电弧的基本特征.ppt

电电电电 器器器器 理理理理 论论论论 基基基基 础础础础- -第三章第三章第三章第三章电气工程及其自动化专业 概 述 背 景 知 识 § 3-1 气体放电的物理过程 § 3-2 电弧的物理特征 § 3-3 直流电弧的燃烧与熄灭 § 3-4 交流电弧的特性 § 3-5 麦也耳电弧数学模型介绍 小 结第三章　第三章　 电弧的基本特征弧的基本特征本章本章讲授内容授内容 （其中（其中红色内容色内容是重点）是重点） 1 1．气体放．气体放电的物理基的物理基础 ；气体放；气体放电的理的理论 2 2．．电弧的物理特性；弧的物理特性；电弧弧产生的生的过程程和和电弧的温度、直径等特性弧的温度、直径等特性 3 3．直流．直流电弧的特性和熄弧的特性和熄灭原理；直流原理；直流电弧的熄弧的熄灭条件和熄条件和熄灭方法 4 4．．交交流流电弧弧的的特特性性；；交交流流电弧弧的的伏伏安安特特性性及及电弧弧电压对电路路电流流的的影影响。

响5 5、麦也耳、麦也耳电弧数学模型介弧数学模型介绍第三章　第三章　 电弧的基本特征弧的基本特征实验室模拟磁环爆发磁环爆发 第三章　第三章　 电弧的基本特征弧的基本特征空间空间天体等离子体天体等离子体第三章　第三章　 电弧的基本特征弧的基本特征“电弧弧”的定的定义：： 定定义 ：在大气中开断：在大气中开断电路路时，当，当电源源电压U > U0 =（（12～～20））Ｖ，被开断Ｖ，被开断电流Ｉ流Ｉ>（（0.25～～1）Ａ）Ａ时，触，触头间隙中隙中产生的一生的一团温度极高、温度极高、发强光、能光、能导电的近似的近似圆柱体的气体柱体的气体  电弧是一种气体放电现象，也是一种等离子体（电弧是一种气体放电现象，也是一种等离子体（ Plasma Plasma ） 电电弧弧具具有有温温度度高高和和发发强强光光的的性性质质，，被被广广泛泛用用于于焊焊接接、、熔熔炼炼和和强强光光源源等等各各个技术领域但是，在开关电器中，电弧的存在却具有两重性个技术领域但是，在开关电器中，电弧的存在却具有两重性 一一方方面面它它可可给给电电路路中中磁磁能能的的泄泄放放提提供供场场所所，，从从而而降降低低电电路路开开断断时时产产生生的过电压，的过电压， 另另一一方方面面它它延延迟迟电电路路的的开开断断、、烧烧损损触触头头，，在在严严重重的的情情况况下下甚甚至至可可能能引起开关电器的着火和爆炸。

引起开关电器的着火和爆炸 因因此此，，在在电电器器技技术术科科学学中中研研究究电电弧弧的的目目的的，，不不在在于于如如何何利利用用电电弧弧稳稳定定然然烧烧的的特特性性为为生生产产服服务务，，而而在在于于采采取取怎怎样样的的措措施施使使其其存存在在的的时时间间尽尽量量缩缩短短，，以以减减轻轻其其危危害害或或者者说说，，研研究究电电弧的目的是弧的目的是为了尽快的熄灭电弧为了尽快的熄灭电弧 气体放气体放电: :是指气体由是指气体由绝缘状状态变成成导电状状态，使，使电流通流通过的的现象 气体放气体放电的前提：气体的前提：气体电离化 电弧是气体放弧是气体放电的一种形式的一种形式 电子是按一定数量子是按一定数量规律分布在其最低能律分布在其最低能级的的轨道上当原子受到外界能量道上当原子受到外界能量( (热、光、碰撞等、光、碰撞等) )作用作用时，其外，其外层轨道上的道上的电子就可能吸收子就可能吸收这些能量，克些能量，克服原子核的吸引力而服原子核的吸引力而跃迁到更外迁到更外层较高能高能级的的轨道上去。

然而，道上去然而，电子子处于于外外层轨道上是不道上是不稳定的，常因受原子核的吸引力作用而自定的，常因受原子核的吸引力作用而自动跳回到原来的跳回到原来的轨道上去在跳回的道上去在跳回的过程中，程中，电子以量子子以量子辐射的形式放出多余的能量射的形式放出多余的能量§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程一、激励与电离：一、激励与电离： １１、、激激励励：：也也叫叫激激发发，，是是指指原原子子吸吸收收能能量量后后，，使使电电子子由由低低能能量量轨轨道道跳跳向向能能量量较较高高的的轨轨道道的的过过程程 ( (激激励励后后原原子子仍仍是是中中性性原原子子，，但但原原子子的能量提高了的能量提高了) )此状态只存在此状态只存在1010-9-9～～1010-8-8秒§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程２、２、电离：离： ① ① 定定义：：电离是指原子吸收足离是指原子吸收足够大的能量后，大的能量后，电子被激子被激发到自到自由由态而离开原子而离开原子轨道形成自由道形成自由电子，使原来的中性原子或分子子，使原来的中性原子或分子( (统称称中性粒子或中性中性粒子或中性质子子) ) 变成一个成一个带正正电荷的粒子荷的粒子( (正离子正离子) )的的过程。

程 ② ② 电离能离能( (ＷＷylyl) )：： 指指电离出一个离出一个电子所需的最低能量子所需的最低能量( (单位位为：：Ｊ，其Ｊ，其值参参见教材教材P58,P58,表表3-1)3-1)为方便起方便起见，，电离能Ｗ离能Ｗylyl可以直接用可以直接用电离离电压表示，其表示，其单位由位由J J改改为evev；；§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程激励一个电子所需的能量称为激励能，它的单位为激励一个电子所需的能量称为激励能，它的单位为eVeV一个原子可一个原子可以以有有几几个个激激励励能能，，它它们们分分别别对对应应于于不不同同的的外外层层轨轨道道一一些些气气体体和和金金属属蒸蒸汽汽的激励能也示于表的激励能也示于表3-13-1中括号中的数字表示第二激励能括号中的数字表示第二激励能§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程 已已被被激激励励的的中中性性粒粒子子比比较较容容易易电电离离，，因因为为此此时时产产生生电电离离所所需需的的能能量量小小于于正正常常中中性性粒粒子子所所需需的的能能量量，，减减少少的的数数值值即即等等于于该该元元素素的的激激励励能能。

这这种种经经过过激激励励状状态态再再电电离离的的现现象象叫叫做做分分级级电电离 激激励励是是一一种种不不稳稳定定的的状状态态，，大大量量被被激激励励的的中中性性粒粒子子能能以以光光量量子的形式释放能量而自动的回到正常状态子的形式释放能量而自动的回到正常状态§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程 有有一一种种特特别别的的激激励励状状态态，，在在该该状状态态下下，，已已经经跳跳到到较较外外层层轨轨道道上上的的电电子子不不能能很很快快地地返返回回原原来来的的正正常常轨轨道道常常常常必必须须再再由由外外界界加加进进能能量量，，使使已已处处于于较较外外层层轨轨道道上上的的电电子子跳跳到到更更外外层层轨轨道道上上去去，，然然后后电电子子才才能能跳跳回回正正常常轨轨道道，，或或者者，，电电子子在在第第二二次次外外界界能能量量的的作作用用下下发发生生电电离离这这种种激激励励状状态态叫叫做做介介稳稳状状态态中中性性粒粒子子处处于于介介稳稳状状态态的的时时间间可可达达10-4-10-2s甚甚至至更更长长，，因因而而它它在在中性电子电离的过程中起很大作用中性电子电离的过程中起很大作用。

§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程二、气体二、气体电离方式：离方式： 气体通常不气体通常不导电，但是如果气体中含有，但是如果气体中含有带电粒子粒子------电子、子、正离子和正离子和负离子，它就能离子，它就能导电我们把把这种气体叫种气体叫电离气离气体 气体中被气体中被电离的原子数与离的原子数与总原子数之比叫做原子数之比叫做电离度电离离度越高气体度越高气体导电率越大 气体气体电离方式可以分离方式可以分为：：表面表面发射和空射和空间电离 § 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程１、表面１、表面发射：射：指由金属表面指由金属表面发射射电子的子的现象；象； 它包括了它包括了热发射、高射、高电场发射、光射、光发射和二次射和二次发射 ① ① 热发射：在射：在20002000～～2500K2500K范范围内，金属表面自由内，金属表面自由电子子获得足得足够的的动能，超越金属表面晶格能，超越金属表面晶格电场造成的造成的势垒而逸出的而逸出的现象 逸出功：逸出功：记为ＷＷycyc，是指一个，是指一个电子逸出金属所需的最低能量，子逸出金属所需的最低能量，单位位为evev。

