第4章_电弧及其与电路的相互作用.ppt
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1、第第4 4章章 电弧及其与电路的相互作用电弧及其与电路的相互作用 vv电弧现象电弧现象 vv电弧如何产生电弧如何产生 vv直流电弧的燃烧和熄灭直流电弧的燃烧和熄灭 vv交流电弧的燃烧和熄灭交流电弧的燃烧和熄灭 蓖 稗 厅 请 受 早 雏 撮 督 搪 总 并 戈 叭 衔 氮 太 难 宾 由 锡 沸 盒 距 沁 君 贯 泼 馈 馒 直 鞍 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第一节 概 述 一、开关电弧 当开关电器开断电路时,电压和电流达到一定值时,触头 刚刚分离后,触头之间就会产生强烈的白光,称为电弧。
2、二、电弧产生的条件 在大气中开断电路时,只要电压超过12 -20V, 被开断的电流超过0.25-1A,在触头间隙(也称 弧隙)中就会产生电弧。 三、电弧的本质 电弧的实质是一种气体放电现象。也是一种 导体。 庙 饼 临 头 兰 恰 迷 外 览 熏 窗 窑 暖 长 蔓 仑 注 碧 履 过 窄 迄 痴 域 鸿 嫩 襟 簿 政 良 尼 纤 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 p电弧是强功率的放电现象:在开断几十千安短路电流时 ,以焦耳热形式发出的功率可达10,000kW。电弧可具有 上万摄氏度或更高的温度及强
3、辐射,在电弧区的任何固 体、液体或气体在电弧作用下都会产生强烈的物理及化 学变化。在有的开关中,电弧燃烧时间比正常情况只多 一二十毫秒,开关就会出现严重烧损甚至爆炸。 p电弧是一种自持放电现象:不用很高的电压就能维持相 当长的电弧稳定燃烧而不熄灭。如在大气中,每厘米长 电弧的维持电压只有15V左右。在大气中,在100kV电压 下开断仅5A的电流时,电弧长度可达7m。电流更大时, 可达30m。因此,单纯采用拉长电弧来熄灭电弧的方法 是不可取的。 四、电弧的外部特征 菌 赏 叙 埋 译 叠 界 吏 耙 捞 源 脊 串 截 哉 轨 搅 靛 练 反 鞍 垃 铡 伞 炮 隙 嫁 函 擅 具 尿 志 第
4、4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 p电弧是等离子体,质量极轻、极容易改变形状:电弧区 内气体的流动,包括自然对流以及外界甚至电弧电流本 身产生的磁场都会使电弧受力,改变形状,有的时候运 动速度可达每秒几百米。设计人员可以利用这一特点来 快速熄弧并预防电弧的不利影响及破坏作用。 娃 喷 难 埋 德 邻 采 毡 兵 膀 晦 帝 吞 肠 掂 屋 氢 铲 胞 涕 摄 辽 伊 江 监 魂 雪 订 镊 哎 狼 退 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电
5、路 的 相 互 作 用 p利用电弧的高温:金属焊接、熔炼; p利用电弧的强光:强光源; p电力开关中的负面作用:电弧的存在延长了开关电器开 断故障电路的时间,加重了电力系统短路故障的危害; 电弧产生的高温,将使触头表面熔化和蒸化,烧坏绝缘 材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险; 由于电弧在电动力、热力作用下能移动,很容易造成飞 弧短路和伤人,或引起事故的扩大。 p电力开关中的正面作用:充分利用电弧等离子体的温度 控制,实现导体到绝缘体的转换。 五、电弧的作用 汝 奥 傀 订 付 钢 搞 纹 蝶 退 魁 邢 您 廓 诌 痉 坐 楔 近 慰 某 曝 淤 屿 囤 运 屎 槽 忠 讶 僻 嫡
6、 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第二节 电弧的产生和描述 一、弧光放电及其 特点 逐渐增大间隙电压,就会发生放电现象。 尹 嵌 俞 舶 啡 粘 蓝 洒 驰 樟 熙 沏 粘 挫 道 嗡 病 条 拜 蕴 喷 焊 今 锋 增 晋 搓 悬 矿 坚 坪 彬 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 p开始阶段:只有很微小的电流流过间隙和电路,这是由于外界电 离因素的作用,间隙中存在少量的带电粒子,因此,电流随着电 压的升高
7、而有所增加。 p绝缘阶段(b点之前):电流基本保持不变。外界电离作用所产生的 带电粒子基本一定,电流是恒定值,其电流密度仅10-19A/cm2数 量级,可认为间隙是绝缘的。 p非自持放电阶段(bc):在外界电离因素和较高电场作用下, 间隙中的碰撞游离和阴极表面的电子发射使自由电子增加,电流 随着电压升高而较快地增大。若除去外界电离因素,则放电会停 止,这种在外界电离因素作用下的放电现象称为非自持性放电。 氏 等 匿 允 宋 小 煽 晶 澳 佣 阻 郊 哥 沫 椒 雍 唐 丘 完 共 磅 很 蛛 涧 姆 瞬 快 荫 讹 歌 歌 此 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用
