電弧基本理論

1、5.1 電弧的基本理論電弧的基本理論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性5.1.2 交流電弧交流電弧5.1.3 直流電弧直流電弧5.1.4 直流電弧和交流電弧的區(qū)別直流電弧和交流電弧的區(qū)別5.1.5 電弧的熄滅方法和滅弧裝置電弧的熄滅方法和滅弧裝置5.1 電弧的基本理論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性1. 概述概述大氣中兩個(gè)觸頭將接觸或開始分離時(shí)，只要它們之間的電壓達(dá)1220V，電流達(dá)0.251A，觸頭間隙內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生一團(tuán)溫度極高發(fā)出強(qiáng)光和能導(dǎo)電的近似圓柱形的氣體，稱為電弧電弧。5.1 電弧的基本理論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性1. 概

2、述概述電弧是一種氣體游離放電現(xiàn)象。產(chǎn)生電弧的條件：用開關(guān)電器開斷電源電壓大于10 20 V，電流大于250mA的電路時(shí)，就會(huì)發(fā)生電弧。電弧的本質(zhì)：生成于氣體中的熾熱電流，是高溫氣體中的離子化放電通道，是充滿著電離過(guò)程和消電離過(guò)程的熱電統(tǒng)一體。斷路器在分?jǐn)噙^(guò)程中產(chǎn)生的電弧是高溫等離子體。 等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它是除固、液、氣外的物質(zhì)存在的第四態(tài)?？此啤吧衩亍钡碾x子體其實(shí)是宇宙中一種常見的物質(zhì)，在太陽(yáng)、恒星、閃電中都存在等離子體，它占了整個(gè)宇宙的99%。5.1 電弧的基本理論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性2.

3、氣體放電的物理過(guò)程氣體放電的物理過(guò)程氣體放電的物理過(guò)程包括電離（游離）和消電離（去游離）。1）電離）電離原子吸收的能量足夠大時(shí)，電子激發(fā)到自由態(tài)而離開原子軌道形成自由電子，原來(lái)的中性原子或分子變成正離子，這種過(guò)程稱為電離或游離。電離的方式：表面發(fā)射由金屬表面發(fā)射電子；表面發(fā)射方式由熱發(fā)射、高電場(chǎng)發(fā)射（場(chǎng)致發(fā)射）、光發(fā)射、二次發(fā)射?？臻g電離電極間氣體在外界力量影響下，其分子或原子分裂成自由電子和正離子的現(xiàn)象，空間電離方式由光電離、電場(chǎng)電離（碰撞電離）、熱電離。電離過(guò)程是各種電離形式的綜合表現(xiàn)。2）消電離（去游離）消電離（去游離）電離氣體中的帶電粒子離開區(qū)域，或者失去電荷變?yōu)橹行粤Ｗ樱@種現(xiàn)象叫消

4、電離。形式：復(fù)合兩個(gè)帶有異性電荷的粒子相遇互相作用而消失電荷，形成中性粒子的現(xiàn)象叫復(fù)合。復(fù)合方式由表面復(fù)合和空間復(fù)合，影響復(fù)合因素最顯著的是溫度，冷卻作用是加強(qiáng)復(fù)合的決定性因素。5.1 電弧的基本理論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性2. 氣體放電的物理過(guò)程氣體放電的物理過(guò)程擴(kuò)散弧柱中的帶電粒子，由于熱運(yùn)動(dòng)從弧柱中濃度高的區(qū)域移動(dòng)到弧柱周圍濃度較低的區(qū)域，叫擴(kuò)散。 電弧電流恒定時(shí)，擴(kuò)散速率與電弧直徑成反比，復(fù)合速率與電弧直徑平方成反比。3）氣體放電的幾個(gè)階段氣體放電的幾個(gè)階段非自持放電階段（OD段）自持放電階段（從D點(diǎn)起）5.1 電弧的基本理論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性

5、電弧的產(chǎn)生和物理特性3. 電弧的產(chǎn)生電弧的產(chǎn)生、維持與發(fā)展維持與發(fā)展1）電弧的產(chǎn)生）電弧的產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射：E=U/s大于3106V/m 時(shí)，金屬觸頭陰極表面就會(huì)發(fā)射自由電子。熱電子發(fā)射：在開關(guān)分閘時(shí)，動(dòng)靜觸頭之間的接觸壓力和接觸面積減小，接觸電阻增大，接觸表面發(fā)熱嚴(yán)重，產(chǎn)生局部高溫，陰極金屬材料中的電子獲得動(dòng)能而逸出成為自由電子。 加速運(yùn)動(dòng)：自由電子，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，向陽(yáng)極作加速運(yùn)動(dòng)。碰撞游離：加速運(yùn)動(dòng)獲得動(dòng)能的自由電子在運(yùn)動(dòng)中與中性質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞，中性質(zhì)點(diǎn)中的電子獲得能量產(chǎn)生躍遷，跳到能級(jí)更高的軌道上，如果獲得的能量足夠大，自由電子就能脫離原子核的束縛，游離成自由電子和正離子。 雪崩：游離的

