【正文】 有甚大能量，故一旦與中性粒子相撞常可使之電離。與此對應，陽極表面也有陽極斑點，它接受來自電弧間隙的電子。其附近也有稱為 近陽極區(qū) 的薄層，但厚度約為近陰極區(qū)的數(shù)倍。兩近極區(qū)的電壓降均在 20V以內(nèi)，且?guī)缀跖c電流值無關(guān)。但近陰極區(qū)厚度特別小，故該處電位梯度竟達108~ I09V/m。n 兩極區(qū)之間的一段電弧稱為弧柱，它幾乎占有電弧的全部長度。弧柱內(nèi)氣體已全部電離 (但同時也不間斷的在進行消電離 )，且正負帶電粒子電量相等，所以是 等離子區(qū) ?；≈鶞囟忍貏e高，中心溫度達 (1~3)104，故特別明亮 ?；≈鈱佑幸粚訒炄Γ錅囟仍?(~4)103K范圍內(nèi)，故較紅暗。圖 25所示為電弧的構(gòu)造和逼度分布。總之，弧光放電乃是自持放電的一種形式，也是它的最終形式。從本質(zhì)上來看，電弧是生成于氣體中的熾熱電流、是高溫氣體中的離子化放電通道，是充滿著電離過程和消電離過程的熱電統(tǒng)一體。第三節(jié) 電弧的特性和方程一、電弧的電壓方程 電弧電壓包括近陰極區(qū)電壓降 Uc、近陽極區(qū)電壓降 Ua和弧柱電壓降 Up，即 UA= Uc+ Ua+ Up 兩近極區(qū)電壓降基本不變，故以 Uo = Uc+ Ua表示，并稱之為近極區(qū)壓降；弧柱區(qū)內(nèi)的電場強度 E又近乎恒值，約 (1 ~5)103V/m，在特殊介質(zhì)內(nèi)還可達 (10~ 20)103V/m，故電弧電壓 UA= U0+ El 式中： l為弧柱區(qū)長度，可近似地取它為整個電弧的長度。 圖 26給出了電弧各區(qū)域內(nèi)的電壓降和電場強度的分布。二、直流電弧的伏安特性 伏安特性為電弧的重要特性之一，它表示電弧電壓與電弧電流間的關(guān)系。圖 27是直流電弧的伏安特性。當外施電壓達到燃弧 (擊穿 )電壓 Ub、電流亦達到燃弧電流 Ib后，電弧便產(chǎn)生了，而且隨著電流的增大，電弧電壓反而降低。這是因為電流增大會使弧柱內(nèi)熱電離擲劇、離子濃度加大，故維持穩(wěn)定燃弧所需電壓反而減小。這種特性稱為 負阻特性。 燃弧電壓和燃弧電流與電極材料以及間隙內(nèi)的介質(zhì)有關(guān)。當直流電器觸頭分斷時，若電壓和電流均超過一定數(shù)值后，即將產(chǎn)生電弧。圖 27曲線 1是在弧長不變的條件下逐漸增大電流測得的。實際上曲線起點 Ub不在縱軸上 (參見圖 24)。若自 IA = II處開始減小電流 (進入曲線 2)，由于電弧本身的熱慣性，電弧電阻的增大總是滯后于電流的變化 , 故曲線 2位于曲線 1下方。電流減小越快，曲線 2位置越低 。在極限情況下、即電流減小速度為無窮大時，電弧溫度、熱電離程度、弧柱直徑和尺寸均來不及變化，伏安特性也就變成過坐標原點的曲線 3了。電流減小時伏安特性與縱軸相交處的電壓 Ue稱為 熄弧電壓 。除非在極限場合，即電流無限緩慢減小時，均有 UeUb三、交流電弧的伏安特性和時間特性 交流電弧的伏安特性不同于直流的伏安特性 (圖28)，因為交變電流總是隨著時間變化，所以伏安特性只能是動態(tài)的。值得注意的是交變電流每個周期有兩次自然通過零值 ，而電弧也通常在電流過零時自行熄滅。