2.1 電弧的物理特性

2.1.1 電弧的組成

從外觀來(lái)看，電弧表現(xiàn)為電極間隙內(nèi)一束發(fā)光發(fā)熱的火焰。電弧主體可分為三個(gè)區(qū)域，分別為近陰極區(qū)、弧柱區(qū)和近陽(yáng)極區(qū)。電弧的兩個(gè)電極——陰極和陽(yáng)極，通常也可以認(rèn)為是電弧的組成部分。電弧的構(gòu)造如圖2-1所示。

電弧在形成時(shí)，陰極表面存在陰極斑點(diǎn)，陰極斑點(diǎn)是一塊或多塊光度極強(qiáng)的區(qū)域。在電弧電流形成的磁場(chǎng)作用下，該斑點(diǎn)在陰極表面不斷移動(dòng)，并不斷發(fā)射電子。臨近陰極斑點(diǎn)的一小段區(qū)域，稱為近陰極區(qū)，也稱為陰極電位降區(qū)。陰極壓降數(shù)值大小與陰極材料和氣體介質(zhì)有關(guān)。電弧近陰極區(qū)的變化過(guò)程對(duì)電弧的發(fā)生和物理過(guò)程有重要的意義，同時(shí)這也是電弧與其他放電形式的主要區(qū)別。近陰極區(qū)的特點(diǎn)是：近陰極區(qū)的長(zhǎng)度很短，長(zhǎng)度小于1μm；相對(duì)于弧柱區(qū)，近陰極區(qū)電位降較大。

陽(yáng)極表面同樣存在陽(yáng)極斑點(diǎn)，陽(yáng)極斑點(diǎn)接收來(lái)自電弧間隙的電子。臨近陽(yáng)極斑點(diǎn)一小段區(qū)域稱為近陽(yáng)極區(qū)，也稱為陽(yáng)極電位降區(qū)，其特點(diǎn)是：近陽(yáng)極區(qū)的長(zhǎng)度約為近陰極區(qū)的數(shù)倍；與近陰極區(qū)類似，電位降較大；但無(wú)論是近陽(yáng)極區(qū)還是近陰極區(qū)，當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，電位降基本不隨著電流的變化而變化，可近似地認(rèn)為是常數(shù)，一般都小于20V。

近陽(yáng)極區(qū)與近陰極區(qū)之間的區(qū)域，由于在自由狀態(tài)下近似呈圓柱形，因此稱為弧柱區(qū)。弧柱區(qū)內(nèi)的氣體已全部被電離，同時(shí)也在不斷進(jìn)行去電離過(guò)程。該區(qū)域幾乎占了電弧的全部長(zhǎng)度，同時(shí)弧柱區(qū)內(nèi)充滿了相同數(shù)目的正負(fù)帶電粒子。由于不存在空間電荷，弧柱區(qū)的特性類似于金屬電阻，弧柱區(qū)壓降與弧柱長(zhǎng)度間呈現(xiàn)線性變化關(guān)系。

電弧三個(gè)區(qū)域的電位降和電位梯度沿電弧長(zhǎng)度方向的分布情況如圖2-2所示。Uc表示陰極電位降，由于在陰極附近存在正空間電荷，陰極區(qū)域的電位發(fā)生急劇的躍變。Un為弧柱部分電位，呈均勻上升趨勢(shì)，這意味著弧柱電位梯度保持不變。Uan為陽(yáng)極的電位降，在陽(yáng)極附近有未補(bǔ)償?shù)呢?fù)空間電荷。

電弧所有的基本特性決定于電和熱兩個(gè)過(guò)程?；≈鶇^(qū)的電氣特性包括電位梯度、電導(dǎo)、電流密度及其分布等；電弧的熱特性包括溫度、輸入熱能、散出熱能、熱流及其分布等。只有統(tǒng)一考慮電弧的電氣特性和熱特性，并找到相互之間的影響規(guī)律，才能對(duì)電弧進(jìn)行更深入的分析。

