电弧的基本特征讲解

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1、电 器 理 论 基 础-第三章 天津工业大学天津工业大学 电气工程与自动化学院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 电电弧的基本特征 本章讲讲授内容 （其中红红色内容是重点） 1气体放电电的物理基础础 ；气体放电电的理论论。 2电电弧的物理特性；电电弧产产生的过过程和电电弧的温度、直径等特性。 3直流电电弧的特性和熄灭灭原理；直流电电弧的熄灭灭条件和熄灭灭方法。 4交流电电弧的特性；交流电电弧的伏安特性及电电弧

2、电压对电电压对电 路电电流的 影响。 5、麦也耳电电弧数学模型介绍绍 第三章 电电弧的基本特征 实验室模拟磁环爆发 第三章 电电弧的基本特征 空间天体等离子体 第三章 电电弧的基本特征 “电电弧”的定义义： 定义义 ：在大气中开断电电路时时，当电电源电压电压 U U0 =（1220 ），被开断电电流（0.251）时时，触头间头间 隙中产产生的 一团团温度极高、发发强光、能导电导电 的近似圆圆柱体的气体。 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

3、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。 气体放电电:是指气体由绝缘绝缘 状态变态变 成导电导电 状态态，使电电流通过过的现现象。 气体放电电的前提：气体电电离化。 电电弧是气体放电电的一种形式。 电电子是按一定数量规规律分布在其最低能级级的轨轨道上。当原子受到外界能量( 热热、光、碰撞等)作

4、用时时，其外层轨层轨 道上的电电子就可能吸收这这些能量，克服 原子核的吸引力而跃跃迁到更外层较层较 高能级级的轨轨道上去。然而，电电子处处于外 层轨层轨 道上是不稳稳定的，常因受原子核的吸引力作用而自动动跳回到原来的轨轨 道上去。在跳回的过过程中，电电子以量子辐辐射的形式放出多余的能量。 3-1 气体放电电的物理过过程 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 气体放电电的物理过过程 、电电离： 定义义：电电离是指原子吸收足够够大的能量后，电电

5、子被激发发到自由 态态而离开原子轨轨道形成自由电电子，使原来的中性原子或分子(统统称中 性粒子或中性质质子) 变变成一个带带正电电荷的粒子(正离子)的过过程。 电电离能(yl)： 指电电离出一个电电子所需的最低能量(单单位为为： ，其值值参见见教材P58,表3-1)。为为方便起见见，电电离能yl可以直接用 电电离电压电压 表示，其单单位由J改为为ev； 3-1 气体放电电的物理过过程 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 气体放电电的物理过过

6、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 气体放电电的物理过过程 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

7、-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 气体放电电的物理过过程 二、气体电电离方式： 气体通常不导电导电 ，但是如果气体中含有带电带电 粒子-电电子、 正离子和负负离子，它就能导电导电 。我们们把这这种气体叫电电离气 体。 气体中被电电离的原子数与总总原子数之比叫做电电离度。电电离 度越高气体导电导电 率越大。 气体电电离方式可以分为为：表面发发射和空间电间电 离。 3-1 气体放电电的物理过过程 、表面发发射：指由金属表面发发射电电子的现现象； 它包括了热发热发 射、高电场发电场发 射、光发发射和二次发发射。 热发热发 射：在20002500K范围围内，

8、金属表面自由电电子获获得足够够 的动动能，超越金属表面晶格电场电场 造成的势垒势垒 而逸出的现现象。 逸出功：记为记为 yc，是指一个电电子逸出金属所需的最低能量，单单位为为 ev。 3-1 气体放电电的物理过过程 高电压发电压发 射：也叫场场致发发射，是常温下当金属表面的电场电场 强度 106(v/cm)时时，自由电电子逸出金属的现现象。 隧道效应应 光发发射：光线线(红红外线线、紫外线线及其他射线线)照在金属表面，引起电电子从 表面逸出的现现象。光电电效应应 二次发发射：是指正离子高速撞击击阴极或电电子高速撞击击阳极，引起金属表 面发发射电电子的现现象。 在气压较压较 高的放电间电间 隙中

9、，通常阴极表面附近比阳极表面附近的电场电场 强度较较 高，所以阴极表面二次发发射较较强并在气体放电过电过 程中起着重要的作用。 3-1 气体放电电的物理过过程 、空间电间电 离：是指电电极间间气体受外力影响，其分子及原 子分裂成自由电电子和正离子的现现象。 空间电间电 离的方式有光电电离、电场电电场电 离和热电热电 离；它们们可能 同时时存在。 、光电电离：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电离能时时，发发生的电电离。( h：普朗克常数 ，h6.62410-34，单单位是js；：光子的频频率，S-1)。 光电电离作用的大小，与光频频成正比，所以X射线线、 、 宇宙

