电弧能量平衡探析

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：电弧这种自动调节功能可以利用能量平衡原理加以解释。这一过程一直进行到Ph=Ps为止。综上所述，可以将导致电弧温度升高或降低的能量增量用电弧的动态能量平衡方程加以描述，即式中：WQ——电弧所含的热能。所以，式是判断电弧能量增减的依据，利用该能量平衡公式，可以定性分析任意时刻电弧发展的趋势，即是趋向更炽烈燃烧，还是趋于稳定燃烧，或是趋于熄灭。

从发热的角度分析，可以将电弧看作一个纯电阻性的发热元件，其所消耗的电功率可以表示为

式（3-14）表明，电弧所消耗的功率（简称损耗功率）Ph是近阴极、近阳极和弧柱区域所消耗功率之和。电弧的功率损耗除了通过散热方式传递给周围介质外，还将导致电弧温度的升高。

在短弧的情况下，由于电极间距离很近，电极的温度又远低于弧柱的温度，因此由电弧功率损耗转变而成的热量主要是先传给电极，然后再由电极传给其他零部件和散向周围介质；在长弧的情况下，由电极传导的热量相对较少，绝大部分热量是通过弧柱直接散向周围介质。因此，可以认为近极区功率损耗Ih U0主要是电极散发出去的，而弧柱区的功率损耗Ih UZ则主要是通过弧柱散发的。

弧柱向周围介质散热的方式有传导、对流和辐射。弧柱总的散热功率Ps可以写成

式中：Pcd——传导散热功率；

　　 Pdl——对流散热功率；

　　 Pfs——辐射散热功率。

需要指出的是，当电弧电流一定时，电弧具有自动调节其弧柱温度与直径的功能。电弧这种自动调节功能可以利用能量平衡原理加以解释。

设电弧电流Ih为一固定值。在电弧产生初期，弧柱温度较低，直径较小。在此期间，一方面，电弧电阻Rh数值较大，从而使电弧电压Uh=Ih Rh也相对较高，因而电弧消耗的功率Ih Uh较大；另一方面，此时由于弧柱直径及温度较小，电弧的散热功率Ps较少，以至于电弧消耗的功率Ph=Ih Uh将大于散热功率Ps，从而导致弧柱温度的升高和直径的扩大。随着弧柱温度的提高和直径的扩大，Rh将下降，Ph将减少，而Ps将逐渐增大。这一过程一直进行到Ph=Ps为止。此时弧柱的温度和直径便稳定在一固定的数值上，这表明电弧进入到稳定燃烧状态。由于电弧电流的大小（由外电路参数所决定）不同，进入稳定燃烧状态的弧柱温度和直径也不尽相同，因而相应的电弧电阻也不同。当电弧在大气条件下自由燃烧时，电弧电流越大，稳定燃弧时的弧柱温度就越高，弧柱直径越大，电弧电阻越低，因而电弧压降越小。当然，电弧消耗的功率也相应增高。

上述这种电弧能自动调节其弧柱温度和直径以达到消耗的功率和散热功率平衡的现象，不仅在电弧产生的过程中如此，当电弧电流改变时以及当其周围介质对弧柱冷却作用的强烈程度改变时也是如此。然而，由于弧柱温度和直径的变化都意味着弧柱所含热能的变化，而热能的吸收或散发都需要经历一定的时间（电弧的热惯性）。所以，上述的弧柱温度和直径的自动调节作用不能瞬时完成，而是要滞后于电弧电流的变化或散热情况的变化。

综上所述，可以将导致电弧温度升高或降低的能量增量用电弧的动态能量平衡方程加以描述，即

式中：WQ——电弧所含的热能。

如果Ph＞Ps，则WQ将逐渐增加，电弧温度增高，弧柱直径不断扩大，即电弧燃烧更加剧烈；如果Ph＜Ps，则WQ将逐渐减少，电弧温度降低，弧柱直径不断缩小，即电弧逐渐熄灭；如果Ph=Ps，则WQ保持不变，此时电弧温度和直径将保持不变，即电弧处于稳定燃烧状态。

所以，式（3-16）是判断电弧能量增减的依据，利用该能量平衡公式，可以定性分析任意时刻电弧发展的趋势，即是趋向更炽烈燃烧，还是趋于稳定燃烧，或是趋于熄灭。

电弧能量平衡探析

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