第三章電弧的基本特性第1頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一第三章電弧的基本特性本章教學(xué)目的與要求：掌握電弧的物理特性，了解氣體放電的物理過程；掌握直流電弧的特性及熄弧原理，熟悉在直流開關(guān)電器中可以使用的促使直流電弧盡快熄滅的原理方法；掌握交流電弧的伏—安特性，熟悉電弧電壓對交流電路電流的影響；了解交流電弧的能量計算及電弧數(shù)學(xué)模型。第2頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/142第三章電弧的基本特性本章教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：

電弧的物理特性，生弧電壓與生弧電流；直流電弧的伏—安特性與熄滅原理；交流電弧的伏－安特性，零休現(xiàn)象。本章教學(xué)基本內(nèi)容：序氣體放電的物理過程電弧的物理特性直流電弧的特性和熄滅原理交流電弧的特性麥也爾電弧數(shù)學(xué)模型簡介第3頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/143第三章電弧的基本特性§3-0序§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)§3-2電弧的物理特性§3-3直流電弧的特性和熄滅原理§3-4交流電弧的特性§3-5麥也爾電弧數(shù)學(xué)模型簡介第4頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/144§3-0序電力開關(guān)設(shè)備的開斷在大氣中開斷電路時，若電流大于0.25~1A；電壓大于12~20V，觸頭間隙（簡稱弧隙）中會產(chǎn)生電弧電?。╝rc）：溫度高、發(fā)強(qiáng)光、能導(dǎo)電的氣體第5頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/145§3-0序電弧的危害延遲開斷線路、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)順利的熄滅電弧（Extinguish）保證電路的成功開斷（Breaking/Interrupting）第6頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/146§3-0序電弧的其他應(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Self-sustainedGasVapourDischarge第7頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/147第三章電弧的基本特性§3-0序§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)§3-2電弧的物理特性§3-3直流電弧的特性和熄滅原理§3-4交流電弧的特性§3-5麥也爾電弧數(shù)學(xué)模型簡介第8頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/148§3-1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（Excitation）第9頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/149§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)電離和激勵電子伏特第10頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1410§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)電離和激勵電離能：電離出一個自由電子所需要的能量第二（三¨¨¨）電離能：拉出第二（三）個電子所需的能量電離能與材料有關(guān)第11頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1411§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)電離和激勵激勵能：激勵一個電子所需要的能量激勵是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)中性粒子處于激勵狀態(tài)的時間<10-9～10-8s分級電離：中性粒子→激勵→電離介穩(wěn)狀態(tài)（一種特別的激勵狀態(tài)）：中性粒子處于介穩(wěn)狀態(tài)的時間可達(dá)10-4～10-2s在中性粒子電離過程中起很大作用第12頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1412§3-1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）電離度氣體電離的方式表面發(fā)射（Surfaceemission）空間電離（Spaceionization）第13頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1413§3-1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）第14頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1414§3-1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，金屬中的電子也具有很高的能量，鎢：8.95eV（費(fèi)米能級）但電子并不能“逃出”金屬表面金屬表面存在勢壘（Potentialbarrier）第15頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1415§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式熱發(fā)射（ThermalEmission）第16頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1416§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式熱發(fā)射（ThermalEmission）對清潔、均勻的表面，飽和熱發(fā)射電流密度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，如鎢第17頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1417§3-1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，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)）而逸出在較高溫度時，場致發(fā)射的電流密度為第18頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1418§3-1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，發(fā)射電流大大增強(qiáng)（非線性提升）以銅為例第19頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1419§3-1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第20頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1420§3-1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第21頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1421§3-1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，若滿足hv≥Wyl

,則可能被電離，這一現(xiàn)象稱為光電離光的頻率越高，電離作用越強(qiáng)X射線，α，β，γ，宇宙射線、紫外線具有較強(qiáng)的電離作用Wyl:中性粒子的電離能（J）

h:普朗克常數(shù)（6.624×10-34J.s）第22頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1422§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體電離的方式電場電離電子自由行程（freepath)長，碰撞截面（collisioncrosssection）小，容易積累足夠的動能，在電場電離中起重要作用若一個帶電粒子在電場中獲得的動能