§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程 ② ② 高高电压发射：也叫射：也叫场致致发射，是常温下当金属表面的射，是常温下当金属表面的电场强度度>10>106 6(v/cm)(v/cm)时，自由，自由电子逸出金属的子逸出金属的现象 隧道效隧道效应 ③ ③ 光光发射：光射：光线( (红外外线、紫外、紫外线及其他射及其他射线) )照在金属表面，引起照在金属表面，引起电子子从表面逸出的从表面逸出的现象光光电效效应 ④ ④ 二次二次发射：射：是指正离子高速撞是指正离子高速撞击阴极或阴极或电子高速撞子高速撞击阳极，引起金属阳极，引起金属表面表面发射射电子的子的现象 在气在气压较高的放高的放电间隙中，通常阴极表面附近比阳极表面附近的隙中，通常阴极表面附近比阳极表面附近的电场强度度较高，所以阴极表面二次高，所以阴极表面二次发射射较强并在气体放并在气体放电过程中起着重要的作用程中起着重要的作用§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程 ２、空２、空间电离：离：是指是指电极极间气体受外力影响，其分子及原子气体受外力影响，其分子及原子分裂成自由分裂成自由电子和正离子的子和正离子的现象。

象 空空间电离的方式有光离的方式有光电离、离、电场电离和离和热电离；它离；它们可能同可能同时存在 ①①、光、光电离：离：中性粒子受光照作用，当光子能量中性粒子受光照作用，当光子能量 (h•γ) 大于大于等于原子或分子的等于原子或分子的电离能离能时，，发生的生的电离 h：普朗克常数，：普朗克常数，h＝＝6.624×10-34，，单位是位是j•s；；γ：光子的：光子的频率，率，S-1) 光光电离作用的大小，与光离作用的大小，与光频成正比，所以成正比，所以X射射线、、 、、宇宙射宇宙射线和紫外和紫外线都有都有较强的的电离作用§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程 ② ②、、电场电离：离：也叫碰撞也叫碰撞电离是一个离是一个质量量为m m的的带电粒子粒子( (由光由光电离或离或表面表面发射所射所产生生) )在在电场的作用下被加速到Ｖ后，如其的作用下被加速到Ｖ后，如其动能能 ½MV²½MV²大于Ｗ大于Ｗylyl，，那么，当其与中性粒子那么，当其与中性粒子发生碰撞生碰撞时，此，此动能就可以被能就可以被传递给中性粒子的外中性粒子的外层电子，使它脱离原子核的引力范子，使它脱离原子核的引力范围成成为自由自由电子。

子 动能超能超过电离能的离能的电子，不是每次碰撞中性粒子都能使之子，不是每次碰撞中性粒子都能使之电离的，而存在离的，而存在一定几率一定几率电离几率的大小既取决于离几率的大小既取决于动能的大小，又取决于能的大小，又取决于电子和中性粒子子和中性粒子两者两者电磁磁场相互作用相互作用时间有可能碰撞使中性粒子有可能碰撞使中性粒子处于激励状于激励状态，然后再碰，然后再碰撞才撞才电离有时碰撞后既不碰撞后既不电离也不激励，而是附着在中性粒子上而构成离也不激励，而是附着在中性粒子上而构成负离子 负电性气体：性气体：对电子的粘合作用特子的粘合作用特强的气体，多的气体，多为氟原子及其化合物氟原子及其化合物§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程 ③ ③、、热电离：离：当气体温度在当气体温度在30003000～～4000K4000K以上以上时，气体粒子因高速，气体粒子因高速热运运动而互相碰撞所而互相碰撞所产生的生的电离 气体的气体的热电离度可用沙哈公式离度可用沙哈公式计算：算：式中，式中，P P是压力（是压力（PaPa），），T T是气体温度是气体温度(k)(k)，，W Wylyl是中性粒子的电离能是中性粒子的电离能(J)(J)。

温度越高，气体的电离度越高温度越高，气体的电离度越高§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程 由图由图3-13-1知，金属蒸汽的电离能比一般气体小得多，所以相同温知，金属蒸汽的电离能比一般气体小得多，所以相同温度下，前者的电离度大于后者气体中混有金属蒸汽时，其电离度要比度下，前者的电离度大于后者气体中混有金属蒸汽时，其电离度要比纯气体的高，即电导率要大纯气体的高，即电导率要大§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程三、去三、去电离及其方式：离及其方式： １、去１、去电离：也叫消离：也叫消电离；是指离；是指电离气体中的离气体中的带电粒子离开粒子离开电离区离区域，或域，或带电粒子失去粒子失去电荷荷变成中性粒子的成中性粒子的现象 ２、去２、去电离方式：包括复合与离方式：包括复合与扩散 ①①、、复合复合：两个：两个带异性异性电荷的粒子相遇后，相互作用引起荷的粒子相遇后，相互作用引起电荷消失，荷消失，形成中性粒子的形成中性粒子的现象具体有以下两种方式：象具体有以下两种方式： Üa a、表面复合：四种表面复合：四种电子子进入阳极；正离子接近阴极后从阴极取得入阳极；正离子接近阴极后从阴极取得电子，自身子，自身变为中性粒子；中性粒子；负离子接近阳极后将离子接近阳极后将电子移子移给阳极，阳极， 自身自身变为中性粒子。

中性粒子还有，走向未有，走向未带电金属的金属的带电粒子在金属表面感粒子在金属表面感应出相反的出相反的电荷，荷，由于由于库伦力的作用它被吸附到金属表面如果此力的作用它被吸附到金属表面如果此时再有另一异号再有另一异号带电粒粒子也走向金属表面，子也走向金属表面，则两个粒子通两个粒子通过金属分金属分别交出和取得交出和取得电子而子而变成一成一个或两个中性粒子个或两个中性粒子§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程 b b、空、空间复合复合：两种：两种直接复合：直接复合：正离子和正离子和电子在空子在空间相遇后形成一个中性粒子相遇后形成一个中性粒子间接复合：接复合：电子粘在中性粒子上形成子粘在中性粒子上形成负离子，离子， 再与正离子相遇复再与正离子相遇复合成合成为两个中性粒子两个中性粒子 § 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程Ø 复合概率和气体的性复合概率和气体的性质及及纯度有关例如，惰性气体和度有关例如，惰性气体和纯净的的氢气及氮气都不会与气及氮气都不会与电子子结合成合成为负离子，而氟原子及其化离子，而氟原子及其化合物（合物（SFSF6 6）就具有极）就具有极强的捕的捕获电子的能力。

因此子的能力因此SFSF6 6被称被称为负电性气体，是一种良好的性气体，是一种良好的灭弧介弧介质Ø带电粒子在复合粒子在复合过程中要程中要释放部分能量，后者被用以加放部分能量，后者被用以加热物体物体的表面（表面复合的表面（表面复合时）；或被用以增大所形成中性粒子的运）；或被用以增大所形成中性粒子的运动速度及以光量子的形式向周速度及以光量子的形式向周围空空间辐射（空射（空间复合复合时）§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程②②、、扩扩散散：：弧弧柱柱中中的的带带电电粒粒子子，，由由于于热热运运动动，，从从弧弧柱柱中中浓浓度度高高的的区区域域移移到到浓浓度度低低的的区区域域的的现现象象它它使使电电离离空空间间内内带带电电粒粒子减少，从而降低电离度，有助于熄灭电弧子减少，从而降低电离度，有助于熄灭电弧§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程 当当电电离离气气体体中中正正负负带带电电粒粒子子数数相相等等( (这这种种电电离离气气体体称称为为等等离离子子体体) )时时，，扩扩散散必必然然是是所所谓谓双双极极性性扩扩散散，，亦亦即即在在同同一一时时间间内内，，扩扩散散的的正正离离子子数数和和负负带带电电粒粒子子数数相相等等。

否否则则，，扩散不能继续进行扩散不能继续进行例例：：假假设设多多扩扩散散了了一一个个负负离离子子，，则则电电离离气气体体中中相相对对多多了了一一个个正正离离子子，，于于是是电电离离气气体体中中将将形形成成一一正正电电场场，，他他它它对对正正离离子子进进行行排排斥斥而而对对负负带带电电粒粒子子进进行行吸吸引引结结果果加加速速正正离离子子的的扩扩散散而而阻阻碍碍负负带带电电粒粒子子的的扩扩散散，，使使电电离离气气体体中中粒粒子子数趋于新的平衡数趋于新的平衡§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程气气体体放放电电方方式式表面发射表面发射热发射热发射场致发射场致发射光发射光发射二次发射二次发射空间电离空间电离光电离光电离电场电离电场电离热电离热电离气气体体消消电电离离方方式式复合复合扩散扩散表面复合表面复合空间复合空间复合§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程四、气体放电四、气体放电§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程１、１、气体放气体放电的几个的几个阶段：段： 见图3-53-5 ① ①、、非自持放非自持放电阶段：段：是指是指间隙中最初的的自由隙中最初的的自由电子是由外加因素子是由外加因素产生的，当生的，当外界因素去除后，外界因素去除后，间隙中无自由隙中无自由电子存在不能子存在不能进行行导电，放，放电无法无法维持。

