電弧

電弧

電弧是一種氣體放電現象,電流通過某些絕緣介質(例如空氣)所產生的瞬間火花。電弧是一種自持氣體導電(電離氣體中的電傳導),其大多數載流子為一次電子發射所產生的電子。觸頭金屬表面因一次電子發射(熱離子發射、場致發射或光電發射)導致電子逸出,間隙中氣體原子或分子會因電離(碰撞電離、光電離和熱電離)而產生電子和離子。另外,電子或離子轟擊發射表面又會引起二次電子發射。當間隙中離子濃度足夠大時,間隙被電擊穿而發生電弧。

基本信息

產生

電弧電弧刨
當用開關電器斷開電流時,如果電路電壓不低於10—20伏,電流不小於80~100mA,電器的觸頭間便會產生電弧。

因此,在了解開關電器的結構和工作情況之前,首先來看看其是如何產生和熄滅的。

電弧的形成是觸頭間中性質子(分子原子)被游離的過程。開關觸頭分離時,觸頭間距離很小,電場強度E很高(E=U/d)

當電場強度超過3×10^6V/m時,陰極表面的電子就會被電場力拉出而形成觸頭空間的自由電子。這種游離方式稱為:強電場發射。

從陰極表面發射出來的自由電子和觸頭間原有的少數電子,在電場力的作用下向陽極作加速運動,途中不斷地和中性質點相碰撞。只要電子的運動速度v足夠高,電子的動能A=1/2mv^2足夠大,就可能從中性質子中打出電子,形成自由電子和正離子。這種現象稱為碰撞游離。新形成的自由電子也向陽極作加速運動,同樣地會與中性質點碰撞而發生游離。碰撞游離連續進行的結果是觸頭間充滿了電子和正離子,具有很大的電導;在外加電壓下,介質被擊穿而產生電弧,電路再次被導通。

觸頭間電弧燃燒的間隙稱為弧隙。電弧形成後,弧隙間的高溫使陰極表面的電子獲得足夠的能量而向外發射,形成熱電場發射。同時在高溫的作用下(電弧中心部分維持的溫度可達10000℃以上),氣體中性質點的不規則熱運動速度增加。當具有足夠動能的中性質點相互碰撞時,將被游離而形成電子正離子,這種現象稱為熱游離。

隨著觸頭分開的距離增大,觸頭間的電場強度E逐漸減小,這時電弧的燃燒主要是依靠熱游離維持的。

在開關電器的觸頭間,發生游離過程的同時,還發生著使帶電質點減少的去游離過程。

分類

1、按電流種類可分為:交流電弧、直流電弧和脈衝電弧。

2、按電弧的狀態可分為:自由電弧和壓縮電弧(如等離子弧)。

3、按電極材料可分為:熔化極電弧和不熔化極電弧。

危害

電弧是高溫高導電的游離氣體,它不僅對觸頭有很大的破壞作用,而且使斷開電路的時間延長。

用途

電弧具有熱效應。

導電性強、能量集中、溫度高、亮度大、質量輕、易變性等。

電弧可作為強光源如弧光燈紫外線源如太陽燈或強熱源如電弧爐。

電弧放電

電弧放點瞬間電弧放點瞬間
兩個電極在一定電壓下由氣態帶電粒子,如電子或離子,維持導電的現象。激發試樣產生光譜。電弧放電主要發射原子譜線,是發射光譜分析常用的激發光源。通常分為直流電弧放電和交流電弧放電兩種。

氣體放電中最強烈的一種自持放電。當電源提供較大功率的電能時,若極間電壓不高(約幾十伏),兩極間氣體或金屬蒸氣中可持續通過較強的電流(幾安至幾十安),並發出強烈的光輝,產生高溫(幾千至上萬度),這就是電弧放電。電弧是一種常見的熱電漿(見電漿套用)。

電弧放電最顯著的外觀特徵是明亮的弧光柱和電極斑點。電弧的重要特點是電流增大時,極間電壓下降,弧柱電位梯度也低,每厘米長電弧電壓降通常不過幾百伏,有時在1伏以下。弧柱的電流密度很高,每平方厘米可達幾千安,極斑上的電流密度更高。

電弧放電可分為3個區域:陰極區弧柱陽極區。其導電的機理是:陰極依靠場致電子發射和熱電子發射效應發射電子;弧柱依靠其中粒子熱運動相互碰撞產生自由電子及正離子,呈現導電性,這種電離過程稱為熱電離;陽極起收集電子等作用,對電弧過程影響常較小。在弧柱中,與熱電離作用相反,電子與正離子會因複合而成為中性粒子或擴散到弧柱外,這一現象稱為去電離。在穩定電弧放電中,電離速度與去電離速度相同,形成電離平衡。此時弧柱中的平衡狀態可用薩哈公式描述。

能量平衡是描述電弧放電現象的又一重要定律。能量的產生是電弧的焦耳熱,能量的發散則通過輻射、對流和傳導三種途徑。改變散熱條件可使電弧參數改變,並影響放電的穩定性。

電弧通常可分為長弧和短弧兩類。長弧中弧柱起重要作用。短弧長度在幾毫米以下,陰極區和陽極區起主要作用。

根據電弧所處的介質不同又分為氣中電弧和真空電弧兩種。液體(油或水)中的電弧實際在氣泡中放電,也屬於氣中電弧。真空電弧實際是在稀薄的電極材料蒸氣中放電。這二種電弧的特性有較大差別。

電弧是一束高溫電離氣體,在外力作用下,如氣流,外界磁場甚至電弧本身產生的磁場作用下會迅速移動(每秒可達幾百米),拉長、捲曲形成十分複雜的形狀。電弧在電極上的孳生點也會快速移動或跳動。

在電力系統中,開關分斷電路時會出現電弧放電。由於電弧弧柱的電位梯度小,如大氣中幾百安以上電弧電位梯度只有15伏/厘米左右。在大氣中開關分斷100千伏5安電路時,電弧長度超過7米。電流再大,電弧長度可達30米。因此要求高壓開關能夠迅速地在很小的封閉容器內使電弧熄滅,為此,專門設計出各種各樣的滅弧室。滅弧室的基本類型有:

①採用六氟化硫、真空和油等介質;

②採用氣吹、磁吹等方式快速從電弧中導出能量;

③迅速拉長電弧等。直流電弧要比交流電弧難以熄滅。

電弧放電可用於焊接冶煉照明噴塗等。這些場合主要是利用電弧的高溫、高能量密度、易控制等特點。在這些套用中,都需使電弧穩定放電。目前的電子產品,如等離子電視等離子顯示器其顯示原理也是依賴電弧放電。

電弧不單單只是對人有壞處,某些大型舞台的燈光師利用電弧放電原理而製造成七彩斑斕的電弧花,以滿足人們對於電弧的稀奇。

電弧具有超強的電力,能瞬間使心臟停跳,所以,利用電弧而工作的人們需要小心。

滅弧過程

電弧對供配電系統的安全運行有很大的影響。開關電器在結構設計上要保證其操作時電弧能迅速地熄滅。交流電弧每一個周期要暫時熄滅兩次。真空滅弧室可以迅速恢復間隙絕緣能力以及耐受系統瞬態恢復電壓的能力,最終將電弧熄滅。

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