电器理论基础-第3章-电弧的基本特性.ppt

1、史宗谦 贾申利, 2008.22008.5,Xian Jiaotong University 电器理论基础 Fundamentals of Electrical Apparatuses 西安交通大学 电器教研室,2008年4月1日,1,第三章,电弧的基本特性,电器理论基础,绪论 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章,电力系统简介 电器导体的发热计算 电器中的电动力计算 电弧的基本特性 交流电弧的熄灭原理 开关电器典型灭弧装置的工作原理 电接触理论 电磁系统,2008年4月1日,2,第三章,电弧的基本特性,第三章 电弧的基本特性,3-0 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5,

2、序 气体放电的物理基础 电弧的物理特性 直流电弧的特性和熄灭原理 交流电弧的特性 麦也耳电弧数学模型简介,2008年4月1日,3,第三章,电弧的基本特性,电源,线路电感,线路电阻,负载,开关,3-1,序,电力开关设备的开断,短路,电源,线路电感,线路电阻,负载,开关,电弧,在大气中开断电路时，若电流大于0.251A；电压大于 1220V，触头间隙（简称弧隙）中会产生电弧 电弧（arc）：温度高、发光强、能导电的气体,2008年4月1日,4,第三章,电弧的基本特性,3-1,序,电弧的危害,短路,电源,线路电感,线路电阻,负载,开关,电弧,延迟开断,线路、设备受损 触头烧损,开关设备着火、爆炸 电

3、弧的作用 泄放电路中的磁能 降低过电压 电力开关设备既要熄灭电弧，又要利用电弧 电力开关（Switch）设备的主要任务 顺利地熄灭电弧 （ Extinguish arc） 保证电路的成功开断 （Breaking / Interrupting）,2008年4月1日,5,第三章,电弧的基本特性,3-1,序,电弧的其他应用 焊接 冶炼金属（电弧炉） 强光源（弧光灯）,电弧的定义,气体或蒸汽中自持的放电现象,Gas,Vapour,Self-sustained,Discharge,2008年4月1日,6,第三章,电弧的基本特性,3-1,序,2008年4月1日,7,第三章,电弧的基本特性,第三章 电弧的基

4、本特性,3-0 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5,序 气体放电的物理基础 电弧的物理特性 直流电弧的特性和熄灭原理 交流电弧的特性 麦也耳电弧数学模型简介,2008年4月1日,8,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体放电(Gas Discharge) 弧隙中气体由绝缘状态变为导电状态、使电流得以通 过的现象 电弧是气体放电的一种形式 电离 （Ionization） 和激励 （Excitation）,外界能量（热、光、碰撞等） 能量足够大，使电子成为自由电子，中 性粒子成为正离子，这种现象称为电离 能量不够大，只能使电子由正常轨道跳 到较外层的轨道，这种现象称为激励,h

5、f = EH EL,h: 普朗克常数（6.62410-34J.s）,J T = =,1.6 10 J,2008年4月1日,9,第三章,电弧的基本特性,3-1 电离和激励 电子伏特 能量,1V,e,e,获得能量,19,1eV = 1.6 10,量值上等于电子电荷,气体放电的物理基础 温度,1eV = T,k: 玻尔兹曼常数, = 1.38 1023 J K,K,1eV ,= 11600K,19 1.38 1023 J,1eV 代表的温度约为 11600K,e = 1.6 10 C,2008年4月1日,10,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,电离和激励 电离能：电离出一个自由电子

6、所需要的能量,Wyl = eU yl,19,电离电位 第二（三）电离能：拉出第二（三）个电子所 需的能量 电离能与材料有关,2008年4月1日,11,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,分级电离,已跳到较外层的电子 （不能很快返回原轨道）,电离和激励 激励能：激励一个电子所需要的能量 激励是一种不稳定的状态,中性粒子处于激励状态的时间10-910-8s,中性粒子处于介稳状态的时间可达10-410-2s 在中性粒子电离过程中起很大作用,外加能量,跳到更外层,分级电离：中性粒子激励电离 介稳状态（一种特别的激励状态）： 返回原轨道,电离,2008年4月1日,12,第三章,电弧的基本

7、特性,3-1,气体放电的物理基础,气体电离的方式 电离气体：包括带电粒子（电子、 正离子、负离子） 的气体，其中也包括中性粒子（原子、分子） 电离度,电离度,被电离的原子数 总原子数,电离度增大,电导率提高,气体电离的方式 表面发射 （Surface emission） 空间电离 （Space ionization）,2008年4月1日,13,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体电离的方式 表面发射：金属电极表面发射电子进入极间气体,?,金属蒸汽能导电吗？,金属蒸汽在未电离的情况下是不导电的 表面发射的类型 热发射 （Thermal emission）（TE） 场致发射 （