6、結(jié)果導(dǎo)致觸頭間自由電子數(shù)量劇增 。介質(zhì)擊穿產(chǎn)生電弧：劇增的電子形成電流，介質(zhì)被擊穿而產(chǎn)生電弧。5.1 電弧的基本理論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性3. 電弧的產(chǎn)生電弧的產(chǎn)生、維持與發(fā)展維持與發(fā)展2）電弧的維持與發(fā)展電弧的維持與發(fā)展 由于電弧的半徑小，電弧形成后，觸頭間的電壓和電場(chǎng)強(qiáng)度很低，強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射停止。 由于電弧在燃燒過(guò)程中溫度很高，可達(dá)到幾千度甚至上萬(wàn)度，陰極表面繼續(xù)進(jìn)行熱電子發(fā)射。 另一方面介質(zhì)的分子和原子在高溫下將產(chǎn)生強(qiáng)烈的分子熱運(yùn)動(dòng)，獲得動(dòng)能的中性質(zhì)點(diǎn)之間不斷地發(fā)生碰撞，游離成自由電子和正離子，此即所謂熱游離。 熱發(fā)射和熱游離給弧隙提供了大量的自由電子，電流繼續(xù)

7、流過(guò)，電弧的燃燒得以維持。 5.1 電弧的基本理論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性4. 電弧的組成電弧的組成電弧的陰極區(qū)域?qū)﹄娀〉陌l(fā)生和物理過(guò)程具有重要的意義，形成電弧放電的大部分電子是在陰極區(qū)產(chǎn)生或由陰極本身發(fā)射的。電弧放電時(shí)，實(shí)際上并不是整個(gè)陰極全部參加放電過(guò)程，陰極表面的放電只集中在一個(gè)很小的區(qū)域上，這個(gè)小區(qū)域稱為陰極斑點(diǎn)。它是一個(gè)非常集中，面積很小的光亮區(qū)域，其電流密度很大，是電弧放電中強(qiáng)大電子流的來(lái)源。陽(yáng)極表面也存在陽(yáng)極斑點(diǎn)，它接收從弧柱中過(guò)來(lái)的電子?；≈怯筛邷?、游離了的氣體形成的充滿了帶電粒子的等離子休。近陰極區(qū)長(zhǎng)度極短（約等于電子的平均自由行程）。電子經(jīng)過(guò)這

8、段行程后，氣體電離，電子運(yùn)動(dòng)快，正離子慢行成正離子層，電場(chǎng)強(qiáng)度很高。 近陽(yáng)極區(qū)長(zhǎng)度為近陰極區(qū)數(shù)倍，陽(yáng)極附近聚集大量電子，形成電子層。陽(yáng)極壓降陰極壓降數(shù)值相近，在20V以內(nèi)，但陽(yáng)極壓降區(qū)較長(zhǎng)，所以電場(chǎng)強(qiáng)度較小。5.1 電弧的基本理論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性4.電弧的組成電弧的組成電弧可分為短弧短弧和長(zhǎng)弧長(zhǎng)弧兩種。電弧長(zhǎng)度較短（即電弧弧芯中心線在毫米以下）電弧電壓主要出陰極和陽(yáng)極位降構(gòu)成的電弧稱為短弧。在短弧中近極區(qū)域的過(guò)程起主要作用。電弧長(zhǎng)度較長(zhǎng)，電弧電壓主要由弧柱壓降構(gòu)成的電弧稱為長(zhǎng)弧。在長(zhǎng)弧中弧柱的過(guò)程起主要作用。在高壓開關(guān)中的電弧一般均屬于長(zhǎng)弧?；≈鶇^(qū)6000k

9、以上高溫，大量氣體分子游離，因此具有良好的導(dǎo)電性。電流越大，弧溫越高。熱電離程度越大，電阻越小，伏安特性是負(fù)特性（但真空電弧是正特性），弧柱內(nèi)氣體全部電離，正負(fù)帶電粒子數(shù)相等，為等離子體。5.1 電弧的基本理論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性5. 電弧發(fā)生的途徑電弧發(fā)生的途徑1）電路斷電路斷開開電弧的發(fā)生電弧的發(fā)生為了使電弧點(diǎn)燃，某一最低電流值是必需的。開斷電路時(shí)電弧的產(chǎn)生過(guò)程：觸頭開始分?jǐn)啵ù嬖诔虒?shí)際未分?jǐn)啵┙佑|點(diǎn)減小極限狀態(tài)（僅一點(diǎn)接觸）接觸處金屬熔融液態(tài)金屬橋金屬橋斷裂（爆炸）（電流瞬時(shí)截?cái)啵┊a(chǎn)生過(guò)電壓（擊穿介質(zhì)）電弧（各種熄弧因素）電弧熄滅觸頭分?jǐn)?2）觸頭閉合時(shí)

10、電弧的發(fā)生觸頭閉合時(shí)電弧的發(fā)生擊穿電壓的最低值（對(duì)于銀觸頭大約是15）、電弧建立的時(shí)間（大約為10-8s，與發(fā)生擊穿時(shí)的觸頭間距無(wú)關(guān)）。3）真空和氣體間隙的擊穿真空和氣體間隙的擊穿電弧可以在真空的兩電極間發(fā)生。這種電弧可以稱為真空電弧。但電弧實(shí)際上并不是在絕對(duì)真空而是在金屬蒸氣中燃熾。4）從輝光放電到電弧放電的轉(zhuǎn)變。從輝光放電到電弧放電的轉(zhuǎn)變。從輝光放電過(guò)渡到熱電子電弧的過(guò)程是隨著電流的增加，陰極電位降逐漸增高，在陰極區(qū)放出的能量也就增加，如果這時(shí)陰極溫度達(dá)到熱電子發(fā)射開始起顯著作用的數(shù)值，則放電的擊穿電壓開始下降。5.1 電弧的基本理論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性5.

