下两原因：（1 1）可制造超大尺寸的平面显示器（可制造超大尺寸的平面显示器（5050英寸甚至更大）；英寸甚至更大）；（2 2）与阴极射线管显示器不同，它没有弯曲的视觉表面，）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从而使视角扩大到了160160度以上。换句话

11、说，利用惰性气体度以上。换句话说，利用惰性气体（NeNe、HeHe、XeXe等）放电时所产生的紫外光来激发彩色荧光粉等）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。发光，然后将这种光转换成人眼可见的光。背 景 知 识19 1 1、所所谓谓等离子彩等离子彩电电 PDP（Plasma Display Panel），），是指基于在是指基于在两张两张薄玻璃板之薄玻璃板之间间充充填填混合混合气气体，施体，施加加电压电压使之使之产产生生等等离子离子气气体，然后使等离子体，然后使等离子气气体放体放电电，与与基基板中的板中的荧荧光体光体发发生反生反应应，产产生彩色影像的原理而生彩

12、色影像的原理而设计设计的一的一种种彩彩电电。2 2、等离子体显示器：又称电浆显示器，是继、等离子体显示器：又称电浆显示器，是继CRT(CRT(阴极阴极射线管）、射线管）、LCDLCD（液晶显示器）后的最新一代显示器。其特液晶显示器）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。的空间，代表未来显示器的发展趋势。背 景 知 识20 3 3、等离子体显示技术的基本原理、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（一般都是显示屏上排列有上千个密封的小低压气体室（

13、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。荧光体，发出在显示器上能看到的可见光。背 景 知 识21四、等离子体隐身技术四、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

14、体电流构成。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。即不可见。背 景 知 识22军事应用军事应用l等离子体天线等离子体天线l等离子体雷达隐身等离子体雷达隐身l飞行器减阻飞行器减阻l假目标及诱饵假目标及诱饵高技术高技术l大功率微波器件大功率微波器

15、件l强强X X射线源及射线源及X X射线激光射线激光l强流束技术强流束技术l等离子体推进等离子体推进l磁流体发电磁流体发电等离子体军事及高技术应用等离子体军事及高技术应用背 景 知 识23 主要参数Pf=500MWQ 10T=500 sR=6.2 mA=2.0 mIp=15 MAB=5.3 TV=837 m3S=678 m2Pin=73 MW4646亿美元亿美元亿美元亿美元ITER：托卡马克聚变实验堆背 景 知 识24聚变等离子体聚变等离子体20052005年年6 6月月2828日日 ITERITER：CadaracheCadarache背 景 知 识25美国Nova激光聚变装置1985年建成

16、，10路45000焦耳，1纳秒2倍频/3倍频聚变等离子体26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27 3-1 气体放电的物理过程气体放电气体放电:是指气体由绝缘状态变成导电状态，使电流通过的现象。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。气体放电的前提：气体游离化。一、激励与游离：一、激励与游离：、激励：也叫激发，是指原子吸收能量后，使电子由低能量轨道、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

17、的能量激励后原子仍是中性原子，但原子的能量提高了提高了)。此状态只存在。此状态只存在1010-9-91010-8-8秒。秒。28、游离：、游离：定义：游离是指原子吸收足够大的能量后，电子被激发到自定义：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(统称统称中性粒子或中性质子中性粒子或中性质子)变成一个带正电荷的粒子变成一个带正电荷的粒子(正离子正离子)的过程。的过程。游离能游离能(y)y)：指游离出一个电子所需的最低能量指游离出一个电子所需的最低能量(单位为：单位为：，其值参见教材，其

18、值参见教材)。为方便起见，游离能。为方便起见，游离能y y可以直接用游离电压表可以直接用游离电压表示，其单位由示，其单位由J J改为改为evev；3-1 气体放电的物理过程29 1ev 1ev一个电子在真空中经过一个电子在真空中经过1 1V V的电位差所获得的动能。的电位差所获得的动能。例：例：13.45 13.45evev13.451.61013.451.610-19-19。游离电位游离电位y y：y yy/ey/e，其中其中e e：电子电荷，电子电荷，e e1.6101.610-1919。、分级游离：指经过激励状态再游离的过程。、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

