第4章 电弧的基本理论资料Word格式文档下载.docx

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2.具有饱和性，稳定的外部因素单位时间里游离出的带电粒子数目是稳定的，于是形成饱和形式的放电现象。

自持式放电：

指当电场强度（场强）达到或超过一定值时，出现的电子崩可仅由电场的作用而自行维持和发展，不必再依赖外界游离因素的放电现象。

电弧是一种自持式放电现象，即电极间的带电质点不断产生和消失，处于一种动态平衡状态。

1.放电不再依赖外界游离因素；

2.自持放电的条件是：

电源的能量足以维持电弧的燃烧；

3.放电电流迅速增加，放电间隙电压迅速降低；

4.伴随有强光和高温。

4.1.1介质中电弧形成的机理

电弧的形成过程：

介质向等离子体态的转化过程；

电弧的产生和维持：

弧隙里中性质点（分子和原子）被游离的结果，游离就是中性质点转化为带电质点的过程。

从电弧的形成过程来看，游离过程分三种形式：

1.强电场发射：

是在弧隙间最初产生电子的原因；

2.碰撞游离》：

由英国物理学家汤森德在1903年提出（汤森德机理）

3.热游离：

电弧产生之后，弧隙的温度很高，在高温作用下，气体的不规则热运动速度增加；

具有足够动能的中性质点互相碰撞，又可能游离出电子和离子。

还有光游离、热电子发射、金属气化等。

4.1.2电弧的去游离过程

去游离的主要形式：

复合和扩散。

1.复合去游离

复合：

指正离子和负离子互相吸引，结合在一起，电荷互相中和的过程。

2.扩散去游离

扩散：

指带电质点从电弧内部逸出而进入周围介质的现象。

弧隙内的扩散去游离的形式：

浓度扩散和温度扩散。

游离和去游离是电弧燃烧中两个相反的过程。

游离过程使弧道中的带电离子增加，有助于电弧的燃烧；

去游离过程使弧道中的带电离子减少，有利于电弧的熄灭。

由焊接电源供给的，在两极间产生强烈而持久的气体放电现象—叫电弧。

电弧是由于电场过强，气体发生电崩溃而持续形成等离子体，使得电流通过了通常状态下的绝缘介质（例如空气）所产生的瞬间火花现象。

1808年汉弗里&

middot；

戴维（HumphryDavy）利用此一现象发明第一盏“电灯”—电弧灯（voltaicarclamp）。

主要分类

〈1〉按电流种类可分为：

交流电弧、直流电弧和脉冲电弧。

〈2〉按电弧的状态可分为：

自由电弧和压缩电弧（如等离子弧）。

〈3〉按电极材料可分为：

熔化极电弧和不熔化极电弧。

特点用途

导电性强、能量集中、温度高、亮度大、质量轻、易变性等。

电弧可作为强光源如弧光灯，紫外线源如太阳灯或强热源如电弧炉。

电弧具有热效应。

主要作用

电弧是高温高导电率的游离气体，它不仅对触头有很大的破坏作用，而且使断开电路的时间延长。

产生电流

当用开关电器断开电流时，如果电路电压不低于10—20伏，电流不小于80~100mA，电器的触头间便会产生电弧。

因此，在了解开关电器的结构和工作情况之前，首先来看看其是如何产生和熄灭的。

电弧的形成是触头间中性质子（分子和原子）被游离的过程。

开关触头分离时，触头间距离很小，电场强度E很高（E=U/d）。

当电场强度超过3×

10^6V/m时，阴极表面的电子就会被电场力拉出而形成触头空间的自由电子。

这种游离方式称为：

强电场发射。

从阴极表面发射出来的自由电子和触头间原有的少数电子，在电场力的作用下向阳极作加速运动，途中不断地和中性质点相碰撞。

只要电子的运动速度v足够高，电子的动能A=1/2mv^2足够大，就可能从中性质子中打出电子，形成自由电子和正离子。

这种现象称为碰撞游离。

新形成的自由电子也向阳极作加速运动，同样地会与中性质点碰撞而发生游离。

碰撞游离连续进行的结果是触头间充满了电子和正离子，具有很大的电导；

在外加电压下，介质被击穿而产生电弧，电路再次被导通。

触头间电弧燃烧的间隙称为弧隙。

电弧形成后，弧隙间的高温使阴极表面的电子获得足够的能量而向外发射，形成热电场发射。

同时在高温的作用下（电弧中心部分维持的温度可达10000℃以上），气体中性质点的不规则热运动速度增加。

当具有足够动能的中性质点相互碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。

随着触头分开的距离增大，触头间的电场强度E逐渐减小，这时电弧的燃烧主要是依靠热游离维持的。

在开关电器的触头间，发生游离过程的同时，还发生着使带电质点减少的去游离过程。

电弧放电

两个电极在一定电压下由气态带电粒子，如电子或离子，维持导电的现象。

激发试样产生光谱。

电弧放电主要发射原子谱线，是发射光谱分析常用的激发光源。

通常分为直流电弧放电和交流电弧放电两种。

气体放电中最强烈的一种自持放电。

当电源提供较大功率的电能时，若极间电压不高（约几十伏），两极间气体或金属蒸气中可持续通过较强的电流（几安至几十安）,并发出强烈的光辉,产生高温（几千至上万度），这就是电弧放电。

