电弧的基本特征

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1、电 器 理 论 基 础-第三章,天津工业大学 电气工程与自动化学院 电气工程及其自动化专业,概 述 背 景 知 识 3-1 气体放电的物理过程 3-2 电弧的物理特征 3-3 直流电弧的燃烧与熄灭 3-4 交流电弧的特性 3-5 麦也耳电弧数学模型介绍 小 结,第三章 电弧的基本特征,本章讲授内容 （其中红色内容是重点） 1气体放电的物理基础 ；气体放电的理论。 2电弧的物理特性；电弧产生的过程和电弧的温度、直径等特性。 3直流电弧的特性和熄灭原理；直流电弧的熄灭条件和熄灭方法。 4交流电弧的特性；交流电弧的伏安特性及电弧电压对电路电流的影响。 5、麦也耳电弧数学模型介绍,第三章 电弧的基本特

2、征,实验室模拟磁环爆发,第三章 电弧的基本特征,空间天体等离子体,第三章 电弧的基本特征,“电弧”的定义： 定义 ：在大气中开断电路时，当电源电压U U0 =（1220），被开断电流（0.251）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。,电弧是一种气体放电现象，也是一种等离子体（ Plasma ）。,电弧具有温度高和发强光的性质，被广泛用于焊接、熔炼和强光源等各个技术领域。但是，在开关电器中，电弧的存在却具有两重性。,一方面它可给电路中磁能的泄放提供场所，从而降低电路开断时产生的过电压，,另一方面它延迟电路的开断、烧损触头，在严重的情况下甚至可能引起开关电器的着火和

3、爆炸。,因此，在电器技术科学中研究电弧的目的，不在于如何利用电弧稳定然烧的特性为生产服务，而在于采取怎样的措施使其存在的时间尽量缩短，以减轻其危害。或者说，研究电弧的目的是为了尽快的熄灭电弧。,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。 气体放电的前提：气体电离化。 电弧是气体放电的一种形式。 电子是按一定数量规律分布在其最低能级的轨道上。当原子受到外界能量(热、光、碰撞等)作用时，其外层轨道上的电子就可能吸收这些能量，克服原子核的吸引力而跃迁到更外层较高能级的轨道上去。然而，电子处于外层轨道上是不稳定的，常因受原子核的吸引力作用而自动跳回到原来的轨道上去。在跳回的过程中，电

4、子以量子辐射的形式放出多余的能量。, 3-1 气体放电的物理过程,一、激励与电离： 、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，但原子的能量提高了)。此状态只存在10-910-8秒。, 3-1 气体放电的物理过程,、电离： 定义：电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(统称中性粒子或中性质子) 变成一个带正电荷的粒子(正离子)的过程。 电离能(yl)： 指电离出一个电子所需的最低能量(单位为：，其值参见教材P58,表3-1)。为方便起见，电离能yl可以直接用电离电压表示

5、，其单位由J改为ev；, 3-1 气体放电的物理过程,激励一个电子所需的能量称为激励能，它的单位为eV。一个原子可 以有几个激励能，它们分别对应于不同的外层轨道。一些气体和金属蒸汽的激励能也示于表3-1中。括号中的数字表示第二激励能。, 3-1 气体放电的物理过程,已被激励的中性粒子比较容易电离，因为此时产生电离所需的能量小于正常中性粒子所需的能量，减少的数值即等于该元素的激励能。这种经过激励状态再电离的现象叫做分级电离。 激励是一种不稳定的状态，大量被激励的中性粒子能以光量子的形式释放能量而自动的回到正常状态。, 3-1 气体放电的物理过程,有一种特别的激励状态，在该状态下，已经跳到较外层轨

6、道上的电子不能很快地返回原来的正常轨道。常常必须再由外界加进能量，使已处于较外层轨道上的电子跳到更外层轨道上去，然后电子才能跳回正常轨道，或者，电子在第二次外界能量的作用下发生电离。这种激励状态叫做介稳状态。中性粒子处于介稳状态的时间可达10-4-10-2s甚至更长，因而它在中性电子电离的过程中起很大作用。, 3-1 气体放电的物理过程,二、气体电离方式： 气体通常不导电，但是如果气体中含有带电粒子-电子、正离子和负离子，它就能导电。我们把这种气体叫电离气体。 气体中被电离的原子数与总原子数之比叫做电离度。电离度越高气体导电率越大。 气体电离方式可以分为：表面发射和空间电离。, 3-1 气体放

7、电的物理过程,、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。 热发射：在20002500K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。 逸出功：记为yc，是指一个电子逸出金属所需的最低能量，单位为ev。, 3-1 气体放电的物理过程, 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106(v/cm)时，自由电子逸出金属的现象。 隧道效应 光发射：光线(红外线、紫外线及其他射线)照在金属表面，引起电子从表面逸出的现象。光电效应 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。

8、 在气压较高的放电间隙中，通常阴极表面附近比阳极表面附近的电场强度较高，所以阴极表面二次发射较强并在气体放电过程中起着重要的作用。, 3-1 气体放电的物理过程,、空间电离：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。 空间电离的方式有光电离、电场电离和热电离；它们可能同时存在。 、光电离：中性粒子受光照作用，当光子能量 (h) 大于等于原子或分子的电离能时，发生的电离。( h：普朗克常数，h6.62410-34，单位是js；：光子的频率，S-1)。 光电离作用的大小，与光频成正比，所以X射线、 、宇宙射线和紫外线都有较强的电离作用。, 3-1 气体放电的物理过程,、电

