电弧物理特性及其影响因素

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：电弧电压与电流之间的函数关系，首先决定于电弧间隙的物理过程。在许多情况下，电弧热量的散出与电弧在其中燃炽的气体的可动性和导热系数密切相关，试验表明，弧柱电位梯度有随气体导热系数大致成正比上升的倾向。显然，这样的关系仅说明由于热传导而使电弧冷却的电弧特性。后一条曲线低于前一条，这是由于电极和弧柱气体的热惯性所致。所以交流电弧的伏安特性从电阻及其燃炽的特性来看，决不能是完全相同的。

1.电弧的伏安特性

电弧的伏安特性说明电弧电压和电流的关系，是电弧最重要特性之一。电弧电压与电流之间的函数关系，首先决定于电弧间隙的物理过程。弧柱的物理状态不是静止的，在其中始终进行着游离和去游离过程。如果游离和去游离过程相平衡，则弧柱处于动平衡状态而不是时间的函数。弧柱处于动平衡的工作状态称为静态和稳态。稳态电弧（直流稳定电弧）的伏安特性称为静特性。当电弧工作状态改变时，弧柱动平衡被破坏，发生过渡状态。但如果电弧中电的过程改变得慢，热的过程来得及跟上，则电压与电流的关系仍和静态一样。如果电的过程改变得快，以至热的过程跟不上其改变的过程而出现热迟滞现象，这时的伏安特性称为动特性。处于不稳定状态的直流电弧和交流电弧其伏安特性为动特性。

在一系列稳定状态下，决定了相应的电弧和电压的数值，就可以得到电弧的静特性，电弧的静特性曲线一般是下降的，其原因是当电流增加时，电弧通道的截面增加，温度也升高，因此电弧电阻很快下降。

某些类型电弧的静特性在开始时下降，而以后在电流较大时上升，见图6-3高强度碳弧的静伏安特性。这种情况与此时阳极材料的蒸发增加有关。

2.弧柱的电位梯度

如果弧柱具有圆柱形的对称，电位梯度可近似地由下式决定：

式中 U_a——阳极电位降；

U_k——阴极电位降；

U_h——弧柱压降；

l——电弧长度。

图6-3 高强度碳弧的静伏安特性

1—弧长25mm 2—弧长33mm

弧柱电位梯度E与电弧电流I_h的关系可以由下式方程确定：

I_h=πr²b_eEne （6-2）

式中 r——弧柱通道半径；

n——电子密度；

b_e——电子迁移率；

e——电子电荷。

除电流外，弧柱电位梯度还与许多因素有关，如电弧运动的速度、气体的可动性、气体的导热系数、气体的压力以及电弧所处的狭缝或管道直径等。

电弧既是电的又是热的现象，所以电弧所处热的条件，严重地影响到其电特性。如果散热条件好，则弧柱去游离过程强，弧柱电位梯度就升高。在许多情况下，电弧热量的散出与电弧在其中燃炽的气体的可动性和导热系数密切相关，试验表明，弧柱电位梯度有随气体导热系数大致成正比上升的倾向。电弧与固体绝缘壁的接触使电位梯度有很大的增高。如果迫使电弧在绝缘板之间的狭缝或小直径的管道中燃炽，能使弧柱电位梯度增加几倍。

3.电弧的温度

在电弧中可能在几个微秒的时间内达到大约4000～5000K的高温。电弧的燃炽与熄灭与温度有很大的关系。

测量电弧温度是很困难的，因此在文献中关于电弧温度的数据常是彼此有很大差别。最准确的测量方法是光谱分析法。各种不同类型的电弧及不同区域中电弧的温度都可以在很宽的范围内变化。图6-4示出200A碳弧的径向和轴向分布总温度场。