若未能熄滅，則另一半周內(nèi)電弧將重燃，且其伏安特性與原特性是關(guān)于坐標原點對稱的。 交流電弧電壓和電流隨時間的變化見圖 29。今以電阻性負載時的特性為例加以說明。當電弧電流lA過零時，因電源電壓 u與之同相，且電弧電阻又甚大，故電弧間隙上的電壓實際上等于電弧電壓。隨著電源電壓的上升，弧隙電流不斷增大，電弧電阻則逐漸減小，及至弧隙電壓上升到燃弧電壓，間隙便被擊穿，重新燃弧。此后電弧電阻繼續(xù)減小，使電弧呈現(xiàn)負阻性，故電弧電壓反而因電流增大而下降，并趨于某定值 UA。在半周行將結(jié)束時，為持電弧電流，電弧電壓又要升高。至某一時刻，電弧電壓已不足以維持電弧電流，電弧即熄滅， iA=0，而電弧電壓又和電源電壓一樣。四、電弧的能量平衡電弧的功率為 PA= UAIA= U0lA+ E l lA 按 UO和 El在 UA中所占比例，電弧有長弧與短弧之分。若 UO在 UA中占主要地位，電弧就是 短弧 。反之，則是 長弧 。短弧的能量損耗是轉(zhuǎn)化為熱能、并經(jīng)電極和與之連接的金屬件散往周圍介質(zhì)。長弧的能量損耗可近似地認為是轉(zhuǎn)化為熱能、并經(jīng)弧柱散往周圍介質(zhì)。就一般工業(yè)電器而論，弧柱的散熱具有重要意義。 弧柱是高溫等離子體。燃弧時的弧柱溫度通常為 (4~20)103K，熄弧時則僅有 (3 ~4) )103K?；≈鶞囟扰c電極材料、滅弧介質(zhì)種類和壓力以及其冷卻作用的強烈程度等有關(guān)。 若以 QA表示電弧能量、以 Pd表示電弧散出的功率，電弧的動態(tài)熱平衡方程便是 dQA/dt=PAPd若 dQA/dt 0，即 PA Pd，說明電弧能量在增大，使燃弧更加熾烈 。 若 dQA/dt0，即 PAPd，說明電弧能量在減小，電弧將趨于熄滅 。若 dQA/dt=0，即 PA= Pd，電弧能量達到平衡，并且穩(wěn)定地燃弧。 第四節(jié) 直流電弧及其熄滅n 對于含電阻 R、電感 L的直流電路，當其中的觸頭間隙內(nèi)產(chǎn)生電弧時，若以 U表示電源電壓， i表示電弧電流，電壓平衡方程為 n 在繪制電弧伏安特性的同時 (曲線1)，再作 UiR特性（ 曲線 2）。后者為連接縱軸上的點 U與橫軸上的 I=U/R的線段。 n UiR特性與伏安特性交于 A、 B兩點，故點 A、 B是電路在有電弧時的兩個工作點。在此二點上，電源電壓 U的一部分降落于電路的電阻上，另一部分降落于電弧電阻上 (電弧電壓 uA)，而U iR= Ldi/dt + UA兩個工作點 A、 B并不均為穩(wěn)定燃弧點。設電路工作于點 A，即電流為 IA。由圖可見，當電流有一增量△ i0時， Ldi/dt0，電流繼續(xù)增大 。反之，若電流有一增量 △ i0,則 Ldi/dt0，電弧電流將繼續(xù)減小。因此， A點不可能是穩(wěn)定燃弧點。經(jīng)分析后不難看出， B點將是電路的穩(wěn)態(tài)工作點 、也即穩(wěn)定燃弧點。顯然，要熄滅電弧，就必須消除穩(wěn)定燃弧點。一、熄滅直流電弧的方法 為消除直流電弧的穩(wěn)定燃弧點，應使其伏安特性處于特性 UiR的上方，使電弧電壓 UA與電阻電壓降 iR之和超過電源電壓 U，以致電弧無法穩(wěn)定燃燒 （曲線 1 》 曲線 1’） 。