第5章_电器的电弧理论剖析

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1、第5章 电器的电弧理论,福州大学 许志红 王剑,第5章 电器的电弧理论,5.1 引言 5.2 气体放电的物理基础 5.3 电弧的物理特性 5.4 直流电弧的特性与熄灭原理 5.5 交流电弧的特性与熄灭原理 5.6 开关电器典型灭弧装置的工作原理,5.1 引言,在大气中开断电路时：开断电流0.251A；开断电压1220V。在触头间隙通常会产生一团温度极高、发出强光、能够导电、近似圆柱形的气体 在开关电器中，电弧的存在具有两重性： 1、给电路中磁能的释放提供通路，降低电路开断时产生的过电压或作为限流电阻串入电路； 2、延迟电路开断、烧损触头，严重时，可能引起开关电器着火和爆炸。,电弧,研究电器电弧

2、的方法,仿真：,实验：,从电弧机理和内部现象出发，通过描述电弧微观或者宏观过程的数学模型，利用数值方法实现电弧数学模型的求解，得到温度场、流体场特性。,直接观测电弧的电、热、磁、光等现象，获得电弧形态、组分、温度等特性，通过测量电弧电压、电弧电流等外部特性，分析电弧所处金属相或气相阶段，以及电弧运动特性。,电弧微观模型,电弧宏观模型,5.2 气体放电的物理基础,气体放电：,弧隙中气体由绝缘状态变为导电状态的现象,电弧：实质上就是气体放电的一种形式,5.2.1 电离和激励,物质的原子原子核+若干电子,正常状态下：电子按照一定的数量规律分布在其最低能级的轨道上 激励：受到外界的能量（热、光、碰撞等

3、）作用电子吸收能量克服原子核的吸引力跃迁到更外层较高能级的轨道 电离：若能量足够大，电子跳出原子核的吸引力而成为自由电子，使原来的中性粒子变成正离子的现象 电离能(Wyl):电离一个电子所需要的能量,5.2.2 气体的电离方式,电离气体,含有带电粒子（电子、正离子和负离子），能够导电的气体,电离度,带电粒子占气体粒子数的百分比。电离度越高，气体的导电率越大,表面发射:,金属电极表面在某种情况下，发射电子进入弧隙,空间电离:,电极间气体自身由绝缘状态变成导电状态,气体电离方式,热发射,场致发射,光发射,二次发射,光电离,电场电离,热电离,表面发射,热发射：当金属的温度升高时，其表面的自由电子可能

4、获得足够的动能，以超越金属表面晶格电场造成的势垒而逸出 对于一个洁净均匀的金属电极表面，其饱和热发射电流密度Jrf(A/cm2)为：,表面发射,场致发射(高电场发射)：当金属表面存在较高的电场强度(大于106V/cm)时，金属表面势垒厚度减小，自由电子可能在常温下穿过势垒(隧道效应)，逸出金属的现象 在温度较高时，场致发射电流密度Jcf(A/cm2)为： 光发射：光线和射线照到金属表面时，引起电子逸出的现象 二次发射：正离子以很高的速度撞击阴极，或者电子、负电荷以很高的速度撞击阳极时，引起金属电极表面发射电子的现象,空间电离,光电离：中性粒子受到一定频率的光照射而被电离的现象 光的频率v需满足

5、条件： 电场电离(碰撞电离)：带电粒子在电场作用下加速，若动能超过电离能，当它在前进过程中撞击到另一中性粒子时，就可能使之电离 粘合：电子碰撞中性粒子后，附着在上面构成负离子的现象,空间电离,热电离：气体粒子由于高速热运动相互碰撞而产生的电离 当温度高达30004000K时，气体的热电离才显著起来 温度越高，气体的热电离度x越高，其关系可用沙哈公式表示： 金属蒸汽的电离能比一般气体的小很多，相同温度下，其电离度大于一般气体,在同一温度下，当气体中含有金属蒸汽时，其电离度提高，电导率增大。,5.2.3 气体的消电离方式,消电离,电离气体中带电粒子自身消失或者失去电荷变为中性粒子的现象，叫做消电离

6、,复合:,两个带有异号电荷的粒子相互作用，使电荷消失的现象。,扩散:,带电粒子由于热运动，从浓度较高的区域向浓度较低的区域移动的现象。,消电离方式,表面复合,空间复合,复合,表面复合：电极表面、金属表面、绝缘材料表面都会产生复合现象 电极表面复合 金属表面复合 绝缘材料表面复合,图5-2 金属表面的复合过程,复合,空间复合：可分为直接空间复合和间接空间复合 直接空间复合：正离子和电子在空间相遇后形成一个中性粒子的过程 间接空间复合：电子先和中性粒子粘合成负离子，再与正离子复合形成两个中性粒子,图5-3 间接空间复合过程,扩散,扩散：带电粒子由于热运动从浓度高区向浓度低区移动的现象 扩散使电极间

