1、電器理論基礎(chǔ),Fundamentals of Electrical Apparatuses,海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教學(xué)講義,20162017學(xué)年第一學(xué)期,電氣工程及其自動(dòng)化2014級(jí),張玲 ling_,2020年8月26日,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,1,2020年8月26日,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(kāi)關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理

2、,2,2020年8月26日,5-1 引言,在大氣中開(kāi)斷電路時(shí)，若電流大于0.251A；電壓大于 1220V，觸頭間隙（簡(jiǎn)稱(chēng)弧隙）中會(huì)產(chǎn)生電弧,電力開(kāi)關(guān)設(shè)備的開(kāi)斷,電?。╝rc）：溫度高、發(fā)光強(qiáng)、能導(dǎo)電的氣體,3,2020年8月26日,5-1 引言,電弧的危害,電弧,延遲開(kāi)斷 線路、設(shè)備受損 觸頭燒損 開(kāi)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(guò)電壓,電力開(kāi)關(guān)設(shè)備既要熄滅電弧，又要利用電弧,電力開(kāi)關(guān)（Switch）設(shè)備的主要任務(wù),順利地熄滅電弧 （ Extinguish arc） 保證電路的成功開(kāi)斷 （Breaking / Interrupting）,4,2020年8月26日,5-1

3、 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,5,2020年8月26日,5-1 引言,6,2020年8月26日,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(kāi)關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理,7,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),氣體放電(Gas Discharge),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(guò)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、

4、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(chēng)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(chēng)為激勵(lì),8,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),電離和激勵(lì),電子伏特,能量,量值上等于電子電荷,k: 玻爾茲曼常數(shù),1eV 代表的溫度約為11600K,9,2020年8月26日,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,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）,10,2020年8月26日,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,

5、分級(jí)電離：中性粒子激勵(lì)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10-910-8s,中性粒子處于介穩(wěn)狀態(tài)的時(shí)間可達(dá)10-410-2s 在中性粒子電離過(guò)程中起很大作用,11,2020年8月26日,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,電離度增大,氣體電離的方式,表面發(fā)射 （Surface emission） 空間電離 （Space ionization）,12,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物

6、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(lèi)型,熱發(fā)射 （Thermal emission）（TE） 場(chǎng)致發(fā)射 （Field emission）（FE） 熱-場(chǎng)致發(fā)射 （Field-assisted thermionic emission）（FTE） 光發(fā)射 （Photon emission） 二次發(fā)射 （Secondary emission）,13,2020年8月26日,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(duì)零度時(shí)，金屬中的電子也具有很高的能量，鎢：8.95e

7、V（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(shì)壘（Potential barrier）,14,2020年8月26日,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（Thermal Emission）,金屬,W0：總逸出功,Wi（Wyc）：有效逸出功,WF：費(fèi)米能級(jí),真空,15,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),氣體電離的方式,熱發(fā)射（Thermal Emission）,溫度,表面自由電子動(dòng)能,超越表面勢(shì)壘,逸出,對(duì)清潔、均勻的表面，飽和熱發(fā)射電流密度,金屬沸點(diǎn)越高，熱發(fā)射的最大電流密度越大，如鎢,16,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ)

8、,氣體電離的方式,場(chǎng)致發(fā)射（Field Emission）,金屬表面施加電場(chǎng)時(shí)，將壓縮表面勢(shì)壘厚度，自由電子可以在常溫下穿過(guò)勢(shì)壘（隧道效應(yīng)）而逸出,在較高溫度時(shí)，場(chǎng)致發(fā)射的電流密度為,17,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),氣體電離的方式,熱-場(chǎng)致發(fā)射 （ Field-assisted thermionic emission ）,熱、電場(chǎng)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,18,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),氣體電離的方式,光發(fā)射 （Photon emission）,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

9、越強(qiáng)，逸出電子的速度越高,二次發(fā)射 （Secondary emission）,一般來(lái)說(shuō)，陰極附近的場(chǎng)強(qiáng)比陽(yáng)極附近的場(chǎng)強(qiáng)高，所以陰極表面二次發(fā)射較強(qiáng)，并在氣體放電過(guò)程中起重要作用,電子碰撞陽(yáng)極,正離子碰撞陰極,19,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),氣體電離的方式,空間電離 （Space ionization）,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(lèi)型,光電離 電場(chǎng)電離 熱電離,20,2020年8月26日,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(mǎn)足hvWyl ,則可能被電離，這一現(xiàn)象稱(chēng)為

