电弧的物理特性[沐风教学]

1、复旦大学 优讲课堂 2014.11.27 一、电弧的物理特性一、电弧的物理特性 2 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 3优讲课堂 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 4优讲课堂 1、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：Z 5优讲课堂 1、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

2、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 6优讲课堂 1、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 7优讲课堂 1、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”

3、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 8优讲课堂 1、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+Uz z z z I U R Uh=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，Uz

4、U0，Uh 大致与E 成正比 9优讲课堂 1、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

5、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 10优讲课堂 1、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=10Pa P=100Pa P=500PaP=1000Pa 11优讲课堂 1、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

6、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。 12优讲课堂 1、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） 3 2 2 2 2 101 hh h r r r I P 弧柱截面压强： Ih: 电弧电流（A） rh: 电弧半径（cm） 13优讲课堂 1、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） 3 2 2 2 2 101 hh h r r r I P 弧柱截面压强： u收缩压力沿弧柱径向分布

7、不均匀，在弧柱中心压力最大 3 2 2 10 h h r I P 弧柱中心压强： 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 14优讲课堂 1、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/s u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

8、介 质恢复和电弧的熄灭 15优讲课堂 1、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 )( 0zhhhh UUIUIP 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 fsdlcdz PPPP 16优讲课堂 1、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 17优讲课堂 1、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