,則當(dāng)其與另一中性粒子碰撞時，就有可能使之電離，稱為電場電離或碰撞電離第23頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1423§3-1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能的大小和兩者電磁場相互作用的時間電場電離的幾率通常較小有時，電子碰撞中性粒子后，不使之電離或激勵，而是附著其上構(gòu)成負(fù)離子，稱為粘合（attachment)第24頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1424§3-1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、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，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，電離度提高，電導(dǎo)率也增大第25頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1425§3-1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，稱為消電離復(fù)合（Combination）：帶異號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)動從高濃區(qū)向低濃度區(qū)移動氣體消電離的方式第26頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1426§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體消電離（Deionization）復(fù)合表面復(fù)合空間復(fù)合直接復(fù)合間接復(fù)合正離子電子中性粒子電子正離子電子陽極正離子陰極負(fù)離子陽極中性粒子中性粒子帶電離子異性離子中性粒子第27頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1427§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體消電離（Deionization）復(fù)合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)電性氣體例如，SF6具有很好的絕緣性能和滅弧性能直接復(fù)合的幾率比間接復(fù)合的幾率小得多復(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電子的運(yùn)動速度比負(fù)離子大得多第28頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1428§3-1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)動從高濃區(qū)向低濃度區(qū)移動當(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，擴(kuò)散必為雙極性。即在同一時間內(nèi)，擴(kuò)散的正負(fù)粒子數(shù)相等使極間氣體電離度下降，電導(dǎo)率減小擴(kuò)散使電極間電離氣體中帶電粒子減少第29頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1429§3-1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)第30頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1430§3-1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第31頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1431§3-1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，在一定的空間和時間尺度，維持電中性的非束縛態(tài)的宏觀體系第32頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1432§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)等離子體物理學(xué)簡介第33頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1433§3-1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第34頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1434§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)密度(cm-3)第35頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1435§3-1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)域第36頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1436§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個階段由直流電路研究氣體放電的伏-安特性第37頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1437§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個階段按放電性質(zhì)分為兩個階段第38頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1438§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個階段非自持放電階段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第39頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1439§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個階段非自持放電階段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第40頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1440§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個階段非自持放電階段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第41頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1441§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個階段自持放電階段當(dāng)U上升到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第42頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1442§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個階段自持放電階段當(dāng)U上升到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第43頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1443§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個階段自持放電階段當(dāng)U上升到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

電離方式主要是電場電離放電溫度低（常溫）電流密度?。?.1A/m2）

陰極壓降高（幾百V）第44頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1444§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個階段自持放電階段當(dāng)U上升到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

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)）第45頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1445§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的幾個階段輝光放電與弧光放電的特征比較輝光放電（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?。s0.1A/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?。◣资┑?6頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1446§3-1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第47頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1447§3-1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假定如果電子動能＞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釋放出全部能量電子只沿電場方向運(yùn)動第48頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1448§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)電子與重粒子碰撞時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)為重粒子的動能不變，這一近似準(zhǔn)確到me/ma

的量級對于電離碰撞，能量守恒方程為第49頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1449§3-1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電子沿電場運(yùn)動時，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）

E：電場強(qiáng)度（V/m）

p：氣體壓力（Pa）

T：氣體溫度（K）

A0：經(jīng)驗系數(shù)

B0：經(jīng)驗系數(shù)第50頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1450§3-1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)動時，單位距離內(nèi)由電場電離而產(chǎn)生的帶電粒子對數(shù)