所持所以以图中的Ｏ中的ＯC C段称段称为非自持放非自持放电阶段：段： OAOA段段：：此此时电压过低低，，间隙隙电场强度度过小小，，外外加加电离离因因素素（（宇宇宙宙射射线、、χχ射射线等等））产生生的的带电粒粒子子不不能能全全部部达达到到阳阳极极，，属属漫漫游游状状态，，当当U↑U↑时，，到到达达阴阴极的极的带电粒子成比例增加；粒子成比例增加； § 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程①①、、非自持放非自持放电阶段：段： ABAB段段：此：此时加到加到电极上的极上的电压在在间隙中隙中产生的生的电场强度度较小，不足以小，不足以产生生高高电场发射和射和电场电离，离，间隙中隙中带电粒子粒子仅由外加由外加电离因素（宇宙射离因素（宇宙射线、、χχ射射线等）等）产生，在生，在电压数数值超超过A A点点时，他，他们能能够全部达到阳极，而呈全部达到阳极，而呈现 电流大小与流大小与电压数数值无关的特性无关的特性 BC BC段：段：此此时电压数数值较高，高，间隙隙电场强度度较大，大，自由自由电子在此子在此电场作用下运作用下运动时，足以，足以产生生电场电离。

由此离由此产生的正离子在生的正离子在电场作用下向阴极运作用下向阴极运动，并在到达阴极，并在到达阴极时轰击阴极使之阴极使之产生二次生二次发射发射出的射出的电子子进入气体入气体间隙，再隙，再继续进行行电场电离，因而随着离，因而随着电压的升高的升高, , 电流增流增长较快§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程②②、、自持放自持放电阶段：段：图3-53-5中的中的CFCF段 a a、定、定义：：电压升到升到C C点点时，由高，由高压电场发射和二次射和二次发射射产生的生的电子数已子数已足足够多，此多，此时去除外界因素后，也能去除外界因素后，也能由由电子通子通过电场电离离产生正离子，再生正离子，再由正离子通由正离子通过二次二次发射射产生生电子子这一一往复作用往复作用维持持间隙的放隙的放电，放，放电能能够维持的持的阶段，段， 即即图中的中的CFCF段 § 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程Ø C C点附件的点附件的BDBD区，因区，因为汤姆姆逊最最早早对其其进行研究，故常称行研究，故常称为汤姆姆逊放放电区Ø在在DEDE区，气体成区，气体成辉光，故称光，故称为辉光放光放电区。

此区此时间隙中的隙中的电离方离方式主要是式主要是电场电离辉光放光放电的的特征特征为：放：放电通道的温度通道的温度为常温，常温，电流密度小，阴极流密度小，阴极压降降较高§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程ØEFEF区的放区的放电形形势为弧光放弧光放电，即，即间隙中隙中产生生电弧弧光放弧弧光放电特征特征是：放是：放电通道有明通道有明显边界，通道界，通道中的温度极高，中的温度极高，电流密度很大，流密度很大，阴极阴极压降很小，降很小，电离方式主要是离方式主要是热电离§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程②②、、自持放自持放电阶段：段：图3-53-5中的中的CFCF段 b b、自持放、自持放电的条件：的条件：发生了生了间隙隙击穿穿 ( (放放电电流雪崩般增加，流雪崩般增加，即放即放电突突变的的现象象) )间隙隙击穿穿电压主要决定于气体主要决定于气体压力Ｐ和力Ｐ和电极极间距离Ｌ的乘距离Ｌ的乘积，即Ｕ，即Ｕjcjc ＝＝f(p•l)f(p•l)，其也称，其也称为巴申曲巴申曲线§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程 由由图图3-53-5的的伏伏- -安安特特性性可可以以看看到到，，在在电电压压升升高高的的过过程程中中，，间间隙隙中中气气体体一一进进入入自自持持放放电电阶阶段段，，则则由由于于伏伏- -安安特特性性是是随随着着电电流流的的增增大大而而迅迅速速下下降降的的，，若若与与间间隙隙串串联联的的的的电电阻阻数数值值不不是是很很大大，，间间隙隙中中将将流流过过较较大大的的电电流流而而进进入入辉辉光光或或弧弧光光放放电电区区，，亦亦即即气气体体间间隙隙由由绝绝缘缘状状态态变变成成导导电电状状态态。

这这一一现现象象称称为为气气体间隙的击穿体间隙的击穿 以以下下主主要要分分析析气气体体间间隙隙的的击击穿穿条条件件以以及及击击穿穿电电压压与与气气体体间隙参数的关系间隙参数的关系 五、气体间隙的击穿理论：五、气体间隙的击穿理论： 按照汤逊气体放电理论，假定按照汤逊气体放电理论，假定: :1.1.当当电电子子的的动动能能小小于于气气体体粒粒子子的的电电离离能能时时，，两两者者碰碰撞撞后后不不发发生电离，反之一定电离，生电离，反之一定电离，2.2.电电子子和和气气体体粒粒子子碰碰撞撞时时，，放放出出全全部部动动能能，，然然后后再再从从零零速速开开始下一次行程始下一次行程3.3.电电子子沿沿电电场场方方向向运运动动，，不不考考虑虑其其实实际际轨轨迹迹为为““之之””字字形形的的特征 1 1、、汤逊第第一一系系数数α α ：：即即空空间电离离系系数数，，是是一一个个电子子沿沿电场运运动时，，在在单位位距距离离内内由由电场电离离而而产生生的的带电粒粒子子对数（一个数（一个电子和一个正离子子和一个正离子为一一对），其表达式），其表达式为：： 其中，其中，P P是气是气压，，mmHgmmHg；； T T：气温，：气温，k k；； A A0 0、、B B0 0：是：是经验数据。

数据§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程2 2、、间隙隙击穿条件：分均匀穿条件：分均匀电场和不均匀和不均匀电场考考虑 1 1）均匀）均匀电场：： （（1 1）气体）气体间隙隙击穿条件：穿条件： 式中式中γγ是表面电离系数，又叫汤逊电离第二系数，见表是表面电离系数，又叫汤逊电离第二系数，见表3-33-3，例如铜，例如铜电极的电极的γγ＝＝0.0250.025；； 汤逊第一系数汤逊第一系数αα是空间电离系数是空间电离系数§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程式中，式中，A A、、B B是常数，是常数，见表表3-43-42 2）间隙击穿电压）间隙击穿电压U Ujcjc：：§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程 另另外外，，““pl”pl”应看看作作一一个个参参数数铜电极极在在空空气气下下的的U Ujcjc对plpl试验曲曲线（（实线））与与令令r=0.025r=0.025、、按按上上式式作作出出的的U Ujcjc对plpl的的关关系系曲曲线（（虚虚线））如如图3-73-7所示，称所示，称为““巴申曲巴申曲线””。

2 2）间隙击穿电压）间隙击穿电压U Ujcjc：：§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程““巴申曲巴申曲线””分析，分析，结果：果： ① ① 除除plpl很小外，很小外，实线与虚与虚线很接近；很接近； ② ② plpl很高（提高气很高（提高气压）或很低（真空））或很低（真空）时，，U Ujcjc较大；大； ③ ③ p p在特定位置在特定位置[ [（（plpl））minmin] ]时，，U Ujcjc最小（最小（U Ujcminjcmin） 当当plpl大于或小于大于或小于[ [（（plpl））minmin] ]时，，U Ujcjc将随着将随着PlPl的增大或减小而增大的增大或减小而增大这就就说明：提高明：提高间隙的气隙的气压或将或将间隙放在高度真空中，都隙放在高度真空中，都可以提高其可以提高其击穿穿电压§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程 将将上上式式对plpl求求极极值，，可可得得铜电极极在在空空气气中中的的最最小小击穿穿电压：： 实际空气中的最小击穿电压为实际空气中的最小击穿电压为327V327V，，氢气气为220v220v。

§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程最小最小击穿穿电压计算：算： § 2 2）不均匀）不均匀电场的气体的气体间隙隙击穿条件：穿条件：§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程 按按照照汤汤逊逊理理论论可可以以解解释释气气体体间间隙隙击击穿穿的的机机理理，，但但是是，，用用它它来来解解释释长长间间隙隙气气体体放放电电过过程程的的发发展展时时间间，，并并不不与与实实验验完完全全符符合为此有基于光电离作用的所谓合为此有基于光电离作用的所谓流注理论流注理论作为补充作为补充 按按照照流流注注理理论论，，气气体体间间隙隙击击穿穿过过程程如如下下：：从从阴阴极极发发射射的的电电子子，，在在电电场场作作用用下下向向阳阳极极运运动动的的过过程程中中经经过过一一系系列列碰碰撞撞，，在在其途径上产生大量正离子和负离子由于其途径上产生大量正离子和负离子由于电子运动速度较快，大量集中电子运动速度较快，大量集中在前进方向的前部，而正离子在前进方向的前部，而正离子分布在其后部这样就形成了分布在其后部这样就形成了如图如图3-8 A3-8 A所示的正电子和负所示的正电子和负电子的集合体电子的集合体A--A--电子崩。