8、Field emission）（FE） 热-场致发射 （Field-assisted thermionic emission）（FTE） 光发射 （Photon emission） 二次发射 （Secondary emission）,2008年4月1日,14,第三章,电弧的基本特性,真空,金属,3-1,气体放电的物理基础,气体电离的方式 金属表面电子发射原理 即使在绝对零度时，金属中的电子也具有很高的能量， 钨：8.95eV（费米能级）,但电子并不能“逃出”金属表面,?,WF：费米能级,金属表面存在势垒（Potential barrier） W0：总逸出功 Wi（Wyc）：有效逸出功 Wi =

9、 W0 WF,2008年4月1日,15,第三章,电弧的基本特性,温度,3-1,气体放电的物理基础,金属,WF：费米能级,气体电离的方式 热发射（Thermal Emission） W0：总逸出功 Wi（Wyc）：有效逸出功 Wi = W0 WF,表面自由电子动能,超越表面势垒,逸出,真空,J rf = AT e,2008年4月1日,16,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体电离的方式 热发射（Thermal Emission）,温度,表面自由电子动能,超越表面势垒,逸出,对清洁、均匀的表面，饱和热发射电流密度,2,1,11600Wyc T,常数 A1 = 60.2 120,

10、Wyc: T:,逸出功（eV） 金属表面温度（K）,金属沸点越高，热发射的最大电流密度越大，如钨,J cf = A1 (T + A2 E ) e,J rf = AT e,2008年4月1日,17,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,金属,真空,金属,真空,气体电离的方式 场致发射（Field Emission） 金属表面施加电场时，将压缩表面势垒厚度，自由电 子可以在常温下穿过势垒（隧道效应）而逸出 E,在较高温度时，场致发射的电流密度为,2,11600Wyc T + A2 E,2,1,11600Wyc T,E 0,J cf = A1 (T + A2 E ) e,2008年4月

11、1日,18,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体电离的方式 热-场致发射 （ Field-assisted thermionic emission ） 热、电场共同作用时，发射电流大大增强（非线性提,升）,以铜为例,2,11600Wyc T + A2 E,2008年4月1日,19,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体电离的方式 光发射 （Photon emission） 光和射线照射到金属表面引起电子逸出 光波越短（频率越高），引起光发射的作用越强，逸 出电子的速度越高 二次发射 （Secondary emission）,一般来说，阴极附近的场强比阳极附

12、近的场强高，所 以阴极表面二次发射较强，并在气体放电过程中起重 要作用,电子碰撞阳极 正离子碰撞阴极,电子发射,2008年4月1日,20,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体电离的方式 空间电离 （Space ionization） 电极间气体自身由绝缘状态变成导电状态（不是由外 界送入带电粒子）的现象 空间电离的类型 光电离 电场电离 热电离,2008年4月1日,21,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体电离的方式 光电离 中性粒子受到频率为v 的光照射时，若满足hvWyl ,则 可能被电离，这一现象称为光电离,Wyl: h:,中性粒子的电离能（J）

13、普朗克常数（ 6.62410-34J.s ）,光的频率越高，电离作用越强 X射线，宇宙射线、紫外线具有较强的电离 作用,2008年4月1日,22,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体电离的方式 电场电离 1 若一个带电粒子在电场中获得的动能 2 其与另一中性粒子碰撞时，就有可能使之电离。 称为电场电离或碰撞电离 电子自由程（free path)长，碰撞截面（collision cross section）小，容易积累足够的动能，在电场电离中起 重要作用,E = (1 2) 10 V / m,2008年4月1日,23,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体电

14、离的方式 电场电离 通常电极间气体进行电场电离的电子来自：金属表面 的电子发射、光电离 电子碰撞中性粒子发生电离的几率取决于动能的大小 和两者电磁场相互作用的时间,有时，电子碰撞中性粒子后，不使之电离或激励，而 是附着其上构成负离子，称为粘合（attachment),电场电离的几率通常较小 4,电离几率：0.20.4% 激励几率：1%或更小,2008年4月1日,24,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体电离的方式 热电离 气体粒子高速热运动、相互碰撞而产生的电离 当气体温度达到30004000K以上时，热电离才显著 金属蒸汽的电离能比一般气体小得多，所以相同温度 下其电离度

15、高于一般气体 当气体中混有金属蒸汽时，电离度提高，电导率也增 大,2008年4月1日,25,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体消电离（Deionization） 电离气体中带电粒子自身消失或者失去电荷变为中性 粒子的现象，称为消电离 气体消电离的方式 复合（Combination）：带异号电荷的粒子相遇后相互 作用电荷消失 扩散（Diffusion）：带电粒子由于热运动从高浓区向低 浓度区移动,2008年4月1日,26,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体消电离（Deionization）,复合,空间复合,表面复合,电子进入阳极 正离子接近阴极获得电子