自由行程：λ（電子與氣體分子兩次碰撞之間相隔的距離）（m）電離能：Wdl（J）電離單位：Udl（V）電場強(qiáng)度：E（V/m）第51頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1451§3-1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？第52頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1452§3-1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平均自由行程：λ（N個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）剛性球假定下的平均自由行程理想氣體的狀態(tài)方程

k：玻爾茲曼常數(shù)第53頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1453§3-1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λ≥λdl的電子數(shù)（自由行程是有分布的）第54頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1454§3-1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λ≥λdl的電子數(shù)（自由行程是有分布的）一個電子碰撞一次就發(fā)生電離的幾率一個電子經(jīng)過單位距離的碰撞次數(shù)一個電子經(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)第55頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1455§3-1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)第56頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1456§3-1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間內(nèi)，有Ｎ個電子進(jìn)入dx穿過dx后，電子的增量為第57頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1457§3-1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間隙中電場電離產(chǎn)生的正離子數(shù)為一個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γ若二次發(fā)射電子數(shù)＝Ｎ0，則放電可自持第58頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1458§3-1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第59頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1459§3-1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均勻電場的間隙，擊穿電壓為Ujc基本與p/T成正比第60頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1460§3-1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Ａ、Ｂ與氣體種類及溫度有關(guān)T為常數(shù)時，擊穿電壓為第61頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1461§3-1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，擊穿電壓為平均自由行程：（N個粒子自由行程的平均值）第62頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1462§3-1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第63頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1463§3-1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空氣的試驗曲線與計算曲線巴申（Paschen）曲線提高或降低間隙氣壓都可以提高其擊穿電壓除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，Ujc均會增大第64頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1464§3-1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，氣體稀薄，電子自由行程很大，雖然碰撞可積累較大動能，但碰撞次數(shù)太小。因此，隨著p減小，擊穿電壓增大巴申曲線為何存在最低點(diǎn)氣壓很大時，氣體密度大，電子自由行程很小，雖然碰撞次數(shù)多，但電子不易積累動能。因此，隨著p增大，擊穿電壓也增大第65頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1465§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論流注（Streaming）理論流注理論的基本思想湯遜理論可解釋氣體間隙擊穿的機(jī)理，但難以解釋長間隙氣體放電過程的發(fā)展時間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第66頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1466§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體間隙擊穿（Breakdown）理論流注（Streaming）理論氣隙擊穿過程陰極發(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)合放出光子產(chǎn)生第二個電子崩電子崩頭部光電離產(chǎn)生電子各電子崩尾發(fā)展連成一個通道…崩頭、崩尾電場加強(qiáng)崩內(nèi)部電場減弱電子崩內(nèi)電荷分布第67頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1467§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)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?。┗∠吨袔щ娏Ｗ訑?shù)的變化－離子平衡公式帶電粒子變化光發(fā)射熱發(fā)射電離作用場致發(fā)射二次發(fā)射電場電離復(fù)合擴(kuò)散第68頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1468§3-1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第69頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1469第三章電弧的基本特性§3-0序§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)§3-2電弧的物理特性§3-3直流電弧的特性和熄滅原理§3-4交流電弧的特性§3-5麥也爾電弧數(shù)學(xué)模型簡介第70頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1470§3-２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F第71頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1471§3-2電弧的物理特性開斷電路時電弧的產(chǎn)生過程起弧條件大氣中開斷直流電路Ｕ>Uarcmin最小生弧電壓Ｉ>Ｉarcmin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大若Ｉ<Ｉarcmin或

U<Uarcmin，則只產(chǎn)生火花（spark）第72頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1472§3-2電弧的物理特性開斷電路時電弧的產(chǎn)生過程觸頭開始分離觸頭壓力接觸面積接觸電阻電流密度發(fā)熱接觸處熔化，形成液態(tài)金屬橋（Metalbridge）液橋變細(xì)拉長，開始蒸發(fā)第73頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1473§3-2電弧的物理特性開斷電路時電弧的產(chǎn)生過程液橋變細(xì)拉長，開始蒸發(fā)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復(fù)合陽極溫度正離子陰極復(fù)合陰極溫度陰極電場二次發(fā)射熱發(fā)射電子正離子復(fù)合弧隙溫度熱電離弧隙溫度熱電離主導(dǎo)電導(dǎo)率電弧電壓電弧穩(wěn)定燃燒第74頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1474§3-2電弧的物理特性電弧電壓的特性以直流電弧為例電弧電壓Uh沿弧長分布不均勻，分為三個區(qū)域近陰極區(qū)：Cathode弧柱區(qū)：Ｚ近陽極區(qū)：Anode第75頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1475§3-2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行程相當(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（或在真空中）：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)的電離電位第76頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1476§3-2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)的幾倍負(fù)空間電荷區(qū)形成陽極壓降Ua（與陽極材料有關(guān)）有大量電子電場強(qiáng)度較低穩(wěn)定燃弧時，Uc、Ｕa隨Ｉ變化不大，一般認(rèn)為是常數(shù)第77頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1477§3-2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不存在空間電荷，類似電阻氣體介質(zhì)種類氣壓介質(zhì)對電弧作用第78頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1478§3-2電弧的物理特性電弧電壓的特性