电子崩 随随着着电电子子崩崩向向阳阳极极的的移移动动，，其其中中的的电电子子和和阳阳离离子子越越积积越越多多一一方方面面改改变变了了间间隙隙中中电电场场分分布布情情况况，，使使崩崩头头和和崩崩尾尾电电场场强强度度增增大大，，另另一一方方面面，，由由于于崩崩头头和和崩崩尾尾得得电电荷荷削削弱弱了了电电子子崩崩内内部部的的电电场场，，使使得得其其中中的的复复合合作作用用加加强强复复合合过过程程中中放放出出大大量量的的光光子子如如果果这这些些光光子子在在距距电电子子崩崩A A头头部部不不远远处处使使气气体体粒粒子子电电离产生了电子，那么这些电子离产生了电子，那么这些电子 将在较强的电场作用下向阳将在较强的电场作用下向阳极移动，通过电场电离经较短极移动，通过电场电离经较短的时间又产生第二个电子崩的时间又产生第二个电子崩B B继续发展又产生电子崩继续发展又产生电子崩C C  每每个个电电子子崩崩的的头头部部和和尾尾部部分分别别向向阳阳极极和和阴阴极极发发展展，，很很快快它它们们就就连连成成一一个个气气体体电电离离通通道道，，使使间间隙隙击击穿穿因因为为这这一一理理论论是是基基于于光光子子的的辐辐射射作作用用使使气气体体逐逐段段电电离离，，然然后后连连成成一一片片，，不不需需要要从从阴阴极极发发射射的的电电子子跑跑完完整整个个极极间间的的距距离离，，这这就就能能很很好好地地解解释了长间隙击穿过程的释了长间隙击穿过程的快速性快速性。

在开关电器中，气体间隙击穿后，通常立即发生弧光放电弧隙在开关电器中，气体间隙击穿后，通常立即发生弧光放电弧隙中带电粒子的变化情况可用离子平衡方程式表示：中带电粒子的变化情况可用离子平衡方程式表示：§ 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程弧隙中带电粒子数随时间的变化率弧隙中带电粒子数随时间的变化率光、热发射和电离作用光、热发射和电离作用高电场发射、二次发射和电场电离作用高电场发射、二次发射和电场电离作用复合作用带电粒子数随时间的变化率，复合作用带电粒子数随时间的变化率，扩散作用带电粒子数随时间的变化率扩散作用带电粒子数随时间的变化率当当带电粒粒子子变化化 ，，带电粒粒子子趋于于增增多多，，电离离作作用用加加强，，电弧燃弧燃烧趋热；；当当 时，， 电弧燃弧燃烧趋于于稳定；定；当当 时，，电弧燃弧燃烧趋于熄于熄灭 § 3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程§ 3-2 电弧的物理特征一、开断电路时电弧的产生过程 1、最小生弧电流和最小生弧电压 当被开断的电流和电压超过触头材料的最小生弧电流和最小生弧电压（直流见表4-6，交流见表4-7）时，弧隙中将产生电弧。

如果电流或电压小于表4-6中所列的数值，则开断时只能产生一为时极短的弧光放电——通常称为火花 2、电弧产生的场合： 1） 电压、电流大于最小生弧电压和最小生弧电流时，会产生电弧； 2） 触头闭合过程中，因动触头“弹跳”，在一定条件下产生电弧； 3） 触头分离时，电弧产生过程§ 3-2 电弧的物理特征开关电器工作时，在大多情况下，被开断的电路的电压、电流都大于生弧电压和生弧电流，所以开断电路元件—触头之间不可避免的的会产生电弧  3、电弧产生和发展的过程： 1）开始分离：）开始分离：接触面接触面积减小，减小，电流密度增大，流密度增大，强烈烈发热；； 2））分分离离瞬瞬间：：接接触触处的的金金属属先先熔熔化化，，产生生液液态金金属属桥及及金金属属蒸蒸汽汽，，然然后后由由热发射射、、高高电场发射射产生生大大量量电子子，，再再由由电场游游离离产生生电子子和和正正离离子子，，由由复复合合作作用用维持持热发射射电电子子进进入入阳阳极极与与正正电电荷荷复复合合并并放放出出能能量量加加热热阳阳极极表表面面正正离离子子走走向向阴阴极极，，一一方方面面在在阴阴极极附附近近产产生生高高的的电电场场和和轰轰击击阴阴极极，，一一方方面面从从阴阴极极取取得得电电子子进进行行复复合合并并释释放放能能量量加加热热阴阴极极以以维维持持电电子子的的热热发发射射。

另另外外，，一一部部分分正正离离子子和和电电子子在在弧弧隙隙空空间间复复合合，，放放出出的的能量以光的形式进行辐射或增加空气离子的热运动能量以光的形式进行辐射或增加空气离子的热运动 § 3-2 电弧的物理特征 结结果果：：弧弧隙隙温温度度迅迅速速升升高高，，热热电电离离越越来来越越起起主主导导作作用用，，气气体体带带电电离离子子来来越越多多，，气气体体电电导导率率来来越越大大，，弧弧隙隙两两端端电电压压（（电电弧弧电压）越来越小，直至带电粒子达到平衡，电弧稳定燃烧电压）越来越小，直至带电粒子达到平衡，电弧稳定燃烧 注意：注意：高电场发射是电弧产生的根本原因高电场发射是电弧产生的根本原因§ 3-2 电弧的物理特征二、电弧近极区和弧柱区的特征： 1、直流、直流电弧弧电弧弧压降降Uh的三个区域：的三个区域：如如图3-10所示的直流所示的直流电弧，它在阴极和弧，它在阴极和阳极之阳极之间稳定燃定燃烧，，电弧弧压降降为Uh 而而Uh 并不是均匀分布，而是分并不是均匀分布，而是分为三个区域：三个区域：近阴极区、近阴极区、弧柱区、弧柱区、近阳极区近阳极区§ 3-2 电弧的物理特征 （（1））近阴极区近阴极区：：Ø这一一区区域域长度度约为电子子的的平平均均自自由由行行程程（（小小于于10-4cm））。

此此区区域域聚聚集集大大量量正正离离子子，，是是一一个个正正空空间电荷荷，，因因而而电位位有有一一急急剧的的改改变---即即所所谓的的阴阴极极压降降Uc 阴阴极极压降降Uc较大大，，其其值与阴极材料和气体介与阴极材料和气体介质有关，数有关，数值见表表3-7 Ø电场强度度甚甚高高（（平平均均达达到到106~107V/m））,这对加加速速正正离离子子向向阴阴极极运运动、、轰击阴阴极极表表面面以以产生生二二次次发射射和和形形成成高高电场发射起着重要作用射起着重要作用§ 3-2 电弧的物理特征（（2））近阳极区近阳极区：：长度度约为近阴极区的几倍近阴极区的几倍Ø聚聚集集大大量量电子子，，属属负空空间电荷荷区区，，因因而而电位位也也有有一一急急剧的的改改变---即即所所谓的的阳阳极极压降降Ua ；；阳阳极极压降降Ua其其值与与阳阳极极材材料有关；料有关； Ø由由于于阳阳极极压降降的的数数值与与阴阴极极压降降数数值相相近近似似而而近近阴阴极极区区的的较长，因而此，因而此处电场强度不大§ 3-2 电弧的物理特征 当当电弧弧稳定定燃燃烧时，，随随着着电流流的的变化化，，阴阴极极和和阳阳极极压降降的数的数值变化不大，所以一般近似化不大，所以一般近似认为是常数是常数!• （（3 3））弧柱区：弧柱区：处于近阴极和近阳极之于近阴极和近阳极之间，自由状，自由状态下近似下近似圆柱形；柱形；电离气体中离气体中正正负带电粒子数相等，粒子数相等，为等离子体；由于等离子体；由于不存在空不存在空间电荷，荷，类似金属似金属导体，即每一体，即每一单位位长度上的度上的电压降基本相等，降基本相等，换句句话说，，弧柱中的弧柱中的电场强度度E E沿弧沿弧长可看作是常数，可看作是常数，其其值与与电极材料、气极材料、气压、介、介质对电弧的作弧的作用等有关；弧柱用等有关；弧柱电压U Uz z＝＝I Ih hR Rh h。