19、过程30二、气体游离方式：二、气体游离方式：表面发射和空间游离。表面发射和空间游离。、表面发射：指由金属表面发射电子的现象；、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。它包括了热发射、高电场发射、光发射和二次发射。热发射：在热发射：在2000200025002500K K范围内，金属表面自由电子获得足够范围内，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。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：记为逸出功：记为ycyc，是指一个电子逸出金属所需的最低能量，单是指一个电子逸出金属所需的最低能量，单位为位为

20、evev。3-1 气体放电的物理过程31 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10106 6(v/cm)v/cm)时，自由电子逸出金属的现象。时，自由电子逸出金属的现象。光发射：光线光发射：光线(红外线、紫外线及其他射线红外线、紫外线及其他射线)照在金属表面，引起照在金属表面，引起电子从表面逸出的现象。电子从表面逸出的现象。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。金属表面发射电子的现象。主要考虑阴极表

21、面的二次发射。3-1 气体放电的物理过程32 、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、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。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。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。、光游离：中性粒子受光照作用，当光子能量、光游离：中性粒子受光照作用，当光子能量(h)h)原子或分原子或分子的游离能时，发生的游离。子的游离能时，发生的游离。(h h：普朗克常数，普朗克常数，h h6.624106.62410-34-34，单位单位是是jsjs；：光子的频率

22、，光子的频率，S S-1-1)。光游离作用的大小，与光频成正比。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33 、电场游离：也叫碰撞游离。是一个质量为、电场游离：也叫碰撞游离。是一个质量为m m的带电粒子的带电粒子(由光游离由光游离或表面发射所产生或表面发射所产生)在电场的作用下被加速到后，如其动能在电场的作用下被加速到后，如其动能 MVMV大于大于y y，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。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

23、子：是因电子吸附在中性粒子上形成的带负电荷的离子。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。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。34 、热游离：当气体温度在、热游离：当气体温度在3000300040004000K K以上时，气体粒子因高速以上时，气体粒子因高速热运动而互相碰撞所产生的游离。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：气体的热电离度可用沙哈公式计算：式中，式中，P P是压力（是压力（PaPa），），T T是气体温度是气体温度(k)k)，W Wylyl是中性粒子的是

24、中性粒子的电离能电离能(J)J)。由图由图3-13-1知，气体中混有金属蒸汽时，其电离度要比纯知，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。气体的高，即电导率要大。3-1 气体放电的物理过程35三、去游离及其方式：三、去游离及其方式：、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、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。域，或带电粒子失去电荷变成中性粒子的现象。、去游离方式：包括复合与扩散。、去游离方式：包括复合与扩散。、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，、复合：两个带异性电荷的粒子相遇后

25、，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：形成中性粒子的现象。具体有以下两种方式：a a、表面复合：四种。此时，释放的能量多用以加热电极、金属或表面复合：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。绝缘材料的表面。3-1 气体放电的物理过程36 3-1 气体放电的物理过程37 3-1 气体放电的物理过程38 b b、空间复合：有直接复合和间接复合空间复合：有直接复合和间接复合(电子粘在中性粒子上，电子粘在中性粒子上，再与再与正离子相遇复合成为两个中性粒子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，因为冷却促使对空间复合而

26、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。带电粒子运动速度减小。、扩散：弧柱中的带电粒子，由于热运动，从弧柱中浓度高的区、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。域移到浓度低的区域的现象。3-1 气体放电的物理过程39四、气体放电四、气体放电 3-1 气体放电的物理过程40、气体放电的几个阶段：、气体放电的几个阶段：见图见图3-53-5。、非自持放电阶段：是指当外界因素去除后，放电无法维持的、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，即图中的阶段，即图中的C C段。段。OA段段：电电场场强强度度较较小小，带带电电