11、 電弧發(fā)生的途徑電弧發(fā)生的途徑從輝光放電轉(zhuǎn)變到冷陰極電弧的過(guò)程。在陰極電化顯著增高的非正常輝光放電中。陰極表面的個(gè)別部分在強(qiáng)電場(chǎng)影響下能夠發(fā)射電子，其數(shù)量足以使陰極電位降區(qū)域和氣體顯著地游離，由此產(chǎn)生電荷濃度較高的區(qū)域。電子比正離子更快離開這個(gè)區(qū)域，因此形成中間電荷的增加，促使場(chǎng)電子發(fā)射繼續(xù)增加，最后形成電弧放電。5）從火花放電到電弧放電的轉(zhuǎn)變。從火花放電到電弧放電的轉(zhuǎn)變。當(dāng)兩電極之間的間隙被擊穿形成火花放電時(shí)，就在間隙形成導(dǎo)電通道，開始輸入能量，電流逐漸上升。電流上升速度一般決定于外部電路的參數(shù)，但在兩電極間的電容經(jīng)常有某些儲(chǔ)藏的能量被迅速輸入到通道中。通道強(qiáng)烈地被加熱和擴(kuò)展，并且擴(kuò)展的速度

12、在初始階段可以近似地看作為沖擊波的傳播。火花放電可以引起具有大的壓力躍變的沖擊波。5.1 電弧的基本理論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性6. 電弧的物理特性電弧的物理特性1）電弧的溫度電弧的溫度在電弧中可能在幾個(gè)微秒的時(shí)間內(nèi)達(dá)到大約4000K5000K的高溫，電弧的燃熾與熄滅與溫度有很大的關(guān)系。電弧溫度與電流有重要的關(guān)系，電流的增加基本上標(biāo)志著溫度的上升。2 2）電弧的直徑）電弧的直徑弧柱本身，電弧中間明亮的部分，直徑大致相當(dāng)于弧柱，電弧的最大導(dǎo)電部分，幾乎100的電流在它中間通過(guò)。光圈，周圍較寬廣而亮度較低的外殼。電弧的直徑與電流有關(guān)。對(duì)于在空氣中自由燃熾的電弧，其直徑d

13、與電流I的平方根成正比。高氣壓弧柱的直徑與氣體的壓力P有關(guān)。對(duì)于自由燃熾的電弧，其直徑隨壓力升高而減小。在管道中穩(wěn)定燃熾的電弧直徑是與電弧在其中燃熾的氣體的導(dǎo)熱系數(shù)成反比的。顯然，這樣的關(guān)系僅說(shuō)明由于熱傳導(dǎo)而使電弧冷卻的電弧特性。hId26. 05.1 電弧的基本理論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性6. 電弧的物理特性電弧的物理特性3）電弧的電壓方程電弧的電壓方程UA= Uc+Ua+Up或或 UA=U0+Eplp 式中：Ua為陽(yáng)極壓降；Uc為陰極壓降；Up為弧柱壓降；Uo= Ua+Uc為近極壓降，Ep為弧柱區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度；lp為弧柱區(qū)長(zhǎng)度，可近似取為電弧長(zhǎng)度?；≈鶇^(qū)的場(chǎng)強(qiáng)E與電

14、弧電流Ih的關(guān)系：式中，r為弧柱通道半徑；n為電子密度；be為電子遷移率；e為電子電荷。除電流外，弧柱區(qū)場(chǎng)強(qiáng)還與許多因素有關(guān)，如電弧運(yùn)動(dòng)的速度、氣體的可動(dòng)性、氣體的導(dǎo)熱系數(shù)、氣體的壓力以及電弧所處的狹縫或管道直徑等。電弧既是電的又是熱的現(xiàn)象，所以電弧所處熱的條件，嚴(yán)重地影響到其電特性。如果散熱條件好，則弧柱去游離過(guò)程強(qiáng)，弧柱區(qū)場(chǎng)強(qiáng)就升高、在許多情況下。電弧熱量的散出與電弧在其中燃熾的氣體的可動(dòng)性和導(dǎo)熱系數(shù)密切相關(guān)，試驗(yàn)表明，弧柱區(qū)場(chǎng)強(qiáng)有隨氣體導(dǎo)熱系數(shù)大致成正比上升的傾向。電弧與固體絕緣壁的接觸使場(chǎng)強(qiáng)有很大的增高。如果迫使電弧在絕緣板之間的狹縫或小直徑的管道中燃熾，能使弧柱區(qū)場(chǎng)強(qiáng)增加幾倍。Ene