10、光電離,Wyl:中性粒子的電離能（J） h:普朗克常數(shù)（ 6.62410-34J.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,21,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),氣體電離的方式,電場(chǎng)電離,若一個(gè)帶電粒子在電場(chǎng)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(chēng)為電場(chǎng)電離或碰撞電離,電子自由程（free path)長(zhǎng)，碰撞截面（collision cross section）小，容易積累足夠的動(dòng)能，在電場(chǎng)電離中起重要作用,22,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),氣體電離的方式,電場(chǎng)電離,通常電極間氣

11、體進(jìn)行電場(chǎng)電離的電子來(lái)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(chǎng)相互作用的時(shí)間 電場(chǎng)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(chēng)為粘合（attachment),23,2020年8月26日,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30004000K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,24,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理

12、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(chēng)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),25,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),氣體消電離（Deionization）,復(fù)合,26,2020年8月26日,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

13、關(guān) 氟原子及其化合物的分子對(duì)電子的粘合作用特別強(qiáng)，常稱(chēng)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,27,2020年8月26日,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(chēng)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,28,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),等離子體物理學(xué)簡(jiǎn)介,等離子體物質(zhì)

14、的第四態(tài),克魯克斯 W. Crookes 1879,29,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),等離子體物理學(xué)簡(jiǎn)介,由地球表面向外，等離子體是幾乎所有可見(jiàn)物質(zhì)的存在形式，大氣外側(cè)的電離層、日地空間的太陽(yáng)風(fēng)、太陽(yáng)日冕、太陽(yáng)內(nèi)部、星際空間、星云及星團(tuán)，毫無(wú)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,?,30,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),等離子體物理學(xué)簡(jiǎn)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(zhǎng)程庫(kù)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

15、力遠(yuǎn)小于許多遠(yuǎn)距離粒子所施的長(zhǎng)程庫(kù)侖力，因此集體效應(yīng)起主導(dǎo)作用,異類(lèi)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(chǎng)（外場(chǎng)及粒子產(chǎn)生的自洽場(chǎng)）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,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,31,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),等離子體物理學(xué)簡(jiǎn)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(kù)侖長(zhǎng)程力,短程力,32,2020年8月26日,聚變、太陽(yáng)核心,熱：熱平衡 冷：非熱平衡,5-

16、2 氣體放電的物理基礎(chǔ),等離子體物理學(xué)簡(jiǎn)介,等離子體的分類(lèi),33,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),密度(cm-3),溫度 (度),太陽(yáng)核心,磁約束 聚 變,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(yáng)風(fēng),人類(lèi)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),34,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),等離子體物理學(xué)簡(jiǎn)介,等離子體物理學(xué)的理論研究領(lǐng)域,35,2020年8月26日,正負(fù)電荷分離,例,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),等離子體物理學(xué)簡(jiǎn)介,為什么等離子體在宏觀上總是表現(xiàn)出電中性？,36,2020年8月26日,

17、5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),等離子體物理學(xué)簡(jiǎn)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？,庫(kù)侖勢(shì),37,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),等離子體物理學(xué)簡(jiǎn)介,德拜勢(shì),ld：德拜長(zhǎng)度,38,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),等離子體物理學(xué)簡(jiǎn)介,在等離子體內(nèi)部一個(gè)電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)，是被附近其他電荷屏蔽著的，其影響不超過(guò)德拜半徑的范圍。這一現(xiàn)象稱(chēng)為德拜屏蔽,39,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),40,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),41,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),氣體放

18、電的幾個(gè)階段,由直流電路研究氣體放電的伏-安特性,42,2020年8月26日,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-sustained discharge）,CF: 自持放電階段 （self-sustained discharge）,43,2020年8月26日,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(guò)低,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(chēng)為非自持放電階段,44,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),氣體放電的幾個(gè)階段,非自

19、持放電階段,AB區(qū),電壓較低,帶電粒子已可 全部到達(dá)陽(yáng)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(chēng)為非自持放電階段,45,2020年8月26日,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,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(chēng)為非自持放電階段,46,2020年8月26日,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(chǎng)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(chēng)為自持放電階段,47,2020年8月26日,5-2 氣

