断路器中电弧的控制(基础部分)
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发布时间：2022-12-03 07:42
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时间：2023-11-17 19:10
一、 电弧的组成
电弧由三大区域组成。其示意图如下所示：
Ⅰ、近阴极区
长度极短（越等于电子的自由平均行程）。电子经过这段行程后，气体电离，电子运动快，正离子运动慢，从而形成了正离子层，电场强度很高。
电弧的阴极区域对电弧的发生和物理过程具有重要意义，形成电弧放电的大部分电子是在阴极区产生或由阴极本身发射的。电弧放电时，实际上并不是整个阴极全部参加放电过程，阴极表面的放电只集中在很小的区域上，这个小区域称为阴极斑点。它是一个非常集中，面积很小的光亮区域，其电流密度很大，是电弧放电中强大电子流的来源
Ⅱ、近阳极区
长度为近阴极区数倍，阳极附近聚集大量电子，形成电子层。阳极表面也存在阳极斑点，它接收从弧柱中过来的电子。
阳极压降、阴极压降数值相近，在20V左右，但阳极压降区较长，所以电场强度较小。
Ⅲ、弧柱区
6000K以上高温，大量气体分子游离，因此具有良好的导电性。电流越大，弧温越高，热电离程度越大，电阻越小，伏安特性是负特性，弧柱内气体全部电离，正负带电粒子数相等，为等离子体。
二、 电弧的分类
电弧可分为短弧和长弧两种。
短弧长度为几毫米长，电弧电压主要由阴极和阳极位降构成。这时，近极区域的特性对整个电弧起着决定性作用。短弧的电弧电压一般为20V左右，与电流和外界条件几乎无关。低压开关中的电弧一般均属于短弧。
长度为几厘米以上的电弧，称为长弧。电弧电压主要由弧柱压降构成，阴极和阳极位降可以忽略不计。在长弧中弧柱的过程起主要作用。高压开关中的电弧一般均属于长弧。
三、 巴申定律
巴申定律：在两个平行平板电极上加以直流电压后，电极间形成均匀电场，若放电气体成分，电极材料，气体温度都确定，则击穿电压Ub是电极间距d与气压P两者乘积的函数。且改变Pd值时，击穿电压有一极小值。
均匀电场中几种气体的巴申曲线如下所示：
从上图中可以看出，空气的击穿电压极小值出现在低气压下，即空气相对密度较小的情况下，Ubmin=325V，pd=0.55cm.mmHg。1mm汞柱所代表的气体压强为133Pa。
击穿电压极小值的右侧：
Pd增大：极间距离增加，电压不变时，间隙中场强下降，电离减弱；气压变大，电子自由行程缩短，电子不易积累能量，电离减弱。
Pd下降：主要是p下降引起，电子自由行程大，积累能量大，但是空气密度低，气体分子数量太少，碰撞次数少，因此电离减弱。
综上，高气压和高真空都可以提高击穿电压。在后续的文章中我们可以看到一些利用此原理的灭弧方式。
四、 交流电弧的伏安特性
交变电流总是随着时间变化，所以伏安特性只能是动态的。交变电流每个周期有两次自然过零，电弧也通常在电流过零时熄灭。若未能熄灭，则另一半周内电弧将重燃，其伏安特性与原特性是关于坐标原点对称的。
交流电弧的伏安特性如下图所示：
OA段：此段弧隙中介质还未被击穿，虽然流过微小电流，但弧隙相当于一个大电阻，其电压上升很快，在A点介质被击穿。此点为燃弧电压Urh。此段为正电阻特性。
AB段：随着电流的增大，输入功率增大，当输入功率>耗散功率时，电弧积聚热量增多，弧柱变热、变粗，弧隙电阻减小。当弧隙电阻减小的速度比电流的增长速度大得多的时候，弧隙电压随着电弧电流的增大而减小。此段为负电阻特性。
BC段：在B点，交流电流达到最大值，其后电流开始减小，电弧温度下降，电弧电阻也越来越大，电压值也越来越大。虽然电阻在增大，但弧柱存在热惯性，此时的弧隙电阻会比电流增大时，同一电弧电流的电阻数值小。C点为熄弧尖峰Uxh。
CO段：电弧已经不存在，弧隙中为高温气体，随着交流电压的下降，电流也在下降。此段为正电阻特性。
下面是电弧电压与电弧电流的波形图，大家也可以参照上面的过程自己琢磨下。
五、 直流电弧的伏安特性
Ⅰ、静态伏安特性
直流电弧的伏安特性曲线如下图所示：
先看左图中的伏安特性曲线，图中的H1即是直流电弧的静态伏安特性。随着电流增加，电压下降，电弧电阻对外呈现负阻性的特性。直流电流增加，即电弧输入能量增加，电弧温度升高，电弧电阻就减小。电弧电阻减小的程度大于电流增加的程度，即电压下降。
然后我们来看上图右上角的电路图，对此图列电路方程如下：
代表电源电势的水平虚线与图中直线EK的夹角为α，令tanα=R，那么红色箭头线的长度为RIh，蓝色箭头长度为E-RIh。
直线EK与H1有两个交点：1和2。
先分析交点1，1点以左E-RIh-Uh<0，LdIh/dt<0，所以电弧电流将随时间的变化减小，直至熄灭；1点以右E-RIh-Uh>0，LdIh/dt>0，所以电弧电流将随时间变化增大，向2点移动。
再来看交点2，2点以左E-RIh-Uh>0，LdIh/dt>0，所以电弧电流将随时间变化增大，向2点移动；2点以右E-RIh-Uh<0，LdIh/dt<0，所以电弧电流将随时间的变化减小，同样向2点移动。
1点是虚假稳定点，称为视在稳定燃烧点；2点是真正稳定点，称为稳定燃烧点。
我们在来看下H2，它的弧长比H1要长，这是为什么呢？
对于同一个电流值，弧长越长，它的表面就越冷，电弧电阻也就越大，所以电弧电压更高。对于同一个电压值，弧长越长，表面温度必须越高，否则就无法维持。但温度越高，电弧电阻就会降低，电弧电流就会更大。综上，如果增加电弧长度，电流会向上方平移，如上图所示。但是在实际上由于电阻非线性，平移也是非线性的，不会和图中一样那么完美的平移。
Ⅱ、动态伏安特性
我们来看下，下面这张图：
电弧以I1稳定燃烧，改变电路参数（如电阻），使电弧电流由以较快速度增大到I2。电弧电压会沿着曲线1-3趋向4点。如果电流变化速度为无穷大时，电弧电压会沿着曲线1-2趋向4点。
这是因为由于电弧本身的热惯性，电弧电阻的增大总是滞后于电流的变化，当电流增至I2时，电弧电阻大抵仍停留在时的I1水平上。所以电压会出现升高到达3，最后随着电弧电阻的动态调整降至4。沿着曲线1-2趋向4点是极限情况，此时电阻就是I1时的电阻。
电弧电流由以较快速度减小到I3。电弧电压会沿着曲线1-5趋向6点。如果电流变化速度为无穷大时，电弧电压会沿着曲线1-0运动。
六、 小结
至此基础知识介绍完毕了，下面可以开始看看工程实践中交流电弧和直流电弧到底是怎么熄灭的了。
