电弧的基本特征

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1、电电 器器 理理 论论 基基 础础-第三章第三章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 电弧的基本特征电弧的基本特征本章讲授内容本章讲授内容 （其中（其中红色内容红色内容是重点）是重点） 1 1气体放电的物理基础气体放电的物理基础 ；气体放电的理论。；气体放电的理论。 2 2电弧的物理特性；电弧的物理特性；电弧产生的过程电弧产生的过程和电弧的温度、直径等特性。和电弧的温度、直径等特性。 3 3直流电弧的特性和熄灭原理；直流电弧的熄

2、灭条件和熄灭方法。直流电弧的特性和熄灭原理；直流电弧的熄灭条件和熄灭方法。 4 4交流电弧的特性；交流电弧的伏安特性及电弧电压对电路电流的影交流电弧的特性；交流电弧的伏安特性及电弧电压对电路电流的影响。响。5 5、麦也耳电弧数学模型介绍、麦也耳电弧数学模型介绍第三章第三章 电弧的基本特征电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 电弧的基本特征电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 电弧的基本特征电弧的基本特征“电弧电弧”的定义：的定义： 定义定义 ：在大气中开断电路时，当电源电压：在大气中开断电路时，当电源电压U U0 =（1220），被开断电流，被开断电流（

3、0.251）时，触头间隙中产生的一团）时，触头间隙中产生的一团温度极高、发强光、能导电的近似圆柱体的气体。温度极高、发强光、能导电的近似圆柱体的气体。 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 ）。）。 电弧具有温度高和发强光的性质，被广泛用于焊接、熔炼和强光源等各电弧具有温度高和发强光的性质，被广泛用于焊接、熔炼和强光源等各个技术领域。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。 一方面它可给电路中磁能的泄放提供场所，从而降低电路开断时产生的一方面它可给电路中磁能的

4、泄放提供场所，从而降低电路开断时产生的过电压，过电压， 另一方面它延迟电路的开断、烧损触头，在严重的情况下甚至可能引另一方面它延迟电路的开断、烧损触头，在严重的情况下甚至可能引起开关电器的着火和爆炸。起开关电器的着火和爆炸。 因此，在电器技术科学中研究电弧的目的，不在于如何利因此，在电器技术科学中研究电弧的目的，不在于如何利用电弧稳定然烧的特性为生产服务，而在于采取怎样的措施用电弧稳定然烧的特性为生产服务，而在于采取怎样的措施使其存在的时间尽量缩短，以减轻其危害。或者说，研究电使其存在的时间尽量缩短，以减轻其危害。或者说，研究电弧的目的是弧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

5、电气体放电: :是指气体由绝缘状态变成导电状态，使电流通过的现象。是指气体由绝缘状态变成导电状态，使电流通过的现象。 气体放电的前提：气体电离化。气体放电的前提：气体电离化。 电弧是气体放电的一种形式。电弧是气体放电的一种形式。 电子是按一定数量规律分布在其最低能级的轨道上。当原子受到外界能量电子是按一定数量规律分布在其最低能级的轨道上。当原子受到外界能量( (热、光、碰撞等热、光、碰撞等) )作用时，其外层轨道上的电子就可能吸收这些能量，克服作用时，其外层轨道上的电子就可能吸收这些能量，克服原子核的吸引力而跃迁到更外层较高能级的轨道上去。然而，电子处于外原子核的吸引力而跃迁到更外层较高能级的

6、轨道上去。然而，电子处于外层轨道上是不稳定的，常因受原子核的吸引力作用而自动跳回到原来的轨层轨道上是不稳定的，常因受原子核的吸引力作用而自动跳回到原来的轨道上去。在跳回的过程中，电子以量子辐射的形式放出多余的能量。道上去。在跳回的过程中，电子以量子辐射的形式放出多余的能量。 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程一、激励与电离：一、激励与电离： 、激励：、激励：也叫激发，是指原子吸收能量后，使电子由低能量轨道也叫激发，是指原子吸收能量后，使电子由低能量轨道跳向能量较高的轨道的过程跳向能量较高的轨道的过程 ( (激励后原子仍是中性原子，但原子的能激励后原子仍是中性原子，但原子的能量提高了量

7、提高了) )。此状态只存在。此状态只存在1010-9-91010-8-8秒。秒。 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程、电离：、电离： 定义：电离是指原子吸收足够大的能量后，电子被激发到自由定义：电离是指原子吸收足够大的能量后，电子被激发到自由态而离开原子轨道形成自由电子，使原来的中性原子或分子态而离开原子轨道形成自由电子，使原来的中性原子或分子( (统称中统称中性粒子或中性质子性粒子或中性质子) ) 变成一个带正电荷的粒子变成一个带正电荷的粒子( (正离子正离子) )的过程。的过程。 电离能电离能( (ylyl) )： 指电离出一个电子所需的最低能量指电离出一个电子所需的最低能量(

8、(单位为：，单位为：，其值参见教材其值参见教材P58,P58,表表3-1)3-1)。为方便起见，电离能。为方便起见，电离能ylyl可以直接用电离可以直接用电离电压表示，其单位由电压表示，其单位由J J改为改为evev；ylylWeU191.6 10yleeCU电子的电量，电离电位 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过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能量称为激励能，它的单位为eVeV。一个原子可。一个原子可以有几个激励能，它们分别对应于不同的外层轨道。一些气体和金属蒸汽以有几个激励能，它们分别对应于不同的外层轨道。一些气体和金属蒸汽的激励能也示于表的激励能也

9、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 气体放电的物理过程气体放电的物理过程 已被激励的中性粒子比较容易电离，因为此时产生电离所需已被激励的中性粒子比较容易电离，因为此时产生电离所需的能量小于正常中性粒子所需的能量，减少的数值即等于该的能量小于正常中性粒子所需的能量，减少的数值即等于该元素的激励能。这种经过激励状态再电离的现象叫做分级电元素的激励能。这种经过激励状态再电离的现象叫做分级电离。离。 激励是一种不稳定的状态，大量被激励的中性粒子能以光量激励是一种不稳定的状态，大量被激励的中性粒子能以光量子的形式释放能量而自动的回到正常状态。子的形

10、式释放能量而自动的回到正常状态。 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程 有一种特别的激励状态，在该状态下，已经跳到较外层轨道有一种特别的激励状态，在该状态下，已经跳到较外层轨道上的电子不能很快地返回原来的正常轨道。常常必须再由外上的电子不能很快地返回原来的正常轨道。常常必须再由外界加进能量，使已处于较外层轨道上的电子跳到更外层轨道界加进能量，使已处于较外层轨道上的电子跳到更外层轨道上去，然后电子才能跳回正常轨道，或者，电子在第二次外上去，然后电子才能跳回正常轨道，或者，电子在第二次外界能量的作用下发生电离。这种激励状态叫做界能量的作用下发生电离。这种激励状态叫做介稳状态介稳状态。中。中

11、性粒子处于介稳状态的时间可达性粒子处于介稳状态的时间可达10-4-10-2s甚至更长，因而它甚至更长，因而它在中性电子电离的过程中起很大作用。在中性电子电离的过程中起很大作用。 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程二、气体电离方式：二、气体电离方式： 气体通常不导电，但是如果气体中含有带电粒子气体通常不导电，但是如果气体中含有带电粒子-电子、电子、正离子和负离子，它就能导电。我们把这种气体叫电离气正离子和负离子，它就能导电。我们把这种气体叫电离气体。体。 气体中被电离的原子数与总原子数之比叫做电离度。电离气体中被电离的原子数与总原子数之比叫做电离度。电离度越高气体导电率越大。度越高气体