20、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(chǎng)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(chēng)為自持放電階段,48,2020年8月26日,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(chǎng)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(chēng)為自持放電階段,DE區(qū),電離方式主要是電場(chǎng)電離 放電溫度低（常溫） 電流密度?。?.1A/m2） 陰極壓降高（幾百V）,49,2020年8月26日,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(chǎng)致發(fā)射和二次發(fā)射的電子已足夠多，

21、即使除去外加電離因素，也能維持間隙放電，故稱(chēng)為自持放電階段,EF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)）,50,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理基礎(chǔ),氣體放電的幾個(gè)階段,輝光放電與弧光放電的特征比較,51,2020年8月26日,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(chēng)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,52,2020

22、年8月26日,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(wèn)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?擊穿電壓大 體上是 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(chǎng)方向運(yùn)動(dòng),電子崩理論,53,2020年8月26日,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

23、空間的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽(yáng)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(yáng)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(lèi)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(chēng)為電子崩。,電子崩理論,54,2020年8月26日,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,55,2020年8月26日,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(duì)于電離碰撞，能

24、量守恒方程為,56,2020年8月26日,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(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，單位距離內(nèi)由電場(chǎng)電離而產(chǎn)生的帶電粒子對(duì)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(chǎng)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),57,2020年8月26日,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(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，單位距離內(nèi)由電場(chǎng)電離而產(chǎn)生的帶電粒子對(duì)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：Wd

25、l（J） 電離電位：Udl（V） 電場(chǎng)強(qiáng)度：E（V/m）,58,2020年8月26日,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(chǎng)電離的條件？,59,2020年8月26日,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),60,2020年8月26日,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

26、數(shù)（自由行程是有分布的）,61,2020年8月26日,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(guò)單位距離的碰撞次數(shù),一個(gè)電子經(jīng)過(guò)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(duì)數(shù),62,2020年8月26日,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(guò)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(duì)數(shù),63,2020年8月26日,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,

27、均勻電場(chǎng)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(guò)dx后，電子的增量為,解,64,2020年8月26日,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(chǎng)間隙擊穿條件,N0,Nl,間隙中電場(chǎng)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(chēng)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,65,2020年8月26日,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,N0,Nl,間隙中電場(chǎng)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(chǎng)

28、間隙擊穿條件,66,2020年8月26日,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,N0,Nl,均勻電場(chǎng)間隙擊穿條件,均勻電場(chǎng)的間隙，擊穿電壓為,Ujc 基本與p/T成正比,67,2020年8月26日,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,N0,Nl,均勻電場(chǎng)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(lèi)及溫度 有關(guān),68,2020年8月26日,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(chǎng)的間隙，擊穿電壓為,T為常數(shù)時(shí)，擊穿電壓為,平

29、均自由行程： （N個(gè)粒子自由行程的平均值）,69,2020年8月26日,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,70,2020年8月26日,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,71,2020年8月26日,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

30、壓都可以 提高其擊穿電壓,巴申（Paschen）曲線,72,2020年8月26日,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,73,2020年8月26日,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

31、論,設(shè) p 不變，l 改變,隨著氣體間隙距離 l 的增大，電場(chǎng)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(chǎng)中,74,2020年8月26日,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(zhǎng)氣隙中的放電現(xiàn)象 無(wú)法用湯遜理論加以解釋,擊穿電壓,根據(jù)

32、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(lái)的值，則擊穿電壓計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值將有很大出入。,75,2020年8月26日,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(cè)到的在大氣壓下氣體的放電時(shí)間要短得多。,在高氣壓、長(zhǎng)氣隙中的放電現(xiàn)象 無(wú)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(guò)程中應(yīng)起一定作用。實(shí)驗(yàn)表明

33、，低氣壓下陰極材料對(duì)擊穿電壓有一定影響 ，但大氣壓力下空氣中實(shí)測(cè)得到的擊穿電壓卻和陰極材料無(wú) 關(guān)。,76,2020年8月26日,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,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(zhǎng)間隙擊穿過(guò)程的快速性,77,2020年8月26日,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(guò)程,電子崩內(nèi)電荷分布,陰極發(fā)射電子,崩頭、崩尾電場(chǎng)加強(qiáng) 崩內(nèi)部電場(chǎng)減弱,78,2020年8月26日,5-2 氣體放電的物理