16、 负离子接近阳极失去电子 正、负粒子通过金属表面 分别获得和交出电子,直接复合 间接复合,正离子 中性粒子 电子,电子 正离子,2008年4月1日,27,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体消电离（Deionization） 复合 电子的运动速度比负离子大得多 直接复合的几率比间接复合的几率小得多 电子和中性粒子形成负离子的可能性与气体的性质 和纯度有关 氟原子及其化合物的分子对电子的粘合作用特别强， 常称为负电性气体 如，SF6 具有很好的绝缘性能和灭弧性能 复合释放能量：加热电极（金属或绝缘物表面）、 辐射、增加中性粒子的速度,2008年4月1日,28,第三章,电弧的基

17、本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体消电离（Deionization） 扩散：带电粒子由于热运动从高浓区向低浓度区移动 扩散使电极间电离气体中带电粒子减少 使极间气体电离度下降，电导率减小 当电离气体中正负带电粒子数相等（称为等离子体 Plasma）时，扩散必为双极性。即在同一时间内， 扩散的正负粒子数相等,2008年4月1日,29,第三章,电弧的基本特性,等离子体 电离气体 100000C,气体 水汽,1000C,固体 冰,00C,3-1,气体放电的物理基础,温度,液体 水,克鲁克斯 W. Crookes,1879 等离子体物理学简介 等离子体物质的第四态,2008年4月1日,30,第三

18、章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,等离子体物理学简介 由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存 在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太 阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例 外的都是等离子体,地球上的自然等离子体很少,地球及其附近大气的低温度和高密度阻碍了等离子体 的存在,?,2008年4月1日,31,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,等离子体物理学简介 等离子体的定义：由大量带电粒子组成的，在一定的 空间和时间尺度，维持电中性的非束缚态的宏观体系,带电粒子足够多 密度足够低 非束缚性 粒子与电磁场 的不可分割性 准电中性,长程库仑力是确

19、定其统计性质的一个重要因素 一个邻近粒子所产生的力远小于许多远距离粒子所施的长程 库仑力，因此集体效应起主导作用 异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负 电荷的粒子（电子、离子），而不是其结合体。 等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场） 的运动紧密耦合，不可分割。 只有在一定的空间和时间尺度，才表现出电中性,2008年4月1日,32,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,等离子体物理学简介,强电离等离子体 完全电离等离子体 库仑长程力 集体相互作用占优,中性气体 弱电离气体 短程力 两体相互作用占优,2 10 K,108 10 K,2008年4月

20、1日,33,第三章,电弧的基本特性,电弧、碘钨灯 热等离子体 TeTi, Ta,极光、日光灯 冷等离子体 TeTi, Ta,热：热平衡 冷：非热平衡 聚变、太阳核心,低,温,等离子体 4,高,温,等离子体 9 等离子体温度,3-1,气体放电的物理基础,等离子体物理学简介 等离子体的分类,2008年4月1日,34,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,温度 (度),太阳核心,磁约束,聚变,北极光,火焰,闪电,日冕 霓虹灯,氢弹,空间 荧光,气体 液体 固体,星 云,太阳风 星际,人类居住环境,10-3 密度(cm-3),密度跨越了30个量级,温度跨越了7个量级 惯性聚变,2008年

21、4月1日,35,第三章,电弧的基本特性,太阳风 星云 星际空间 等离子体约束 等离子体辐射 等离子体不稳定性 电弧等离子体 高频感应等离子体 燃烧等离子体 冷等离子体,3-1,气体放电的物理基础,等离子体物理学简介,等离子体物理学的理论研究领域 天体物理 受控核聚变 低温等离子体,ne = 10 m-3,E, R3e ( ni e ), n,3,E = =,6 10 Vm-1,a = 110 m/s2,2008年4月1日,36,第三章,电弧的基本特性,粒子迅速运动 静电位势差减小,恢复电中性,正负电荷分离 偏离电中性 强静电力,例,氢等离子体 20,R1cm 1 10000 电子 正电荷过剩,

22、 , r1cm,4 q 4 0 r 2 4 0 r 2 5, ,电子, F ,17,3-1,气体放电的物理基础,等离子体物理学简介 为什么等离子体在宏观上总是表现出电中性？,2008年4月1日,37,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,等离子体物理学简介 等离子体中正、负带电粒子是分立的，那么在多大空 间尺度上局域地存在着偏离电中性呢？,真空 r,q, (r ),E = (r ),q 4 0 r, (r ) =,0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,0,0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1,库仑势 1 0.9 0.8,r,0,库仑势, D ,

