图8-20 弧柱中气流场与电磁场之间的相互作用过程为了简化开关电弧中的复杂物理化学过程，忽略电弧与电极之间的相互作用，而仅对与电弧特性及开断性能关系更为密切的弧柱部分进行分析。基于以上的假设，可以用Navier-Stokes控制方程来描述电弧等离子体运动的质量、动量及能量守恒过程，用Maxwell方程来描述其中的电磁过程。值得指出的是，空气开关电弧是电磁场和气流场耦合作用下的物理系统，因此上述磁流体动力学基本方程组必须同步耦合求解。......
2023-06-15
电弧近极区和弧柱区的特性分析
【摘要】：根据弧隙中电弧压降以及电场强度的变化规律可以分成3个区域，即靠近阴极的近阴极区、靠近阳极的近阳极区和弧柱区。近阴极区和近阳极区又被称为近极区。不同于近阴极区和近阳极区，弧柱区不存在空间电荷，所以弧柱区的特性类似金属电阻，弧柱区的电场强度E沿弧长可以看作常数。
当弧隙中产生电弧时，由弧隙中带电粒子的定向流动所形成的电流被定义为电弧电流Ih，该电弧电流也等于被分断电路的电流。而弧隙间的电压降被定义为电弧压降Uh，电弧压降Uh沿弧长并非均匀分布，换句话说，弧隙中的电位梯度（电场强度）不尽相同，如图3-2所示。根据弧隙中电弧压降以及电场强度的变化规律可以分成3个区域，即靠近阴极的近阴极区、靠近阳极的近阳极区和弧柱区。近阴极区和近阳极区又被称为近极区。
图3-2 电弧压降及电场分布
（a）弧隙中产生电弧；（b）电弧特性
1.近阴极区
电弧近阴极区长度很小，约等于电子的平均自由行程（＜10-4 cm）。如前所述，当发生强烈电离（如电弧放电）时，由于带电粒子质量的差异，造成它们在电场作用下被加速快慢不尽相同，从而造成在阴极附近积聚大量正离子（正空间电荷）的情况，正是由于该正空间电荷区的存在，导致阴极附近的电场强度急剧增高，并形成阴极压UC。近阴极区电场强度很高（平均达103 V/cm），这对加速正离子向阴极运动，轰击阴极表面以产生电子二次发射以及形成场致发射起着十分重要的作用。根据气体放电理论，对电弧的产生和发展起着决定性作用的带电粒子是电子及正离子的生成速度，而维持电弧放电所必需的电子绝大多数是在电弧的近阴极区产生的，或者是由阴极本身发射的，因此，电弧近阴极区特性对电弧的产生和发展具有重要意义。
阴极过程可能是由热电子发射或场致发射（冷发射）所主要决定的，这需要根据阴极表面温度的高低来确定。对熔点低的金属材料所制成的阴极而言，阴极温度不能达到足以产生热发射的温度，所以该类触头的阴极过程主要是由场致发射过程所决定的。而对阴极材料为难熔金属（如钨）的电极（触头）而言，由于阴极可以被加热至很高的温度，故当电弧炙热燃烧时，其阴极过程主要是由热电子发射过程所决定的。
事实上，阴极过程主要是由近阴极区内电离过程所决定的，当电弧燃烧时，近阴极区内充满气体以及从阴极表面所蒸发出的金属蒸气。因此，近阴极区的电离过程主要由气体的电离过程以及阴极金属材料蒸气的电离过程所决定。由此可知，阴极金属蒸气及弧隙间气体的电离电位将直接影响阴极压降。通常情况下，阴极压降界于阴极材料蒸气的电离电位和弧隙间气体的电离电位之间，而且对特定的阴极材料及弧隙间气体而言，其阴极压降近似为一常数。表3-3所示为一些阴极材料在空气或真空中的阴极压降。
表3-3 不同阴极材料在气体介质中的阴极压降
2.近阳极区
位于阳极附近的近阳极区的长度约为近阴极区的几倍。尽管电弧近阳极区也存在一定的阳极压降，但近阳极区与近阴极区相比存在着本质上的差别。与阴极能够发射电子相比，阳极的主要作用是接受电子流以保持电流的连续性。因此，与阴极相比，阳极在许多方面对电弧的影响较小，客观上对阳极的相关研究较少。
阳极在高温状态下也会向弧隙中发射电子（热发射），但却不能发射正离子，特别是阳极接受来自弧柱区的电子流。所以，近阳极区内聚集着大量的电子，形成密度极高的电子层（负空间电荷区），造成该区域的电位产生较大的改变，即形成阳极压降UA。压降的大小与阳极材料有关，通常情况下与阴极压降相近，由于近阳极区的长度要远大于近阴极区的长度，所以，近阳极区的电场强度远低于近阴极区的电场强度。
3.弧柱区
介于近阴极区和近阳极区之间的电弧区被定义为弧柱区，在自由状态下，弧柱近似为圆柱形。当电弧燃烧时，弧柱中始终进行着强烈的电离及消电离过程，而且基本上是热电离过程，由此可以确定弧柱区的温度很高，通常温度在6 000 K以上。由于弧柱区的电离度极高，因此弧柱具有良好的导电性。电弧电流越大，电离过程越强烈，弧柱的温度就越高，弧柱的电导就越高。所以，对在大气中自由燃烧的电弧而言，其弧柱具有负的伏安特性，即电流增大时，弧柱压降将降低。