15、brIeh25.1 電弧的基本理論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性6. 電弧的物理特性電弧的物理特性4）電弧等離子體的熱容與冷卻電弧等離子體的熱容與冷卻開關(guān)電弧的熄滅，主要是靠對(duì)電弧等離子體進(jìn)行冷卻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。冷卻方式主要有等熵（熱能除以溫度所得的商，標(biāo)志熱量轉(zhuǎn)化為功的程度）冷卻和熱傳導(dǎo)冷卻兩種。等熵冷卻就是所謂絕熱膨脹。當(dāng)氣體沿著壓力梯度進(jìn)行膨脹運(yùn)動(dòng)時(shí)、由粒子運(yùn)動(dòng)形成的內(nèi)部能量轉(zhuǎn)變成流動(dòng)能，使氣體溫度下降而被冷卻。此時(shí)的冷卻能力即每單位容積的散熱功率，可用下式表示：上式中，v為流速；P為壓力。熱傳導(dǎo)卻是由沿著溫度梯度移動(dòng)的熱流造成的冷卻。氣體與等離子體的熱傳導(dǎo)和通常固體的情

16、況大不相向，它與內(nèi)部的能量密度梯度有關(guān)，在氣體和等離子體中可由于多種原因?qū)⒛芰恳阅芰鞯男问缴⒊鋈?。如把這些能量的散失都看成是廣義的熱傳導(dǎo)，并以導(dǎo)熱率來(lái)等效表示，那么每單位容積的散熱功率可用下式表示：上式中導(dǎo)熱率是溫度的函數(shù)。gradPvNgradTdivN5.1 電弧的基本理論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性6. 電弧的物理特性電弧的物理特性4）電弧等離子體的熱容與冷卻電弧等離子體的熱容與冷卻電弧等離子體冷卻的速度除與散熱功率的大小有關(guān)外，還與等離子體的熱容有關(guān)，在相同的冷卻條件下，熱容（比熱容，是單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容量，即使單位質(zhì)量物體改變單位溫度時(shí)的吸收或釋放的內(nèi)能。）愈

17、小，則冷卻速度愈快。電弧等離子體的定壓比熱容也與固體和液體的情況不同，它是相當(dāng)復(fù)雜的溫度函數(shù)，隨溫度的變化，定壓比熱容有很大的變化。設(shè)電弧等離子體所包含的能量（即熱焓焓是汽體的一個(gè)重要狀態(tài)參數(shù)。焓的物理意義為：在某一狀態(tài)下氣體所具有的總能量，它等于內(nèi)能和壓力勢(shì)能之和。） 為hT。則定壓比熱容Cp為：這是由于氣體與等離子體在溫度升高的同時(shí)將發(fā)生分解和游離，而分解和游離時(shí)所需要的能量，從外部看即表現(xiàn)為大的熱容。dTdhCTp5.1 電弧的基本理論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性6. 電弧的物理特性電弧的物理特性5）電弧的能量平衡電弧的能量平衡電弧燃熾時(shí)，電源不斷地供給能量，并轉(zhuǎn)

18、變成熱能和光能，同時(shí)電弧也不斷地通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式向周圍散出能量。在長(zhǎng)弧中，電弧的特性主要由弧柱決定、電弧電壓主要由弧柱壓降構(gòu)成，即可忽略近極壓降。發(fā)熱量等于弧柱含熱量的增加與散熱損耗之和，電弧弧柱的動(dòng)態(tài)能量平衡力程式為：式中，Ih為電弧電流（A），Uh為電弧電壓（V）；Q為弧柱的內(nèi)能（J）；t為時(shí)間（s）；Ps為弧柱散失的功率（W）。能量平衡也是形成電弧等離子體動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)，對(duì)于每單位容積等離子體，這一關(guān)系的一般式為：式中，為等離子體的電導(dǎo)率，E為電場(chǎng)強(qiáng)度；為等離子體密度；h為熱焓。shhPdtdQUI gradTdivxTsgradPvdtdhNdtdhE25.1 電弧的基本理

19、論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性7. 電弧的效應(yīng)電弧的效應(yīng)1）熱效應(yīng)。電弧產(chǎn)生的熱能Ea效應(yīng)，是電弧最主要的效應(yīng)，它正比于弧壓Ua、電流有效值Isc和故障持續(xù)時(shí)間t，其單位是焦耳（J）。電弧產(chǎn)生的熱量能熔化金屬，碳化絕緣，加熱周圍空氣。如果周圍空間有限，那么空氣的壓力會(huì)突然升高。短路電弧產(chǎn)生的巨大熱量往往被低估。作為一個(gè)例子，10000安培的短路電流十分之一秒產(chǎn)生的熱量可以熔化一根150mm2截面的電纜。2）壓力效應(yīng)。電弧導(dǎo)致快速加熱有限體積的空氣，讓見證過(guò)此事的人將短路與爆炸相比較。很少能有開關(guān)柜或密閉空間的門能承受如此大的內(nèi)部壓力，它增加了對(duì)裝置的損壞。電弧閃絡(luò)同時(shí)伴

20、隨著顯著的噪聲，它是由壓力變化引起的。對(duì)交流電，這一噪聲甚至是轟鳴聲。3）發(fā)光效應(yīng)。這是眾所周知的，除了高強(qiáng)度外，它有部分的紫外線輻射，會(huì)影響附近人員的視覺，但總體會(huì)增加周圍的電離。4）電離效應(yīng)。導(dǎo)致帶電部件重復(fù)性的電弧閃絡(luò)，這些部件由絕緣間隙分開，在正常氣壓下是安全的。這些重復(fù)性的電弧放電會(huì)導(dǎo)致二次電弧，它獨(dú)立于最初的電弧，沿不同的部分傳播。這解釋了觀察到的開關(guān)柜經(jīng)受一次打擊后的多重電弧，使得難以判斷故障的真正起始點(diǎn)。5.1 電弧的基本理論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性7. 電弧的效應(yīng)電弧的效應(yīng)電弧效應(yīng)的限制措施：1）減小故障電流。熱效應(yīng)正比于短路電流Isc，限流器可以