23、D, (r ) =,4 0 r,2008年4月1日,38,第三章,电弧的基本特性,0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,0,0.2,0.3,0.6 0.5,r,德,拜 势,库仑势,10.1 1 e,3-1,气体放电的物理基础,等离子体物理学简介 等离子体,0.4 过剩异号电荷,r q, (r ),D,E,德拜屏蔽,德拜势,q r exp d：德拜长度,r,D,2008年4月1日,39,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,等离子体物理学简介 在等离子体内部一个电荷产生的静电场，是被附近其他电荷屏蔽着的， 其影响不超过德拜半径的范围。这一现象称为德拜屏蔽,0,2,

24、4,6,8,10,12,14,16,18,20,0,0.1,0.4 0.3,0.5,0.6,德,拜 势,库仑势,1 e,0.2 1,E,德拜屏蔽,2008年4月1日,40,第三章,电弧的基本特性,在等离子体中引入电场，经过一定的时间,3-1,气体放电的物理基础,2008年4月1日,41,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,2008年4月1日,42,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体放电的几个阶段 由直流电路研究气体放电的伏-安特性,2008年4月1日,43,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体放电的几个阶段 按放电性质分为两个阶段,OC

25、: 非自持放电阶段 （Non-sustained discharge）,CF: 自持放电阶段 （sustained discharge）,2008年4月1日,44,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体放电的几个阶段 非自持放电阶段 间隙中最初的自由电子是由外加电离因素产生的，如果除去外 加电离因素则放电停止，故称为非自持放电阶段 OA区 电压过低 外加电离因素产生的 带电粒子不能全部到达阳极 I 随U 增加而增大,2008年4月1日,45,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,电压较低 不足以产生 场致发射和电场电离,带电粒子已可 全部到达阳极 I 几乎与U

26、无关,气体放电的几个阶段 非自持放电阶段 间隙中最初的自由电子是由外加电离因素产生的，如果除去外 加电离因素则放电停止，故称为非自持放电阶段 AB区,2008年4月1日,46,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体放电的几个阶段 非自持放电阶段 间隙中最初的自由电子是由外加电离因素产生的，如果除去外 加电离因素则放电停止，故称为非自持放电阶段 BC区 电压较高 电场电离 二次发射 I 随U增长较快,2008年4月1日,47,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体放电的几个阶段 自持放电阶段 当U升到C点，场致发射和二次发射的电子已足够多，即 使除去外加电离因

27、素，也能维持间隙放电，故称为自持 放电阶段,2008年4月1日,48,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体放电的几个阶段 自持放电阶段 当U升到C点，场致发射和二次发射的电子已足够多，即使除去外加 电离因素，也能维持间隙放电，故称为自持放电阶段 BD区 汤逊放电区,2008年4月1日,49,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体放电的几个阶段 自持放电阶段 当U升到C点，场致发射和二次发射的电子已足够多，即使除去外加 电离因素，也能维持间隙放电，故称为自持放电阶段 DE区 辉光放电区 电离方式主要是电场电离 放电温度低（常温） 电流密度小（0.1A/m2）

28、 阴极压降高（几百V）,2008年4月1日,50,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体放电的几个阶段 自持放电阶段 当U升到C点，场致发射和二次发射的电子已足够多，即使除去外加 电离因素，也能维持间隙放电，故称为自持放电阶段 EF区 弧光放电区 放电温度极高（6000K以上） 电流密度很大（107A/m2） 阴极压降很低（几十V） 电离方式主要是热电离（真空电弧不同） 电弧边界（有不同的判别依据）,2008年4月1日,51,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体放电的几个阶段 辉光放电与弧光放电的特征比较,2008年4月1日,52,第三章,电弧的基本特性,

29、3-1,气体放电的物理基础,气体间隙击穿 （Breakdown）理论 气体间隙击穿：随着电压升高，间隙气体进入辉光或弧光 放电区，气体间隙由绝缘状态变为导体状态，这一现象称,为气体间隙击穿,击穿电压 由非自持放电转为自持放电的电压,2008年4月1日,53,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体间隙击穿 （Breakdown）理论 关心的问题 击穿电压与气体间隙参数的关系 汤逊气体放电理论 假定 如果电子动能气体粒子电离能，则碰撞一定电离，否 则不能电离 电子和气体粒子碰撞会释放出全部能量 电子只沿电场方向运动,2008年4月1日,54,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放

30、电的物理基础,电子与重粒子碰撞时能量的传递 在研究电子与重粒子的激发或电离碰撞中（非弹性碰撞）， 可以近似认为重粒子的动能不变，这一近似准确到me/ma 的 量级 对于电离碰撞，能量守恒方程为 ,K e K e ,K e Ei,碰撞前电子的动能 碰撞后电子的动能,电离出的电子的动能 电离能,2008年4月1日,55,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体间隙击穿 （Breakdown）理论 汤逊气体放电理论 一个电子沿电场运动时，单位距离内由电场电离而产生 的带电粒子对数（电子和正离子）,B0 p TE,e,A0 p T, =,空间电离系数 汤逊第一系数,E: p: T:,电