10、射线线和紫外线线都有较较强的电电离作用。 3-1 气体放电电的物理过过程 、电场电电场电 离：也叫碰撞电电离。是一个质质量为为m的带电带电 粒子(由光电电离或 表面发发射所产产生)在电场电场 的作用下被加速到后，如其动动能 MV大于yl ，那么，当其与中性粒子发发生碰撞时时，此动动能就可以被传递给传递给 中性粒子的 外层电层电 子，使它脱离原子核的引力范围围成为为自由电电子。 动动能超过电过电 离能的电电子，不是每次碰撞中性粒子都能使之电电离的，而存在 一定几率。电电离几率的大小既取决于动动能的大小，又取决于电电子和中性粒 子两者电电磁场场相互作用时间时间 。有可能碰撞使中性粒子处处于激励状态

11、态，然后 再碰撞才电电离。有时时碰撞后既不电电离也不激励，而是附着在中性粒子上而 构成负负离子。 负电负电 性气体：对电对电 子的粘合作用特强的气体，多为为氟原子及其化合物。 3-1 气体放电电的物理过过程 、热电热电 离：当气体温度在30004000K以上时时，气体粒子因高速 热热运动动而互相碰撞所产产生的电电离。 气体的热电热电 离度可用沙哈公式计计算： 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 气体放电电的物理过过程 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

12、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 气体放电电的物理过过程 三、去电电离及其方式： 、去电电离：也叫消电电离；是指电电离气体中的带电带电 粒子离开电电离 区域，或带电带电 粒子失去电电荷变变成中性粒子的现现象。 、去电电离方式：包括复合与扩扩散。 、复合：两个带带异性电电荷的粒子相遇后，相互作用引起电电荷消失 ，形成中性粒子的现现象。具体有以下两种方式： a、表面复合：四种。电电子进进入阳极；正离子接近阴极后从阴极取 得电电子，自身变为变为 中性粒子；负负离子接近阳极后将电电子移给给阳极， 自 身变为变为 中性粒子。 还还有，走向未带电带电 金属的带电带电 粒子在金

13、属表面感应应出相反的电电荷 ，由于库伦库伦 力的作用它被吸附到金属表面。如果此时时再有另一异号带电带电 粒子也走向金属表面，则则两个粒子通过过金属分别别交出和取得电电子而变变成 一个或两个中性粒子。 3-1 气体放电电的物理过过程 3-1 气体放电电的物理过过程 b、空间间复合：两种 直接复合：正离子和电电子在空间间相遇后形成一个中性粒子 间间接复合：电电子粘在中性粒子上形成负负离子， 再与正离子相遇 复合成为为两个中性粒子。 3-1 气体放电电的物理过过程 复合概率和气体的性质质及纯纯度有关。例如，惰性气体和纯净纯净 的氢氢气及氮气都不会与电电子结结合成为负为负 离子，而氟原子及其 化合物（

14、SF6）就具有极强的捕获电获电 子的能力。因此SF6被 称为负电为负电 性气体，是一种良好的灭灭弧介质质。 带电带电 粒子在复合过过程中要释释放部分能量，后者被用以加热热物 体的表面（表面复合时时）；或被用以增大所形成中性粒子的运 动动速度及以光量子的形式向周围围空间辐间辐 射（空间间复合时时）。 3-1 气体放电电的物理过过程 、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，有助于熄灭电弧。 3-1 气体放电电的物理过过程 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

15、，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 气体放电电的物理过过程 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 3-1 气体放电电的物理过过程 四、气体放电 3-1 气体放电电的物理过过程 、气体放电电的几个阶阶段： 见图见图 3-

16、5。 、非自持放电阶电阶 段：是指间间隙中最初的的自由电电子是由外加因素产产生的，当 外界因素去除后，间间隙中无自由电电子存在不能进进行导电导电 ，放电电无法维维持。 所以图图中的C段称为为非自持放电阶电阶 段： OA段：此时电压过时电压过 低，间间隙电场电场 强度过过小，外加电电离因素（宇宙射线线、 射线线等）产产生的带电带电 粒子不能全部达到阳极，属漫游状态态，当U时时，到达 阴极的带电带电 粒子成比例增加； 3-1 气体放电电的物理过过程 、非自持放电阶电阶 段： AB段：此时时加到电电极上的电压电压 在间间隙中产产生的电场电场 强度较较小，不足以产产生 高电场发电场发 射和电场电电场电 离，间间隙中带电带电 粒子仅仅由外加电电离因素（宇宙射线线、 射线线