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標(biāo)簽 > 電弧
電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，電流通過某些絕緣介質(zhì)（例如空氣）所產(chǎn)生的瞬間火花。電弧是一種自持氣體導(dǎo)電（電離氣體中的電傳導(dǎo)），其大多數(shù)載流子為一次電子發(fā)射所產(chǎn)生的電子。
電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，電流通過某些絕緣介質(zhì)（例如空氣）所產(chǎn)生的瞬間火花。電弧是一種自持氣體導(dǎo)電（電離氣體中的電傳導(dǎo)），其大多數(shù)載流子為一次電子發(fā)射所產(chǎn)生的電子［1］ 。觸頭金屬表面因一次電子發(fā)射（熱離子發(fā)射、場致發(fā)射或光電發(fā)射）導(dǎo)致電子逸出，間隙中氣體原子或分子會因電離（碰撞電離、光電離和熱電離）而產(chǎn)生電子和離子。另外，電子或離子轟擊發(fā)射表面又會引起二次電子發(fā)射。當(dāng)間隙中離子濃度足夠大時，間隙被電擊穿而發(fā)生電弧［1］ 。
電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，電流通過某些絕緣介質(zhì)（例如空氣）所產(chǎn)生的瞬間火花。電弧是一種自持氣體導(dǎo)電（電離氣體中的電傳導(dǎo)），其大多數(shù)載流子為一次電子發(fā)射所產(chǎn)生的電子［1］ 。觸頭金屬表面因一次電子發(fā)射（熱離子發(fā)射、場致發(fā)射或光電發(fā)射）導(dǎo)致電子逸出，間隙中氣體原子或分子會因電離（碰撞電離、光電離和熱電離）而產(chǎn)生電子和離子。另外，電子或離子轟擊發(fā)射表面又會引起二次電子發(fā)射。當(dāng)間隙中離子濃度足夠大時，間隙被電擊穿而發(fā)生電弧［1］ 。
開關(guān)電器的基本功能就是能夠在所要求的短時間內(nèi)分合電路，即起所謂開關(guān)的作用，機(jī)械式開關(guān)設(shè)備是用觸頭來開斷電路電流的，在大氣中開斷電路時，只要電壓超過12—20V，被開斷的電流超過0.25—1A，在觸頭間隙（也稱弧隙）中通常產(chǎn)生一團(tuán)溫度極高、發(fā)出強(qiáng)光且能夠?qū)щ姷慕茍A柱形的氣體，這就是電弧［2］ 。一直到電弧熄滅，觸頭間隙成為絕緣介質(zhì)后，電流才被開斷。發(fā)生在開關(guān)設(shè)備中的電弧簡稱為開關(guān)電弧。這種開關(guān)電弧現(xiàn)象，也即電弧燃燒和熄滅過程是開關(guān)電器最重要的內(nèi)容。開關(guān)電弧是等離子體的一種形式，屬低溫等離子體。開關(guān)電器中電弧的熄滅就是要積極地利用電弧等離子體的溫度控制來實現(xiàn)，對于高電壓大電流電路來說、只有產(chǎn)生電弧、才能實現(xiàn)對電弧等離子體的溫度控制。對于開關(guān)電器而言，希望它反有如下特件［3］ ；（1）電導(dǎo)率的變化范圍盡可能大，即要在導(dǎo)體與完全絕緣體之間變化；（2）電導(dǎo)率的變化速度盡可能快。前一項特性在本質(zhì)上決定于等離子體的材料，因此，引進(jìn)新的滅弧介質(zhì)是取得技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。后一項特性雖然也在較大程度上決定于等離子體的材料，但更易于受到等離子體控制方法的影響，作為開關(guān)電器核心部分的滅弧室的作用正在于對電弧等離子體的控制，加速其電導(dǎo)率的變化。