31、场强度（V/m） 气体压力（Pa） 气体温度（K）,A0: 经验系数 B0: 经验系数,A0 p BTE0 p,2008年4月1日,56,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体间隙击穿 （Breakdown）理论 汤逊气体放电理论 电子沿电场运动时，单位距离内由电场电离而产生的带电粒子对数,e,T, =,一般形式的推导 自由行程： （电子与气体分子两次碰撞之间相隔的距离）（m）,电离能：,Wdl（J）,电离电位： Udl（V） 电场强度： E（V/m）,2008年4月1日,57,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体间隙击穿 （Breakdown）理论 汤逊

32、气体放电理论,一次碰撞发生电场电离的条件？,1 2,mv 2 Wdl,1 2,mv2 = Ee,Wdl = eU dl,U dl E, ,= dl,B0 p TE,e,A0 p T, =,pV =,2008年4月1日,58,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体间隙击穿 （Breakdown）理论 汤逊气体放电理论,2,1 2n d, =,平均自由行程： （N个粒子自由行程的平均值） 刚性球假定下的平均自由行程,n： 粒子数密度（m-3） d： 粒子直径（m）,理想气体的状态方程,p = nkT,k： 玻尔兹曼常数 N RT N0,B0 p TE,e,A0 p T, =, =

33、,2 d p,2008年4月1日,59,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体间隙击穿 （Breakdown）理论 汤逊气体放电理论,2,1 2n d p = nkT,2,kT, =,T A0 p,=,的电子数（自由行程是有分布的）, dl, dl ,N ( dl ) = Ne,B0 p TE,e,A0 p T, =, =, dl,N ( dl ) = Ne,N ( dl ),1,2008年4月1日,60,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体间隙击穿 （Breakdown）理论 汤逊气体放电理论 的电子数（自由行程是有分布的） dl ,一个电子碰撞一次就发

34、生电离的几率, dl = e N 一个电子经过单位距离的碰撞次数 m = 一个电子经过单位距离发生电离碰撞的次数， 即所产生的带电粒子对数,1 , dl e , =,B0 p TE,e,A0 p T,dl,1, =,e, =,=,2 d p,dl =,A0 p TE,dl U dl A0 p B0 p,2008年4月1日,61,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体间隙击穿 （Breakdown）理论 汤逊气体放电理论 一个电子经过单位距离发生电离碰撞的次数，即所产生,T A0 p,的带电粒子对数 kT 2 U dl E,B0 p,T = =, = e TE TE,2008年

35、4月1日,62,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体间隙击穿 （Breakdown）理论 汤逊气体放电理论 均匀电场间隙击穿条件 单位时间内，有N个电子进入dx 穿过dx后，电子的增量为,N0,Nl,解,dN = Ndx N = N0 e x Nl = N0 e l,N+ = N0 0 0 (e 1),e N = N,2008年4月1日,63,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,N0,Nl, l l,气体间隙击穿 （Breakdown）理论 汤逊气体放电理论 均匀电场间隙击穿条件 Nl = N0 e l 间隙中电场电离产生的正离子数为,一个正离子使阴极由于二

36、次发射而产生的电子数，称为 表面电离系数或汤逊第二系数，记为 若二次发射电子数 N0 ，则放电可自持,2008年4月1日,64,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,N0,Nl,N+ = N0 e l N0 = N0 (e l 1),气体间隙击穿 （Breakdown）理论 汤逊气体放电理论 间隙中电场电离产生的正离子数为,若二次发射电子数 N0 ，则放电可自持 均匀电场间隙击穿条件, N+ = N0 (e l 1) = N0, (e l 1) = 1,A0 p BTE0 p, ,T ln ,2008年4月1日,65,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,N0,Nl

37、,气体间隙击穿 （Breakdown）理论 汤逊气体放电理论 均匀电场间隙击穿条件 (e l 1) = 1,U jc =,B0 pl A0 pl T ln (1 + 1 ) ,e,T, =,均匀电场的间隙，击穿电压为,Ujc 基本与p/T成正比,U jc =, ,T ln ,ln ( ),1 + 1 ,2008年4月1日,66,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,N0,Nl,气体间隙击穿 （Breakdown）理论 汤逊气体放电理论 均匀电场的间隙，击穿电压为,B0 pl A0 pl T ln (1 + 1 ) T为常数时，击穿电压为,U jc =,Bpl Apl ln ,A，

