电弧等离子体的热容及冷却探究

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：开关电弧的熄灭，主要是靠对电弧等离子体进行冷却来实现的。电弧等离子体的定压比热容也与固体和液体的情况不同，它是相当复杂的温度函数，随温度的变化，定压比热容有很大的变化。对于断路器中发生的灭弧现象来说，通常考虑在10-6～10-3 s内完成灭弧，因此电弧等离子体在冷却时总是处在游离平衡状态下，电弧等离子体的比热容在游离温度相应处将按Cpe曲线规律变化。

开关电弧的熄灭，主要是靠对电弧等离子体进行冷却来实现的。冷却方式主要有等熵冷却和热传导冷却两种。

等熵冷却就是所谓绝热膨胀。当气体沿着压力梯度进行膨胀运动时，由粒子运动形成的内部能量转变成流动能，使气体温度下降而被冷却。此时的冷却能力即每单位容积的散热功率可用下式表示：

N=-v·gradP （6-15）

式中 v——流速；

P——压力。

热传导冷却是由沿着温度梯度移动的热流造成的冷却。气体与等离子体的热传导和通常固体的情况大不相同，它与内部的能量密度梯度有关，在气体和等离子体中可由于多种原因将能量以能流的形式散出去。如把这些能量的散失都看成是广义的热传导，并以导热率λ来等效表示，那么每单位容积的散热功率可用下式表示：

N=-divλ·gradT （6-16）

显然式中导热率λ是温度的函数。

电弧等离子体冷却的速度除与散热功率的大小有关外，还与等离子体的热容有关，在相同的冷却条件下，热容愈小，则冷却速度愈快。电弧等离子体的定压比热容也与固体和液体的情况不同，它是相当复杂的温度函数，随温度的变化，定压比热容有很大的变化。设电弧等离子体所包含的能量（即热焓）为h_T，则定压比热容C_p为

这是由于气体与等离子体在温度升高的同时将发生分解和游离，而分解和游离时所需要的能量，从外部看即表现为大的热容。图6-9为空气的定压比热容与温度的关系。图中C_pe为平衡状态的特性，是分解和游离在相应的温度下均已达到平衡状态时得出的，与分解、游离的温度相对应处形成大的比热容峰值（分解峰值和游离峰值）；而C_pf则是当温度快速变化分解和游离都来不及达到平衡时的特性，此时比热容曲线上不再出现峰值。

图6-9 空气的定压比热容与温度的关系

（注：latm=1.013×10⁵ Pa；1cal/mol·K=4.18J/mol·K）

气体和等离子体达到游离平衡的速度是相当快的，约为10^-7～10^-8 s。然而气体达到分解平衡的速度，或由原子向分子再结合达到平衡的速度是相当慢的，约在10^-3 s以上。

对于断路器中发生的灭弧现象来说，通常考虑在10^-6～10^-3 s内完成灭弧，因此电弧等离子体在冷却时总是处在游离平衡状态下，电弧等离子体的比热容在游离温度相应处将按C_pe曲线规律变化。但是在10^-6～10^-3 s内，再结合却达不到平衡状态，因此电弧等离子体的比热容将不沿着C_pe曲线的分解峰值，而是按点线沿着C_pf曲线而变化。也就是说气体将在单原子状态下被直接冷却。这种在冷却时出现的气体单原子冻结现象，对断路器来说具有非常重要的意义，它对电流的开断极为有利。

电弧等离子体的热容及冷却探究

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