27、粒粒子子仅仅由由宇宇宙宙射射线线、射射线线等等产产生生，属漫游状态，当属漫游状态，当U时，到达阴极的带电粒子成比例增加；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，段：电压较高，间隙电场强度较大，I继续增加，可产生电场继续增加，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。为非自持放电阶段。3-1 气体放电的物理过程41、自持放电阶段：图、自持放电阶段：图3-53-5中的中的CFCF段。段。a a、定义：是指当外界因素去除后，放电能够维持的阶段，定义：是指当外界因素去

28、除后，放电能够维持的阶段，即图中即图中的的CFCF段。段。b b、自持放电的条件：自持放电的条件：发生了间隙击穿发生了间隙击穿(放电电流雪崩般增加，即放电电流雪崩般增加，即放电突变的现象放电突变的现象)。间隙击穿电压主要决定于气体压力和电极间距离的乘积，即间隙击穿电压主要决定于气体压力和电极间距离的乘积，即jcjc f(pl)f(pl)，其也称为巴申曲线。其也称为巴申曲线。3-1 气体放电的物理过程42 3-1 气体放电的物理过程43c c、举例：将举例：将BF段分为段分为BD区和区和EF区。其中，区。其中，#C点点附附近近的的BD区区的的特特征征：通通道道是是常常温温，电电流流密密度度小小，

29、阴阴极极压压降降高高（几几百百伏伏），呈呈辉辉光光，称称为为辉辉光光放放电电区区。电电流流0.1左左右右，无明显发热。无明显发热。带带电电粒粒子子产产生生的的主主要要原原因因是是阴阴极极的的二二次次电电子子发发射射和和阴阴极极区区的的碰碰撞撞电离。电离。维持辉光放电的重要条件是阴极的低温。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44#EF区：在外加电压作用下，由阴极压降区连续提供电子流，在区：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。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

30、光游离；游离方式有热游离与光游离；形式：电弧；形式：电弧；特特征征：温温度度极极高高（6000k以以上上），电电流流密密度度很很大大（几几千千安安/平平方方厘厘米），阴极压降很小（几十伏）。米），阴极压降很小（几十伏）。3-1 气体放电的物理过程45、气体放电的几种、气体放电的几种形式形式：.辉光放电：图辉光放电：图3-53-5的的B B段；段；0.10.1左右，无明显发热；带左右，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；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。维持辉光放电的重要条件是阴极的低温。.弧光放

31、电：图弧光放电：图3-53-5的的F F段；是在外加电压作用下，由阴极压段；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。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。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46五、气体间隙的击穿理论：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。气体间隙击穿即是由绝缘变为导电。2、汤逊放电理论：汤逊放电理论：1）表达式）表达式1：电离的条件是：电离的条件是式中式中是电子平均自由

32、行程是电子平均自由行程.3）电子沿电场运动时，不考虑实际的）电子沿电场运动时，不考虑实际的“Z”字形轨迹特征。字形轨迹特征。2）表达式）表达式2：3-1 气体放电的物理过程473、汤汤逊逊第第一一系系数数：即即空空间间游游离离系系数数，是是一一个个电电子子沿沿电电场场运运动动时时，在在单单位位距距离离内内由由电电场场电电离离而而产产生生的的带带电电粒粒子子对对数数（一一个个电电子子和和一一个正离子为一对），其表达式为：个正离子为一对），其表达式为：其中，其中，P是气压，是气压，mmHg；T：气温，气温，k；A0、B0：是是经验数据。经验数据。3-1 气体放电的物理过程484、间隙击穿条件间隙击

33、穿条件：分均匀电场和不均匀电场考虑。：分均匀电场和不均匀电场考虑。1）均匀电场均匀电场：（1）气体间隙击穿条件气体间隙击穿条件：式中式中是表面游离系数，又叫汤逊游离第二系数，见表是表面游离系数，又叫汤逊游离第二系数，见表3-3，例如铜电极的，例如铜电极的0.025；汤逊第一系数汤逊第一系数是是空间游空间游离系数。离系数。3-1 气体放电的物理过程49 3-1 气体放电的物理过程50式中，式中，A、B是常数，见表是常数，见表3-4。另外，。另外，“pl”应看作一个参数。应看作一个参数。铜铜电电极极在在空空气气下下的的Ujc对对pl试试验验曲曲线线（实实线线）与与令令r=0.025、按按上上式式作