21、減少故障電流。2）減少故障時(shí)間。熱效應(yīng)也正比于故障持續(xù)時(shí)間t，要試圖減少故障時(shí)間，就要盡可能快速地切除故障。在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中，功率柜快速熔斷器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器快速保護(hù)，可以起到減少故障時(shí)間。3）建立消耗性屏障和電弧陷阱。有可能構(gòu)造一種裝置，經(jīng)過(guò)一定的運(yùn)動(dòng)后，電弧掉入某一“陷阱”而被“鎖定”在一端而不再傳播，然后進(jìn)行消耗性屏障，這個(gè)消耗性屏障可以是金屬的，電弧將會(huì)被吸收用來(lái)熔化金屬；也可以是礦物絕緣體，有足夠的抗熱能力。其目的是引導(dǎo)電弧到某一方向，在此方向上其結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較小的損害，或至少可以由一個(gè)消耗性屏障控制。這些裝置在電弧設(shè)備上被稱為“電弧陷阱”，在勵(lì)磁系統(tǒng)可以稱為滅磁開關(guān)滅弧罩，進(jìn)一步細(xì)

22、化，其實(shí)就是滅磁開關(guān)滅弧罩的滅弧柵。5.1 電弧的基本理論5.1.1 電弧的產(chǎn)生和物理特性電弧的產(chǎn)生和物理特性8. 電弧的熄滅電弧的熄滅 1）復(fù)合去游離正離子和負(fù)離子相互吸引而中和成為中性質(zhì)點(diǎn)的過(guò)程。自由電子的速度遠(yuǎn)大于正離子，它們直接復(fù)合的可能性很小，往往是自由電子先附著在中性質(zhì)點(diǎn)上，形成負(fù)離子，運(yùn)動(dòng)速度大大減慢，此時(shí)正離子和負(fù)離子更容易復(fù)合。2）擴(kuò)散去游離自由電子和正離子逸出電弧而進(jìn)入周圍介質(zhì)中，被周圍介質(zhì)冷卻而復(fù)合的過(guò)程。由于電弧內(nèi)外的電荷濃度及溫差的不同，自由電子和正離子將向濃度和溫度都低的周圍介質(zhì)中擴(kuò)散，在低溫處，電子和離子的速度減慢而復(fù)合成為中性質(zhì)點(diǎn)。9. 電弧的危害電弧的危害 電

23、弧的存在延長(zhǎng)了開關(guān)電器開斷故障電路的時(shí)間，加重了電力系統(tǒng)短路故障的危害。 電弧產(chǎn)生的高溫，將使觸頭表面熔化和蒸化，燒壞絕緣材料。對(duì)充油電氣設(shè)備還可能引起著火、爆炸等危險(xiǎn)。 由于電弧在電動(dòng)力、熱力作用下能移動(dòng)，很容易造成飛弧短路和傷人，或引起事故的擴(kuò)大。5.1 電弧的基本理論5.1.2 交流電弧交流電弧在交流電路中，電流瞬時(shí)值隨時(shí)間變化，因而電弧的溫度、直徑以及電弧電壓也隨時(shí)間變化，電弧的這種特性稱為動(dòng)特性。由于弧柱的受熱升溫或散熱降溫都有一定過(guò)程，跟不上快速變化的電流，所以電弧溫度的變化總滯后于電流的變化，這種現(xiàn)象稱為電弧的熱慣性。 交流電弧在交流電流自然過(guò)零時(shí)將自動(dòng)熄滅，但在下半周隨著電壓的

24、增高，電弧又重燃。如果電弧過(guò)零后，電弧不發(fā)生重燃，電弧就此熄滅。1. 交流電弧的伏安特性交流電弧的伏安特性因?yàn)榻蛔冸娏骺偸请S著時(shí)間變化，所以伏安特性只能是動(dòng)態(tài)的。值得注意的是交變電流每個(gè)周期有兩次自然通過(guò)零位，而電弧也通常在電流過(guò)零時(shí)熄滅。若未能熄滅，則另一半周內(nèi)電弧將重燃，且其伏安特性與原特件是關(guān)于坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)稱的。OA段：電弧電流ih 從零上升，由于ih 過(guò)零期間，發(fā)熱功率Ph=0，隨著熱量的散發(fā)，弧柱變冷、變細(xì)，Rh 增大，uh 以很陡的斜率上升。5.1 電弧的基本理論5.1.2 交流電弧交流電弧在交流電路中，電流瞬時(shí)值隨時(shí)間變化，因而電弧的溫度、直徑以及電弧電壓也隨時(shí)間變化，電弧的這種特