38、B与气体种类及温度 有关,A =,ln ( ) ,1 + 1 ,2 d p,2008年4月1日,67,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体间隙击穿 （Breakdown）理论,U jc =, T ln ,B0 pl A0 pl T ln (1 + 1 ) ,汤逊气体放电理论 均匀电场的间隙，击穿电压为,Bpl,U jc =,Apl , ln ,2,kT, =,T A0 p,=,平均自由行程： （N个粒子自由行程的平均值）,T为常数时，击穿电压为 A0 T,2 d 2 ,A0 =, A = T = , = J = Nm = N, JK , , m,= (Pa m) ,2008

39、年4月1日,68,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础, ,气体间隙击穿 （Breakdown）理论 汤逊气体放电理论 量纲分析 2 d 2 m2 Km2 J / K ,2, A0 Km2 m2 m2 1, m ,-1,2008年4月1日,69,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体间隙击穿 （Breakdown）理论 汤逊气体放电理论 铜电极时空气的试验曲线与计算曲线 巴申（Paschen）曲线 提高或降低间隙气压都可以 提高其击穿电压 除pl 值甚小以外，两者相当接近 存在一最小击穿电压Ujcmin和相应的( pl )min 当pl大于或小于( pl )mi

40、n时， Ujc均会增大,2008年4月1日,70,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,气体间隙击穿 （Breakdown）理论 汤逊气体放电理论,设l不变，p 改变 气压很小时，气体稀薄，电子自由行程很大，虽然碰撞 可积累较大动能，但碰撞次数太少。因此，随着p 减小， 击穿电压增大 气压很大时，气体密度大，自由行程很小，虽然碰撞次 数多，但电子不易积累动能。因此故，随着p增大，击 穿电压也增大,?,巴申曲线为何存在最低点,2008年4月1日,71,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,阴极,阳极, ,电子崩,气体间隙击穿 （Breakdown）理论 流柱（Stre

41、aming）理论 汤逊理论可解释气体间隙击穿的机理，但难以解释长间 隙气体放电过程的发展时间 流注理论的基本思想 基于光子辐射使气体逐段电离（光电离），然后连成一 片，很好地解释了长间隙击穿过程的快速性 辐射,2008年4月1日,72,第三章,电弧的基本特性,辐射,3-1,气体放电的物理基础,气体间隙击穿 （Breakdown）理论 流柱（Streaming）理论 气隙击穿过程,阴极, 阳极,电子崩,x,n,n-,n+,电子崩内电荷分布,阴极发射电子,大量电子、正离子 （电子崩）,电场加速 碰撞电离,内部复合 放出光子,电子崩头部 光电离产生电子,产生第二个电子崩,各电子崩头尾发展 连成一个通

42、道,崩头、崩尾电场加强 崩内部电场减弱,2008年4月1日,73,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,开关电器中，气体间隙击穿后，通常立即发生弧光放电（电弧） 弧隙中带电粒子数的变化离子平衡公式 dN dN dN dN dN dt dt r dt c dt f dt q,光发射 热发射 电离作用,场致发射 二次发射 电场电离,带电粒子 变化,复合,扩散,= ,+ + +,2008年4月1日,74,第三章,电弧的基本特性,3-1,气体放电的物理基础,弧隙中带电粒子数的变化离子平衡公式,dN dt, dN dN dN dN dt r dt c dt f dt q,根据弧隙中带电粒子

43、数的增减来判别电弧燃烧的变化趋势,2008年4月1日,75,第三章,电弧的基本特性,第三章 电弧的基本特性,3-0 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5,序 气体放电的物理基础 电弧的物理特性 直流电弧的特性和熄灭原理 交流电弧的特性 麦也耳电弧数学模型简介,2008年4月1日,76,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,产生电弧的方式,开断电路（拉弧）（Drawn arc） 火花触发（Triggered arc）,熔丝引弧,阳极 阴极,i,F,阳极 阴极,电弧,阳极 阴极,火花,绝缘,瓷套,高压脉冲 触发极,阳极 阴极,电弧,阳极,阴极,熔丝,i,阳极,阴极,电弧,2008年4月

44、1日,77,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,开断电路时电弧的产生过程 起弧条件 大气中开断直流电路,U U arc min 最小生弧电压,I I arc min 最小生弧电流,最小生弧电流、最小生弧电压与触头材料有关 大气中开断交流电路 电源电压不同，最小生弧电流不同,电源电压提高，最小生弧电流减小,在相近的电源电压下，最小生弧电流比开断直流时大,?,若,I I arc min 或 U U arc min 则只产生火花（spark）,2008年4月1日,78,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,开断电路时电弧的产生过程 触头开始分离,触头压力 接触电阻,接触面积 电