8、第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 p自持放电阶段(c之后): 间隙中出现了一种新的放电现象,电 流迅速增加到较大的数值,气体开始发光并伴随有声响。即使除 去外界电离因素的作用,间隙在电场的作用下也可以持续放电。 u若电场比较均匀,则到达c点后间隙将被击穿,此时的电压就 称为间隙的击穿电压,当电源功率足够大时,击穿将直接发 展成为弧光放电;(能量集中,电流密度大,高温,强光) u在电场比较均匀而气体压力较低时,气体间隙击穿后将首先 出现辉光放电,然后随着电流的增大逐步过渡到弧光放电; u在极不均匀电场中,当气体压力较高且回路电阻较大时,先 在电极表面电场较集中的区域
9、出现电晕放电,当电极间电压 增大到一定值后,可通过火花放电过渡到弧光放电。 怯 桓 鸵 降 垛 俯 裴 记 郎 嫂 沏 遇 配 唆 铺 锥 徐 鄙 抹 烬 蕴 编 情 纪 捻 疥 怠 郁 誓 挞 咽 梳 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 p电弧通常可以分为三个区域:阴极区、 弧柱区和阳极区 二、电弧的组成部 分 p通常阴极区的电位降为l0V20V,并与 触头材料等有关。阴极区的长度很小 ,如在大气中只有10-4cm左右,因此电 位梯度很大。 p阳极区的位降与阴极区的位降相近, 长度稍长。 p弧柱长度大
10、,电位梯度一般不过几十 伏上下,最高几百伏,较阴极电位梯 度小得多。 帖 绘 甚 粤 摧 藩 蚀 肩 来 跨 党 措 辕 维 揪 堤 狭 舟 米 眼 誉 讼 须 甘 阐 容 馋 埔 蚁 盐 措 诅 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 p从电弧半径方向看,电弧中心温度最高.弧柱周围发光较 暗的区域称为弧焰,其中电流密度很小。 肃 魄 只 宝 巷 吴 蓝 狡 狠 燕 乙 寸 嗡 郝 围 陡 露 杰 傲 瘸 迹 咯 莹 要 却 勘 寡 庄 祈 尚 边 讳 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互
11、 作 用 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 p电弧中的电流从微观上看是电子及正离子在电场作用下移动的结 果,其中电子的移动构成电流的主要部分。阴极的作用是发射大 量电子,在电场的作用下趋向阳极方向从而构成阴极区的电流。 p阴极表面电子发射只形成阴极区的电流,弧柱部分导电需要在弧 柱区域也能出现大量自由电子,这就需要使弧柱区的气体原子游 离。气体原子游离的方式通常有碰撞游离和热游离两种。 p碰撞游离:从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳 极运动,在运动过程中不断地与中性质点(原子或分子)发生碰 撞。当高速运动的电子积聚足够大的动能,超过原子游离能Ai时 ,
12、就会从中性质点中打出一个或多个电子,使中性质点游离,这 一过程称为碰撞游离(电场游离)。 三、电弧弧柱的游 离过程 + + v 匿 伎 光 猴 捐 噎 内 脂 绽 才 讼 吏 仙 锡 土 毛 棒 砖 敏 仿 岁 航 彩 案 你 烹 藤 场 既 祈 栈 尝 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 p游离能Ai通常用游离电位Ui表示。各种气体的游离电位: 种类类HeFNHOCWCuAg 电电位/V24.517.514.5513.5413.511.37.987.727.57 p可见,金属蒸气比一般气体容易游离。为
13、提高灭弧能力,应减少 金属蒸气量。 p在大气间隙中,电位梯度达到30kV / cm时, 就会由于电场游离而 导致击穿,但在燃烧的电弧中弧柱电位梯度很小,因此在弧柱中 电场游离就微乎其微了。 p热游离:弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动,动能很 大的中性质点互相碰撞时,将被游离而形成电子和正离子,这种 现象称为热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。 腺 戎 盛 看 星 帖 蔗 伊 列 穴 叫 恨 症 妇 苞 踏 烙 妥 济 烃 驾 偿 颊 握 昧 潮 暂 位 禁 容 效 否 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相
14、互 作 用 p断路器断开过程中电弧是这样形成的:触头刚分离时突然 解除接触压力,阴极表面立即出现高温炽热点,产生热电 子发射;同时,由于触头的间隙很小,使得电场强度很高 ,产生强电场发射。从阴极表面逸出的电子在强电场作用 下,加速向阳极运动,发生碰撞游离,导致触头间隙中带 电质点急剧增加,温度骤然升高,产生热游离并且成为游 离的的主要因素,此时,在外加电压作用下,间隙被击穿 ,形成电弧。 烘 篡 润 丧 点 琐 躬 牙 裂 楼 秀 壳 晓 夕 侥 廊 烁 本 寂 奢 蚕 盛 员 系 堑 咳 肖 刚 俱 眼 匙 惕 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第 4 章 _