25、性稱為動(dòng)特性。由于弧柱的受熱升溫或散熱降溫都有一定過(guò)程，跟不上快速變化的電流，所以電弧溫度的變化總滯后于電流的變化，這種現(xiàn)象稱為電弧的熱慣性。 交流電弧在交流電流自然過(guò)零時(shí)將自動(dòng)熄滅，但在下半周隨著電壓的增高，電弧又重燃。如果電弧過(guò)零后，電弧不發(fā)生重燃，電弧就此熄滅。1. 交流電弧的伏安特性交流電弧的伏安特性AB段：隨著ih的增大，也Ph 增大，當(dāng)PhPs時(shí)，電弧積聚熱量增多，弧柱變熱、變粗，也Rh 減小。當(dāng)Rh 減小的速度比的增ih 長(zhǎng)速度大的多時(shí)，uh 隨著ih 的增大而減小。OA段：當(dāng)ih 到達(dá)最大值B點(diǎn)后開始減小，uh 沿著曲線BC上升。由于熱慣性的作用，此時(shí)Rh 要比增大ih 時(shí)同一

26、ih 對(duì)應(yīng)的數(shù)值要小，因此曲線BC要比AB低。CO段：隨著ih 的減小，也Ph 減少，Rh 逐漸上升。當(dāng)ih 減小的速度比Rh 上升的速度大的多，uh 又開始隨著ih 的減小而下降。5.1 電弧的基本理論5.1.2 交流電弧交流電弧2. 熄滅交流電弧的基本方法熄滅交流電弧的基本方法 加強(qiáng)弧隙的去游離、提高介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度和降低弧隙電壓的上升速度與幅值，是高壓斷路器中熄滅電弧的基本方法。 1）利用滅弧介質(zhì)利用滅弧介質(zhì)滅弧滅弧在高壓斷路器中，廣泛采用去游離作用強(qiáng)的滅弧介質(zhì)滅弧。利用固體介質(zhì)的狹縫狹溝滅弧，冷卻， 表面吸附電子，加強(qiáng)復(fù)合。如：介質(zhì)縱縫滅弧罩、介質(zhì)填料滅弧管。2）利用短弧原理滅弧）利

27、用短弧原理滅弧交流電路中電流自然過(guò)零時(shí)，每一短弧有150250V電壓。直流電路中每一短弧的陰極區(qū)有811V電壓降。3）吹?。M吹、縱吹、縱橫吹）吹?。M吹、縱吹、縱橫吹）吹弧是指利用各種結(jié)構(gòu)形式的滅弧室，使高溫分解的氣體或具有很大壓力、低溫的氣體在滅弧室中按特定的通路，吹動(dòng)電弧，加強(qiáng)擴(kuò)散和復(fù)合去游離而使電弧熄滅的方法。4）采用特殊金屬材料作滅弧觸頭）采用特殊金屬材料作滅弧觸頭采用銅、鎢合金和銀、鎢合金等特殊金屬材料作觸頭。這些材料在高溫下不易熔化和蒸發(fā)、抗熔焊，可以減少熱電子發(fā)射和高溫分解產(chǎn)生的金屬蒸氣，削弱了游離作用。 5.1 電弧的基本理論5.1.2 交流電弧交流電弧2. 熄滅交流電弧的基

28、本方法熄滅交流電弧的基本方法 5）提高斷路器觸頭的分離速度提高斷路器觸頭的分離速度 加快斷路器觸頭的分離速度，可以迅速拉長(zhǎng)電弧，使弧隙的電場(chǎng)強(qiáng)度驟降，弧隙電阻和電弧的表面積突然增大，電弧的冷卻加快，有利于帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散和復(fù)合去游離。6）采用多斷口滅弧）采用多斷口滅弧某些電壓等級(jí)較高的斷路器采用多個(gè)滅弧室串聯(lián)的多斷口滅弧方式。 多斷口將電弧分割成多段，在相同觸頭行程下，增加了電弧的總長(zhǎng)度，弧隙電阻迅速增大，介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度加快。 使每個(gè)斷口上的恢復(fù)電壓減小，降低了恢復(fù)電壓的上升速度和幅值，提高了滅弧能力。7）在斷路器主觸頭兩端加裝低值并聯(lián)電阻）在斷路器主觸頭兩端加裝低值并聯(lián)電阻 主觸頭Q1先斷開

29、，產(chǎn)生電弧，因有并聯(lián)電阻，恢復(fù)電壓為非周期性，降低了恢復(fù)電壓的上升速度和幅值，主觸頭上的電弧很快熄滅。 接著斷開的輔助觸頭Q2，由于電阻r的限流和阻尼作用，輔助觸頭上的電弧也容易熄滅。 5.1 電弧的基本理論5.1.3 直直流電弧流電弧1. 直流電弧的伏安特性直流電弧的伏安特性當(dāng)施加電壓達(dá)到擊穿電壓Ub、電流亦達(dá)到燃弧電流Ib后，電弧便產(chǎn)生了，而且隨著電流的增大，電弧電壓反而降低。電流增大會(huì)使弧柱內(nèi)熱電離加劇、離子濃度加大，故維持穩(wěn)定燃弧所需電壓反而減小。這種特性成為負(fù)電阻特性。曲線1是在弧長(zhǎng)不變的條件下逐漸增大電流測(cè)得的。由于電弧本身的熱慣性，電弧電阻的增大總是滯后于電流的變化。當(dāng)電流減至I

