电器理论基础 教学课件 作者 许志红 第5章_电器的电弧理论.ppt

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1、第5章电器的电弧理论福州大学许志红王剑第5章电器的电弧理论5.1引言5.2气体放电的物理基础5.3电弧的物理特性5.4直流电弧的特性与熄灭原理5.5交流电弧的特性与熄灭原理5.6开关电器典型灭弧装置的工作原理5.1引言在大气中开断电路时：开断电流＞0.25～1A；开断电压＞12～20V。在触头间隙通常会产生一团温度极高、发出强光、能够导电、近似圆柱形的气体在开关电器中，电弧的存在具有两重性：1、给电路中磁能的释放提供通路，降低电路开断时产生的过电压或作为限流电阻串入电路；2、延迟电路开断、烧损触头，严重时，可能引

2、起开关电器着火和爆炸。——电弧研究电器电弧的方法仿真：实验：从电弧机理和内部现象出发，通过描述电弧微观或者宏观过程的数学模型，利用数值方法实现电弧数学模型的求解，得到温度场、流体场特性。直接观测电弧的电、热、磁、光等现象，获得电弧形态、组分、温度等特性，通过测量电弧电压、电弧电流等外部特性，分析电弧所处金属相或气相阶段，以及电弧运动特性。电弧微观模型电弧宏观模型5.2气体放电的物理基础气体放电：弧隙中气体由绝缘状态变为导电状态的现象电弧：实质上就是气体放电的一种形式5.2.1电离和激励物质的原子——原子核+若干电子

3、正常状态下：电子按照一定的数量规律分布在其最低能级的轨道上激励：受到外界的能量（热、光、碰撞等）作用——电子吸收能量——克服原子核的吸引力——跃迁到更外层较高能级的轨道电离：若能量足够大，电子跳出原子核的吸引力而成为自由电子，使原来的中性粒子变成正离子的现象电离能(Wyl):电离一个电子所需要的能量5.2.2气体的电离方式电离气体——含有带电粒子（电子、正离子和负离子），能够导电的气体电离度——带电粒子占气体粒子数的百分比。电离度越高，气体的导电率越大表面发射:金属电极表面在某种情况下，发射电子进入弧隙空间电离:电

4、极间气体自身由绝缘状态变成导电状态气体电离方式热发射场致发射光发射二次发射光电离电场电离热电离表面发射热发射：当金属的温度升高时，其表面的自由电子可能获得足够的动能，以超越金属表面晶格电场造成的势垒而逸出对于一个洁净均匀的金属电极表面，其饱和热发射电流密度Jrf(A/cm2)为：表面发射场致发射(高电场发射)：当金属表面存在较高的电场强度(大于106V/cm)时，金属表面势垒厚度减小，自由电子可能在常温下穿过势垒(隧道效应)，逸出金属的现象在温度较高时，场致发射电流密度Jcf(A/cm2)为：光发射：光线和射线照到

5、金属表面时，引起电子逸出的现象二次发射：正离子以很高的速度撞击阴极，或者电子、负电荷以很高的速度撞击阳极时，引起金属电极表面发射电子的现象空间电离光电离：中性粒子受到一定频率的光照射而被电离的现象光的频率v需满足条件：电场电离(碰撞电离)：带电粒子在电场作用下加速，若动能超过电离能，当它在前进过程中撞击到另一中性粒子时，就可能使之电离粘合：电子碰撞中性粒子后，附着在上面构成负离子的现象空间电离热电离：气体粒子由于高速热运动相互碰撞而产生的电离当温度高达3000~4000K时，气体的热电离才显著起来温度越高，气体的热

6、电离度x越高，其关系可用沙哈公式表示：金属蒸汽的电离能比一般气体的小很多，相同温度下，其电离度大于一般气体在同一温度下，当气体中含有金属蒸汽时，其电离度提高，电导率增大。5.2.3气体的消电离方式消电离——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，叫做消电离复合:两个带有异号电荷的粒子相互作用，使电荷消失的现象。扩散:带电粒子由于热运动，从浓度较高的区域向浓度较低的区域移动的现象。消电离方式表面复合空间复合复合表面复合：电极表面、金属表面、绝缘材料表面都会产生复合现象电极表面复合金属表面复合绝缘材料

7、表面复合图5-2金属表面的复合过程复合空间复合：可分为直接空间复合和间接空间复合直接空间复合：正离子和电子在空间相遇后形成一个中性粒子的过程间接空间复合：电子先和中性粒子粘合成负离子，再与正离子复合形成两个中性粒子图5-3间接空间复合过程扩散扩散：带电粒子由于热运动从浓度高区向浓度低区移动的现象扩散使电极间电离气体中带电粒子减少，而降低其电离度当电离气体中正负带电粒子数相等（等离子体）时，扩散必然是双极扩散——在同一时间内，扩散的正离子数和负带电粒子数相等通过以上分析可知：气体的电离与消电离与弧隙中气体性质、气体压

8、力、电场强度、温度等因素有关设电离气体呈圆柱形，则扩散使带电粒子数密度降低的速度离子平衡方程式弧隙中的带电粒子数随时间的变化率为：式中，——弧隙中带电粒子随时间的变化率；——由于光、热发射和电离作用，带电粒子数的变化率；——由于扩散作用，带电粒子数的变化率；——由于复合作用，带电粒子数的变化率；——由于电场、二次发射和电场电离作用，带电粒子数的变化率弧隙中的