电弧的基本理论详解.pptx

5.1 电弧的基本理论 5.1.1 电弧的产生和物理特性 5.1.2 交流电弧 5.1.3 直流电弧 5.1.4 直流电弧和交流电弧的区别 5.1.5 电弧的熄灭方法和灭弧装置 5.1 电弧的基本理论 5.1.1 电弧的产生和物理特性 1. 概述 大气中两个触头将接触或开始分离时，只要它们之间的电压达12～20V，电流达0.25～1A，触头间隙内就会产生一团温度极高﹑发出强光和能导电的近似圆柱形的气体，称为电弧。 5.1 电弧的基本理论 5.1.1 电弧的产生和物理特性 1. 概述 电弧是一种气体游离放电现象。产生电弧的条件：用开关电器开断电源电压大于10 ~ 20 V，电流大于250mA的电路时，就会发生电弧。 电弧的本质：生成于气体中的炽热电流，是高温气体中的离子化放电通道，是充满着电离过程和消电离过程的热电统一体。断路器在分断过程中产生的电弧是高温等离子体。 等离子体是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，它是除固、液、气外的物质存在的第四态。 看似“神秘”的离子体其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99%。 5.1 电弧的基本理论 5.1.1 电弧的产生和物理特性 2. 气体放电的物理过程 气体放电的物理过程包括电离（游离）和消电离（去游离）。 1）电离 原子吸收的能量足够大时，电子激发到自由态而离开原子轨道形成自由电子，原来的中性原子或分子变成正离子，这种过程称为电离或游离。 电离的方式： 表面发射——由金属表面发射电子；表面发射方式由热发射、高电场发射（场致发射）、光发射、二次发射。 空间电离——电极间气体在外界力量影响下，其分子或原子分裂成自由电子和正离子的现象，空间电离方式由光电离、电场电离（碰撞电离）、热电离。 电离过程是各种电离形式的综合表现。 2）消电离（去游离） 电离气体中的带电粒子离开区域，或者失去电荷变为中性粒子，这种现象叫消电离。 形式： 复合——两个带有异性电荷的粒子相遇互相作用而消失电荷，形成中性粒子的现象叫复合。复合方式由表面复合和空间复合，影响复合因素最显著的是温度，冷却作用是加强复合的决定性因素。 5.1 电弧的基本理论 5.1.1 电弧的产生和物理特性 2. 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动到弧柱周围浓度较低的区域，叫扩散。 电弧电流恒定时，扩散速率与电弧直径成反比，复合速率与电弧直径平方成反比。 3）气体放电的几个阶段 非自持放电阶段（OD段） 自持放电阶段（从D点起） 5.1 电弧的基本理论 5.1.1 电弧的产生和物理特性 3. 电弧的产生、维持与发展 1）电弧的产生 强电场发射：E=U/s大于3×106V/m 时，金属触头阴极表面就会发射自由电子。 热电子发射：在开关分闸时，动静触头之间的接触压力和接触面积减小，接触电阻增大，接触表面发热严重，产生局部高温，阴极金属材料中的电子获得动能而逸出成为自由电子。 加速运动：自由电子，在强电场的作用下，向阳极作加速运动。 碰撞游离：加速运动获得动能的自由电子在运动中与中性质点发生碰撞，中性质点中的电子获得能量产生跃迁，跳到能级更高的轨道上，如果获得的能量足够大，自由电子就能脱离原子核的束缚，游离成自由电子和正离子。 雪崩：游离的结果导致触头间自由电子数量剧增 。 介质击穿产生电弧：剧增的电子形成电流，介质被击穿而产生电弧。 5.1 电弧的基本理论 5.1.1 电弧的产生和物理特性 3. 电弧的产生、维持与发展 2）电弧的维持与发展 ? 由于电弧的半径小，电弧形成后，触头间的电压和电场强度很低，强电场发射停止。 ? 由于电弧在燃烧过程中温度很高，可达到几千度甚至上万度，阴极表面继续进行热电子发射。 ? 另一方面介质的分子和原子在高温下将产生强烈的分子热运动，获得动能的中性质点之间不断地发生碰撞，游离成自由电子和正离子，此即所谓热游离。 ? 热发射和热游离给弧隙提供了大量的自由电子，电流继续流过，电弧的燃烧得以维持。 5.1 电弧的基本理论 5.1.1 电弧的产生和物理特性 4. 电弧的组成 电弧的阴极区域对电弧的发生和物理过程具有重要的意义，形成电弧放电的大部分电子是在阴极区产生或由阴极本身发射的。电弧放电时，实际上并不是整个阴极全部参加放电过程，阴极表面的放电只集中在一个很小的区域上，这个小区域称为阴极斑点。它是一个非常集中，面积很小的光亮区域，其电流密度很大，是电弧放电中强大电子流的来源。 阳极表面也存在阳极斑点，它接收从弧柱中过来的电子。弧柱是由高温、游离了的气体形成的充满了带电粒子的等离子休。 近阴极区——长度极短（约等于电子的平均自由行程）。电子经过这段行程后，气体电离，电子运动