34、作出出的的Ujc对对pl的的关关系系曲曲线线（虚虚线线）如如图图所所示示，称称为为“巴巴申申曲曲线线”。（2）间隙击穿电压间隙击穿电压Ujc：3-1 气体放电的物理过程51“巴申曲线巴申曲线”分析，结果：分析，结果：除除pl很小外，实线与虚线很接近；很小外，实线与虚线很接近；pl很高（提高气压）或很低（真空）时，很高（提高气压）或很低（真空）时，Ujc较大；较大；p在特定位置在特定位置（pl）min时，时，Ujc最小（最小（Ujcmin）。）。3-1 气体放电的物理过程52将上式对将上式对pl求极值，可得铜电极在空气中的最小击穿电压：求极值，可得铜电极在空气中的最小击穿电压：实际为实际为327

35、V。3-1 气体放电的物理过程53最小击穿电压计算：最小击穿电压计算：2）不均匀电场的气体间隙击穿条件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54当带电粒子变化当带电粒子变化，电弧燃烧趋热；当，电弧燃烧趋热；当时，时，电弧燃烧趋于稳定；当电弧燃烧趋于稳定；当时，电弧燃烧趋于熄灭。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55 3-2 电弧的物理特征一、开断电路时电弧的产生过程一、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、最小生弧电流和最小生弧电压当当被被开开断断的的电电

36、流流和和电电压压超超过过触触头头材材料料的的最最小小生生弧弧电电流流和和最最小小生生弧弧电压（直流见表电压（直流见表3-53-5，交流见表，交流见表3-63-6）时，弧隙中将产生电弧。）时，弧隙中将产生电弧。56 2 2、电弧产生和发展的过程：、电弧产生和发展的过程：1 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；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 2）触头闭合过程中，因动触头触头闭合过程中，因动触头“弹跳弹跳”，在一定条件下产生电弧；，在一定条件下产生电弧；3 3）触头分离时，电弧产生过程。触头分离时，电弧产生过程。3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的

37、物理特征57 3 3、触头分离：、触头分离：1 1）开始分离开始分离：接触面积减小，电流密度增大，强烈发热；：接触面积减小，电流密度增大，强烈发热；2 2）分分离离瞬瞬间间：接接触触处处的的金金属属先先熔熔化化，产产生生液液态态金金属属桥桥及及金金属属蒸蒸汽汽，然然后后由由热热发发射射、高高电电场场发发射射产产生生大大量量电电子子，再再由由电电场场游游离离产产生生电电子子和和正正离离子，由复合作用维持热发射。子，由复合作用维持热发射。结结果果：弧弧隙隙温温度度升升高高，热热电电离离起起主主导导作作用用，气气体体带带电电离离子子增增多多，气气体体电电导率增大，弧隙两端电压降低，直至带电粒子达到平

38、衡，电弧稳定燃烧。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。注意：高电场发射是电弧产生的根本原因。3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征58二、电弧近极区和弧柱区的特征：二、电弧近极区和弧柱区的特征：1、直流电弧电弧压降直流电弧电弧压降Uh的三个区域的三个区域：（1）近近阴阴极极区区：聚聚集集大大量量正正离离子子，是是一一个个正正空空间间电电荷荷；阴阴极极压压降降Uc较大，其值与阴极材料和气体介质有关，数值见表较大，其值与阴极材料和气体介质有关，数值见表3-7。（2）近近阳阳极极区区：聚聚集集大大量量电电子子，属属负负空空间间电

39、电荷荷区区；阳阳极极压压降降Ua，其值与阳极材料有关；其值与阳极材料有关；3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征59（3）弧柱区弧柱区：近似圆柱形；：近似圆柱形；电离气体中正负带电粒子数电离气体中正负带电粒子数相等，为等离子体，类似金相等，为等离子体，类似金属导体；属导体；E沿弧长可看作是沿弧长可看作是常数，其值与电极材料、气常数，其值与电极材料、气压、介质对电弧的作用等有压、介质对电弧的作用等有关；弧柱电压关；弧柱电压UzIhRh。3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征60 式中，式中，U U0 0是近极压降；是近极压降；E E是弧柱电场强度是弧柱电场强度V/cmV/cm；l l