弧柱區(qū)弧柱電阻電弧電壓

燃弧過程中，基本不變

Ｅ：弧柱電場強(qiáng)度(V/m)

Ih：電弧長度(m)（近似等于極間距離）第79頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1479§3-2電弧的物理特性電弧電壓的特性

按U0、Uz在Uh中所占的比例將電弧分為短弧和長弧短弧：l很小，Uz可忽略，Uh幾乎與I無關(guān)長?。簂很大，Uz

>>U0，Uh大致與Ｅ成正比第80頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1480§3-2電弧的物理特性弧柱溫度

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<3000－4000K:(電離度)

0Th>20000K:(電離度)

1

電弧溫度的影響因素電弧電流燃弧介質(zhì)電極材料第81頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1481§3-2電弧的物理特性弧柱溫度近似分析時，可以認(rèn)為弧柱電阻率為常數(shù)Rz與d成反比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

ρh：弧柱電阻率

l：電弧長度

d:弧柱直徑第82頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1482§3-2電弧的物理特性弧柱溫度

交流電弧時，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，需要一定的時間近極區(qū)的溫度受電極材料沸點(diǎn)的限制，低于弧柱的溫度電弧溫度的最大值滯后于電流峰值電流過零時，電弧溫度不為零類似于導(dǎo)體的熱慣性第83頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1483§3-2電弧的物理特性弧柱直徑

電弧實質(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）電流大小狹縫法（測溫度）

弧柱直徑的影響因素觸頭材料氣壓及氣體作用方式介質(zhì)種類磁場第84頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1484§3-2電弧的物理特性弧柱直徑

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

經(jīng)驗公式絕緣狹縫中：橢圓形長?。簭澢?、扭曲真空電?。簲U(kuò)散、集聚

弧柱直徑變化也因熱慣性而滯后于電流第85頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1485§3-2電弧的物理特性弧根和斑點(diǎn)

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?。ǜ叻悬c(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)動的陰極斑點(diǎn)（真空電?。┑?6頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1486§3-2電弧的物理特性弧根和斑點(diǎn)

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)致開斷失敗陰極陽極斑點(diǎn)的運(yùn)動斑點(diǎn)運(yùn)動受電流、材料、磁場等因素的影響（連續(xù)運(yùn)動）（跳躍運(yùn)動）第87頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1487§3-2電弧的物理特性弧根和斑點(diǎn)

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)低觸頭材料沸點(diǎn)高燃弧時，弧隙金屬蒸汽少電流過零后陰極熱發(fā)射電子多燃弧時，弧隙金屬蒸汽多電流過零后陰極熱發(fā)射電子少

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第88頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1488§3-2電弧的物理特性電弧的等離子流