在弧柱区的电离气体中，正负带电粒子数动态趋于平衡，故弧柱区的电离气体属于等离子体。不同于近阴极区和近阳极区，弧柱区不存在空间电荷，所以弧柱区的特性类似金属电阻，弧柱区的电场强度E沿弧长可以看作常数。E的大小与电极材料、电流大小、气体介质种类、气压以及介质对电弧的作用强烈程度有关。表3-4列出了不同条件下弧柱区电场强度E的大致数值。
表3-4 不同条件下弧柱区电场强度E的大致数值
根据弧柱区的电场强度E及弧柱长度L′，确定弧柱的电压降（简称弧柱压降），即
在通常情况下，电弧间隙的长度远大于近阴极区与近阳极区长度之和，弧柱长度可近似等于弧隙长度，因此，弧柱压降为
弧柱区的电阻为
式中：Ih——电弧电流。
4.电弧电压及电弧电阻
综上所述，电弧的电压降（简称电弧电压）Uh为
式中：U0——近极压降，U0=UC+UA；
Uc——阴极压降；
Ua——阳极压降。
由此可确定电弧电阻为
由式（3-3）可知，电弧电压与电弧近极压降和弧柱压降有关。根据近极压降和弧柱压降在电弧电压中所占比例的不同，可以将电弧分为短弧和长弧。
（1）短弧：弧隙长度很小，弧柱压降可以忽略不计，电弧电压几乎与电流无关。
（2）长弧：弧隙长度很长，UZ≫U0，电弧电压基本取决于弧柱压降，因此，电弧电压与弧柱区电场强度E成正比。
有关电器学的文章
- 详细阅读
-
真空电弧的其他特性分析详细阅读
如前所述，高气压电弧的伏安特性是负特性，但是，真空电弧的特性却是正特性，即随着电流的增加，电弧电压是上升的。图6-25示出一铜电极真空电弧的伏安特性。如果电弧不受外界磁场的作用，则阳极压降形成后不久，电极就会严重熔化，真空电弧电压可能重新降低。然而真空电弧的情况却并非完全如此。......
2023-07-02
- 详细阅读
-
铜和铜合金的极氩弧焊及熔化特性分析详细阅读
由于铜及铜合金的溶液流动性好，所以，一般情况下不宜采用立焊和仰焊操作。熔化极氩弧焊一般不采用纯氩气体保护，铜及铜合金焊接时保护气体的特点及选择见表5-7。表5-9 铜及铜合金焊接过程中喷嘴距焊件的推荐高度......
2023-06-15
-
旋弧式SF6断路器：控制电弧弧柱旋转的新技术详细阅读
自能吹旋式SF6断路器利用电弧自己的能量熄灭电弧。热膨胀式前面已作过介绍，这里介绍旋弧式SF6断路器。对于旋弧式SF6断路器，当动、静触头分开时，触头间产生电弧，利用电弧电流通过磁场线圈在其周围产生磁场，以此驱动和控制电弧弧柱在SF6气体中作旋转运动。纵向旋弧式的优点是电弧产生在最大磁通密度区内，而且使电弧呈螺线型进入线圈内。图8-73给出了一种旋弧+热膨胀式灭弧原理图。......
2023-07-02
-
近区故障开断试验解析与优化详细阅读
我国国家标准GB/T 4474—1992规定，额定电压63kV级及以上，额定短路开断电流大于12.5kA，现行IEC标准也规定，对额定电压为52kV及以上，额定短路开断电流超过12.5kA，且直接与架空线相联的三相断路器要求进行近区故障的开断试验。对近区故障而言，明显地存在长短燃弧时间的差异。......
2023-07-02
-
金属粉芯焊丝的混合气体保护焊和Ar弧焊的电弧详细阅读
表8-2 汉诺威分析仪测试的实际焊接参数及标准偏差和变异系数值注：MT80N1金属粉芯焊丝混合气体保护焊。图8-20 金属粉芯焊丝混合气体保护焊电弧电压、焊接电流波形图a）05—21.95V/197.83A图8-20 金属粉芯焊丝混合气体保护焊电弧电压、焊接电流波形图（续）b）06—23.38V/189.42A c）04—23.30V/209.55A d）07—23.84V/212.03A e）03—24.48/247.43A f）02—28.14V/320.90A焊丝样品：MT80N1金属粉芯焊丝，φ1.2mm；保护气体：95% Ar+5%CO2混合气体。图8-21和图8-22是金属粉芯焊丝混合气体保护焊电弧电压、焊接电流概率密度分布叠加图。......
2023-06-30
-
近区故障开断试验及ISS值选择详细阅读
近区故障指的是离开断路器几百米到几千米之内的线路上发生的故障。由于断路器灭弧介质与熄弧方式改变时，α值变化较大且很难通过计算得出，因此断路器进行近区故障开断试验时应选择不同的ISS值进行试验。IEC高压断路器标准中规定：额定电压72.5kV以上，额定开断电流12.5kA以上，直接与架空线连接的断路器应进行单相近区故障试验，试验时的开断电流应选择为额定开断电流的75%和90%。......
2023-07-02
相关推荐