文档介绍：第十三章电弧及灭弧装置 第一节电弧的物理基础
一、电弧现象及特点
电弧属于气体放电的一种形式。对于有触点电器而言,由于它主要产生于触头断开电路时,高温将烧损触头及绝缘,严重情况下甚至引起相间短路、电器爆炸,酿成火灾,危及人员及设备的安全。所以从电器的角度来研究电弧,目的在于了解它的基本规律,找出相应的办法,让电弧在电器中尽快熄灭。
可分为三个区域,即近阴极区、近阳极区及弧柱区。
阴极压降与阳极压降的数值几乎与电流大小无关,在材料及介质确定后可以认为是常数。
弧柱区的长度几乎与电极间的距离相同。是电弧中温度最高、亮电弧三个区及电位度最强的区域。因在自由状态下近似圆柱形,故称弧柱区。在此区域降、电位梯度的分布中正、负带电粒子数相同,亦称等离子区。由于不存在空间电荷,整个弧柱区的特性类似于一金属导体。每单位弧柱长度电压降相等。其电位梯度尼也为一常数,电位梯度与电极材料、电流大小、气体介质种类和气压等因素有关。
电弧按其外形可分为长弧与短弧。
电弧还可按其电流的性质分为直流电弧和交流电弧。
二、开断电路时电弧产生的物理过程
从物质原子的结构而言,是由原子核与若干电子构成的。电子沿一定的轨道绕原子核运动。电子可能运行的轨道由于能量级的不同有许多条,越靠近原子核,轨道的能量级越低。在正常情况下,电子是按一定数量规律分布在不同的能量级轨道上运动。但当原子受到外界能量(热、光、碰撞等)作用时,其状态就会有所变化,电子吸收这些能量后,会改变自己的运行轨道。如果加到电子上的能量不够大,只能使电子从低能量级轨道跳到高能量级轨道,从而使原子的内能增加,这种现象称为激励。激励所需能量称激励能。
如果外界加到电子上的能量足够大,能使电子克服原子核的吸引力作用而成为自由电子,这种现象称为游离。游离所需的能量,叫做游离能。不同的物质其游离能不同。
气体物质若是由于碰撞或热运动而获得能量发生游离则称为碰撞游离、热游离。
金属材料的表面发射根据其原因可分为以下几种。
电器工作时,如果触头开断电路的电压和电流大于其生弧电压和生弧电流(产生电弧的最小电压、电流值),就会产生电弧。触头间产生电弧的物理过程如下:
触头刚开始分离时,接触面积逐渐减小,接触处的电阻越来越大,电流密度也逐渐增大,触头表面的温度剧增。触头表面形成热发射电子。在触头刚刚分开发生热发射的同时,由于触头之间的距离很小,线路电压在这很小的间隙内形成很高的电场。阴极表面形成强电场发射电子。由于这两种发射的作用,大量电子从阴极表面进入弧隙,它们在电场的作用下,随着触头的分开就会不断地撞击中性气体分子,形成碰撞游离,产生自由电子与正离子。
被游离的自由电子在电场作用下又会发生新的撞击和游离。孤隙中的中性气体就变为导电的自由电子与正离子。在电场作用下,它们向阴极、阳极运动,电弧形成,电路并未断开。随着电弧形成产生的高温,弧隙间的热游离作用越来越强,气体中带电粒子越来越多,电弧则完全形成了。应该注意的是,在整个过程中几种物理作用并不是截然分开的,而是交叉进行或同时存在的。
从能量的角度来看,电弧燃烧时要从电源不断向电弧内部输入能量,而这个能量又不断转变为电弧的热量通过传导、对流及辐射三种方式散失。
三、电弧熄灭的物理过程
当电弧稳定燃烧时是处在热动平衡状态,此时不可能有电子和离子的积累。这说明电弧中气体游离现象的同时还存在一个相反的过程,我们称之为消游离。消游离就是正、负带电粒子中和而变成中性粒子的过程。消游离的方式分两类:复合和扩散。
带异性电荷的粒子相遇后相互作用中和而变成中性粒子称为复合。复合按其地点可分为:
(1)表面复合带正、负电荷的粒子附在金属或绝缘材料表面上,相互吸引而中和电荷,变成中性粒子。
(2)空间复合
带电粒子运动速度是直接影响复合作用大小的重要因素。降底温度、减小电场强度可使粒子运动速度减小,易于复合。此外,带电粒子浓度增大时,复合机会增多,复合作用也可以加强。在电弧电流不变的条件下,设法缩小电弧直径,则粒子浓度可增大。
复合过程总是伴随着能量的释放。释放出来的能量成为加热电极、绝缘物及气体的热源,同时也向四周散发。
加速电弧的冷却是提高扩散作用的有效方法。
电弧中存在着游离与消游离两方面的作用。当游离作用占优势时电弧就会产生和扩大,当消游离作用占优势时,电弧就趋于熄灭。游离与消游离作用与许多物理因素有关,如电场强度、温度、浓度、气体压力等。那末,我们可以根据这些物理因素的变化影响情况,找出一些切实可行的方法,减小游离,增加消游离,使触头断开电路时产生的电弧尽快地熄灭。