P：弧柱截面壓強(qiáng)（Pa）

Ih：電弧電流（A）

rh：電弧半徑（cm）電弧電流自生環(huán)向磁場（Bθ）作用于電弧，壓縮弧柱，產(chǎn)生壓力（收縮壓力）第89頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1489§3-2電弧的物理特性電弧的等離子流電弧電流自生環(huán)向磁場（Bθ）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，弧根處半徑最小，故該處弧柱中心壓力最大第90頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1490§3-2電弧的物理特性電弧的等離子流電弧電流自生環(huán)向磁場（Bθ）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，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電極材料氣化垂直于電極表面流動等離子流第91頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1491§3-2電弧的物理特性電弧的等離子流電弧電流大于一定值時，才產(chǎn)生等離子流等離子流中粒子流動的速度：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)生等離子流當(dāng)兩股等離子流在空間不相遇時，電弧不是在極間燃燒，而是在等離子流間燃燒等離子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)和電弧的熄滅第92頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1492§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡電弧相當(dāng)于一純電阻性發(fā)熱元件電弧耗散的功率為：一般認(rèn)為：IhU0由電極傳出，IhUz由弧柱散出短弧長弧PhPh主要其它部件周圍介質(zhì)周圍介質(zhì)主要周圍介質(zhì)第93頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1493§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：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）

λ：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)第94頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1494§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射傳導(dǎo)利用熱路的方法第95頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1495§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：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λ愈大，Pcd愈大，電弧電壓高且較易熄滅分子原子（吸熱）原子分子（散熱）第96頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1496§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射對流周圍冷的氣體介質(zhì)弧柱中熾熱的電離氣體第97頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1497§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射對流自由燃燒時，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）第98頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1498§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射對流自由燃燒時，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)作用縱吹

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）第99頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/1499§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射對流縱吹橫吹橫吹時，對流散發(fā)的功率與電弧縱截面積成正比縱吹時，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第100頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14100§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射輻射輻射散發(fā)的功率Pfs與弧柱體積成正比電弧不一定是透明體!自由燃弧時：通常只占總散發(fā)功率的百分之幾到十幾強(qiáng)迫冷卻時：輻射可以忽略εfs：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）第101頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14101§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡Ps=Pz+IhU0長弧時近極區(qū)耗散功率電極第102頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14102§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡電弧產(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Ph=IhUh>PsＴhdhRhＵhIhUhPsPh=IhUh=Ps電弧進(jìn)入穩(wěn)定燃燒狀態(tài)第103頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14103§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡電弧達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)時的電弧溫度、電阻和直徑與電弧電流有密切關(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（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)過程需要一定的時間（電弧的熱慣性）第104頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14104§3-2電弧的物理特性電弧的能量平衡電弧的動態(tài)能量平衡（守恒）方程物理意義：單位時間內(nèi)電弧所含熱能的變化量，等于發(fā)熱和散熱功率之差電弧所含的熱能（J）第105頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14105第三章電弧的基本特性§3-0序§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)§3-2電弧的物理特性§3-3直流電弧的特性和熄滅原理§3-4交流電弧的特性§3-5麥也爾電弧數(shù)學(xué)模型簡介第106頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14106§3-３直流電弧的特性和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，測得的Uh-Ih特性第107頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14107§3-３直流電弧的特性和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，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（）第108頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14108§3-３直流電弧的特性和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，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ＩhＩhＵhThdhＲh第109頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14109§3-３直流電弧的特性和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，測得的Uh-Ih特性S1<S2:

用來平衡散發(fā)功率的增加（原因：溫度升高、直徑增大）第110頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14110§3-３直流電弧的特性和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，測得的Uh-Ih特性電弧長度電弧靜態(tài)伏安特性的影響因素電極材料氣體介質(zhì)氣體壓力介質(zhì)相對于電弧的運(yùn)動速度經(jīng)驗公式：第111頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14111§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動態(tài)伏－安特性動態(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特性第112頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14112§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動態(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：1３

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的電弧動態(tài)伏-安特性第113頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14113§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動態(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：1３

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)過程需要一定的時間（電弧的熱慣性）第114頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14114§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動態(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：1３

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

6I1

I2：R3>R4U3>U4I1

I3：R5<R6U5>U6第115頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14115§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動態(tài)伏－安特性靜態(tài)伏－安特性電弧在I1穩(wěn)定燃燒

電弧電壓：1

2

4曲線0-1-3稱為電流變化速度為無窮大時的電弧動態(tài)伏-安特性極端情況電弧電流：以由I1增加到I2電弧在I1穩(wěn)定燃燒

電弧電壓：1

0(忽略近極壓降)