2.1.2 電弧的溫度

電弧的燃熾與電弧溫度有很大關(guān)系，幾個(gè)微秒的電弧燃熾，弧柱內(nèi)溫度可達(dá)上萬(wàn)攝氏度。在電場(chǎng)作用下，電子和離子得到動(dòng)能并加速，速度不斷加快的電子與中性分子撞擊，由此使得分子的振蕩運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，互撞頻繁使得氣體的溫度升高。加速的電子也與原子撞擊使得原子激發(fā)，受激發(fā)的原子撞擊次數(shù)不斷增加，它們的溫度也將不斷上升。在氣體放電形成階段，電子、受激原子和分子的溫度各不相同，電子溫度最高，但到電弧放電階段，弧柱所有成分的溫度幾乎是相同的。

弧柱溫度與電弧電流、電極材料、氣體介質(zhì)種類、氣壓及介質(zhì)對(duì)電弧的作用強(qiáng)烈程度有關(guān)。低氣壓和高氣壓電弧的弧柱溫度也不相同，低氣壓電弧氣體溫度一般不會(huì)超過(guò)幾百攝氏度，而電子溫度可達(dá)30000℃，高氣壓弧柱溫度比低氣壓弧柱溫度高得多。在弧長(zhǎng)較短的情況下，由于電極材料的蒸氣對(duì)電弧在其中燃熾的氣體混合物的游離電位有很大的影響，因此電弧溫度會(huì)受到電極材料蒸氣的游離電位影響，而在弧長(zhǎng)較長(zhǎng)的情況下不會(huì)有這種影響。在交流電流的情況下，當(dāng)電流下降到零時(shí)，弧柱溫度不為零。由于電弧的熱慣性，弧柱溫度的變化會(huì)滯后電流一定的時(shí)間。圖2-3展示了電弧的溫度分布，中心溫度可達(dá)（1～3）×104℃，非常明亮；弧柱區(qū)外層有一層暈圈，其溫度范圍為（0.5～4）×103℃，相對(duì)較紅暗；近陰極區(qū)和近陽(yáng)極區(qū)的溫度由于受電極材料沸點(diǎn)限制，低于弧柱溫度。從圖2-3中溫度曲線分布可以得出，高溫的中心部分位于鄰近陰極的區(qū)域，即這個(gè)區(qū)域是電能最強(qiáng)烈地轉(zhuǎn)變成熱能的區(qū)域。

2.1.3 電弧的直徑

電弧的直徑也就是弧柱的直徑，是電弧的重要特征之一，它決定了電弧中的電流密度。弧柱橫截面中電流密度的分布與溫度的徑向分布大致相同，當(dāng)電弧電流大小一定時(shí)，弧柱有一極呈圓柱形的邊界，圓柱的直徑就是弧柱的直徑。但是弧柱并非在任何情況下總是呈圓柱形，比如當(dāng)電弧垂直放置時(shí)，弧柱直徑上部變粗而呈倒圓錐形；又如當(dāng)電弧處于耐弧絕緣材料的狹縫中燃燒時(shí)，由于受縫壁的約束，弧柱截面呈近似橢圓形。電弧直徑沿著電弧長(zhǎng)度并不是相等的，在離電極某一距離處有最大值?；≈睆降拇笮∨c觸頭材料、電流大小、氣體介質(zhì)種類、氣壓及氣體介質(zhì)與弧柱的作用強(qiáng)烈程度有關(guān)。電弧的直徑與電流的平方根成正比。在空氣中被橫向運(yùn)動(dòng)冷卻的電弧，其溫度和電流密度增大，直徑減??；對(duì)于自由燃熾的電弧，其直徑隨壓力的升高而減??；對(duì)于穩(wěn)定燃熾的電弧，其直徑與電弧在其中燃熾的氣體的導(dǎo)熱系數(shù)成反比。