§ 3-2 电弧的物理特征 式中，U0是近极压降； E是弧柱电场强度V/cm； l是电弧长度 按Ua和Uc在电弧电压中所占比例不同，可将电弧分为短弧（极间距离很短的电弧）和长弧（极间距离很长，Uh>>U0，且UhE的电弧）2、直流电弧电压直流电弧电压：§ 3-2 电弧的物理特征短弧电压几乎和电流无关，而长弧电压则大致与E成正比三、电弧长度：与发热及气流有关 四、弧柱的温度： 电弧弧柱具有6000K以上的温度，任何材料与之长时间接触皆将气化，一般采用用光学方法间接测量温度 一般由于试验条件和测量方法不同，获得的数据差别也很大 开关电器：燃弧温度6000～20000K；趋向熄灭温度：3000～4000k § 3-2 电弧的物理特征如图3-11，给出了电弧自身及周围温度场情况： 由图可知：弧柱中心温度约为10000—12000K离开中心越远，温度越低 温度场的数值和分布情况与电弧 电流、电极材料、尺寸、形状、 放置方式以及介质对电弧的作用 方式有关 § 3-2 电弧的物理特征交流电弧的情况下，弧柱温度不仅随着电流有效值增大而增大，而且随着电流相位角的变化而变化。

如图3-12所示，弧柱温度变化有两个特点：Ø电流下降到零时弧柱温度不为零Ø弧柱温度最高值滞后于电流相角一个相位角即存在热惯性，像导体那样，可用热时间常数表示热惯性存在原因：构成电弧的气体具有一定的热容量，即要它温度升高或降低，必须供给或散发一定的热量，而热量的供给或散发需要经过一定的时间因此温度变化要滞后于电流近阴极区和近阳极区的温度，由于受电极材料的限制，要低于弧柱的温度五、弧柱的直径 当当电流流大大小小给定定时，，弧弧柱柱有有一一极极其其明明亮亮的的呈呈圆柱柱形形的的边界和直径，即所界和直径，即所谓的的弧柱的直径 其其大大小小和和触触头材材料料、、电流流大大小小、、气气体体介介质种种类、、气气压以以及气体介及气体介质与弧柱的作用与弧柱的作用强烈程度有关烈程度有关§ 3-2 电弧的物理特征其大小目前其大小目前仅在具体情况下用在具体情况下用实验方法确定：方法确定：Ø铜电极极在在大大气气中中自自由由燃燃弧弧，，弧弧长0.5~2cm ,当当电弧弧电流流为2~20A时：：Ø铜电极极在在大大气气中中横横向向运运动时的的电弧弧，，运运动速速度度v为20~50m/s和和Ih为50~1000A时：：§ 3-2 电弧的物理特征Ø受到空气受到空气压力力纵吹（空气流向和吹（空气流向和电弧弧轴线一致）的一致）的电弧：弧：式中：式中： dk---弧柱直径弧柱直径 单位：位：cm Ik---电弧弧电流流 单位：位：A K---常数常数 K=0.0023~0.0039 p---压缩空气的空气的压力力 单位：位：pa m和和n---指数，指数，m=0.22~0.27, n=0.6~0.7§ 3-2 电弧的物理特征弧柱的形状：并非任何情况都是弧柱的形状：并非任何情况都是圆柱形。

柱形弧柱的直径也具有弧柱的直径也具有热惯性：性：Ü电流下降到零时弧柱直径不为零电流下降到零时弧柱直径不为零Ü弧柱直径最高值滞后于电流相角一个相位角弧柱直径最高值滞后于电流相角一个相位角§ 3-2 电弧的物理特征 六、电弧的弧根和斑点： 1、弧根：弧柱贴近电极的部分；阴极和阳极的弧根的截面积通常小于弧柱的的截面积，接近电极的弧根一般呈收缩状态 2、斑点：弧根在电极表面上形成的圆形明亮点，其中： （1）阴极斑点：是指维持电弧存在的电子发射处，其电流密度高（104A/cm2，甚至达107A/cm2），导致电极材料迅速汽化，形成金属蒸汽进入弧隙同时斑点区通过热发射、高电场发射和二次发射提供大量的电子；结果阴极表面逐渐烧损，形成凹坑§ 3-2 电弧的物理特征 （（2））阳阳极极斑斑点点：：是是电电子子进进入入阳阳极极的的入入口口，，面面积积大大于于阴阴极极斑斑点点，，故电流密度较小，但温度也可达到电极材料的沸点故电流密度较小，但温度也可达到电极材料的沸点 （（3））阴阴极极和和阳阳极极斑斑点点的的温温度度一一般般大大致致等等于于电电极极材材料料的的沸沸点点。

因因此此，，如如果果采采用用沸沸点点比比较较低低的的金金属属制制造造开开关关电电器器的的触触头头，，则则燃燃弧弧气气隙隙中中的的金金属属蒸蒸汽汽量量较较多多 但但在在交交流流情情况况下下，，电电流流过过零零后后阴阴极极热热发发射射电电子子数数量量较较少少，，采采用用沸沸点点高高的的金金属属制制造触头，情况正好相反造触头，情况正好相反七、电弧的等离子流： 弧弧柱柱是是由由等等离离子子体体构构成成的的，，当当电流流流流过时，，由由于于弧弧柱柱中中心心部部分分电流流产生生的的磁磁场与与其其外外部部电流流的的作作用用，，便便产生生了了一一将将等等离离子子体体压向向中中心的心的压力如图3-14所示 压强P与半径与半径r的关系：的关系：Ik:电弧弧电流；流；rh:弧柱半径；弧柱半径；P：弧柱截面：弧柱截面压强§ 3-2 电弧的物理特征 压强P称称为收收缩压力或力或压力力,由由 可可知知：：当当Ik给定定时，， rh 越越小小则弧弧柱柱中中心心压力力越越大大。

电弧弧自自由由燃燃烧时，，通通常常弧弧根根处半半径径最最小小，，因因而而该处弧弧柱柱中中心心压力力最最大大在在此此中中心心压力力下下，，弧弧根根中中心心部部分分的的等等离离子子体体将将沿沿弧弧柱柱轴线向向压力力较小的弧柱中部流小的弧柱中部流动这就形成一股等离子流就形成一股等离子流 除除此此之之外外，，弧弧跟跟处电极极材材料料迅迅速速气气化化，，也也将将形形成成一一股股垂垂直直于于电极极表表面面的的金金属属蒸蒸汽汽流流这两两种种气气体体实际上上合合成成在在一一起起，，统称等离子流称等离子流§ 3-2 电弧的物理特征 研研究究表表明明：：随随着着电极极材材料料的的不不同同，，当当电流流大大于于10~50A时，，等等离离子子流流开开始始出出现他他不不仅产生生在在弧弧根根处，，而而且且产生生在在用用人人工工方法使弧柱面方法使弧柱面积缩小的地方如小的地方如图3-15所示：所示：§ 3-2 电弧的物理特征八、电弧的能量平衡： 弧柱的散弧柱的散热功率（功率（传导、、对流、流、辐射）：射）： 长弧时电弧的总散热功率为长弧时电弧的总散热功率为弧柱的散热功率加电极散发功率弧柱的散热功率加电极散发功率：：§ 3-2 电弧的物理特征电弧输入功率电弧输入功率 按照能量守恒定律可知电弧产生后进入稳定燃烧状态的过程如下：设电弧电流为一固定值，电弧产生初期弧柱温度很低，直径也小。

这时一方面电弧电阻较大，电弧电压也较大，因而电弧的输入功率较大另一方面此时散发的功率比较小这样一来电弧输入功率将大于散发功率，多余的功率用于提高弧柱的温度和扩大其直径 § 3-2 电弧的物理特征 随着弧柱温度的提高和直径的扩大，电弧电阻减小，使输入电弧功率减小，而散热在增大 上述过程继续进行，直至电弧输入功率等于散发的功率，弧柱的温度和直径便稳定在一定的数值上，电弧进入稳定燃烧阶段§ 3-2 电弧的物理特征 一一般般自自由由燃燃弧弧时，，电弧弧电流流越越大大，，稳定定燃燃烧的的弧弧柱柱温温度度越越高高，，直直径径越越大大，，电弧弧电阻阻越越低低，，电弧弧压降降越越小小，，但但是是电弧弧的的输入入功功率率会越大 上上述述自自动调节电弧弧温温度度和和直直径径的的现象象不不仅存存在在于于电弧弧产生生阶段段，，而而且且存存在在于于电弧弧燃燃烧到到熄熄灭的的整整个个阶段段，，尤尤其其是是电流流和和散散热情情况况改改变的的动态过程程而而且且这个个调节不不能能瞬瞬间完完成成，，对电流流和和散散热情情况改况改变有一定的滞后。