7、电离气体中带电粒子减少，而降低其电离度,当电离气体中正负带电粒子数相等（等离子体）时，扩散必然是双极扩散在同一时间内，扩散的正离子数和负带电粒子数相等 通过以上分析可知：气体的电离与消电离与弧隙中气体性质、气体压力、电场强度、温度等因素有关,设电离气体呈圆柱形，则扩散使带电粒子数密度降低的速度,离子平衡方程式,弧隙中的带电粒子数随时间的变化率为：,弧隙中的离子 平衡方程式,离子平衡方程式,弧隙中的带电粒子数随时间增多。电离作用增强，电弧燃烧趋于炽烈；,弧隙中的带电粒子数随时间减少。电离作用减弱，电弧燃烧趋于熄灭；,弧隙中的带电粒子数保持不变，电弧将稳定燃烧,因而，可根据 的增减可用来来判别电弧

8、燃烧情况：趋于炽烈、熄灭还是稳定,5.2.4 气体的放电特性,在正常状态下，气体有良好的电气绝缘性能。但当在气体间隙的两端加上足够大的电场时，就可能引起电流通过气体 以直流电路为例，研究电极1、电极2两端的电压U与流过间隙的电流I之间的关系气体放电间隙的伏安特性,图5-4 直流电路,图5-5 气体放电间隙的伏安特性,1、 气体放电间隙伏安特性,按照放电的性质不同，气体放电间隙的伏安特性可分为两个阶段： 非自持放电阶段OABC段 自持放电阶段CDEF段,非自持放电阶段,自持放电阶段,巴申曲线,巴申曲线：电极间空气的击穿电压与气体压强、极间距离的关系 巴申曲线为什么会存在最低点？,图5-7 铜电极

9、 与 的关系,汤逊理论可以解释气体间隙击穿机理，但是，并不能很好的解释长间隙气体放电过程 需要流注理论作为补充!,5.3 电弧的物理特性,当开断的电流和电压大于触头材料的最小生弧电流和最小生弧电压(见表5-5和表5-6)时，气隙中将产生电弧 开断电路时，电弧产生过程如下：,5.3.1 开断电路时电弧的产生过程,触头开始分离,接触面积减少,电流密度增大,金属强烈发热,接触处金属熔化 形成液态金属桥,液态金属桥： 蒸发进入间隙,阴极： 电场发射,弧隙： 电场电离,产生大量带电粒子,电子 阳极,正离子 阴极,电子 正离子,阳极温度上升,阳极形成高电场,阴极温度上升,弧隙温度上升,二次发射,加剧金属

10、热发射,热电离(主要),复合,热发射,电导率上升,电弧电压下降,电弧稳定燃烧,复合,复合,waiting,5.3.2 电弧的近极区和弧柱区特性,对于稳定燃烧的直流电弧，电弧电压沿弧长分布不均匀，可将其分为三个区域： 近阴极(Cathode)区：C 近阳极(Anode)区：A 弧柱区：Z 各个区域具有不同的特点,图5-10 直流电弧特性示意图,近阴极区,特点： 聚集着大量的正离子 构成一个正空间电荷区 电位有一急剧的改变 长度约等于电子的平均自由行程(10-4cm) 电场强度很高(106107V/m) 利于二次发射和场致发射 阴极区压降Uc与触头材料和气体介质有关 低沸点阴极材料：阴极区压降约等

11、于阴极材料蒸汽的电离电位 高沸点阴极材料：阴极区压降约等于气体介质的电离电位,图5-10 直流电弧特性示意图,近阳极区,特点： 聚集着大量的电子 构成一个负空间电荷区 电位也有一急剧的改变 长度是近阴极区的几倍 电场强度比近阴极区小 阴极区压降Ua数值与阴极压降数值相近，也与触头材料有关 电弧稳定燃烧时，Uc、Ua随I的变化不大，一般近似认为是常数。合起来称之为近极区压降U0,图5-10 直流电弧特性示意图,弧柱区,特点： 自由状态下呈现圆柱形 正负带电粒子数相等，为等离子体 不存在空间电荷，单位长度上的电压降基本相等 沿弧长的电场强度E可看成是常数 电场强度E的大小与电极材料、电流大小、气体