30、2時(shí)，電弧電阻大抵仍停留在I1時(shí)的水平上。極限情況下，即電流減小速度為無(wú)窮大，電弧電阻來(lái)不及變化，伏安特性即為曲線3。2. 直流電弧的燃燒直流電弧的燃燒電流減小時(shí)伏安特性與縱軸相交處的電壓Ue極為熄弧電壓。hudtdiLiRU0huiRUdtdiL05.1 電弧的基本理論5.1.3 直直流電弧流電弧2. 直流電弧的燃燒直流電弧的燃燒電流減小時(shí)的電弧伏安特性曲線U0（U0-iR）0dtdiL0dtdiL直流電弧穩(wěn)定燃燒后，di/dt=0，U0-iR=uh。穩(wěn)定燃燒點(diǎn)應(yīng)為電路伏安特性和電弧靜態(tài)伏安特性的交點(diǎn)。B點(diǎn)為穩(wěn)定燃燒點(diǎn)，i0，U0-iR uh ，i； i uh ，i。A點(diǎn)不是穩(wěn)定燃燒點(diǎn)，i0

31、，U0-iR uh ，i；i0，U0-iR uh ，i。A點(diǎn)又稱為視在穩(wěn)定燃燒點(diǎn)。3. 直流電弧的熄滅直流電弧的熄滅為消除直流電弧的穩(wěn)定燃弧點(diǎn)。應(yīng)使其伏安特性處于特性U0-iR的上方，使電弧電壓uh與電阻電壓降iR之和超過(guò)電源電壓U0，以致電弧無(wú)法穩(wěn)定燃燒。常采用以下措施來(lái)達(dá)到熄弧條件：1）拉長(zhǎng)電弧或?qū)ζ鋵?shí)行人工冷卻）拉長(zhǎng)電弧或?qū)ζ鋵?shí)行人工冷卻借助增大弧柱電阻使電弧伏安特性上移，與特性U0-iR脫離。5.1 電弧的基本理論5.1.3 直直流電弧流電弧3.3.直流電弧的熄滅直流電弧的熄滅1）拉長(zhǎng)電弧或?qū)ζ鋵?shí)行人工冷卻）拉長(zhǎng)電弧或?qū)ζ鋵?shí)行人工冷卻增大縱向觸頭間隙，如右圖a；法向拉長(zhǎng)電弧，如右圖b；

32、借使弧斑上移拉長(zhǎng)電弧，如右圖c。2）增大近極區(qū)電壓降）增大近極區(qū)電壓降利用金屬柵片（n片）將電弧分割成系列短弧。Uh=（n+1）U0+El這比無(wú)柵片時(shí)增大了nU0，所以也能起到使電弧伏安特性上移的作用。5.1 電弧的基本理論5.1.3 直直流電弧流電弧3.3.直流電弧的熄滅直流電弧的熄滅3）增大弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度增大弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度 增大氣體介質(zhì)的壓強(qiáng)； 增大電弧與介質(zhì)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度； 使電弧與溫度較低的絕緣材料緊密接觸以加速弧柱冷卻； 采用如SF6氣體等具有強(qiáng)烈消電離作用的特殊滅弧介質(zhì)； 采用真空滅弧室。5.1 電弧的基本理論5.1.4 直直流電弧流電弧和交流電弧的區(qū)別和交流電弧的區(qū)別電弧可以分為直

33、流電弧和交流電弧，在電弧的產(chǎn)生過(guò)程中，無(wú)論交流還是直流，其外界條件和理論機(jī)理一樣。但是在電弧的熄滅過(guò)程，交流電弧與直流電弧不同，主要表現(xiàn)在交流電流有周期性的自然過(guò)零點(diǎn)，此時(shí)電流等于零，有利于交流電弧的熄滅。利用電弧電流自然過(guò)零的特點(diǎn)進(jìn)行的熄弧稱為零點(diǎn)熄弧原理。以自然過(guò)零點(diǎn)為界，一個(gè)周期的交流電弧可以分為2個(gè)直流電流，因?yàn)樵陔娀∪紵^(guò)程中，交流電弧和直流電弧也基本一樣?？偟恼f(shuō)來(lái)，交流電弧的電流瞬時(shí)值隨時(shí)間變化，每周期內(nèi)有兩次過(guò)零點(diǎn)。電流經(jīng)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，電弧的輸入能量等于零，電弧溫度下降，電弧自然熄滅。而后隨著電壓和電流的變化，電弧重新燃燒。因此，交流電弧的燃燒，實(shí)際上就是電弧的點(diǎn)燃、熄滅周而復(fù)始的過(guò)

34、程。5.1 電弧的基本理論5.1.5 電弧的熄滅方法和電弧的熄滅方法和滅弧裝置滅弧裝置1. 熄滅交流電弧的方法熄滅交流電弧的方法1）增加電弧的長(zhǎng)度；2） 磁場(chǎng)吹弧，使電弧在空氣中迅速運(yùn)動(dòng)；3）靠電弧本身的能量或外界的能量使氣流（如SF6、壓縮空氣），或液流（如油）縱向或橫向吹??；4）將電弧引入狹縫或電孤在管道中與介質(zhì)密切接觸；5）在真空中熄弧；6）將長(zhǎng)弧分成一系列短弧。2. 熄滅熄滅直直流電弧的方法流電弧的方法1）拉長(zhǎng)電弧拉長(zhǎng)電弧拉長(zhǎng)電弧的方法有2種：電弧形狀不變，把電弧兩端的導(dǎo)體距離拉長(zhǎng)；電弧兩端的導(dǎo)通距離不變，采用吹弧的方法，讓電弧變形變長(zhǎng)，這是滅磁開關(guān)最常見的拉弧方法。吹弧的方式有3種，

