第三章-电弧的基本特性()

LiaoningTechnicalUniversity辽宁工程技术大学电器理论基础FundamentalsofElectricalApparatus电气与控制工程学院王智勇2020/5/6第三章电弧的基本特性2第三章电弧的基本特性本章教学目的与要求：•掌握电弧的物理特性，了解气体放电的物理过程；•掌握直流电弧的特性及熄弧原理，熟悉在直流开关电器中可以使用的促使直流电弧尽快熄灭的原理方法；•掌握交流电弧的伏—安特性，熟悉电弧电压对交流电路电流的影响；•了解交流电弧的能量计算及电弧数学模型。2020/5/6第三章电弧的基本特性3第三章电弧的基本特性本章教学重点与难点：电弧的物理特性，生弧电压与生弧电流；直流电弧的伏—安特性与熄灭原理；交流电弧的伏－安特性，零休现象。本章教学基本内容：序气体放电的物理过程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尔电弧数学模型简介2020/5/6第三章电弧的基本特性4第三章电弧的基本特性§3-0序§3-1气体放电的物理基础§3-2电弧的物理特性§3-3直流电弧的特性和熄灭原理§3-4交流电弧的特性§3-5麦也尔电弧数学模型简介2020/5/6第三章电弧的基本特性5§3-0序电力开关设备的开断在大气中开断电路时，若电流大于0.25~1A；电压大于12~20V，触头间隙（简称弧隙）中会产生电弧电弧（arc）：温度高、发强光、能导电的气体2020/5/6第三章电弧的基本特性6§3-0序电弧的危害延迟开断线路、设备受损触头烧损开关设备着火、爆炸电弧的作用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顺利的熄灭电弧（Extinguish）保证电路的成功开断（Breaking/Interrupting）2020/5/6第三章电弧的基本特性7§3-0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Self-sustainedGasVapourDischarge2020/5/6第三章电弧的基本特性8第三章电弧的基本特性§3-0序§3-1气体放电的物理基础§3-2电弧的物理特性§3-3直流电弧的特性和熄灭原理§3-4交流电弧的特性§3-5麦也尔电弧数学模型简介2020/5/6第三章电弧的基本特性9§3-1气体放电的物理基础气体放电（GasDischarge）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）2020/5/6第三章电弧的基本特性10§3-1气体放电的物理基础电离和激励电子伏特2020/5/6第三章电弧的基本特性11§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所需要的能量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2020/5/6第三章电弧的基本特性12§3-1气体放电的物理基础电离和激励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10-9～10-8s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）：中性粒子处于介稳状态的时间可达10-4～10-2s在中性粒子电离过程中起很大作用2020/5/6第三章电弧的基本特性13§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气体电离的方式表面发射（Surfaceemission）空间电离（Spaceionization）2020/5/6第三章电弧的基本特性14§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金属蒸汽在未电离的情况下是不导电的表面发射的类型热发射（Thermalemission）（TE）场致发射（Fieldemission）（FE）热-场致发射（Field-assistedthermionicemission）（FTE）光发射（Photonemission）二次发射（Secondaryemission）2020/5/6第三章电弧的基本特性15§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”金属表面金属表面存在势垒（Potentialbarrier）2020/5/6第三章电弧的基本特性16§3-1气体放电的物理基础气体电离的方式热发射（ThermalEmission）2020/5/6第三章电弧的基本特性17§3-1气体放电的物理基础气体电离的方式热发射（ThermalEmission）对清洁、均匀的表面，饱和热发射电流密度Wyc:逸出功（eV）T: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2020/5/6第三章电弧的基本特性18§3-1气体放电的物理基础气体电离的方式场致发射（FieldEmission）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在较高温度时，场致发射的电流密度为2020/5/6第三章电弧的基本特性19§3-1气体放电的物理基础气体电离的方式热-场致发射（Field-assistedthermionicemission）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2020/5/6第三章电弧的基本特性20§3-1气体放电的物理基础气体电离的方式光发射（Photonemission）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（Secondaryemission）一般来说，阴极附近的场强比阳极附近的场强高，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2020/5/6第三章电弧的基本特性21§3-1气体放电的物理基础气体电离的方式空间电离（Spaceionization）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2020/5/6第三章电弧的基本特性22§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hv≥Wyl,则可能被电离，这一现象称为光电离光的频率越高，电离作用越强X射线，α，β，γ，宇宙射线、紫外线具有较强的电离作用Wyl:中性粒子的电离能（J）h:普朗克常数（6.624×10-34J.s）2020/5/6第三章电弧的基本特性23§3-1气体放电的物理基础气体电离的方式电场电离电子自由行程（freepath)长，碰撞截面（collisioncrosssection）小，容易积累足够的动能，在电场电离中起重要作用若一个带电粒子在电场中获得的动能,则当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2020/5/6第三章电弧的基本特性24§3-1气体放电的物理基础气体电离的方式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电场电离的几率通常较小有时，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)2020/5/6第三章电弧的基本特性25§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3000～4000K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2020/5/6第三章电弧的基本特性26§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气体消电离的方式2020/5/6第三章电弧的基本特性27§3-1气体放电的物理基础气体消电离（Deionization）复合表面复合空间复合直接复合间接复合正离子电子中性粒子电子正离子电子阳极正离子阴极负离子阳极中性粒子中性粒子带电离子异性离子中性粒子2020/5/6第三章电弧的基本特性28§3-1气体放电的物理基础气体消电离（Deionization）复合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，常称为负电性气体例如，SF6具有很好的绝缘性能和灭弧性能直接复合的几率比间接复合的几率小得多复合释放能量：加热电极（金属或绝缘物表面）、辐射、增加中性粒子的速度电子的运动速度比负离子大得多2020/5/6第三章电弧的基本特性29§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使极间气体电离度下降，电导率减小扩散使电极间电离气体中带电粒子减少2020/5/6第三章电弧的基本特性30§3-1气体放电的物理基础等离子体物理学简介等离子体-物质的第四态2020/5/6第三章电弧的基本特性31§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2020/5/6第三章电弧的基本特性32§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2020/5/6第三章电弧的基本特性33§3-1气体放电的物理基础等离子体物理学简介2020/5/6第三章电弧的基本特性34§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2020/5/6第三章电弧的基本特性35§3-1气体放电的物理基础密度(cm-3)2020/5/6第三章电弧的基本特性36§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2020/5/6第三章电弧的基本特性37§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2020/5/6第三章电弧的基本特性38§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2020/5/6第三章电弧的基本特性39§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2020/5/6第三章电弧的基本特性40§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2020/5/6第三章电弧的基本特性41§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2020/5/6第三章电弧的基本特性42§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上升到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2020/5/6第三章电弧的基本特性43§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上升到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202