电弧的物理特性

复旦大学2014.11.27一、电弧的物理特性一、电弧的物理特性1、电弧的物理特性、电弧的物理特性1.1 开断电路时电弧的产生过程2014/11/2731、电弧的物理特性、电弧的物理特性1.1 开断电路时电弧的产生过程2014/11/2741、电弧的物理特性、电弧的物理特性1.2 电弧的电压特性u以直流电弧为例l相关实验测得，电弧电压沿弧长分布不均匀，由此将电弧分为三个部分：近阴极区：Cathode近阳极区：Anode弧柱区：Z2014/11/2751、电弧的物理特性、电弧的物理特性1.2 电弧的电压特性u近阴极区l长度约等于电子的平均自由行程（10-6m）存在正空间电荷区形成阴极压降Uc电场强度高有利于二次发射和场致发射电子近似无碰撞l有大量的正离子l阴极压降与阴极材料以及气体介质的特性有关低沸点阴极：大致等于阴极材料蒸汽的电离电位高沸点金属：大致等于气体介质的电离电位2014/11/2761、电弧的物理特性、电弧的物理特性1.2 电弧的电压特性u近阳极区l长度约为近阴极区的好几倍存在负空间电荷区形成阳极压降Ua（与阳极材料有关）电场强度较低l有大量的电子l稳点燃弧时，Uc、Ua随I的变化不大，一般认为近极压降为常数2014/11/2771、电弧的物理特性、电弧的物理特性1.2 电弧的电压特性u弧柱区l弧柱的形状不一定是“圆柱形”单位长度弧柱的压降基本相等电场强度沿轴向近似为常数l不存在空间电荷，类似于电阻l影响电场强度E的因素电极材料电流大小气体介质种类气压介质对电弧的作用l正负带电离子数相等，是等离子体2014/11/2781、电弧的物理特性、电弧的物理特性1.2 电弧的电压特性u弧柱区l弧柱电阻l电弧电压Uh=Uc+Ua+UzUh=U0+EL近极压降：U0=Uc+Ua 燃弧过程中基本不变弧柱压降：Uz=EL E：弧柱电场强度；L电弧长度l按U0、Uz 在Uh 中所占的比例将电弧分为短弧和长弧短弧：L 很小，Uz可忽略，Uh 几乎与L无关长弧：L很大，UzU0，Uh 大致与E 成正比2014/11/2791、电弧的物理特性、电弧的物理特性1.3 电弧的弧根和斑点u弧根（arc root）：电弧贴近电极的部分l弧根的截面积通常小于弧柱l阴极斑点u斑点（arc spot）：弧根在电极表面形成的明亮圆点发射电子（热发射、场致发射、二次发射）、接收正离子具有很高的电流密度（104107A/cm2）温度高、蒸发、造成阴极表面烧蚀（Erosion）也有无阴极斑点的电弧（高沸点阴极，如碳、钨）稳定的阴极斑点（金属阴极在高气压下）、快速运动的阴极斑点（真空电弧）l阳极斑点电子进入阳极的主要入口面积大（相对于阴极斑点），电流密度较小温度也可达到电极材料的沸点真空电弧中，阳极斑点有特殊的含义：若形成阳极斑点，容易导致开断失败2014/11/27101、电弧的物理特性、电弧的物理特性1.3 电弧的弧根和斑点l真空电弧的阴极斑点（I=60A）u斑点（arc spot）：弧根在电极表面形成的明亮圆点P=10PaP=100PaP=500PaP=1000Pa2014/11/27111、电弧的物理特性、电弧的物理特性1.3 电弧的弧根和斑点l斑点的运动（高速摄像机）u斑点（arc spot）：弧根在电极表面形成的明亮圆点阴极（连续运动）阳极（跳跃运动）l斑点运动受电流、材料、磁场等因素的影响l电弧斑点处在不断熄灭和点燃中，旧斑点熄灭，新斑点产生。斑点的连续运动与跳跃运动是根据新斑点与旧斑点的相对位置而言的。2014/11/27121、电弧的物理特性、电弧的物理特性1.4 电弧的等离子流u电弧电流自生环向磁场（B）作用于电弧，压缩弧柱，产生压力（收缩压力）Ih:电弧电流（A）rh:电弧半径（cm）2014/11/27131、电弧的物理特性、电弧的物理特性1.4 电弧的等离子流u电弧电流自生环向磁场（B）作用于电弧，压缩弧柱，产生压力（收缩压力）u收缩压力沿弧柱径向分布不均匀，在弧柱中心压力最大u电弧自由燃烧时，在弧根处半径最小，故该处弧柱中心压力最大因压力梯度，弧根等离子体向弧柱中部流动电极材料气化垂直于电极表面流动等离子体流2014/11/27141、电弧的物理特性、电弧的物理特性1.4 电弧的等离子流u电弧电流大于一定值时才能产生等离子体流u等离子体流中粒子流动的速度：10100m/s，真空电弧中可达104m/su通过人工减小电弧半径的方法，也可以产生等离子体流u当两股等离子流在空间不相遇时，电弧不是在极间燃烧，而是在等离子流间燃烧u等离子体流是高温且含有金属蒸汽的电离气体，不利于介质恢复和电弧的熄灭2014/11/27151、电弧的物理特性、电弧的物理特性1.5 电弧的能量平衡u电弧相当于一纯电阻性发热元件u电弧燃弧的功率u弧柱的散热方式：传导、对流、辐射l短弧：主要通过电极向其他部件以及周围介质散热l长弧：主要向周围介质散热u电弧的散热弧柱总的散发功率 传导散发功率对流散发功率辐射散发功率2014/11/27161、电弧的物理特性、电弧的物理特性1.5 电弧的能量平衡u电弧产生稳定燃烧的能量平衡过程（以长弧为例）l假定Ih 不变2014/11/27171、电弧的物理特性、电弧的物理特性1.5 电弧的能量平衡u电电弧达到稳定燃烧状态时的电弧温度、电阻和直径与电弧电流有密切的关系u电弧电流越大弧柱温度越高电弧直径越大电弧电阻越小电弧电压越低（真空电弧不是这样！）u但电弧的输入功率增大，原因是要用来平衡散发功率的增加（原因：温度升高、直径增大，散热面积增大）u电弧自动调节弧柱温度和直径以达到输入和散发功率平衡u这一调节过程需要一定的时间（电弧的热惯性）2014/11/2718Thank You For Attention!