電弧電流：以由I1減小到I3第116頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14116§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動態(tài)伏－安特性一定條件下，電弧的靜態(tài)伏-安特性只有一條動態(tài)伏-安特性卻有無數(shù)條動態(tài)伏-安特性與電流的變化率有關(guān)但動態(tài)伏-安特性只能在一定的范圍之內(nèi)注意：起始點(diǎn)不同，動態(tài)伏-安特性范圍不同

第117頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14117§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的動態(tài)伏－安特性一定條件下，電弧的靜態(tài)伏-安特性只有一條動態(tài)伏-安特性卻有無數(shù)條動態(tài)伏-安特性與電流的變化率有關(guān)對于交流電弧i(t)=Imsinωt,也隨時間變化，則動態(tài)伏-安特性更復(fù)雜第118頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14118§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的熄滅原理直流電路中：電弧穩(wěn)定燃燒時的電弧電流熄滅第119頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14119§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的熄滅原理直流電路中：電弧穩(wěn)定燃燒時的電弧電流電路方程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可以忽略第120頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14120§3-３直流電弧的特性和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(α)

穩(wěn)定燃燒時：電弧可以在I1和I2穩(wěn)定燃燒么？

I2

是真正的電弧穩(wěn)定燃燒點(diǎn)

第121頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14121§3-３直流電弧的特性和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不存在的措施第122頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14122§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的熄滅原理使穩(wěn)定燃弧點(diǎn)2不存在的措施增大Ｕh近極壓降電場強(qiáng)度電弧長度增大R熄弧過程中串入另一電阻第123頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14123§3-３直流電弧的特性和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第124頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14124§3-３直流電弧的特性和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)動電動力吹弧觸頭形狀結(jié)合磁吹第125頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14125§3-３直流電弧的特性和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)合作用第126頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14126§3-３直流電弧的特性和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)迫過零第127頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14127§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的能量和燃弧時間燃弧時間：從觸頭分開產(chǎn)生電弧到電弧熄滅的時間滿足熄弧條件時，電弧不會立即熄滅回路中存在電感

弧柱具有熱慣性

燃弧時間的計算第128頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14128§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的能量和燃弧時間燃弧時間的計算

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)驗公式：電極以速度v打開電弧長度:l=vtIh(t)trh非線性微分方程第129頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14129§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的能量和燃弧時間直流電弧的能量t=0:Ih=Ih0

t=trh:Ih=0第130頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14130§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的能量和燃弧時間直流電弧的能量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的能量燃弧開始時儲存在電感中的能量必須瀉放到弧隙中

若已知Ih(t)可計算電弧能量Wh第131頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14131§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧的能量和燃弧時間結(jié)論電路電感越大，儲能越多，電弧越難越熄滅電感中能量的泄放需一定時間，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，會有什么后果？過電壓第132頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14132§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時的過電壓（over-voltage）電弧熄滅時產(chǎn)生過電壓的原因間隙重?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間回路電感過電壓的影響|dIh/dt|

較大很大的自感電勢電源電勢過電壓Ut=LdIh/dtdIh/dt<0第133頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14133§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時的過電壓（over-voltage）過電壓的計算一般在電流過零時，過電壓最大結(jié)論L

Ugmax

Ugmax消電離作用過強(qiáng)第134頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14134§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時的過電壓（over-voltage）弧隙消電離作用過分強(qiáng)烈時，可出現(xiàn)截流（Currentchop）,即電弧電流突然降到零Choppingcurrent由此產(chǎn)生的過電壓稱為截流過電壓