電弧放電
電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，也是一種等離子體。等離子體是與固體、液體、氣體并列的物質(zhì)第四態(tài)。以50000K為界，等離子體可分為高溫等離子體和低溫等離子體兩大類，電弧屬于后者。實際上，宇宙中約90%的物質(zhì)都是等離子體。等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)
等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)開關(guān)電弧是電弧等離子體的一種。開關(guān)電弧的主要外部特征有［2］ ：（1）電弧是強(qiáng)功率的放電現(xiàn)象 在開斷幾十千安短路電流時，以焦耳熱形式發(fā)出的功率可達(dá)l0000kW。與此有關(guān)，電弧可具有上萬攝氏度或更高的溫度及強(qiáng)輻射，在電弧區(qū)的任何固體、液體或氣體在電弧作用下都會產(chǎn)生強(qiáng)烈的物理及化學(xué)變化。在有的開關(guān)中．電弧燃燒時間比正常情況只多一二十毫秒，開關(guān)就會出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)龘p甚至爆炸。在用滅弧能力很弱的隔離開關(guān)開斷負(fù)荷電路時（屬于誤操作），電弧能使操作者大面積燒傷。（2）電弧是一種自持放電現(xiàn)象 不用很高的電壓就能維持相當(dāng)長的電弧穩(wěn)定燃燒而不熄滅。如在大氣中，每厘米長電弧的維持電壓只有15V左右。在大氣中，在100kV電壓下開斷僅5A的電流時，電弧長度可達(dá)7m。電流更大時，可達(dá)30m。因此，單純采用拉長電弧來熄滅電弧的方法是不可取的。（3）電弧是等離子體，質(zhì)量極輕、極容易改變形狀 電弧區(qū)內(nèi)氣體的流動，包括自然對流以及外界甚至電弧電流本身產(chǎn)生的磁場都會使電弧受力，改變形狀，有的時候運(yùn)動速度可達(dá)每秒幾百米。設(shè)計人員可以利用這一特點來快速熄弧并預(yù)防電弧的不利影響及破壞作用。兩個電極在一定電壓下由氣態(tài)帶電粒子，如電子或離子，維持導(dǎo)電的現(xiàn)象。激發(fā)試樣產(chǎn)生光譜。電弧放電主要發(fā)射原子譜線，是發(fā)射光譜分析常用的激發(fā)光源。通常分為直流電弧放電和交流電弧放電兩種。氣體放電中最強(qiáng)烈的一種自持放電。當(dāng)電源提供較大功率的電能時，若極間電壓不高（約幾十伏），兩極間氣體或金屬蒸氣中可持續(xù)通過較強(qiáng)的電流（幾安至幾十安），并發(fā)出強(qiáng)烈的光輝，產(chǎn)生高溫（幾千至上萬度），這就是電弧放電。電弧是一種常見的熱等離子體（見等離子體應(yīng)用）。電弧放電最顯著的外觀特征是明亮的弧光柱和電極斑點。電弧的重要特點是電流增大時，極間電壓下降，弧柱電位梯度也低，每厘米長電弧電壓降通常不過幾百伏，有時在1伏以下。弧柱的電流密度很高，每平方厘米可達(dá)幾千安，極斑上的電流密度更高。電弧放電可分為 3個區(qū)域：陰極區(qū)、弧柱和陽極區(qū)。