第4章-电弧的基本理论

第4章电弧的基本理论电弧的实质是高温等离子体。等离子体：由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体分为：高温等离子体和低温等离子体。电弧是高温等离子体。电弧的特点：导电性能强、能量集中、温度高、亮度大、质量轻、易变形等。4．1电弧的形成与去游离放电的形式：非自持式放电和自持式放电。非自持式放电：需要外部游离因素来维持的放电形式，主要指在气体环境下，放电持续需要依靠外界游离因素所造成的原始游离才能实现。它的特点：1.外因影响放电，外界游离因素消失，放电也会衰减直至停止；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。自持式放电：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·；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。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，在电场作用下移向阳极。以后，电子在运动的过程中，产生碰撞使弧道中的气体游离，进而产生电弧。由于游离现象的存在和电弧的产生又使热游离继续进行，电弧持续不断的燃烧。其实，电弧形成的这些因素都是贯穿在电弧形成的整个过程中，只不过在某一过程中哪个因素起主要作用而已，切不要把电弧的形成过程误解为一个单独因素作用的结果。电弧的特点是：（1）起弧电压、电流数值低（2）电弧能量集中，温度很高（3）电弧是一束质量很轻的游离态气体，在外力作用下，很易弯曲、变形。（4）电弧有良好的导电性能、具有很高的电导：（5）电弧有阴极区（包括阴极斑点）、弧柱区（包括