在不同條件下計(jì)算弧柱直徑的經(jīng)驗(yàn)公式有所不同。對(duì)于銅電極，在大氣中自由燃弧，弧長(zhǎng)為5～20mm，電弧電流Ih為2～20A，弧柱直徑dh為

對(duì)于銅電極，在大氣中橫向運(yùn)動(dòng)的燃弧，當(dāng)橫向運(yùn)動(dòng)速度v為20～50m/s，電弧電流Ih為50～1000A，弧柱直徑dh為

對(duì)于銅電極，當(dāng)受到壓縮冷空氣縱吹時(shí)，弧柱直徑dh為

式中：dh——弧柱直徑（cm）；

Ih——電弧電流（A）；

K——常數(shù)，取值范圍為0.0023～0.0039；

p——壓縮空氣壓力（Pa）；

m、n——指數(shù)，取值范圍分別為0.22～0.27和0.6～0.7。

2.1.4 電弧的弧根和斑點(diǎn)

弧柱貼近電極的部分稱為弧根。陰極和陽(yáng)極弧根的截面積通常小于弧柱的截面積，因而接近電極的弧柱呈現(xiàn)收縮現(xiàn)象?；「陔姌O表面上形成的圓形亮點(diǎn)稱為斑點(diǎn)。陰極斑點(diǎn)是維持電弧存在的電子發(fā)射源，此處的電流密度在大氣中自由燃弧時(shí)可達(dá)104A/cm2，當(dāng)弧根在電極表面快速運(yùn)動(dòng)時(shí)可達(dá)107A/cm2。在這樣高的電流密度的情況下，電極材料快速汽化形成的金屬蒸氣進(jìn)入弧隙。陰極斑點(diǎn)區(qū)產(chǎn)生熱發(fā)射、高電場(chǎng)發(fā)射和二次發(fā)射，向弧隙提供大量電子，結(jié)果導(dǎo)致陰極表面逐漸被燒蝕而形成凹坑。陽(yáng)極斑點(diǎn)是電子進(jìn)入陽(yáng)極的主要入口，其面積比陰極斑點(diǎn)較大，因而其電流密度較小。陰極斑點(diǎn)和陽(yáng)極斑點(diǎn)的溫度大致等于電極材料的沸點(diǎn)。

當(dāng)交流電弧橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，陽(yáng)極和陰極的弧根運(yùn)動(dòng)情況如圖2-4所示。虛線左右兩側(cè)分別為電流過(guò)零點(diǎn)前后的弧根痕跡。在電流過(guò)零之前，弧根為陽(yáng)極，其痕跡呈跳躍式運(yùn)動(dòng)；在電流過(guò)零點(diǎn)之后，弧根為陰極，其運(yùn)動(dòng)痕跡幾乎是連續(xù)的。隨著電流的增大，弧根痕跡分成了多條分支。

2.1.5 電弧的等離子流

等離子體是一股具有高溫且?guī)в薪饘僬魵獾碾婋x氣體，是物質(zhì)存在的另一種聚集體，通常被稱作物質(zhì)除固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外的第四態(tài)。電弧在弧隙中燃燒產(chǎn)生的等離子體具有良好的導(dǎo)電性能，并保持電中性?；≈怯傻入x子體構(gòu)成的。

當(dāng)電流流過(guò)電弧時(shí)，由于弧柱中心部分電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與其外層電流的作用，便產(chǎn)生一個(gè)將等離子體壓向中心的壓力。一般而言，當(dāng)電流一定時(shí)，電弧直徑越小，弧柱中心壓力越大。在此壓力作用下，弧根中心部分的等離子體將沿著弧柱軸向壓力較低的弧柱中部運(yùn)動(dòng)，形成一股等離子體流。除此之外，由于弧根的斑點(diǎn)溫度最高，弧根處的金屬材料迅速汽化，也將形成一股垂直于電極表面的金屬蒸氣流，這兩種蒸氣流合在一起，統(tǒng)稱為等離子體流。等離子體運(yùn)動(dòng)速度因電極材料不同而不同。