34、基礎(chǔ),弧隙中帶電粒子數(shù)的變化離子平衡公式,開(kāi)關(guān)電器中，氣體間隙擊穿后，通常立即發(fā)生弧光放電（電?。?光發(fā)射 熱發(fā)射 電離作用,場(chǎng)致發(fā)射 二次發(fā)射 電場(chǎng)電離,帶電粒子 變化,復(fù)合,擴(kuò)散,79,2020年8月26日,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(lái)判別電弧燃燒的變化趨勢(shì),80,2020年8月26日,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(kāi)關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理,81,2020年8月26日,5-3 電弧的物理

35、特性,產(chǎn)生電弧的方式,開(kāi)斷電路（拉?。―rawn arc）,火花觸發(fā)（Triggered arc）,熔絲引弧,82,2020年8月26日,5-3 電弧的物理特性,開(kāi)斷電路時(shí)電弧的產(chǎn)生過(guò)程,起弧條件,大氣中開(kāi)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(kāi)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(kāi)斷直流時(shí)大,若 或 則只產(chǎn)生火花（spark）,83,2020年8月26日,5-3 電弧的物理特性,開(kāi)斷電路時(shí)電弧的產(chǎn)生過(guò)程,觸頭開(kāi)始分離,接觸處熔化，形成液態(tài)金屬橋 （Metal brid

36、ge）,液橋變細(xì)拉長(zhǎng)，開(kāi)始蒸發(fā),觸頭壓力,接觸電阻,接觸面積,電流密度,84,2020年8月26日,5-3 電弧的物理特性,開(kāi)斷電路時(shí)電弧的產(chǎn)生過(guò)程,液橋變細(xì)拉長(zhǎng)，開(kāi)始蒸發(fā),復(fù)合,陽(yáng)極溫度,離子陰極,弧隙溫度,85,2020年8月26日,5-3 電弧的物理特性,開(kāi)斷電路時(shí)電弧的產(chǎn)生過(guò)程,86,2020年8月26日,5-3 電弧的物理特性,電弧電壓的特性,電弧電壓Uh沿弧長(zhǎng)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(yáng)極區(qū)：Anode,87,2020年8月26日,5-3 電弧的物理特性,電弧電壓的特性,近陰極區(qū),長(zhǎng)度與電子平均自由程相當(dāng)（10-6m）,近似無(wú)

37、碰撞,有大量正離子,正空間電荷區(qū) 形成陰極壓降Uc 電場(chǎng)強(qiáng)度高 利于二次發(fā)射和場(chǎng)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,88,2020年8月26日,5-3 電弧的物理特性,電弧電壓的特性,近陽(yáng)極區(qū),長(zhǎng)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(yáng)極壓降Ua（與陽(yáng)極材料有關(guān)） 電場(chǎng)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),89,2020年8月26日,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(lèi)似電阻,單

38、位長(zhǎng)度弧柱的壓降基本相等 電場(chǎng)強(qiáng)度沿軸向近似為常數(shù),影響電場(chǎng)強(qiáng)度 E 的因素,電極材料 電流大小 氣體介質(zhì)種類(lèi) 氣壓 介質(zhì)對(duì)電弧作用,90,2020年8月26日,電弧電壓的特性,弧柱區(qū),弧柱電阻,燃弧過(guò)程中，基本不變,電弧電壓,近極壓降,弧柱電壓,E：弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度（V/m） l：電弧長(zhǎng)度（m）（近似等于極間距離）,5-3 電弧的物理特性,91,2020年8月26日,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(zhǎng)弧,5-3 電弧的物理特性,短?。簂 很小，Uz可忽略，Uh 幾乎與 I 無(wú)關(guān) 長(zhǎng)?。簂 很大，UzU0，Uh 大致與E 成正比,92,2020年8月26日,弧柱溫

39、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(cè)量溫度,開(kāi)關(guān)電器中一般采用的數(shù)據(jù),Th20000K：c（電離度）1 Th3000-4000K：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,93,2020年8月26日,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(zhǎng)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,94,2020年8月26日,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

40、,電弧溫度的最大值滯后于電流峰值,電流過(guò)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(lèi)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,95,2020年8月26日,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(wú)明確邊界,測(cè)量和描述弧柱直徑有不同的方法,探針?lè)ǎy(cè)電流） 攝像法（測(cè)亮度） 狹縫法（測(cè)溫度）,弧柱直徑的影響因素,觸頭材料 電流大小 介質(zhì)種類(lèi) 氣壓及氣體作用方式 磁場(chǎng),96,2020年8月26日,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