电弧是一种常见的热等离子体（见等离子体应用）。

电弧放电最显著的外观特征是明亮的弧光柱和电极斑点。

电弧的重要特点是电流增大时,极间电压下降,弧柱电位梯度也低，每厘米长电弧电压降通常不过几百伏，有时在1伏以下。

弧柱的电流密度很高,每平方厘米可达几千安，极斑上的电流密度更高。

电弧放电可分为3个区域：

阴极区、弧柱和阳极区。

其导电的机理是：

阴极依靠场致电子发射和热电子发射效应发射电子；

弧柱依靠其中粒子热运动相互碰撞产生自由电子及正离子，呈现导电性，这种电离过程称为热电离；

阳极起收集电子等作用，对电弧过程影响常较小。

在弧柱中，与热电离作用相反，电子与正离子会因复合而成为中性粒子或扩散到弧柱外，这一现象称为去电离。

在稳定电弧放电中，电离速度与去电离速度相同，形成电离平衡。

此时弧柱中的平衡状态可用萨哈公式描述。

能量平衡是描述电弧放电现象的又一重要定律。

能量的产生是电弧的焦耳热，能量的发散则通过辐射、对流和传导三种途径。

改变散热条件可使电弧参数改变，并影响放电的稳定性。

电弧通常可分为长弧和短弧两类。

长弧中弧柱起重要作用。

短弧长度在几毫米以下，阴极区和阳极区起主要作用。

根据电弧所处的介质不同又分为气中电弧和真空电弧两种。

液体（油或水）中的电弧实际在气泡中放电，也属于气中电弧。

真空电弧实际是在稀薄的电极材料蒸气中放电。

这二种电弧的特性有较大差别。

电弧是一束高温电离气体，在外力作用下，如气流，外界磁场甚至电弧本身产生的磁场作用下会迅速移动（每秒可达几百米），拉长、卷曲形成十分复杂的形状。

电弧在电极上的孳生点也会快速移动或跳动。

在电力系统中，开关分断电路时会出现电弧放电。

由于电弧弧柱的电位梯度小，如大气中几百安以上电弧电位梯度只有15伏/厘米左右。

在大气中开关分断100千伏5安电路时，电弧长度超过7米。

电流再大，电弧长度可达30米。

因此要求高压开关能够迅速地在很小的封闭容器内使电弧熄灭，为此，专门设计出各种各样的灭弧室。

灭弧室的基本类型有：

①采用六氟化硫、真空和油等介质；

②采用气吹、磁吹等方式快速从电弧中导出能量；

③迅速拉长电弧等。

直流电弧要比交流电弧难以熄灭。

电弧放电可用于焊接、冶炼、照明、喷涂等。

这些场合主要是利用电弧的高温、高能量密度、易控制等特点。

在这些应用中，都需使电弧稳定放电。

目前的电子产品，如等离子电视、等离子显示器其显示原理也是依赖电弧放电。

（一）电弧现象

电弧实际上是一种气体游离的放电现象。

当断路器切断有电流的电路时，如果触头间的电压大于10-20V、电流大于80-100mH，在切断电路的瞬间，触头就会产生电弧。

此时因触头间存在电弧，断开的电路仍然处于接通状态。

只有待电弧熄灭后，电路才算真正断开。

在配电网络各种配电设备（如发电机、变压器、电动机、架空和电缆线路等）正常运行时，需要可靠地接通或断开；