45、流密度,发热 接触处熔化，形成液态金属桥 （Metal bridge） 液桥变细拉长，开始蒸发,= 0,2008年4月1日,79,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,阳极温度,二次发射 热发射 热电离 电弧电压,开断电路时电弧的产生过程 液桥变细拉长，开始蒸发 液桥完全蒸发：蒸汽进入弧隙 阴极：发射电子（热发射、场致发射） 弧隙：电场电离 产生大量带电粒子,电子阳极 复合,离子阴极 复合 电子离子 复合 弧隙温度 dN dt,阴极电场 阴极温度 弧隙温度 热电离主导 电导率 电弧稳定燃烧,2008年4月1日,80,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,开断电路时电弧的产生

46、过程,2008年4月1日,81,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,电弧电压的特性 以直流电弧为例 电弧电压Uh沿弧长分布不均匀， 分为三个区域 近阴极区：Cathode 弧柱区：Z 近阳极区：Anode,2008年4月1日,82,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,电弧电压的特性 近阴极区 长度与电子平均自由程相当（10-6m） 近似无碰撞 有大量正离子 正空间电荷区 形成阴极压降Uc 电场强度高 利于二次发射和场致发射 阴极压降与阴极材料和气体介质特性有关 低沸点阴极（或在真空中）：大致等于阴极材料蒸汽的电离电位 高沸点阴极：大致等于气体介质的电离电位,2008年4

47、月1日,83,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,电弧电压的特性 近阳极区 长度约为阴极区的几倍 有大量电子 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 稳定燃弧时，Uc、Ua 随 I 变化不大，一般认为是常数,2008年4月1日,84,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,电弧电压的特性 弧柱区 不一定为“圆柱形” 正负带电粒子数相等，为等离子体 不存在空间电荷，类似电阻 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 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 介质对电弧作用,2008年4月1日,85,第三章,电弧的基本

48、特性,电弧电压的特性 弧柱区 弧柱电阻,U z I h,Rz =,电弧电压,U h = U c + U a + U z,近极压降 弧柱电压,U 0 = U c + U a U z = El,燃弧过程中，基本不变 E：弧柱电场强度（V/m） Ih：电弧长度（m）（近似等于极间距离）,U h = U 0 + El,3-2,电弧的物理特性,2008年4月1日,86,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,电弧电压的特性 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 I 无关 长弧：l 很大，UzU0，Uh 大致与E 成正比,2008年4月1

49、日,87,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,弧柱温度 具有很高的温度：大于6000K 一般需要间接测量温度 开关电器中一般采用的数据,Th20000K：（电离度）1 Th3000-4000K：（电离度）0 电弧温度的影响因素 电弧电流 燃弧介质 电极材料,阳极 阴极,500K 3000K 6000K 9000K 12000K,2008年4月1日,88,第三章,电弧的基本特性,弧柱温度 假定弧柱温度处于某平均值，则弧柱各点电导率相同，弧 柱电阻为,3-2,电弧的物理特性,4 h l d 2,Rz =,h: 弧柱电阻率 l: 电弧长度 d: 弧柱直径,近似分析时，可以认为弧柱电阻率为

50、常数 Rz与d 成反比,Th /103K,2008年4月1日,89,第三章,电弧的基本特性,0,50,100,150 200,4 2,10 8 6,3-2,电弧的物理特性,弧柱温度 交流电弧时， 电弧温度随电流变化而变化，其特点为 电弧温度的变化滞后于电流的变化,电弧温度的最大值滞后于电流峰值 电流过零时，电弧温度不为零 电弧的热惯性：电弧温度的升高 和降低，必须供给或散发一定的,热量，需要一定的时间 类似于导体的热惯性,mc Kt A,T =,近极区的温度受电极材料沸点的,限制，低于弧柱的温度,2008年4月1日,90,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,弧柱直径 电弧实质为导电

51、气体，本身并无明确边界 测量和描述弧柱直径有不同的方法 探针法（测电流） 摄像法（测亮度） 狭缝法（测温度） 弧柱直径的影响因素 触头材料 电流大小 介质种类 气压及气体作用方式 磁场,dh = 0.08,dh = K (10 p ),2008年4月1日,91,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,弧柱直径变化也因热惯性而滞后于电流,弧柱直径 弧柱形态和直径受燃弧条件的控制 气体中垂直自由燃烧：倒圆锥形 绝缘狭缝中：椭圆形 长弧：弯曲、扭曲 真空电弧：扩散、集聚 经验公式,大气中横向运动 压缩空气纵吹,I h v 5,I h m I h n, dh,v p, d h dh,2008年