其導(dǎo)電的機(jī)理是：陰極依靠場致電子發(fā)射和熱電子發(fā)射效應(yīng)發(fā)射電子；弧柱依靠其中粒子熱運(yùn)動相互碰撞產(chǎn)生自由電子及正離子，呈現(xiàn)導(dǎo)電性，這種電離過程稱為熱電離；陽極起收集電子等作用，對電弧過程影響常較小。在弧柱中，與熱電離作用相反，電子與正離子會因復(fù)合而成為中性粒子或擴(kuò)散到弧柱外，這一現(xiàn)象稱為去電離。在穩(wěn)定電弧放電中，電離速度與去電離速度相同，形成電離平衡。此時弧柱中的平衡狀態(tài)可用薩哈公式描述。能量平衡是描述電弧放電現(xiàn)象的又一重要定律。能量的產(chǎn)生是電弧的焦耳熱，能量的發(fā)散則通過輻射、對流和傳導(dǎo)三種途徑。改變散熱條件可使電弧參數(shù)改變，并影響放電的穩(wěn)定性。電弧通常可分為長弧和短弧兩類。長弧中弧柱起重要作用。短弧長度在幾毫米以下，陰極區(qū)和陽極區(qū)起主要作用。根據(jù)電弧所處的介質(zhì)不同又分為氣中電弧和真空電弧兩種。液體（油或水）中的電弧實際在氣泡中放電，也屬于氣中電弧。真空電弧實際是在稀薄的電極材料蒸氣中放電。這二種電弧的特性有較大差別。電弧是一束高溫電離氣體， 在外力作用下， 如氣流，外界磁場甚至電弧本身產(chǎn)生的磁場作用下會迅速移動（每秒可達(dá)幾百米），拉長、卷曲形成十分復(fù)雜的形狀。電弧在電極上的孳生點也會快速移動或跳動。在電力系統(tǒng)中，開關(guān)分?jǐn)嚯娐窌r會出現(xiàn)電弧放電。由于電弧弧柱的電位梯度小，如大氣中幾百安以上電弧電位梯度只有15伏/厘米左右。在大氣中開關(guān)分?jǐn)?00千伏5安電路時，電弧長度超過7米。電流再大，電弧長度可達(dá)30米。因此要求高壓開關(guān)能夠迅速地在很小的封閉容器內(nèi)使電弧熄滅，為此，專門設(shè)計出各種各樣的滅弧室。滅弧室的基本類型有：①采用六氟化硫、真空和油等介質(zhì)；②采用氣吹、磁吹等方式快速從電弧中導(dǎo)出能量；③迅速拉長電弧等。直流電弧要比交流電弧難以熄滅。電弧放電可用于焊接、冶煉、照明、噴涂等。這些場合主要是利用電弧的高溫、高能量密度、易控制等特點。在這些應(yīng)用中，都需使電弧穩(wěn)定放電。目前的電子產(chǎn)品，如等離子電視、等離子顯示器其顯示原理也是依賴電弧放電。電弧不單單只是對人有壞處，某些大型舞臺的燈光師利用電弧放電原理而制造成七彩斑斕的電弧花，以滿足人們對于電弧的稀奇。電弧具有超強(qiáng)的電力，能瞬間使心臟停跳，所以，利用電弧而工作的人們需要小心。
電弧的組成部分
電弧通常分為三個區(qū)域：陰極區(qū)、弧柱區(qū)、陽極區(qū)［5］
電弧的組成部分
陰極和陰極區(qū)電弧中的電流從微觀上看是電子及正離子在電場作用下移動的結(jié)果，其中電子的移動構(gòu)成電流的主要部分。陰極的作用是發(fā)射大量電子，在電場的作用下趨向陽極方向從而構(gòu)成陰極區(qū)的電流。電弧的陰極區(qū)對電弧的發(fā)生和物理過程具有重要的意義，形成電弧放電的大部分電子是在陰極區(qū)產(chǎn)生或由陰極本身發(fā)射的。電弧放電時，實際上并不是整個陰極全部參加放電過程，陰極表面的放電只集中在幾個很小的區(qū)域，這個小區(qū)域稱為陰極斑點，它是一個非常集中，面積很小的光亮區(qū)域，其電流密度很大．是電弧放電中強(qiáng)大電子流的來源。陰極發(fā)射電子的機(jī)制有兩種：熱發(fā)射和場致發(fā)射。