按電弧電壓方程及電壓平衡方程，可采取下列技術(shù)措施 :n 拉長電弧或?qū)ζ鋵嵭腥斯だ鋮sn 增大近極區(qū)電壓降n 增大弧柱電場強度U iR= Ldi/dt + UA(1)拉長電弧或?qū)ζ鋵嵭腥斯だ鋮s 此二者在原理上均為借增大弧柱電阻使電弧伏安特性上移，與特性 uiR脫離，即由原來的曲線 1變?yōu)榍€ I’(圖 211)。為此，可增大縱向觸頭間隙 (圖 212a)，也可借電流本身的磁場或外加磁場從法向吹弧以拉長電弧 (圖 212b)，或借磁場使弧斑沿電極上移 (圖 212.)。這些措施除能機械地增大電弧長度 l外，還能借電弧在運動中不斷與新鮮冷卻介質(zhì)接觸而增大弧柱電場強度 E，從而增大弧柱電壓降。(2)增大近極區(qū)電壓降 若在滅弧室內(nèi)設置若干垂直于電弧的柵片 (如 n片 ) ，則電弧被驅(qū)入滅弧室后將被它們截割為 n+ I段短弧 (圖 212d)，故電弧電壓降 UA=(n+1)Uo十 EI 這比無柵片時增大了 nU0，所以也能起到使電弧伏安特性上移的作用。(3)增大弧柱電場強度 具體措施有增大氣體介質(zhì)的壓強、增大電弧與介質(zhì)間的相對運動速度、使電弧與溫度較低的絕緣材料緊密接觸以加速弧柱冷卻、采用如 SF6氣體等具有強烈消電離作用的特殊滅弧介質(zhì)以及采用真空滅弧室等。二、分斷直流電路時的過電壓分斷直流電路時，電弧熄滅的瞬間有 i =0及 uA =Ue，故有：所以出現(xiàn)在觸頭間隙上的過電壓為它與電流減小的速度、即滅弧強度有關(guān)。 滅弧能力越強，電流減小就越快，過電壓也越高 。由上式能導出燃弧時間計算公式此式宜以圖解積分法求解，即先作 1/ΔU =f(i)曲線，再求曲線在由 I至 0一段內(nèi)包圍的面積，最后乘以電感值 L。顯然， 線路的電感越大，其所儲存并需要經(jīng)由電弧間隙散出的能量也越大，因而滅弧越發(fā)困難，所需時間也越長 。決定 過電壓 的因素主要是滅弧強度 :過強會導致甚高的過電壓，過低將延長滅弧時間。為防止分斷電感性負載時出現(xiàn)過高的、危及絕緣或?qū)е码娀≈厝嫉倪^電壓，必須采取限制措施。若給負載并聯(lián)一電阻 RS(圖 213a)，則切斷電流時應有故負載兩端的電壓而 t =0時弧隙兩端過電壓的最大值為由此可見，選擇適當?shù)?Rs值可將過電壓降低到容許的水平。但為避免增大功率損耗，應與并聯(lián)電阻 Rs串聯(lián)一個二極管 VD (圖 213b)。有時也采用雙斷口電路 (圖 213c)以降低過電壓。分斷時，斷口 CI先分斷， C2后分斷。由于斷口 C2和電阻 Rs的存在，斷口 CI處的電弧就容易熄滅了。斷匚 C2處的電弧則因 Rs的限流作用，且它本身又被設計為具有較小的滅弧強度，故也易熄滅。這種電路多用于高壓系統(tǒng)。第 五節(jié) 交流電弧及其熄滅 就直流電弧而論，只要電弧電流等于零即可認為它已熄滅 ，除非弧隙被過電壓重新?lián)舸?。交流電弧則不然，因為其電流會自然過零。在此之后同時有兩種過程在進行著 :一為電弧間隙內(nèi)絕緣介質(zhì)強度的恢復過程 介質(zhì)恢復過程 。另一為 弧隙電壓恢復過程 。若介質(zhì)強度恢復速度始終高于電壓恢復速度，弧隙內(nèi)的電離必然逐漸減弱，最終使弧隙呈完全絕緣狀態(tài)，電弧也不會重燃。