在改变运行方式时，又需要灵活地进行切换操作；

当网络发生故障时，又必须迅速地切除故障部分，使无故障部分继续运行。

这些断开和接通电路的任务必须由开关电器来承担。

在配电网络中承担这项任务的有断路器、隔离开关、熔断器、自动开关、接触器和负荷开关等。

而这些开关电器在断开具有一定电压和电流的电路时，相互分开的开关触头之间产生一种强烈的白光，这种白光称为电弧。

由于电弧能量集中、温度高、亮度强，当用10kV少油断路器断开20kA,的电流时，电弧功率可高达10000kW以上，这样高的能量几乎全部变为热能。

所以电弧持续不息，就会烧坏设备触头和触头附近的绝缘，这不仅延长了断路时间，甚至使断路器内部压力剧增，引起油断路器爆炸。

因此，高压开关电器在切断高压电路时，怎样使电弧迅速熄灭是一个重要问题，为此我们首先应了解电弧是怎样形成的。

（二）形成电弧的四因素

1.强电场发射

当开关触头刚分开的瞬间，触头之间的距离很近，所以分开的缝隙间电场强度E很大，在此强电场作用下，电子从阴极表面被拉出而奔向阳极，这种现象称为强电场发射。

电场强度愈大，这种金属表面发射电子量也愈增加。

但随着触头的逐渐分开，触头之间的距离增大，电场强度E随之减小，发射电子量也就迅速减小了。

2.热电发射

奔向阳极的自由电子，因具有很大的动能，在运动的过程中，如果碰到中性原子，所持的一部分动能就传给原子；

若自由电子所持能量足够大时，可将中性原子的外围电子撞击出来，使它也变为自由电子。

新产生的自由电子和原来电子一起继续受到电场的作用而运动，又继续获得新的动能，再次碰撞出新的自由电子。

如此继续碰撞，在弧隙中的自由电子和离子浓度不断增强，成为游离状态，这种游离过程称为碰撞游离。

当开关触头间积聚的自由电子和离子达到一定浓度时，触头间有足够大的电导，使触头间的介质

击穿，开始弧光放电，此时电路仍有电流通过，这就是电弧产生的主要原因。

3.碰撞游离

当开关触头间积聚的自由电子和离子达到一定浓度时，触头间有足够大的电导，使触头间的介质击穿，开始弧光放电，此时电路仍有电流通过，这就是电弧产生的主要原因。

4.热游离

热游离是维持电弧燃烧的主要原因。

在弧光放电和触头拉开距离增大后，弧柱的电场强度减小，碰撞游离减弱。

这时由于弧光放电产生的高温使弧心有大量的电子移动，弧心的温度可达100000C以上，而电弧表面的温度可达到3000-4000c以上。

电弧的高温，依靠通过它的电流所产生的热来维持，即依靠电网的电能来维持。

因为弧心部分的气体（介质）温度很高，在弧心区域内，气体中的质点将发生迅速而又不规则的热运动在这样高温下，如果具有足够动能的高速中性质点互相碰撞时，中性质点将会被电离，

形成自由电子和正离子，这种现象称为气体的热游离，弧柱的导电性主要靠这种现象来维持。

上述电弧形成的四因素，实际上是个连续过程。

当触头刚开始分开时，强电场发射和热电发射所产生的自由电子，在电场作用下