有一定的滞后§ 3-2 电弧的物理特征式中 WQ是电弧的含热量，J； Ps：弧柱总散热量； Ph：电弧功率 因此，当 时，WQ逐渐增大，弧柱温度增高直径扩大，电弧燃烧趋热；可得电弧的动态能量平衡方程：可得电弧的动态能量平衡方程：当 时， WQ保持不变，弧柱温度和直径也不变，电弧稳定燃烧；当 时，WQ逐渐减小，弧柱温度降低直径缩小电弧趋于熄灭；九、维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理： １、前提： 假定电弧是一个纯电阻性的发热元件 电弧燃烧时，从电源输入到电弧内部的能量转变成热能，通过传导(cd)、对流(dl)和辐射(fs)三种方式散失  ２、用能量平衡的观点，分析维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理：令：Ｐh：输入弧隙的功率，Ｗ；Ｐs：散失功率，Ｗ； ① Ｐh > Ｐs： Ｉh增加，th增加，弧径变粗； ② Ｐh ＝ Ｐs： h恒定，电弧稳定燃烧； ③ Ｐh < Ｐs： 逐渐熄灭。

 ３、用离子平衡的观点，分析维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理：令Ｑ1：电离强度，即带电粒子增加率；Ｑ2：去电离强度，即带电粒子减小率； ① Ｑ1 > Ｑ2 ： Ｉh增加； ② Ｑ1 ＝ Ｑ2 ： Ｉh恒定，电弧稳定燃烧； ③ Ｑ1 < Ｑ2 ： 电弧逐渐熄灭  4、总结： 电弧是热和电的统一体，具有“热-电效应” 热方面，熄灭电弧的关键是创造条件使电弧迅速冷却，使输入热功率小于散失功率；离子动平衡方面，使去电离强度大于电离强度，可使电弧熄灭§ 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭一、直流一、直流电弧的伏安特性弧的伏安特性(非非线性性)：： １、１、测量直流量直流电弧伏安特性的弧伏安特性的电路路（（1 1））概概念念：：在在电弧弧长度度维持持不不变的的情情况况下下，，对应每每一一个个直直流流电流流I Ih h，，当当电弧弧中中的的发热和和散散热过程程达达到到平平衡衡后后，，弧弧隙隙两两端端都都会会有有一一个个与与之之对应的的电压U Uh h，，则称称U Uh h与与I Ih h的的关关系系为直直流流电弧弧的静的静态伏安特性，是非伏安特性，是非线性、反性、反时限特性。

限特性 （（2 2）弧）弧长改改变时，直流，直流电弧静弧静态特性曲特性曲线将上下近似平移；将上下近似平移；（（3 3））特特性性与与电极极材材料料、、介介质的的种种类、、气气压、、温温度度、、相相对运运动速速度等有关度等有关 （（4 4））电弧弧电阻阻R Rh h的的计算公式算公式：： § 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭 2 2、、直直流流电电弧弧伏伏安安特特性性曲曲线线（（见见图图3-193-19））与与金金属属导导体体有有不不同同的的性性质质，，当当电电流流增增大时，电压减小或说电弧电阻随着电流的增大而减小大时，电压减小或说电弧电阻随着电流的增大而减小 直直流流电电弧弧伏伏安安特特性性曲曲线线呈呈如如此此形形状状的的原原因因在在于于当当电电流流增增大大时时，，输输入入电电弧弧的的功功率增加，于是弧柱的温度升高，直径增大，因而使弧柱电阻剧烈下降率增加，于是弧柱的温度升高，直径增大，因而使弧柱电阻剧烈下降 直流电弧伏安特性曲线与许多因素有关：电弧长度、电极材料、气体介质种类、压力和介质相对于电弧的运动速度§ 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭3、直流、直流电弧伏安特性曲弧伏安特性曲线分析：分析： ①① 计算直流算直流电弧静伏安特性弧静伏安特性电压与与电流流间的的经验公式公式 ：： 式中式中: ＵＵ0：：电弧近极弧近极压降，Ｖ；降，Ｖ； Uk: 直流直流电弧弧隙端弧弧隙端电压 V；； l：：电弧弧长度，度，cm；； n和和c：常数，：常数，n＝＝0.25；； Ih：：电弧弧电流，Ａ；流，Ａ； § 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭§ 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭 ② ② 静伏安特性曲线１静伏安特性曲线１/ /动伏安特性曲线２、动伏安特性曲线２、3 3、４：如图、４：如图3-83-8所示所示. .任取任取图3-203-20的的稳定燃定燃烧曲曲线6 6中一点中一点1 1（（I=II=I1 1）分析）分析图中曲中曲线的的变化情况：化情况： § 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭 图中，中，I Ih h↑↑时，，U Uh h↓↓，原因是：，原因是：I Ih h↑↑时，，输入功率入功率I Ih hU Uh h↑↑，温，温度度T↑T↑，，结果直径果直径d↑d↑，，导致致P Ps s↑,R↑,Rh h↓↓，最，最终U Uh h↓,↓,即即R Rh h↓↓。

在在一一定定条条件件下下，，电电弧弧的的静静态态伏伏安安特特性性只只有有一一条条，，而而动动态态伏伏安特性却随着安特性却随着I Ih h变化速度不同可有无数条变化速度不同可有无数条§ 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭二、直流二、直流电弧的弧的稳定燃定燃烧点与熄点与熄灭条件：条件： １、直流１、直流电弧的弧的稳定燃定燃烧点：点： （１）（１）对比直流比直流电弧的静伏安特性曲弧的静伏安特性曲线与与电路的伏安特性路的伏安特性曲曲线的关系 （２）直流（２）直流电弧的弧的稳定燃定燃烧点：也叫点：也叫“工作点工作点”，它，它们满足：足： § 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭§ 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭（３）用图解法求直流电弧的稳定燃烧点并分析之：（３）用图解法求直流电弧的稳定燃烧点并分析之： 取取电电源源电电势势E E用用abab表表示示，，曲曲线线A-AA-A表表示示给给定定的的静静态态伏伏安安特特性性，，acac与与abab成夹角成夹角ɑ ɑ，令，令tan tan ɑ=R, ɑ=R, 于是于是图中图中acac高度表示高度表示E-RIE-RIh h。

§ 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭（３）用图解法求直流电弧的稳定燃烧点并分析之：（３）用图解法求直流电弧的稳定燃烧点并分析之： 图图中中acac和和曲曲线线A-AA-A交交于于1 1、、2 2两两点点，，在在1 1点点以以左左2 2点点以以右右，，直直线线acac高高度度低低于于A-AA-A的的高高度度，，即即E-RIE-RIh h-U-Uk k<0,<0,所所以以LdILdIh h/dt<0/dt<0所所以以在在这两个区域内这两个区域内I Ih h 将随时间变化而减小将随时间变化而减小 在在1 1点点以以右右2 2点点以以左左直直线线acac高高度度高高于于A-AA-A的的高高度度，，即即E-RIE-RIh h-U-Uk k>0,>0,所以所以LdILdIh h/dt>0/dt>0所以在这两个区域内所以在这两个区域内I Ih h 将随时间变化而增大将随时间变化而增大 § 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭 只有在1点和2点上才有E-RIh-Uk=0，即LdIh/dt=0，所以Ih 为一常数即电弧电流不随时间变化，电弧处于稳定燃烧阶段。

由以上分析可知：存在两个稳定点—1和2点，他们分别位于两个电流—I1 、I2 § 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭 由以上分析可知：存在两个稳定点—1和2点，他们分别位于两个电流—I1 、I2 ，但是仅I2是真正稳定点，而I1是一个虚假稳定点，原因如下：在1点，如果某种原因使电流大于I1 时，则电路工作于1和2之间的区域，而在此区域dIdIh h/dt>0/dt>0，，于于是是电电流流继继续续增增大直至大直至I I2 2 § 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭 在2点，如果某种原因使电流小于I2 时，则电路工作于1和2之间的区域，而在此区域dIdIh h/dt>0/dt>0，于是电流将增大直至为，于是电流将增大直至为I2 § 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭 由以上分析可知：存在两个稳定点—1和2点，他们分别位于两个电流—I1 、I2 ，但是仅I2 是真正稳定点，而I1是一个虚假稳定点 电路处于2点时，无论电流何种原因引起波动都会自动回到2点处在在开开关关电电器器工工作作时时，，人人们们希希望望的的不不是是电电弧弧稳稳定定燃燃烧烧，，而而是是迅迅速速熄熄灭灭，，即即希希望望点点2 2不不存存在在，，可可从从两两个个方方面面采采取取措措施施促促使使电电弧迅速熄灭。

弧迅速熄灭一方面，增大一方面，增大电路路电阻Ｒ使阻Ｒ使acac回到回到acac’’处 § 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭另另一一方方面面是是提提高高电电弧弧静静态态伏伏安安特特性性到到如如图图3-233-23中中虚虚线线曲曲线线A’-A’A’-A’所所示示的的位位置置，，使使之之不不和和直直线线acac相相交交这这样样，，电电弧弧也也将将趋于熄灭趋于熄灭２、直流２、直流电弧的熄弧的熄灭条件：条件： dIh/dt<0，即，即E-IR