弧柱陰極表面電于發(fā)射只形成陰極區(qū)的電流，弧柱部分導(dǎo)電需要在弧柱區(qū)域也能出現(xiàn)大量自由電子，這就需要使弧柱區(qū)的氣體原子游離。氣體原子游離的方式通常有電場游離和熱游離兩種。與可逆化學(xué)反應(yīng)相似。在電弧中一方面由于熱游離使得正離子與電子不斷增多。同時也存在去游離的作用，使正離子和電子減少。去游離包括復(fù)合和擴(kuò)散兩種方式。弧柱的特性和物理過程對電弧起著重要的作用。開關(guān)電弧中主要研究的就是弧柱的特性。
陽極和陽極區(qū)可把陽極分為被動型和主動型兩種。在被動型中。陽極只起收集電子的作用。在主動型中，陽極不但收集電子而且產(chǎn)生金屬蒸氣，因而也可以向弧柱提供帶電粒子。陽極表面也存在陽極斑點。上述三個區(qū)域?qū)﹄娀〉淖饔靡螂娀〉那闆r不同而不同。對于長度只有幾個毫米的電弧。電弧電壓主要由陰極區(qū)壓降和陽極區(qū)壓降組成，其中的物理過程對電弧起主要作用。這種電弧稱為短弧。而對于長度較大的電弧，弧柱則起主要作用，陰極、陽極的過程不起主要作用甚至可以忽略，這種電弧稱為長弧。在開關(guān)中的電弧一般屬于長弧。
電弧發(fā)生的條件
1、電路開斷時電弧的發(fā)生［6］ 在觸頭開始分離時．作用在它們之間的接觸壓力將減少，接觸面積也縮小，接觸電阻和觸頭中放出的熱量就增加。熱量集中在很小的體積中，金屬被加熱到高溫而熔化。在觸頭之間形成液態(tài)金屬橋，最后金屬橋被拉開，在觸頭之間形成過渡的或穩(wěn)定的電弧。如果放電是穩(wěn)定的，就是所謂的開斷電弧。放電穩(wěn)定性與很多因素有關(guān)，如在開斷的的電流、觸頭電路的特性、觸頭分離的速度等。為了使電弧點燃，某一最低電流值是必需的。2、觸頭閉合時電弧的發(fā)生3、真空和氣體間隙的擊穿4、從輝光放電到電弧放電的轉(zhuǎn)變5、從火花放電到電弧放電的轉(zhuǎn)變。
如何避免電弧的產(chǎn)生
要消除電弧，只能從電弧產(chǎn)生的原因方面去想辦法。
我們來看巴申曲線：
曲線中的擊穿電壓Ujc存在最小值Ujc.min，并且從Ujc.min的左側(cè)和右側(cè)開始，隨著pl（壓強(qiáng)與弧隙寬度的乘積）變小或者變大，擊穿電壓Ujc會變大。
因此在工程上，我們在開關(guān)觸頭所在的空間中采取抽真空，或者加入高壓的SF6氣體，都能有效地抑制電弧。
看下圖的真空滅弧室和真空斷路器：
在看下圖的GIS復(fù)合開關(guān)：
除此之外，用電力電子的方法來消除電弧，也是很常用的方法。例如晶閘管及其控制電路：
不過，電弧有的時候也并非沒用。我們甚至還可以利用電弧的某種效應(yīng)來抑制電弧，這就是低壓電器中的近陰極效應(yīng)。
上圖中，原本左邊是陽極，右邊是陰極。我們看到，電弧中的正離子從陽極出發(fā)射向陰極，并在陰極附近產(chǎn)生一定程度的堆積。
再看下圖：當(dāng)交流電流方向換向后，左側(cè)的陽極變成新陰極，但陽離子相對電子來說其體積大質(zhì)量大跑不快，仍然滯留在新陰極附近，使得新陰極發(fā)射電子的功能受阻。這種效應(yīng)叫做近陰極效應(yīng)。
近陰極效應(yīng)能有效地阻止短弧電弧的重燃，對電弧電流起到限流作用，因此是低壓開關(guān)電器中廣泛使用的熄弧方法。
總之，如何抑制電弧和熄滅電弧，是很有知識含量和技術(shù)含量的，是一項非常綜合的技術(shù)范疇，值得我們?nèi)ヌ接懞脱芯俊?/p>
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