第135頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14135§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時的過電壓（over-voltage）弧隙消電離作用過分強(qiáng)烈時，可出現(xiàn)截流（Currentchop）,即電弧電流突然降到零Choppingcurrent截流后電流怎樣流動？電感電流不能突變電流經(jīng)寄生電容導(dǎo)通第136頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14136§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時的過電壓（over-voltage）弧隙消電離作用過分強(qiáng)烈時，可出現(xiàn)截流（Currentchop）,即電弧電流突然降到零Choppingcurrent截流后電路中的電壓和電流怎樣變化？第137頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14137§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時的過電壓（over-voltage）弧隙消電離作用過分強(qiáng)烈時，可出現(xiàn)截流（Currentchop）,即電弧電流突然降到零ChoppingcurrentL、C、Ｒ形成衰減振蕩電路弧隙兩端電壓（Uc）最終穩(wěn)定在Ｅ

第138頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14138§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時的過電壓（over-voltage）弧隙消電離作用過分強(qiáng)烈時，可出現(xiàn)截流（Currentchop）,即電弧電流突然降到零第139頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14139§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時的過電壓（over-voltage）弧隙消電離作用過分強(qiáng)烈時，可出現(xiàn)截流（Currentchop）,即電弧電流突然降到零Ug(Uc)

何時達(dá)到最大值Ugmax

振蕩電路過零時，Ug(Uc)

何時達(dá)到最大值Ugmax

此時磁場能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶瞿芰康?40頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14140§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時的過電壓（over-voltage）弧隙消電離作用過分強(qiáng)烈時，可出現(xiàn)截流（Currentchop）,即電弧電流突然降到零振蕩電路過零時，Ug(Uc)

何時達(dá)到最大值Ugmax

此時磁場能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶瞿芰康?41頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14141§3-３直流電弧的特性和熄滅原理直流電弧熄滅時的過電壓（over-voltage）開斷感性負(fù)載的限壓措施不影響回路正常工作提供泄能回路K1滅弧能力比Ｋ2強(qiáng)K1先分K2后分降低電流減小儲能第142頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14142第三章電弧的基本特性§3-0序§3-1氣體放電的物理基礎(chǔ)§3-2電弧的物理特性§3-3直流電弧的特性和熄滅原理§3-4交流電弧的特性§3-5麥也爾電弧數(shù)學(xué)模型簡介第143頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14143§3-4交流電弧的特性交流電弧的伏-安特性交流電弧的伏-安特性：Ｕh、Ih均隨時間變化，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很小弧柱變冷、變細(xì)Rh:迅速增大duh/dih>0dWQ/dt=-Ps<0Ph≈0OA’Ih

弧柱變熱、變粗Rh:迅速減小duh/dt>0dWQ/dt=Ph-Ps>0Phuh=ihRh第144頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14144§3-4交流電弧的特性交流電弧的伏-安特性O(shè)A’Ih

弧柱變熱、變粗Rh:迅速減小duh/dt>0dWQ/dt=Ph-Ps>0Phuh=ihRh燃弧尖峰ABIh

弧柱變熱、變粗Rh:迅速減小dWQ/dt=Ph-Ps>0Phduh/dt<0duh/dih<0（負(fù)電阻）第145頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14145§3-4交流電弧的特性交流電弧的伏-安特性BCIh

熱慣性：RhBC<

RhABPhABIh

弧柱變熱、變粗Rh:迅速減小dWQ/dt=Ph-Ps>0Phduh/dt<0duh/dih<0（負(fù)電阻）Rh

uhuhBC<

uhAB第146頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14146§3-4交流電弧的特性交流電弧的伏-安特性BCIh

熱慣性：RhBC<

RhABPhRh

uhuhBC<

uhAB熄弧尖峰COIh

Ph

Rh弧柱變冷、變細(xì)duh/dt<0duh/dih>0uh=ihRh第147頁，共165頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/14147§3-4交流電弧的特性交流電弧的伏-安特性熄弧尖峰COIh

Ph

Rh弧柱變冷、變細(xì)duh/dt<0duh/dih>0燃弧尖峰ABIh

弧柱變熱、變粗Rh:迅速減小dWQ/dt=Ph-Ps>0Phduh/dt<0duh/dih<0（負(fù)電阻）隨著電流幅值的減小和介質(zhì)對電弧冷卻作用的加強(qiáng)，Urh和Uxh增