40、是电弧长度。是电弧长度。按按U Ua a和和U Uc c在在电电弧弧电电压压中中所所占占比比例例不不同同，可可将将电电弧弧分分为为短短弧弧（极极间距离很短的电弧）和长弧（极间距离很长，间距离很短的电弧）和长弧（极间距离很长，U Uh hUU0 0，且且U Uh hE E的电弧）。的电弧）。2、直流电弧电压直流电弧电压：3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征61三、电弧长度：三、电弧长度：与发热及气流有关。与发热及气流有关。四、弧柱的温度四、弧柱的温度：用光学方法测量。用光学方法测量。开开关关电电器器：燃燃弧弧温温度度600060002000020000K K；趋趋向向熄熄灭灭温温度度：3

41、000300040004000k k。五、弧柱的直径。五、弧柱的直径。3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征62六、电弧的弧根和斑点：六、电弧的弧根和斑点：1、弧根弧根：弧柱贴近电极的部分；：弧柱贴近电极的部分；2、斑点斑点：弧根在电极表面上形成的圆形明亮点，其中：弧根在电极表面上形成的圆形明亮点，其中：（1）阴阴极极斑斑点点：是是维维持持电电弧弧存存在在的的电电子子发发射射处处，其其电电流流密密度度高高（104A/cm2，甚甚至至达达107A/cm2），导导致致电电极极材材料料迅迅速速汽汽化化，形形成成金金属属蒸蒸汽汽进进入入弧弧隙隙。同同时时斑斑点点区区通通过过热热发发射射、高高电电

42、场场发发射射和和二二次次发发射射提提供大量的电子；结果阴极表面逐渐烧损，形成凹坑。供大量的电子；结果阴极表面逐渐烧损，形成凹坑。3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征63（2）阳阳极极斑斑点点：是是电电子子进进入入阳阳极极的的入入口口，面面积积大大于于阴阴极极斑斑点点，故电流密度较小。故电流密度较小。3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征643、电弧的能量平衡电弧的能量平衡：（1）电弧的发热功率电弧的发热功率：（2）电弧的散热功率（传导、对流、辐射）电弧的散热功率（传导、对流、辐射）：3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征65式中式中WQ是电弧的含热量，是电弧的含热量，J；P

43、s：弧柱总散热量；弧柱总散热量；Ph：电弧功率。电弧功率。因此，当因此，当时，电弧燃烧趋热；当时，电弧燃烧趋热；当时，电弧稳定燃烧；当时，电弧稳定燃烧；当时，电弧趋于熄灭。时，电弧趋于熄灭。（3）由上两式，可得）由上两式，可得电弧的动态能量平衡方程电弧的动态能量平衡方程：3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征66三、维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理：三、维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理：、前提：、前提：假定电弧是一个纯电阻性的发热元件。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

44、传导(cd)cd)、对流对流(dl)dl)和辐射和辐射(fs)fs)三种方式散失。三种方式散失。3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征67 、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、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：原理：令：h h：输入弧隙的功率，；输入弧隙的功率，；s s：散失功率，；散失功率，；h h s s：h h增加，增加，t th h增加，弧径变粗；增加，弧径变粗；h h s s：h h恒定，电弧稳定燃烧；恒定，电弧稳定燃烧；h h 2 2 ：h h增加；增加；1 1 2 2 ：h h恒定，电弧稳定燃烧；恒定，电弧稳定燃烧；1 1

45、 2 2 ：电弧逐渐熄灭。电弧逐渐熄灭。3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征69 4 4、总结：、总结：电弧是热和电的统一体，具有电弧是热和电的统一体，具有“热热-电效应电效应”。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，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。可使电弧熄灭。3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征70 3-3 直流电弧的燃烧与熄灭一、直流电弧的伏安特性一、直流电弧的伏安特性(非线性非线性)：、测量直流电