12、介质、气压、介质对电弧的作用强烈程度等有关 弧柱区压降Uz为：,图5-10 直流电弧特性示意图,其中，Ih电弧电流；Rz电弧电阻； 电弧长度,根据弧柱区压降 在电弧电压 中所占的比例可将电弧分为长弧和短弧 长弧：极间距离较长， 在 中所占的比例较大， 大致与E成正比 短弧：极间距离较短， 在 中所占的比例较小， 针对长弧和短弧的特点，可引出相应的灭弧方法： 长弧灭弧法：提高弧柱区压降 ，使电弧电压 上升，外电路电源不足以维持电弧燃烧的灭弧方法 短弧灭弧法：提高近极区压降 ，使电弧电压 升高，电弧熄灭的灭弧方法,电弧电压特性,电弧电压Uh为：,近极区压降：,弧柱区压降：,一般常用触头材料，可认为

13、,电弧长度 近似等于极间距离,5.3.3 电弧的温度,电弧弧柱具有很高的温度：6000K 任何材料与之长时间接触都可能汽化，很难直接测量其温度 目前，研究电弧常用的手段： 实验：通过电、磁、热、光等现象，获得电弧的形态、组份、温度特性 仿真：采用三维场域计算 在开关电器中，一般认为 电弧的温度在6000K20000K时，电弧炽热燃弧 电弧的温度在3000K4000K时，电弧趋于熄灭 由图可知，电弧的中性面温度最高， 离开中性面越远，弧柱温度越低 电弧温度的影响因素： 电弧电流 电极材料、尺寸、形状、放置位置 介质对电弧的作用方式,图5-11 200A碳电极电弧的温度场,5.3.3 电弧的温度,

14、交流电弧时，弧柱温度随电流变化而变化，其特点为： 不仅随着电流有效值的增大而增大 而且随着电流相位角的变化而变化 热惯性：电弧温度升高或降低，必须供给或从中散发一定的热量，而热量的供给或散发需要经过一定的时间 近极区的温度受电极材料沸点的限制，低于弧柱温度,压缩空气纵吹的电弧,5.3.4 电弧的直径与斑点,电弧直径：当电弧电流给定时，弧柱都有一个极其明亮的呈圆柱形的边界和直径，即为电弧直径 计算电弧直径的经验公式(铜电极)：,1.电弧的直径,大气中自由燃弧,大气中横向运动的电弧,2.电弧的弧根与斑点,弧根：弧柱贴近电极的部分 斑点：弧根在电极表面上形成的圆形明亮点 阴极斑点： 阳极斑点： 阴极

15、和阳极斑点的温度大致等于电极材料的沸点 触头材料沸点低： 燃弧时，弧隙中金属蒸汽较多，不利于灭弧 (交流)电流过零后，阴极热发射电子的数量较少，对熄弧有利 触头材料沸点高： 燃弧时，弧隙中金属蒸汽较少，有利熄弧 (交流)电流过零后，阴极热发射电子多，不利于灭弧 金属蒸汽对长弧影响较大；热发射电子对短弧影响较大,5.3.5 电弧的能量,电弧相当于一纯阻性的发热元件 电弧消耗功率可表示为： 短弧：电弧功率损耗变成的热量主要是先传给电极，然后由电极传给其它零件和散向周围介质 长弧：电弧功率损耗变成的热量主要是由弧柱散向周围介质 弧柱散发的功率Pz有三种方式： 热传导Pcd 热辐射Pfs 热对流Pdl

16、 即,1.热传导散发的功率Pcd,热阻RT为： 根据热路法得热传导散发的功率： 实际上，气体的热导率 并不是常数，与温度有关,图5-14 气体热导率与温度的关系,电弧在氢气和氮气中燃烧，哪种气体中的电弧更易熄灭？,自由燃弧时，热对流和热传导散发的功率在同一数量级 强迫吹弧时，对流散热起主要作用 横吹：流体介质运动方向与电弧轴线垂直 纵吹：流体介质运动方向与电弧轴线平行,2.热对流散发的功率Pdl,横吹,图5-15 气体被冷却示意图,纵吹,Pdl1与电弧纵截面积成正比,Pdl2与电弧横截面积成正比,Pdl都与介质吹弧速度成正比,自由燃弧时，Pfs占总散发功率的百分之几到十几 强迫冷却时，Pfs可以忽略 热辐射散发的功率Pfs与弧柱体积成正比 长弧时，电弧总散发功率Ps为：,3.热辐射散发的功率Pfs,由电极散发,由弧柱散发,5.4 直流电弧的特性与熄灭原理,静态伏安特性：电弧长度固定时，稳定燃弧状态(