增加§ 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭 ② ② 增大增大电弧长度电弧长度Ø用机械的方法增加触头之间的距离，见图用机械的方法增加触头之间的距离，见图3-25a3-25aØ依靠导电回路自身的磁场或外加磁场使电弧横向拉长，依靠导电回路自身的磁场或外加磁场使电弧横向拉长，见图见图3-25b3-25bØ在磁场作用下，使弧根在电极上移动以拉长电弧在磁场作用下，使弧根在电极上移动以拉长电弧, ,见图见图3-3-25c25c § 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭 ③ ③ 增大弧柱中的电场强度Ｅ增大弧柱中的电场强度Ｅ，具体方法有：，具体方法有： a a 增大气体介质的压力Ｐ；增大气体介质的压力Ｐ； b b 增大电弧与流体介质间的相对运动速度增大电弧与流体介质间的相对运动速度( (纵吹和横吹纵吹和横吹) )；； c c 加强电弧与耐弧的绝缘材料的密切接触加强电弧与耐弧的绝缘材料的密切接触§ 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭小结：小结： 低压电器中，通常采用提高电弧静态伏安特性的措施熄灭电弧；低压电器中，通常采用提高电弧静态伏安特性的措施熄灭电弧； 高压电器中，有时和增加电路电阻同时使用；此外，高压电器高压电器中，有时和增加电路电阻同时使用；此外，高压电器中还可采用如图中还可采用如图3-263-26所示的人工过零法。

所示的人工过零法§ 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭三、直流电弧的能量三、直流电弧的能量电弧消耗能量电弧消耗能量电源供给能量电源供给能量 电阻消耗能量电阻消耗能量 电感存储能量电感存储能量1.1.电电路路电电感感越越大大，，则则其其中中储储能能越越多多，，要要电电弧弧熄熄灭灭必必需需从从弧弧隙隙散散发发的的能能量量也也越多，因而电弧越难熄灭越多，因而电弧越难熄灭2.2.由由于于电电感感中中能能量量的的泄泄放放需需要要一一定定的的时时间间，，因因而而电电感感的的存存在在使使电电弧弧不不能能立立即熄灭，必须等电感中能量泄放完或基本上泄放完后，电弧才能熄灭即熄灭，必须等电感中能量泄放完或基本上泄放完后，电弧才能熄灭四、直流四、直流电弧熄弧熄灭时的的过电压：： § 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭 由由于于电电路路中中存存在在一一定定的的电电感感，，当当燃燃弧弧时时间间过过短短，，电电感感中中将将产产生生很很大大的的自自感感电电势势它它连连同同电电源源电电势势一一起起加加在在弧弧隙隙两两端端以以及及与与之之一一连连的的线线路路和和电电气气设设备备上上，，其其电电压压可可能能比比电电源源电电压压大大好好多多倍倍，，通通常常称称之之为为过过电电压压。

过过电电压压产产生生后后，，一一方方面面可可能能击击穿穿弧弧隙隙，，使使电电弧弧继继续续燃燃烧烧; ;另另一一方方而而，，可可能能将将电电气气设设备备的的绝绝缘缘击击穿穿，，引引起起破破坏性事故坏性事故弧隙过电压弧隙过电压U Ug g通常在通常在I Ih h趋近于零时趋近于零时U Ug g最高，即此时最高，即此时U Ug g最大最大1 1、当其他条件不变时，、当其他条件不变时，L L越大，则越大，则U Ugmaxgmax越大，因而一般需将电弧拉得越长才能熄灭越大，因而一般需将电弧拉得越长才能熄灭; ;2 2、电弧电流趋近于零时的下降速度越快，亦即弧隙的消电离作用越强，则、电弧电流趋近于零时的下降速度越快，亦即弧隙的消电离作用越强，则U Ugmaxgmax越大所所以以，，在在未未采采取取限限制制过过电电压压措措施施时时，，采采用用消消电电离离作作用用过过分分强强烈烈的的灭灭弧弧方方法法，，非非但但无无益益，，反而有害反而有害§ 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭3 3、限制、限制过电压的几种措施：的几种措施：§ 3-3 直流直流电弧的燃弧的燃烧与熄与熄灭一、交流电弧伏一、交流电弧伏------安特性安特性 当当i ih h随时间按正弦规律变化时，在稳定燃弧的情况下，如果弧长不变，随时间按正弦规律变化时，在稳定燃弧的情况下，如果弧长不变，并且介质对电弧的冷却作用不太强烈，使得在并且介质对电弧的冷却作用不太强烈，使得在i ih h过零期间过零期间R Rh h为一有限值，为一有限值，则一个周期内则一个周期内u uh h和和i ih h的关系如图的关系如图3-313-31所示。

这叫交流电弧伏一安特性这叫交流电弧伏一安特性图中箭头表示图中箭头表示i ih h变化的方向变化的方向§ 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性§ 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性用用““能量平衡原理能量平衡原理””分析解分析解释交流交流电弧的伏安特性曲弧的伏安特性曲线：： 1 1））暂时不考不考虑负载的影响 （（1 1））OAOA段段：： i ih h由由0 0上上升升的的零零休休期期间，，弧弧柱柱变冷冷、、变细，，R Rh h增增大大，，因此因此u uh h（（= = i ih h R Rh h）以很陡斜率上升；）以很陡斜率上升； § 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性（（2 2））靠靠近近A A点点与与ABAB段段：： i ih h增增大大，，P Ph h也也增增大大，，弧弧柱柱变热变粗粗，，u uh h随随 i ih h的的增增长再下降，其再下降，其最高点最高点A A点的点的电压称称为燃弧尖峰燃弧尖峰U Urhrh § 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性 （（3 3））BCBC段段：： i ih h到到最最大大值（（B B点点））后后减减小小，，u uh h沿沿BCBC曲曲线上上升升，，因因弧弧柱柱存存在在热惯性性，，R Rh h会会比比i ih h增增大大情情况况下下同同一一i ih h时的的数数值为小小，，故故曲曲线BCBC比比ABAB低。

低C C点点电压为熄弧尖峰熄弧尖峰U Uxhxh § 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性（（4 4））COCO段段：： i ih h减减小小，，P Ph h也也减减小小，，R Rh h逐逐渐上上升升当当i ih h下下降降速速度度比比R Rh h上上升升速速度度要要大于某一数大于某一数值时，，u uh h又开始随又开始随i ih h减小而下降减小而下降i ih h趋近于零，近于零，u uh h也也趋近于零 § 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性（（5 5））对应上上图的的电弧弧电压u uh h随随时间t t变化的波形：化的波形：为马鞍形 § 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性燃弧尖峰燃弧尖峰Urh熄弧尖峰熄弧尖峰Uxh ωtuh, i 0uhi（（1 1））纯电阻阻负载时，交流，交流电弧的熄弧的熄灭过程：程： 电阻阻性性负载下下，，i ih h与与电源源电压u u同同相相, ,当当i ih h过零零时u u也也过零零当当i ih h过零零以以后后、、u urhrh到到来来之之前前（（电弧弧已已熄熄灭）），，因因R Rh h迅迅速速增增大大，，加加在在弧弧隙隙上上的的电压即即是是u u的的瞬瞬时值，，u uh h乃乃是是u u的的波波形形，，u u从从零零上上升升弧弧隙隙电压也也从从零零上上升升；；i ih h=u/R=u/Rh h，，值很小。

很小§ 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性 2 2）） 考虑负载（电阻性与电感性）影响后的考虑负载（电阻性与电感性）影响后的u uh h-i-ih h波形：波形：  随随着着u u上上升升，，i ih h逐逐渐增增大大当当u u上上升升到到足足以以使使P Ph h>P>Ps s 时，，R Rh h 迅迅速速减减小小，， i ih h 迅迅速速增增大大此此后后i ih h基基本本基基本本决决定定于于电路路负载的的大大小小，，而而弧弧隙隙上上的的电压则基基本上决定于相本上决定于相应的的电弧弧动态伏伏- -安特性 在在i ih h半半波波末末了了时，，i ih h减减小小，，u uh h上上升升；；当当u u下下降降至至低低于于u uxhxh时，，电弧弧u uh h又又随随u u变化（化（电弧完全熄弧完全熄灭） 结果果：：u urhrh之之前前和和u uxhxh之之后后的的u uh h波波形形（（实际是是弧弧熄熄的的波波形形）），，皆皆与与u u的的波波形形基本重合基本重合§ 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性（（2 2））电感性感性负载下，交流下，交流电弧的熄弧的熄灭过程：程： i ih h落落后后电源源电压u u约90°90°。