41、狹縫中：橢圓形 長(zhǎng)?。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,經(jīng)驗(yàn)公式,大氣中橫向運(yùn)動(dòng),壓縮空氣縱吹,97,2020年8月26日,弧根和斑點(diǎn),5-3 電弧的物理特性,弧根（arc root）：電弧貼近電極的部分,弧根的截面積通常小于弧柱,斑點(diǎn)（arc spot）：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(chǎng)致發(fā)射、二次發(fā)射）、接收正離子 具有很高的電流密度（104107A/cm2） 溫度高、蒸發(fā)、造成燒蝕（Erosion） 也有無(wú)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(dòng)的陰極斑點(diǎn)（真空電?。?98,2

42、020年8月26日,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）,99,2020年8月26日,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）,100,2020年8月26日,弧根和斑點(diǎn),5-3 電弧的物理特性,斑點(diǎn)（arc spot）：弧根在電極表面上形成的明亮圓點(diǎn),陽(yáng)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(yáng)極斑點(diǎn)有特殊的含義：若形成陽(yáng)極斑點(diǎn)，則很容易導(dǎo)致開(kāi)斷失敗,斑點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),陰極 （連續(xù)運(yùn)動(dòng)）,陽(yáng)極 （跳躍運(yùn)動(dòng)）,斑點(diǎn)運(yùn)動(dòng)受電流、材料、磁場(chǎng)等因素的影響,101,2020年8月26日

43、,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(chǎng)對(duì)斑點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的影響,真空電?。?0kA,102,2020年8月26日,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(guò)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(guò)零后陰極熱發(fā)射電子多,金屬蒸汽對(duì)長(zhǎng)弧熄滅非常重要 熱發(fā)射電子對(duì)短弧熄滅極為重要,103,2020年8月26日,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(chǎng)（Bq ）作用于電弧，壓縮弧柱，產(chǎn)生壓力 （收縮壓力）,P:弧柱截面壓強(qiáng)（Pa） Ih:電弧電流（A） rh:電弧半徑（

44、cm）,104,2020年8月26日,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(chǎng)（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,105,2020年8月26日,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(chǎng)（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),106,2020年8月2

45、6日,電弧的等離子流,5-3 電弧的物理特性,第5章 電器的電弧理論,107,2020年8月26日,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：10100m/s，真空電弧中可達(dá)104m/s 通過(guò)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,108,2020年8月26日,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,長(zhǎng)弧,Ph,一般認(rèn)為：

46、IhU0由電極傳出，IhUz由弧柱散發(fā),109,2020年8月26日,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(duì)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(zhǎng)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）,?,110,2020年8月26日,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(duì)流、輻射,傳導(dǎo),利用熱路的方法,111,2020年8月26日,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(duì)流、輻射,傳導(dǎo),氣體

47、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）,?,l 愈大，Pcd 愈大，電弧電壓高且較易熄滅,112,2020年8月26日,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(duì)流、輻射,對(duì)流,113,2020年8月26日,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(duì)流、輻射,對(duì)流,自由燃弧時(shí)，傳導(dǎo)與對(duì)流散熱功率相當(dāng) 開(kāi)關(guān)電器中常采用強(qiáng)迫對(duì)流，對(duì)流起主導(dǎo)作用,橫吹,Pdl:對(duì)流散熱功率（W） v:橫吹速度（cm/s） dh:弧柱直徑（cm） l:電弧長(zhǎng)度（cm） Th:弧柱平均溫度（K） T0:介質(zhì)溫度（K）,114,2020年8月26日,電弧的能量平

48、衡,5-3 電弧的物理特性,弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射,對(duì)流,自由燃弧時(shí)，傳導(dǎo)與對(duì)流散熱功率相當(dāng) 開(kāi)關(guān)電器中常采用強(qiáng)迫對(duì)流，對(duì)流起主導(dǎo)作用,Pdl:對(duì)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,115,2020年8月26日,電弧的能量平衡,弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射,對(duì)流,橫吹,縱吹,橫吹時(shí)：對(duì)流散發(fā)的功率與電弧縱截面積成正比 縱吹時(shí)：對(duì)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(duì)流散發(fā)的功率與氣流速度成正比,5-3 電弧的物理特性,116,2020年8月26日,電弧的能量平衡,弧柱散熱方式：傳導(dǎo)、對(duì)流

49、、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(zhǎng)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,117,2020年8月26日,電弧的能量平衡,5-3 電弧的物理特性,長(zhǎng)弧時(shí),近極區(qū)耗散功率電極,118,2020年8月26日,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(guò)程,假定 Ih 不變,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),Th,d