9、场电离：也叫碰撞电离。是一个质量为m的带电粒子(由光电离或表面发射所产生)在电场的作用下被加速到后，如其动能 MV大于yl，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。 动能超过电离能的电子，不是每次碰撞中性粒子都能使之电离的，而存在一定几率。电离几率的大小既取决于动能的大小，又取决于电子和中性粒子两者电磁场相互作用时间。有可能碰撞使中性粒子处于激励状态，然后再碰撞才电离。有时碰撞后既不电离也不激励，而是附着在中性粒子上而构成负离子。 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。, 3-1 气体放电的物理过程,

10、、热电离：当气体温度在30004000K以上时，气体粒子因高速热运动而互相碰撞所产生的电离。 气体的热电离度可用沙哈公式计算：,式中，P是压力（Pa），T是气体温度(k)，Wyl是中性粒子的电离能(J)。 温度越高，气体的电离度越高。, 3-1 气体放电的物理过程,由图3-1知，金属蒸汽的电离能比一般气体小得多，所以相同温度下，前者的电离度大于后者。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。, 3-1 气体放电的物理过程,三、去电离及其方式： 、去电离：也叫消电离；是指电离气体中的带电粒子离开电离区域，或带电粒子失去电荷变成中性粒子的现象。 、去电离方式：包括复合与扩散。 、

11、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，形成中性粒子的现象。具体有以下两种方式： a、表面复合：四种。电子进入阳极；正离子接近阴极后从阴极取得电子，自身变为中性粒子；负离子接近阳极后将电子移给阳极， 自身变为中性粒子。 还有，走向未带电金属的带电粒子在金属表面感应出相反的电荷，由于库伦力的作用它被吸附到金属表面。如果此时再有另一异号带电粒子也走向金属表面，则两个粒子通过金属分别交出和取得电子而变成一个或两个中性粒子。, 3-1 气体放电的物理过程, 3-1 气体放电的物理过程,b、空间复合：两种 直接复合：正离子和电子在空间相遇后形成一个中性粒子 间接复合：电子粘在中性粒子上形

12、成负离子， 再与正离子相遇复合成为两个中性粒子。, 3-1 气体放电的物理过程,复合概率和气体的性质及纯度有关。例如，惰性气体和纯净的氢气及氮气都不会与电子结合成为负离子，而氟原子及其化合物（SF6）就具有极强的捕获电子的能力。因此SF6 被称为负电性气体，是一种良好的灭弧介质。 带电粒子在复合过程中要释放部分能量，后者被用以加热物体的表面（表面复合时）；或被用以增大所形成中性粒子的运动速度及以光量子的形式向周围空间辐射（空间复合时）。, 3-1 气体放电的物理过程,、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。它使电离空间内带电粒子减少，从而降低电离度，有

13、助于熄灭电弧。, 3-1 气体放电的物理过程,当电离气体中正负带电粒子数相等(这种电离气体称为等离子体)时，扩散必然是所谓双极性扩散，亦即在同一时间内，扩散的正离子数和负带电粒子数相等。否则，扩散不能继续进行。 例：假设多扩散了一个负离子，则电离气体中相对多了一个正离子，于是电离气体中将形成一正电场，他它对正离子进行排斥而对负带电粒子进行吸引。结果加速正离子的扩散而阻碍负带电粒子的扩散，使电离气体中粒子数趋于新的平衡。, 3-1 气体放电的物理过程,气体放电方式,表面发射,热发射 场致发射 光发射 二次发射,空间电离,光电离 电场电离 热电离,气体消电离方式,复合 扩散,表面复合 空间复合,

14、3-1 气体放电的物理过程,四、气体放电, 3-1 气体放电的物理过程,、气体放电的几个阶段： 见图3-5。 、非自持放电阶段：是指间隙中最初的的自由电子是由外加因素产生的，当外界因素去除后，间隙中无自由电子存在不能进行导电，放电无法维持。所以图中的C段称为非自持放电阶段： OA段：此时电压过低，间隙电场强度过小，外加电离因素（宇宙射线、射线等）产生的带电粒子不能全部达到阳极，属漫游状态，当U时，到达阴极的带电粒子成比例增加；, 3-1 气体放电的物理过程,、非自持放电阶段： AB段：此时加到电极上的电压在间隙中产生的电场强度较小，不足以产生高电场发射和电场电离，间隙中带电粒子仅由外加电离因素

15、（宇宙射线、射线等）产生，在电压数值超过A点时，他们能够全部达到阳极，而呈现 电流大小与电压数值无关的特性。 BC段：此时电压数值较高，间隙电场强度较大， 自由电子在此电场作用下运动时，足以产生电场 电离。由此产生的正离子在电场作用下向阴极运 动，并在到达阴极时轰击阴极使之产生二次发射。 发射出的电子进入气体间隙，再继续进行电场电 离，因而随着电压的升高, 电流增长较快。, 3-1 气体放电的物理过程,、自持放电阶段：图3-5中的CF段。 a、定义：电压升到C点时，由高压电场发射和二次发射产生的电子数已足够多，此时去除外界因素后，也能由电子通过电场电离产生正离子，再由正离子通过二次发射产生电子

16、这一往复作用维持间隙的放电，放电能够维持的阶段， 即图中的CF段。, 3-1 气体放电的物理过程,C点附件的BD区，因为汤姆逊最早对其进行研究，故常称为汤姆逊放电区。 在DE区，气体成辉光，故称为辉光放电区。此时间隙中的电离方式主要是电场电离。辉光放电的特征为：放电通道的温度为常温，电流密度小，阴极压降较高。, 3-1 气体放电的物理过程,EF区的放电形势为弧光放电，即间隙中产生电弧。弧光放电特征是：放电通道有明显边界，通道中的温度极高，电流密度很大，阴极压降很小，电离方式主要是热电离。, 3-1 气体放电的物理过程,、自持放电阶段：图3-5中的CF段。 b、自持放电的条件：发生了间隙击穿 (放电电流雪崩般增加，即放电突变的现象)。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j