46、弧伏安特性的电路、测量直流电弧伏安特性的电路712、直直流流电电弧弧伏伏安安特特性性曲曲线（见图线（见图3-19）：）：3-3 直流电弧的燃烧与熄灭72（1）概概念念：在在电电弧弧长长度度维维持持不不变变的的情情况况下下，对对应应每每一一个个直直流流电电流流Ih，当当电电弧弧中中的的发发热热和和散散热热过过程程达达到到平平衡衡后后，弧弧隙隙两两端端都都会会有有一一个个与与之之对对应应的的电电压压Uh，则则称称Uh与与Ih的的关关系系为为直直流流电电弧弧的的静静态态伏伏安安特特性性，是是非非线线性性、反时限特性。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；）弧长改变时，直流

47、电弧静态特性曲线将上下近似平移；（3）特特性性与与电电极极材材料料、介介质质的的种种类类、气气压压、温温度度、相相对对运运动动速速度度等等有有关。关。（4）电弧电阻电弧电阻Rh的计算公式的计算公式：3-3 直流电弧的燃烧与熄灭733、直流电弧伏安特性曲线分析：、直流电弧伏安特性曲线分析：计算直流电弧静伏安特性电压与电流间的经验公式计算直流电弧静伏安特性电压与电流间的经验公式 ：h h0 0 z z/(i/(ih h)n n式中式中 0 0：电弧近极压降，；：电弧近极压降，；z z：电弧长度，电弧长度，cmcm；n n和和c c：常数，常数，n n0.250.25；i ih h：电弧电流，；电弧

48、电流，；静伏安特性曲线静伏安特性曲线/动伏安特性曲线、动伏安特性曲线、3 3、：如图、：如图3-83-8所示所示.3-3 直流电弧的燃烧与熄灭74 3-3 直流电弧的燃烧与熄灭75图中，图中，I Ih h时，时，U Uh h，原因是：原因是：I Ih h时，输入功率时，输入功率I Ih hU Uh h，温度温度TT，结果直径结果直径dd，导致导致P Ps s,R,Rh h，最终最终U Uh h,即即R Rh h。曲线低于曲线的原因：热惯性作用，即对同样的电弧电流，曲线低于曲线的原因：热惯性作用，即对同样的电弧电流，曲线的弧隙温度相对偏高些，使得对应的电弧电阻偏小些，对应有曲线的弧隙温度相对偏高

49、些，使得对应的电弧电阻偏小些，对应有h h偏小些。偏小些。3-3 直流电弧的燃烧与熄灭76 任任取取图图3-203-20的的稳稳定定燃燃烧烧曲曲线线6 6中中一一点点1 1（I=II=I1 1）分分析析图图中中曲曲线线的的变变化化情情况：况：3-3 直流电弧的燃烧与熄灭77二、直流电弧的稳定燃烧点与熄灭条件：二、直流电弧的稳定燃烧点与熄灭条件：、直流电弧的稳定燃烧点：、直流电弧的稳定燃烧点：（）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（）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。系。（）直流电弧的稳定燃烧点：也叫（）直流电弧的稳定燃烧点：也叫“工作点工作点”，它们满足

50、：，它们满足：-h h。（）（）用图解法求直流电弧的稳定燃烧点并分析之：用图解法求直流电弧的稳定燃烧点并分析之：.点：视在稳定燃烧点；点：稳定燃烧点。点：视在稳定燃烧点；点：稳定燃烧点。.原因是：原因是：-f f（）与）与h hf f（）间的大小关系。）间的大小关系。3-3 直流电弧的燃烧与熄灭78 3-3 直流电弧的燃烧与熄灭79 3-3 直流电弧的燃烧与熄灭80、直流电弧的熄灭条件：、直流电弧的熄灭条件：E-IRE-IR U Uh h、促使低压电器直流电弧熄灭的常用措施：、促使低压电器直流电弧熄灭的常用措施：用金属栅片分隔电弧，以增加近极压降；用金属栅片分隔电弧，以增加近极压降；增加触头开