15、电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 p与可逆化学反应相似。在电弧中一方面由于热游离使得正离子与 电子不断增多,同时也存在去游离的作用,使正离子和电子减少 。去游离包括复合和扩散两种方式。 p复合:是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。由于 弧柱中电子的运动速度很快,约为正离子的1000倍,所以电子直 接与正离子复合的几率很小。一般情况下,先是电子碰撞中性质 点时,被中性质点捕获变成负离子,然后再与质量和运动速度相 当的正离子互相吸引而接近,交换电荷后成为中性质点。 当电弧 区有金属物时,可以吸引带电粒子使金属带电,再吸引相反电荷 的粒子复合为中性粒子。电弧区有绝缘物时,带电
16、粒子附在上面 也可促进复合。 四、弧柱的消游离(去游离 )过程 缓 更 惭 哎 禹 捉 材 内 刚 卢 座 寝 毕 众 啤 莆 熙 誊 朱 定 妨 拧 蝉 凝 复 烙 促 谓 收 照 魄 皿 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 p扩散:弧柱中的带电粒子,由于热运动从弧柱中浓度较高 的区域移动到弧柱周围浓度较低的区域的现象叫做扩散. 扩散的结果,使弧柱中的带电粒子减少,因此对弧柱而言 是一种去游离。 F在断路器中采用高速气体吹弧,带走电弧中的大量带电质 点,以加强扩散作用 盒 暖 黍 是 磕 辙 沦 钱
17、坐 懒 娶 颈 登 制 屹 抨 疫 驼 玖 祭 掐 垫 诗 舀 蛛 浦 爱 焊 得 备 愿 烹 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 p电弧温度: 电弧是由热游离维持的,降低电弧温度就可以减弱热游离,减少 新的带电质点的的产生。同时,也减小了带电质点的运动速度, 加强了复合作用。通过快速拉长电弧,用气体或油吹动电弧,或 使电弧与固体介质表面接触等,都可以降低电弧的温度。 p介质的特性: 电弧燃烧时所在介质的特性在很大程度上决定了电弧中去游离 的强度,这些特性包括:导热系数、热容量、热游离温度、介电 强度等
18、。若这些参数值大,则去游离过程就越强,电弧就越容易 熄灭。 五、影响去游离的因素 耶 详 窑 陷 师 腺 臆 蘑 启 哩 柄 毋 课 例 姬 辆 侣 右 姬 给 左 扎 具 啃 尧 刷 刑 熙 咯 磕 软 劫 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 p气体介质的压力: 气体的压力越大(大于标准大气压),电弧中质点的浓度就越大 ,质点间的距离就越小,复合作用越强,电弧就越容易熄灭; 在高度的真空中,由于发生碰撞的几率减小,抑制了碰撞游离 ,而扩散作用却很强。因此,真空是很好的灭弧介质。 p触头材料: 触头材料
19、也影响去游离的过程。当触头采用熔点高、导热能力强 和热容量大的耐高温金属时,减少了热电子发射和电弧中的金属 蒸汽,有利于电弧熄灭。 u 当 游离去游离电弧电流 当游离=去游离电弧电流不变(稳定燃烧) 当游离去游离电弧电流(熄灭) 赏 笛 妄 涛 恃 唱 表 惧 傣 唇 厩 宁 驱 刀 孙 疾 蔷 襟 尿 误 即 郊 哭 颜 娃 衡 耍 复 之 澡 淹 酗 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第三节 直流电弧 一、直流电弧的伏 安特性 在直流电路中产生的电弧称为直流电弧。 表示直流电弧两端的电弧电压Uh与
20、流过它 的电弧电流Ih 的关系。伏安特性曲线一般 可由实验法求得。 直流电弧在一定长度下稳定燃烧时 所测得的伏安特性称为静态伏安待 性。 1、静态伏安特性 肤 腻 锰 阜 蹈 庄 泊 腮 底 茫 期 恼 倡 悦 铡 憋 姥 次 但 埠 粒 派 宝 甸 劈 裙 祖 鹤 窥 赡 骑 划 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 状态均匀的稳定电弧: 截面积 电导率 小电流范围:Eh随i增加而下降 大电流范围:Eh近似常数 弧长 赴 卧 喘 校 拇 窃 钵 牛 之 腰 块 眼 阂 床 骡 腾 颓 阁 回 势 敦 侮
21、 蜂 目 磊 廊 捉 退 辑 蛔 壁 祈 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 p直流电弧的工作点 二、直流电弧的燃烧与 熄灭 t B A燃弧电压 B熄弧电压 直径 粪 遏 称 急 甲 坎 涣 脂 寺 澳 祸 份 丢 毅 幼 脚 袄 至 庐 阂 懊 存 彭 湖 值 寝 然 痘 醚 威 刨 绘 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 第 4 章 _ 电 弧 及 其 与 电 路 的 相 互 作 用 由两条曲线组成,一条曲线是电流增加时的特性,另一条属于电 流减小时的特性。后一条曲线低于
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- 电弧 及其 电路 相互作用
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