從電弧離子平衡觀點(diǎn)看，根據(jù)弧隙中帶電粒子數(shù)的增減可以判斷電弧的燃燒狀況。當(dāng)電離強(qiáng)度大于消電離強(qiáng)度時(shí)，電弧燃燒強(qiáng)度增加，電弧電流增大；當(dāng)電離強(qiáng)度等于消電離強(qiáng)度時(shí)，電弧燃燒穩(wěn)定，電弧電流不變；當(dāng)電離強(qiáng)度小于消電離強(qiáng)度時(shí)，電弧趨于熄滅，電弧電流減小。

2.1.6 電弧的能量平衡

在電弧穩(wěn)定燃燒情況下，電弧的輸入能量等于散出的能量，表現(xiàn)為弧柱溫度和直徑保持不變。如果電弧輸入能量大于散出能量，則電弧燃燒越來(lái)越劇烈，表現(xiàn)為弧柱溫度升高，直徑增大。如果電弧輸入能量小于散出能量，弧柱直徑減小溫度下降，則電弧趨于熄滅。

電弧的輸入功率等于電弧兩個(gè)電極的電壓乘以電弧電流，因此從電路角度來(lái)講，電弧相當(dāng)于一個(gè)阻性發(fā)熱元件。電弧散出功率Pz包括電弧傳導(dǎo)散熱功率Pcd、對(duì)流散熱功率Pdl和輻射散熱功率Pfs。

1. 傳導(dǎo)散熱功率Pcd

如果認(rèn)為弧柱截面為圓柱形，其半徑為rh，長(zhǎng)度為l，表面溫度為Th，在弧柱外圍半徑為r0處氣體的溫度與環(huán)境溫度T0相等，設(shè)氣體的熱導(dǎo)率λ為常數(shù)，則弧柱傳導(dǎo)散熱功率Pcd可近似計(jì)算為

實(shí)際上，氣體的熱導(dǎo)率λ不是常數(shù)，它受溫度變化的影響，不同氣體的熱導(dǎo)率和溫度的關(guān)系如圖2-5所示。隨著溫度的變化，每種氣體的熱導(dǎo)率都存在一最大值，此最大值為相應(yīng)氣體分子離解為原子時(shí)的溫度。

2. 對(duì)流散熱功率Pdl

在氣體介質(zhì)中自由燃弧時(shí)，對(duì)流散熱功率和傳導(dǎo)散熱功率在同一數(shù)量級(jí)。但是，當(dāng)采取強(qiáng)制吹弧時(shí)，對(duì)流散熱起主導(dǎo)作用。常見(jiàn)的強(qiáng)迫吹弧方式有橫吹和縱吹兩種，橫吹就是流體介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的方向與電弧軸線垂直，縱吹就是流體介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的方向與電弧軸線平行。橫吹或者介質(zhì)不動(dòng)而電弧本身做橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，可認(rèn)為對(duì)流散熱功率Pdl1與弧柱的縱斷面面積成正比，可表達(dá)為

式中：v——流體介質(zhì)垂直于電弧軸線運(yùn)動(dòng)的速度（cm/s）；

T0——流體介質(zhì)未與電弧接觸時(shí)的溫度（K）；

T——流體介質(zhì)被電弧加熱后的溫度（K）；

Th——弧柱平均溫度（K）；

c——單位體積流體介質(zhì)的比熱容［J/（cm3·K）］；

dh——弧柱直徑（cm）；

l——弧柱長(zhǎng)度（cm）。

當(dāng)縱吹時(shí)，可認(rèn)為對(duì)流散熱功率Pdl2與弧柱橫斷面面積成正比，可表達(dá)為

式（2-6）中各物理量的意義和單位與式（2-5）均相同。

從式（2-5）和式（2-6）可知，無(wú)論是橫吹還是縱吹，對(duì)流散熱功率都與介質(zhì)吹弧速度成正比，所以增大吹弧速度是加強(qiáng)對(duì)電弧冷卻作用的有效手段之一。

