第02章电弧与电气触头的基本知识(080228修改)

3）另一方面介质的分子和原子在高温下将产生强烈的 分子热运动，获得动能的中性质点之间不断地发生碰撞，游 离成自由电子和正离子，此即所谓热游离。 4）热发射和热游离给弧隙提供了大量的自由电子，电 流继续流过，电弧的燃烧得以维持。 3．电弧的熄灭
1）复合去游离：正离子和负离子相互吸引而中和成为中 性质点的过程。自由电子的 v 远大于正离子，它们直接复合的 可能性很小，往往是自由电子先附着在中性质点上，形成负离 子，运动速度大大减慢，此时正离子和负离子更容易复合。 2）扩散去游离：自由电子和正离子逸出电弧而进入周围 介质中，被周围介质冷却而复合的过程。 由于电弧内外的电荷浓度及温差的不同，自由电子和正离 子将向浓度和温度都低的周围介质中扩散，在低温处，电子和 离子的v减慢而复合成为中性质点。
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A
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B
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O
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a) 图2-3
b)
（四）交流电弧熄灭的条件
1）熄灭交流电弧的最佳时机：交流电弧每半周期自然熄 灭是熄灭交流电弧的最佳时机。 2）在电流过零后，弧隙中存在着两个恢复过程。 a) 介质强度恢复过程: 由于去游离作用的加强，弧隙间的 介质逐渐恢复其绝缘性能，以耐受的电压Ur (t) 表示。 b) 弧隙电压恢复过程: 电源电压要重新作用在触头上，弧 隙电压将从熄弧电压逐渐恢复到电源电压，用Ud (t) 表示。
具有熔点高、导热能力强、热容量大的特点，可减少热电子发射和弧柱中 的金属蒸气。
3）电弧的熄灭：电弧的燃烧是由游离过程维持的，但在 电弧中同时还进行着相反的使带电质点数量减少的去游离过程。 游离作用等于去游离作用，新增加的带电质点数量与中和 的数量相等，电弧稳定燃烧。 游离作用大于去游离作用，电弧燃烧加剧。 游离作用小于去游离作用，则电弧中的带电质点数量减少， 最终导致电弧熄灭。
熟悉电气触头的基本要求，及触头的分类和结构
第一节 电弧的形成与熄灭
一、开关电器的灭弧原理 （一）电弧现象 1) 电弧：是一种气体游离放电现象。 2) 产生电弧的条件：用开关电器开断电源电压大于10 ~ 20 V，电流大于80 ~ 100mA的电路时，就会发生电弧。 3) 电弧的特点：能量集中，温度很高，亮度很强；电弧是 良导体。 4) 电弧的利用：电弧在工业上有很多有益的应用，例如， 利用其高温的电弧焊接机，电弧炼钢炉等。 5) 电弧的危害：在开关电器中，电弧是有害的，要求尽快 地熄灭，否则会烧坏开关触头，误拉隔离开关会造成相间短路 和人身伤亡。
3）加速运动：自由电子，在强电场的作用下，向阳极作 加速运动。 4）碰撞游离：加速运动获得动能的自由电子在运动中与 中性质点发生碰撞，中性质点中的电子获得能量产生跃迁，跳 到能级更高的轨道上，如果获得的能量足够大，自由电子就能 脱离原子核的束缚，游离成自由电子和正离子。 5）雪崩：游离的结果导致触头间自由电子数量剧增 。 6）介质击穿产生电弧：剧增的电子形成电流，介质被击 穿而产生电弧。 电弧形成小结 ①自由电子的来源 (即游离方式) 电极发射大量自由电子：热电子+强电场发射 弧柱区的气体游离：碰撞游离+热游离
第二节
交流电弧的特性
1）电弧电流交变，每半个周期过零一次，此时电弧因失去 能量而自然熄灭。
2）由于热惯性，弧柱温度的变化滞后于快速变化的电流， 所以交流电弧的伏安特性是动态的，如图2-3所示。在电流增 大时，温度来不及增高，弧隙电阻来不及减小；在电流减小时， 温度来不及减小，弧隙电阻来不及增大。故图2-3a中正方向电 流增大时的曲线在电流减小时的上方。 A点是电弧产生时的电压，称为燃弧电压。 B点是电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压。
②电弧的形成
阴极发射 热电子、强电场发射
加速 磁撞游离 温度 热游离 电弧
其中：阴极发射（起因）→碰撞游离（重要因素）→击穿 （量变到质变）→热游离（主要因素）→维持发展 2．电弧的维持与发展 1）由于电弧的 r 小，电弧形成后，触头间的电压和电场 强度很低，强电场发射停止。 2）由于电弧在燃烧过程中温度很高，可达到几千度甚至 上万度，阴极表面继续进行热电子发射。
6) 特征： ① 气体导电（轻、易变形）； 电弧的能量集中，温度很高，亮度很强 例：10kvQF断开20kA的电流，电弧功率达到 1万kw以上 ② 电弧由阴极区，阳极区和弧柱区组成。 弧柱处温度最高，可达6~7k0C到1万度以上在弧柱周围 温度较低，亮度明显减弱的部分叫弧焰，电流几乎都从弧 柱内部流过。
第二章 第一节 第二节 第三节
电弧与电气触头的基本知识
电弧的形成与熄灭 交流电弧的特性及熄灭 开关电器中熄灭交流电弧的基本方法
第四节
电气触头的基本知识
本章计划学时：4 学时Fra bibliotek本章教学要求 了解电弧的危害，熟悉电弧的形成过程 熟悉交流电弧的特性，交流电弧的熄灭条件 了解交流电弧的开断过程
掌握熄灭交流电弧的基本方法
阴极区 阳极区
弧柱
③电弧的气体放电是自持放电，维持电弧燃烧的电压很低。 在大气中，1cm长的直流电弧的弧柱电压仅15~30v， 在变压器油中1cm长的直流电弧的弧柱电压仅 100~220v。
④电弧是一束游离的气体，质量极轻，极易变形。 电弧在气体或液体的流动作用下或电动力作用下，能迅 速移动、伸长或弯曲。
影响游离和去游离的因素
①电弧温度：热游离↓→Q↓
速度↓→复合加强→Q↓ 使温度降低的方法有：吹弧、拉长电弧、或与冷却介质表面接触。
②电场强度：E↓ →运动速度↓→复合↑ →Q↓→热游离↓
③气体介质的压力：F↓→自由行程缩短→离子浓度↑→复合↑
真空数目少→磁撞游离↓→扩散↑
④介质特性：包括气体的介电强度、导热系数、热容量、电负荷 ⑤电极材料：铜、银、铜钨、银钨合金
（二）电弧的产生与熄灭 游 离——中性质点分解成自由电子和正离子。 去游离——电子和正离子相互吸引还原为中性质点。 1. 电弧的产生
自由 中性 电子 质点
静触头 图2-2
动触头
1）强电场发射：E=U / s 大于3×106 V/m时，金属触头阴 极表面就会发射自由电子。 2）热电子发射：在开关分闸时，动静触头之间的接触压 力和接触面积减小，接触电阻增大，接触表面发热严重，产生 局部高温，阴极金属材料中的电子获得动能而逸出成为自由电 子。