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1、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天津工业大学 电气工程与自动化学院 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
2、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。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=（1220），被开断，被开断电流流（0.251）时，触，触头间
3、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的过电压，过电压，另另一一方
4、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引起开关电器的着火和爆炸。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，研研究究电电弧弧的目的是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。
5、象。气体放气体放电的前提：气体的前提：气体电离化。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，克服些能量，克服原子核的吸引力而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，电子子处于外于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。
6、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：、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，但但原原子子的的能能量提高了量提高了)。此状态只存在。此状态只存在1010-9-91010-8-8秒。秒。3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程、电离：离：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
7、被激发到自由到自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(统称中性称中性粒子或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。电离能离能(ylyl)：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：，：，其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，电离能离能ylyl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
8、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。中。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
9、电离离的的现现象象叫叫做做分分级级电电离。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
10、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。我们把把这种气体叫种气体叫电离气离气体。体。
11、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。离度。电离离度越高气体度越高气体导电率越大。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。离。3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程、表面、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。射。热发射：在射：在200020002500K2500K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。象。逸出功
12、：逸出功：记为ycyc，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 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10106 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。象。隧道效隧道效应 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，引起电子从表子从表面逸出的面逸出的现象。象。光光电效效应 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
13、金属表面阳极，引起金属表面发射射电子的子的现象。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，高，所以阴极表面二次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 、空、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。存在。、光、光电离：离：中性粒子受
14、光照作用，当光子能量中性粒子受光照作用，当光子能量(h)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。离。(h：普朗克常数，：普朗克常数，h6.62410-34，单位是位是js；：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。离作用。3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程 、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mm的的带电粒子粒子(由光由光电离或表离或表面面发射所射所产生生)在在电场的作用下被加速到后，如其的作用下被加速到后，
15、如其动能能 MVMV大于大于ylyl，那，那么，当其与中性粒子么，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，而存在一离的，而存在一定几率。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两子和中性粒子两者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，然后再碰撞，然后
16、再碰撞才才电离。有离。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离子。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 、热电离：离：当气体温度在当气体温度在300030004000K4000K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。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)
17、(k)，WWylyl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，所以相同温度知，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，其电离度要比纯下，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。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：、去、去电离：也叫消离：也叫消电离；是指离；是指电离气体中的离
18、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。象。、去、去电离方式：包括复合与离方式：包括复合与扩散。散。、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：a 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入阳极；正离子接近阴极后从阴极取得得电子，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
19、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
20、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 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被被称称为负电性气体，是一种良好的性气体，是一种良好的灭弧介弧介质。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
21、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、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
22、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，扩扩散不能继续进行。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
23、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、气体放气体放电的几个的几个阶段：段：见图3-53-5。、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
24、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。所以以图中的中的C 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、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UU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、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
25、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，不足以产生高生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、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
26、生二次生二次发射。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。快。3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程、自持放自持放电阶段：段：图3-53-5中的中的CFCF段。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足子数已足够多，此多，此时去除外界因素后，也能由去除外界因素后，也能由电子通子通过电场电离离产生正离子，再由生正离子，再由正离子通正离子通过二次二次发射射产生生电子子这一往一往复作用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
27、，即即图中的中的CFCF段。段。3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程 C C点附件的点附件的BDBD区，因区，因为汤姆姆逊最早最早对其其进行研究，故常称行研究，故常称为汤姆姆逊放放电区。区。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离方式主要是方式主要是电场电离。离。辉光放光放电的特征的特征为：放：放电通道的温度通道的温度为常常温，温，电流密度小，阴极流密度小，阴极压降降较高。高。3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程EFEF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。弧光放电特特征是：放征是：放电通道有
28、明通道有明显边界，通界，通道中的温度极高，道中的温度极高，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。离。3-1 气体放气体放电的物理的物理过程程、自持放自持放电阶段：段：图3-53-5中的中的CFCF段。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和力和电极极间距离的乘距离的乘积，即，即jcjc f(pl)f(pl)，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
29、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
30、件件以以及及击击穿穿电电压压与与气气体体间间隙参数的关系隙参数的关系。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。特征。1 1、汤逊第第一一系系数数 ：即即
31、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是气是气压压，mmHgmmHg；T T：气温，：气温，k k；A A0 0、B B0 0：是：是经验经验数据。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 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
32、离第二系数，见表3-33-3，例如铜，例如铜电极的电极的 0.0250.025；汤逊第一系数汤逊第一系数 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3-43-4。（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 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
33、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：除除plpl很小外，很小外，实线与虚与虚线很接近；很接近；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；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
34、。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 将上式将上式对plpl求极求极值，可得，可得铜电极在空气中的最小极在空气中的最小击穿穿电压：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，氢氢气气为为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）不均匀电场电场的气体的气体间间隙隙击击穿条件：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
35、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合。为此有基于光电离作用的所谓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，在在其其途途径上产生大量正离子和负离子。由于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
36、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
37、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
38、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释了长间隙击穿过程的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
39、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
40、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
41、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
42、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
43、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：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。电场强度度甚甚高高（平平均均达达到到106
44、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；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。度不大。3-2 电弧的物理特征 当当电弧弧稳定定
45、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：处处于近阴极和近阳极之于近阴极和近阳极之间间，自由状，自由状态态下近似下近似圆圆柱形；柱形；电电离气体中离气体中正正负带电负带电粒子数相等，粒子数相等，为为等离子体；由于等离子体；由于不存在空不存在空间电间电荷，荷，类类似金属似金属导导体，即每一体，即每一单单位位长长度上的度上的电压电压降基本相等，降基本相等，换换句句话说话说，弧柱中的弧柱中的电场电场强强度度E E沿弧沿弧长长可看作是常数，可看作是常数，其其值值与与电电极材料、气极材料、
46、气压压、介、介质对电质对电弧的作弧的作用等有关；弧柱用等有关；弧柱电压电压U Uz zI 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，UhU0，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
47、不同，获得的数据差别也很大。开关电器：燃弧温度600020000K；趋向熄灭温度：30004000k。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1000012000K。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：电流下降到零时弧柱温度不为零。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
48、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
49、用实验方法确定：方法确定：铜电极极在在大大气气中中自自由由燃燃弧弧，弧弧长0.52cm,当当电弧弧电流流为220A时：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2050m/s和和Ih为501000A时：3-2 电弧的物理特征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=0.00230.0039 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=0.220.27,n=0.60.7 3-2 电弧的物理特征弧
50、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：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。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