52、4月1日,92,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,弧根和斑点 弧根（arc root）：电弧贴近电极的部分 弧根的截面积通常小于弧柱 斑点（arc spot）：弧根在电极表面上形成的明亮圆点 阴极斑点 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）,2008年4月1日,93,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,弧根和斑点 真空电弧的阴极斑点（25A）,2008年4

53、月1日,94,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,弧根和斑点 真空电弧的阴极斑点（有效值10kA） 真空电弧的阴极斑点（有效值25kA）,2008年4月1日,95,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,弧根和斑点 斑点（arc spot）：弧根在电极表面上形成的明亮圆点 阳极斑点 接收电子 面积一般比阴极斑点大，电流密度较小 在真空电弧中，阳极斑点有特殊的含义： 若形成阳极斑点，则很容易导致开断失败 斑点的运动,阴极 阳极,（连续运动） （跳跃运动）,斑点运动受电流、材料、 磁场等因素的影响,2008年4月1日,96,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,弧根和

54、斑点 斑点的运动 磁场对斑点运动的影响 真空电弧：20kA,2008年4月1日,97,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,弧根和斑点 斑点的温度一般大致等于电极材料的沸点 触头材料沸点低 燃弧时，弧隙金属蒸汽多 电流过零后阴极热发射电子少 触头材料沸点高 燃弧时，弧隙金属蒸汽少 电流过零后阴极热发射电子多 金属蒸汽对长弧熄灭非常重要 热发射电子对短弧熄灭极为重要,1 2 103,I h 2 r 2 , rh ,2008年4月1日,98,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,电弧的等离子流 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）,I,B,

55、F,P =,2 ,rh ,P: 弧柱截面压强（Pa） Ih: 电弧电流（A） rh: 电弧半径（cm）,1 2 103,I h 2 r 2 , rh ,2008年4月1日,99,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,电弧的等离子流 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）,P =,2 ,rh ,收缩压力沿弧柱径向分布不均匀，在弧柱中心压力最大 I h 2 rh 2 自由燃烧时，弧根处半径最小，故该处弧柱中心压力最大,2008年4月1日,100,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,电弧的等离子流 电弧电流自生环向磁场（B ）作用于电弧，压缩

56、弧柱，产 生压力 （收缩压力） 收缩压力沿弧柱径向分布不均匀，在弧柱中心压力最大 自由燃烧时，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,2008年4月1日,101,第三章,电弧的基本特性,电弧的等离子流,3-2,电弧的物理特性,2008年4月1日,102,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,电弧的等离子流 电弧电流大于一定值时，才产生等离子体流 等离子体流中粒子流动的速度：10100m/s，真空电弧中 可达104m/s 通过人工减小电弧半径的方法，也可以产生等离子体流 当两股等离子流在空间不相遇时，电

57、弧不是在极间燃烧， 而是在等离子流间燃烧 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,2008年4月1日,103,第三章,电弧的基本特性,电弧的等离子流,3-2,电弧的物理特性,2008年4月1日,104,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特性,h h,电弧的能量平衡 电弧相当于一纯电阻性发热元件 电弧耗散的功率为： P = IU h = I h (U 0 + U z ),Ph,主要,电极,其他部件 周围介质,长弧,Ph,主要,周围介质,一般认为：IhU0由电极传出，IhUz由弧柱散发,2008年4月1日,105,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特

58、性,电弧的能量平衡 弧柱散热方式：传导、对流、辐射 传导 传导散发的功率,2l (Th T0 ) r ln 0 rh,Pcd =,Pcd: 传导散热功率（W） : 气体热导率（W/(K.m)）,l:,电弧长度（m）,rh: 电弧半径（m）,Th: 弧柱表面温度（K） T0 : 环境温度（K）,r0: T0 处的半径（m）（r0 rh）,?,rh r = 2l rh,r0 dr 1 r0,r0,2008年4月1日,106,第三章,电弧的基本特性,电弧的能量平衡,3-2,电弧的物理特性,弧柱散热方式：传导、对流、辐射 传导 利用热路的方法, RT,P =,rh,0,r0,T0 ,周围介质,l 电弧

59、 Th,1 l A,RT =,1 2l,=,ln,2l (Th T0 ) ln rh,Pcd =,热导率（W/cm-1K-1）,r0,2008年4月1日,107,第三章,电弧的基本特性,H2,N2,0,0.04 0.02,0.10 0.08 0.06,0.12,2,O2 4,空气 6,8,10,电弧的能量平衡,3-2,电弧的物理特性,弧柱散热方式：传导、对流、辐射,传导,2l (Th T0 ) ln rh,Pcd =,气体热导率与温度有关 氢气具有很好的导热性,分子原子,（吸热）,原子分子,（散热）,3 ?, 愈大，Pcd 愈大，电弧电压高且 较易熄灭,2008年4月1日,108,第三章,电弧的基本特性,3-2,电弧的物理特