3. 輻射散熱功率Pfs

由于電弧本身是透明體，所以輻射散熱功率Pfs與體積成正比，計(jì)算公式為

式中：εfs——弧柱發(fā)射率［W/（cm3·K4）］。

式（2-7）中其他各物理量的意義和單位與式（2-5）均相同。

實(shí)驗(yàn)表明，輻射散熱功率與電極材料及氣壓參數(shù)有關(guān)。在大氣中自由燃弧的情況下，輻射散熱功率通常只占總散出功率的百分之幾到百分之十幾，所以當(dāng)采用了強(qiáng)迫冷卻措施時(shí)，輻射散熱可以忽略不計(jì)。

對(duì)于短弧，由于極間距離很近，電極溫度又遠(yuǎn)低于弧柱溫度，由電弧功率損耗轉(zhuǎn)變成的熱量主要先傳給電極，然后由電極傳給其他零件和周圍介質(zhì)，這時(shí)主導(dǎo)的散熱作用是傳導(dǎo)散熱。對(duì)于長(zhǎng)弧，由電極傳導(dǎo)的熱量較少，絕大部分由弧柱直接傳給周圍介質(zhì)，這時(shí)主導(dǎo)散熱的是對(duì)流散熱。

電弧的動(dòng)態(tài)能量平衡方程可表示為

式中：WQ——電弧能量；

Ph——電弧功率；

Ps——總散出功率；

t——時(shí)間。

當(dāng)Ph>Ps時(shí)，WQ逐漸增大，弧柱溫度增高，弧柱直徑擴(kuò)大，電弧燃燒趨于熾烈；當(dāng)Ph=Ps時(shí)，WQ保持不變，弧柱溫度和直徑不變，電弧處于穩(wěn)定燃燒的狀態(tài)；當(dāng)Ph<Ps時(shí)，WQ逐漸減小，弧柱溫度下降，弧柱直徑縮小，電弧趨于熄滅。

2.1.7 弧隙電壓的恢復(fù)

對(duì)于交流電弧，當(dāng)電弧電流過(guò)零后，電弧熄滅。此時(shí)弧隙電阻將非常大，弧隙兩端的電壓即電源電壓。這一電壓增大過(guò)程稱為電壓恢復(fù)過(guò)程，此過(guò)程中的弧隙電壓稱為恢復(fù)電壓，電壓恢復(fù)過(guò)程與電路參數(shù)有關(guān)。

在電壓恢復(fù)過(guò)程中，恢復(fù)電壓由穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量?jī)刹糠纸M成。其中，穩(wěn)態(tài)分量可由直流電壓和工頻電壓組成，如果穩(wěn)態(tài)分量?jī)H是工頻電壓，則稱為工頻恢復(fù)電壓。暫態(tài)分量通常呈復(fù)雜的波形，僅在電弧電流過(guò)零后幾百微秒的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，此時(shí)為決定電弧能否熄滅的關(guān)鍵時(shí)刻，含有暫態(tài)分量的恢復(fù)電壓又稱為瞬態(tài)恢復(fù)電壓。

對(duì)于不同性質(zhì)的負(fù)載電路，其弧隙的恢復(fù)電壓也不同。當(dāng)負(fù)載為阻性時(shí)，由于電流和電源電壓的相位相同，電弧熄滅后，弧隙恢復(fù)電壓隨電源電壓一起由零按照正弦規(guī)律變化，沒(méi)有暫態(tài)分量，其穩(wěn)態(tài)分量即工頻電壓，即作用在弧隙上的只有工頻恢復(fù)電壓。當(dāng)負(fù)載為容性時(shí)，電流超前于電源電壓，弧隙恢復(fù)電壓不含暫態(tài)分量，其穩(wěn)態(tài)分量是直流電壓和工頻電壓之和。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，電流滯后于電源電壓，弧隙恢復(fù)電壓含有暫態(tài)分量。