50、h,119,2020年8月26日,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(lái)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(guò)程需要一定的時(shí)間（電弧的熱慣性）,120,2020年8月26日,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：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電弧所含熱能的變化量，等于發(fā)熱和散熱功率

51、之差,121,2020年8月26日,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(kāi)關(guān)電器典型滅弧裝置的工作原理,122,2020年8月26日,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(duì)于固定的弧長(zhǎng)l，在 （發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測(cè)得的UhIh特性,123,2020年8月26日,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(duì)于固定的弧長(zhǎng)l，在 （發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測(cè)得的UhIh特性,弧長(zhǎng)增大伏安特性抬高（電

52、弧電壓增大）,電弧電阻：UhIh曲線上點(diǎn)的斜率（ ）,124,2020年8月26日,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(duì)于固定的弧長(zhǎng)l，在 （發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測(cè)得的UhIh特性,弧長(zhǎng)增大伏安特性抬高（電弧電壓增大）,電弧電阻：UhIh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,?,125,2020年8月26日,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(duì)于固定的弧長(zhǎng)l，在 （發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測(cè)得的UhIh特性,S1 S2：用來(lái)平衡散發(fā)功率的增加（原因：溫度升高、直徑增大）,126,

53、2020年8月26日,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(duì)于固定的弧長(zhǎng)l，在 （發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡）時(shí)，測(cè)得的UhIh特性,電弧靜態(tài)伏安特性的影響因素,電弧長(zhǎng)度 電極材料 氣體介質(zhì) 氣體壓力 介質(zhì)相對(duì)于電弧的運(yùn)動(dòng)速度,經(jīng)驗(yàn)公式：,127,2020年8月26日,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(duì)于固定的弧長(zhǎng)l，Ih按一定速度變化，Uh隨之變化，測(cè)得的UhIh特性,128,2020年8月26日,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

54、I1增大到I2,電弧電壓：134,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：156,曲線1-3 和1-5 稱(chēng)為電流以某一速度變化時(shí)的電弧動(dòng)態(tài)伏-安特性,?,?,129,2020年8月26日,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：134,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：156,?,?,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(guò)程需要一定的時(shí)間（電弧的熱慣性）,130,2020年

55、8月26日,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：134,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：156,?,?,I1I2：R3 R4,I1I3：R5 R6,131,2020年8月26日,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：124,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

56、0（忽略近極壓降）,曲線0-1-2 稱(chēng)為電流變化速度為無(wú)窮大時(shí)的電弧動(dòng)態(tài)伏-安特性,132,2020年8月26日,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(wú)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),133,?,2020年8月26日,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(wú)數(shù)條,動(dòng)態(tài)伏-安特性與電流的變化率有關(guān),對(duì)于交流電弧 ， 也隨時(shí)間變化，則動(dòng)態(tài)伏-安特性

57、更復(fù)雜,134,2020年8月26日,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,135,2020年8月26日,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,136,2020年8月26日,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 I

58、1和I2 穩(wěn)定燃燒嗎？,?,I2 是真正的電弧穩(wěn)定燃燒點(diǎn),137,2020年8月26日,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(kāi)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,?,138,2020年8月26日,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(guò)程中 串入另一電阻,增大Uh,近極壓降,電場(chǎng)強(qiáng)度,電弧長(zhǎng)度,139,2020年8月26日,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

59、柱電場(chǎng)強(qiáng)度 l:全部短弧的長(zhǎng)度之和,140,2020年8月26日,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(zhǎng)度,觸頭運(yùn)動(dòng),電動(dòng)力吹弧,觸頭形狀結(jié)合磁吹,141,2020年8月26日,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(chǎng)強(qiáng)度,提高氣體介質(zhì)壓力,提高電弧與介質(zhì)的相對(duì)速度,絕緣柵片,冷卻電弧，加強(qiáng)帶電粒子的復(fù)合作用,?,142,2020年8月26日,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(kāi)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(kāi)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(guò)零的方法熄滅直流電弧,加反向電流 使 Ih 強(qiáng)迫過(guò)零,143,2020年8月26日,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(kāi)產(chǎn)生電弧到電弧熄滅的時(shí)間,滿(mǎn)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,144,2020年8月26日,直流電弧的能量和燃弧時(shí)間,燃弧