否則弧隙中的電離將逐漸加強，及至帶電粒子濃度超過某一定值，電弧便重燃。因此， 交流電弧熄滅與否需視電弧電流過零后介質(zhì)恢復過程是否超過電壓恢復過程而定 。如圖 214所示，當介質(zhì)恢復速度 (曲線 1)始終超過電壓恢復速度 (曲線 3)時，由于 UjfUhf，電弧不會重燃。反之，當介質(zhì)恢復速度在某些時候 (曲線 2)小于電壓恢復速度時，電弧還會重新燃燒，也即電弧未能熄滅。一、弧隙介質(zhì)恢復過程n 交流電弧電流自然過零后、弧隙介質(zhì)恢復過程便已開始，但在近陰極區(qū)和其余部分 (生要是弧柱區(qū) )恢復過程有所不同。(一 )近陰極區(qū)的介質(zhì)恢復過程 電弧電流過零后弧隙兩端的電極立即改變極性。在新的近陰極區(qū)內(nèi)外，電子運動速度為正離子的成千倍，故它們于剛改變極性時即迅速離開而移向新的陽極，使此處僅留下正離子。同時，新陰極正是原來的陽極，附近正離子并不多，以致難以在新陰極表面產(chǎn)生場致發(fā)射以提供持續(xù)的電子流。另外，新陰極在電流過零前后的溫度已降低到熱電離溫度以下，亦難以借熱發(fā)射提供持續(xù)的電子流。因此，電流過零后只需經(jīng)過 ~ lus，即可在近陰極區(qū)獲得 150 ~250V的介質(zhì)強度 (具體量值視陰極溫度而定，溫度越低，介質(zhì)強度越高 )。圖 215給出了剛改變極性時近陰極區(qū)的狀況。 倘若在滅弧室內(nèi)設若干金屬柵片，將進人滅弧室內(nèi)的電弧截割劇成許多段串聯(lián)的短弧，則電流過零后每一短弧的近陰極區(qū)均將立即出現(xiàn) 150~ 250V的介質(zhì)強度 (由于弧隙熱慣性的影響，實際介質(zhì)強度要低一些 )。當它們的總和大于電網(wǎng)電壓 (包括過電壓 )時，電弧便熄滅。出現(xiàn)于近陰極區(qū)的這種現(xiàn)象稱為 近陰極效應 ，綜合利用截割電弧和近陰極效應滅弧的方法稱為 短弧滅弧原理 ，它廣泛用于低壓交流開關(guān)電器。(二 )弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復過程 電弧電流自然過零前后的數(shù)十微秒內(nèi)，電流已近乎等于零，故這段時間被稱為 零休時間 。由于熱慣性的影響，零休期間電弧電阻Rh并非無窮大，而是因滅弧強度不同呈現(xiàn)不同量值。 弧隙電阻非無窮大意味著弧隙內(nèi)尚有殘留的帶電粒子和它們形成的剩余電流，故電源仍向弧隙輸送能量。當后者小于電弧散出的能量時，弧隙內(nèi)溫度降低，消電離作用增強，弧隙電阻不斷增大，直至無窮大，也即弧隙變成了具有一定強度的介質(zhì)，電弧也將熄滅。反之若弧隙取自電源的能量大于其散出的能量， Rh將迅速減小，剩余電流不斷增大，使電弧重新燃燒。這就是所謂 熱擊穿 。 然而，熱擊穿存在與否還不是交流電弧是否能熄滅的唯一條件。不出現(xiàn)熱擊穿固然象征著熱電離已基本停止，但當弧隙兩端的電壓足夠高時，仍可能將弧隙內(nèi)的高溫氣體擊穿，重新燃弧。這種現(xiàn)象稱為電擊穿 。因此，交流電弧電流自然過零后的弧柱區(qū)介質(zhì)恢復過程大抵可分為熱擊穿和電擊穿兩個階段。交流電弧的熄滅條件則可歸結(jié)為 :在零休期間，弧隙