电弧温度与电流有重要的关系，电流的增加基本上标志着温度的上升。例如，在10A时碳弧柱轴心温度稍高于6000K，而当电流增加到200A时，温度上升到11000K。温度上升就使弧柱的电导增加而电位梯度下降。在强迫冷却电弧时，可以引起电弧电流密度的增加，因而使电弧轴心温度升高。电弧所有区域的温度都随气体压力的增加而上升，因为压力增高时发生一般的放电收缩，从而使单位体积内功率的转换显著增加。

4.电弧的直径

在大多数情况下，电弧的形象有中间明亮的部分，即弧柱本身，以及周围较宽广而亮度较低的外壳，即光圈。电弧中间明亮部分的直径大致相当于弧柱，就是电弧的最大导电部分，几乎100%的电流在它中间通过。光圈是围绕着弧柱，受热并已发光的气体，但它的温度还不足以显著地产生电导。显然，电弧的直径应该理解为电弧中间明亮部分的直径。

图6-4 200A碳弧的总温度场

电弧的直径与电流有关。对于在空气中自由燃炽的电弧，其直径d与电流I的平方根成正比，根据实验数据可用下列经验公式表示：

式中 d的单位为cm；

I_h的单位为A。

高气压弧柱的直径与气体的压力P有关，可表达为

d∝P^-γ （6-4）

式中d的单位为cm；

P的单位为10⁵Pa；

γ——与电弧电流有关的常数。

对于氮气，在0.1～3MPa气压下，电流为1A时，γ=0.30；电流为10A时，γ=0.38。对于自由燃炽的电弧，其直径随压力升高而减小。因此，在不同的高气压下，电流密度是不相同的，并与电流值有些关系。

在某些情况，如压缩空气或六氟化硫气体（SF₆）纵向吹弧时，电弧直径同时与电弧电流和气体压力有关，并可用经验公式表达为

d=0.39×10⁹ΔP^-0.2I^0.8_h（对于压缩空气）（6-5）

d=0.45×10³ΔP^-0.18I^0.59_h（对于SF₆）（6-6）

式中 d的单位为cm；

ΔP——吹弧喷口前后气体压力差，单位为Pa；

I_h的单位为A。

在管道中稳定燃炽的电弧直径是与电弧在其中燃炽的气体的导热系数成反比的。显然，这样的关系仅说明由于热传导而使电弧冷却的电弧特性。

5.交流电弧的物理特性

以上仅讨论直流电弧的物理特性。但工业用电弧大多数为交流电弧，因此研究交流电弧有重要意义。

交流电弧的电流变化速度很快，不可能建立稳定平衡状态，因此，其伏安特性为动态特性，图6-5是典型的交流电弧电压和电流对时间变化的曲线。图6-5a为在空气中自动燃炽的碳电极电弧，图6-5b为铜电极电弧。由图6-5a和6-5b可直接作出相应的交流电弧伏安特性，如图6-6a和6-6b所示。这些伏安特性由两条曲线组成，一条曲线是电流增加时的特性，另一条属于电流减小时的特性。后一条曲线低于前一条，这是由于电极和弧柱气体的热惯性所致。所以交流电弧的伏安特性从电阻及其燃炽的特性来看，决不能是完全相同的。它与电流的数值、电弧冷却的程度、电极的材料、气体的成分、电弧的长度以及电流的频率等因素有关。

图6-5 交流电弧的电压和电流的示波图

a）碳电极 b）铜电极

图6-6 相应于图6-5的交流电弧的伏安特性

在交流电弧中，因温度随电流而变化，电弧的温度也是变化的。但气体的热惯性是很大的，甚至在工频电流情况下，也将引起温度的变化稍滞后于电流。在电流过零时，电弧的温度并不是最低值，而仍然保持相当高的温度，其温度曲线通过最低和最高值滞后相应的电流曲线20°～30°。

交流电弧直径变化与温度变化相似。在开弧时，弧柱直径在电流过零时仍保持相当大，直径的变化滞后于电流的变化。在气流吹弧时，弧柱直径几乎与电流同相位改变。

电弧物理特性及其影响因素

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