当当i ih h过零零时，， u u约处于于幅幅值，，电弧弧熄熄灭当当i ih h过零零时，，R Rh h迅迅速速增增大大，，电路路相相当当于于完完全全开开断断，，u uh h将将以以很很快快的的速速度度（（比比电阻阻性性负载快快得得多多））趋向向于于u u的的幅幅值，，故故u urhrh出出现较早早，，弧弧熄熄中中通通过较大大负载电流流的的时间也提前§ 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性 在在i ih h 接接近近半半波波末末了了时，，弧弧隙隙上上的的电压系系由由负载电感感中中自自感感电势所所产生生，，与与u u的数的数值无关，所以此无关，所以此时弧隙上的弧隙上的电压基本取决于基本取决于电弧弧动态伏伏- -安特性§ 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性结果：结果：电感性负载电路中，电感性负载电路中，u urhrh之前和之前和u uxhxh之后的之后的u uh h的上升和下降的上升和下降速度比电阻性负载中要快的多速度比电阻性负载中要快的多§ 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性 （（3））在在开开断断同同一一电流流时，，电阻阻性性负载电路路中中的的电弧弧比比电感感性性负载电路中的路中的电弧容易熄弧容易熄灭。

原因如下：原因如下： 一是：一是：“电压比比较”的的结果 见P85 第第二二段段的的说明明，，加加上上“在在ih过零零前前的的一一段段时间内内，，Ph

§ 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性 2 2））电感性感性负载：：电感性感性负载的的““零休零休””时间很短 u urhrh到到来来之之前前，，有有电流流过零零后后的的““零零休休””，，但但因因u urhrh出出现较早早，，故故零零休休时间短得多；短得多； 而而在在u uxhxh出出现之之后后，，因因u uh h可可由由电感感中中的的自自感感电势维持持而而与与u u无无关关，，因此，几乎不存在因此，几乎不存在电流流过零前的零前的““零休零休”” 比比较二二者者可可知知，，电阻阻性性负载””零零休休””现象象比比电感感性性负载严重重得得多多，，即即零零休休时间长得得多多，，这也也从从另另一一方方面面说明明了了电阻性阻性负载电路比路比电感性的易于熄感性的易于熄灭 § 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性2 2、电弧将使电路的功率因数角减小：、电弧将使电路的功率因数角减小： § 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性电路功率因数角为： 式式中中 U Uh h：：电电弧弧电电压压；；U Um m：：电电源源电电压压幅幅值值；；U Uh h/U/Um m：：电电弧弧电电压压占占总总电电源源幅值的比例。

幅值的比例 如如U Uh h/U/Um m越越大大，，则则功功率率因因数数角角越越小小，，故故电电弧弧的的存存在在，，相相当当于于在在电电路路中中串串联了电阻联了电阻 § 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性式中 uh ：电弧电压；ih ：电弧电流； ts ：从t=0至电弧产生所需的时间； tx ：从t=0至电弧熄灭所需的时间 t ：以触头分开瞬间前电流过零为起点计算的时间 三、开断过程中，交流电弧能量的计算三、开断过程中，交流电弧能量的计算§ 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性式中 n是半波个数 如设弧长l为常数则： 在理想情况下（即若干假设下），电弧能量在理想情况下（即若干假设下），电弧能量Wh为：为：§ 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性例题： 设设一一开开关关电电器器中中流流过过的的工工频频短短路路电电流流波波形形如如图图3-39所所示示短短路路电电流流有有效效值值I为为10000A，，ts=0.005s=5ms，，U0=20V 问：（问：（1）当电弧电压）当电弧电压Uh=40V时电弧的时电弧的能量能量Wh为多少？为多少？ § 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性解：由图可知， 由 ， 得 § § 3-4 交流交流电弧的特性弧的特性★ ★ 电弧弧是是气气体体放放电一一种种形形式式。

其其特特点点为放放电通通道道温温度度高高达达6000K6000K以以上上，，电流流密密度度可可达达几几千千安安每每平平方方厘厘米米，，阴阴极极压降降为几几十十伏伏，，弧弧拄拄中中的的电离离方方式式主主要要是是热电离离电器器理理论中中研研究究电弧的目的主要是弧的目的主要是为了尽快地熄了尽快地熄灭电弧小小 结小小 结★★说明明气气体体间隙隙击穿穿机机理理的的有有汤逊理理论和和流流注注理理论前前者者是是基基于于电场电离离和和二二次次发射射，，后后香香是是在在汤逊放放电理理论的的基基础上上加加上上光光电离离的的作作用用，，以以解解释长间隙隙击穿穿过程的快速性程的快速性 ★★根根据据弧弧隙隙中中带电粒粒子子数数的的增增减减来来判判别电弧弧燃燃烧是是趋于于炽烈烈、、熄熄灭还是是稳定的式定的式(3-17)(3-17)称称为离子平衡公式离子平衡公式 ★★按按照照电压沿沿弧弧长的的分分布布情情况况，，电弧弧分分为三三个个区区域域：：近近阴阴极极区区、、近近阳阳极极区区和和弧弧柱柱区区按按照照弧弧柱柱区区的的长短短，，电弧弧分分为长孤孤和和短短弧弧短短弧弧的的U Uh h几几乎乎不不随随I Ik k变化，化，长弧的弧的U Uh h＝＝ElEl。

小小 结★ ★ 弧弧柱柱温温度度一一般般认为是是60006000～～2000K2000K在在30003000～～4000K4000K以以下下，，则认为弧弧光光放放电已已停停止止弧弧柱柱中中心心温温度度高高于于其其表表面面温温度度弧弧柱柱温温度度滞滞后后于于电流的流的变化 ★ ★ 弧桂直径随弧桂直径随I Ih h的增大而增大，随介的增大而增大，随介质压力和吹弧速度的增高而减小力和吹弧速度的增高而减小小小 结★ ★ 阴阴极极斑斑点点是是维持持电孤孤存存在在的的电子子发源源地地，，阳阳极极斑斑点点是是电子子进入入阳阳极极的的主主要要入入口口阴阴极极弧弧根根沿沿电极极表表面面的的运运动是是连续的的，，而而阳阳极极弧弧根根则是是跳跳跃的 ★ ★ 等等离离子子流流产生生在在弧弧柱柱截截面面缩小小的的地地方方，，使使其其流流向向离离开开弧弧隙隙可可以以帮帮助助熄熄弧 ★ ★ 电弧弧的的散散热方方式式有有三三种种：：传导、、对流流和和辐射射根根据据弧弧隙隙中中能能量量的的增增减减来来判判别电弧弧燃燃烧是是趋于于炽烈烈、、熄熄灭还是是稳定定的的式式(3-41)(3-41)称称为能能量量平平衡公式。

衡公式小小 结★ ★ 直流直流电弧具有弧具有U Uk k随随I Ik k增大而减小的静增大而减小的静态伏伏- -安特性其安特性其动态伏伏- -安特性安特性视I Ik k增加或减小可高于成低于静增加或减小可高于成低于静态伏伏- -安特性小小 结★ ★ 电路路中中存存在在电感感是是直直流流电弧弧不不能能立立即即熄熄灭的的主主要要原原因因此此时若若过分分减减小小熄熄弧弧时间将将引引起起较高高过电压为限限制制过电压的的数数值，，可可采采用用图3-303-30所示的几种措施所示的几种措施 ★★交交流流电弧弧的的伏伏- -安安特特性性为在在一一特特定定情情况况下下的的电弧弧动态伏伏- -安安特特性性u uk k随随时间的的变化化呈呈马鞍鞍形形在在实际电路路中中，，i ih h和和u uh h波波形形皆皆随随电路路负载性性质而而变由于交流由于交流电流具有自身流具有自身过零的特点，因而零的特点，因而电弧容易熄弧容易熄灭 小小 结★ ★ 电弧弧电压对交流交流电路路电流的影响流的影响为：： 1 1．在．在电流流过零附近零附近产生生““零休零休””现象；象； 2 2．在．在电感性感性负载电路中使路中使电流流过零的下降速度零的下降速度变快；快； 3 3．能减小短路．能减小短路电流的峰流的峰值和第一个半波的流通和第一个半波的流通时间；； 4 4．使．使电路的功率因数角路的功率因数角φφ减小。

减小 小小 结思考思考题与与习题1 1、什么是近阴极效应、什么是近阴极效应2 2、气体电离和消电离方式、气体电离和消电离方式3 3、分析图、分析图3-223-22中，中，1 1点和点和2 2点哪个是电弧燃烧正真的稳定点？点哪个是电弧燃烧正真的稳定点？4 4、直流电弧熄灭措施、直流电弧熄灭措施思考思考题与与习题5 5、电器间产生直流电弧与交流电弧哪种更容易熄灭，问什么？、电器间产生直流电弧与交流电弧哪种更容易熄灭，问什么？6 6、分别开断直流感性电路与直流纯阻性负载电路，哪种电弧较难熄、分别开断直流感性电路与直流纯阻性负载电路，哪种电弧较难熄灭？为什么？灭？为什么？LOGO　　电弧的基本特征弧的基本特征 本本 章章 结结 束束… 第三章第三章 This is the end of Chapter 3 。