35、過(guò)去曾采用空氣泵的機(jī)械吹弧方式，現(xiàn)在則廣泛采用回路電動(dòng)力吹弧和線圈磁場(chǎng)吹弧2種方式。5.1 電弧的基本理論5.1.5 電弧的熄滅方法和滅弧裝置電弧的熄滅方法和滅弧裝置2 2）在開關(guān)斷口上裝設(shè)滅弧柵）在開關(guān)斷口上裝設(shè)滅弧柵在開關(guān)斷開上裝設(shè)滅弧柵，并形成一個(gè)滅弧罩，這是極為普遍的滅弧方式，也是滅磁開關(guān)廣泛采用的方式。根據(jù)滅弧柵片的材料屬性，有金屬材料滅弧柵、絕緣材料滅弧柵、金屬和絕緣材料混合滅弧柵3種類型。金屬材料滅弧柵。采用鋼片組成的滅弧柵片，將一個(gè)長(zhǎng)電弧分割成很多短電弧，弧根（陰極和陽(yáng)極）增多，整個(gè)電弧的電壓也就增多，造成u0使得電弧熄滅。如果由鋼片組成的滅弧柵橫向布置在開關(guān)觸頭上，稱為橫向金

36、屬滅弧罩。如果由鋼片組成的滅弧柵縱向布置在開關(guān)觸頭上，稱為縱向金屬滅弧罩。無(wú)論是橫向還是縱向，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電弧電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與鋼片柵片作用力，使電弧拉入滅弧柵內(nèi)被鋼片分割成多段短弧。5.1 電弧的基本理論5.1.5 電弧的熄滅方法和滅弧裝置電弧的熄滅方法和滅弧裝置2 2）在開關(guān)斷口上裝設(shè)滅弧柵）在開關(guān)斷口上裝設(shè)滅弧柵絕緣材料滅弧柵。采用陶土材料或石棉水泥等絕緣材料壓制成狹縫型的滅弧柵片，利用橫吹和拉長(zhǎng)電弧方式，把電弧能量消耗在滅弧柵片以及由此構(gòu)成的滅弧罩內(nèi)。絕緣材料滅弧柵滅弧原理，其實(shí)是拉長(zhǎng)電弧滅弧原理，與短電弧滅弧原理相差很大，但是都是采用滅弧柵片和滅弧罩型式。右圖（a）所示在靜觸頭1和動(dòng)

37、觸頭2活動(dòng)上方，罩上一些絕緣滅弧柵片。當(dāng)動(dòng)觸頭分離靜觸頭產(chǎn)生電弧以后，在磁吹裝置的磁場(chǎng)作用下，對(duì)電弧產(chǎn)生電磁力，將其拉入滅弧片構(gòu)成的狹縫中，起到拉長(zhǎng)電弧的作用，同時(shí)促使電弧與滅弧片冷壁緊密接觸，加強(qiáng)冷卻作用。滅弧柵片總是固定安裝在一個(gè)稱為滅弧罩的絕緣外殼里面，如右圖（b）所示。在滅弧柵片下方，留有動(dòng)靜觸頭運(yùn)動(dòng)的空間，稱為滅弧室。在滅弧柵片上方，安裝有防止電弧火焰外噴的滅焰柵。5.1 電弧的基本理論5.1.5 電弧的熄滅方法和滅弧裝置電弧的熄滅方法和滅弧裝置2 2）在開關(guān)斷口上裝設(shè)滅弧柵）在開關(guān)斷口上裝設(shè)滅弧柵金屬和絕緣材料混合滅弧柵。滅弧柵片由金屬和絕緣材料混合組合，下端是金屬，上端是絕緣材料?；旌喜牧蠝缁偶骖櫧饘俣袒『徒^緣長(zhǎng)弧特點(diǎn)，小電流電弧短電弧屬性，大電流電弧既是短電弧又有長(zhǎng)電弧屬性。5.1 電弧的基本理論5.1.5 電弧的熄滅方法和滅弧裝置電弧的熄滅方法和滅弧裝置3. 滅弧裝置滅弧裝置1）滅火花電路滅火花電路多用于保護(hù)直流繼電器的觸頭系統(tǒng)，降低其電侵蝕、提高其分?jǐn)嗄芰ΓM(jìn)而保證其安全運(yùn)行。2）簡(jiǎn)單滅弧簡(jiǎn)單滅弧在大氣中開觸頭拉長(zhǎng)電弧使熄滅。借機(jī)械力或電弧電流本身產(chǎn)生的電動(dòng)力拉長(zhǎng)電?。↙增長(zhǎng)），并使之在運(yùn)動(dòng)中不斷與新鮮空氣接觸而冷卻（E增大），從而UA增大，大于u-iR時(shí)，電弧熄滅。多用于低壓電多用于低壓電器中的刀開關(guān)器中的刀開關(guān)和直動(dòng)式交流和直