第五節 SF₆氣體的滅弧特性

一、電弧現象概述

電弧是一種氣體導電（氣體放電）現象。其特點是：溫度很高，中心溫度達10⁴K，電流密度很大，平均電流密度為10³A/cm²數量級。

氣體導電與金屬導體的導電性質有很大不同，具有負的伏安特性和負的電阻溫度特性，即當電流增加時其電壓降下降，當弧柱的溫度增大時其電阻減小。

在正常狀態下氣體的分子是不導電的，所以常溫下氣體是良好的絕緣介質。但當溫度升高到幾千度時，氣體的分子（原子）大量產生游離，而離解為正離子和自由電子，這些帶電粒子在電極間（觸頭間）電場的作用下產生定向運動，因而造成氣體導電現象。離子電流和電子電流合起來就是放電（電弧）的電流。

在電弧間隙中，電子和離子的總數（電荷數）是相等的，或者說電子密度與離子密度相等。但是電子的質量遠小于離子，在電場作用下運動速度高的多，因此在總的電流構成中，電子電流占90%以上。

總的說來，電弧的壓降是不大的。電弧電壓由三個部分組成。靠近陰極區的壓降U₁、靠近陽極區的壓降U₂和中間區（等離子區）壓降U₃（見圖1-14）：

U_a＝U₁＋U₂＋U₃

靠近兩個電極的近極區是兩個非常薄的薄層，距離大約是電子碰撞的自由行程，這兩個區域內由于電子擴散運動顯著大于離子運動，因而出現單一空間電荷的凈電荷區，在靠近陰極的薄層為凈離子層，靠近陽極為凈電子層。空間電荷形成了強電場，它的壓降為：

U₁≈U₂≈10～20V

除了很小的兩個近極區外，電弧間隙大部分是由正、負電荷密度相等的等離子體所組成，這里沒有凈空間電荷，電場很小，電壓降也較小，其壓降與電弧長度1成正比，對SF₆斷路器約為幾十伏每厘米。對于高壓SF₆斷路器，觸頭間隙一般為5～10cm，所以等離子區的壓降在電弧電壓中占主要成分，電弧的特性也由等離子體的特性所決定。

等離子體特性中與電弧的燃燒、熄滅直接有關的就是其導電特性（電導率），它是由溫度所決定的。控制電弧通道的溫度，即采用足夠強的冷卻手段，使交流電流過零前后電弧通道溫度迅速下降，等離子體電導率迅速下降，也就是使它的帶電粒子重新結合成中性分子，過渡到絕緣狀態，這就是斷路器滅弧的基本過程。

電弧的產生與熄滅的過程，從微觀上分析就是看氣體分子的分解、電離和復合的過程以及帶電質點的運行，從宏觀上看就是電弧的溫度變化，即能量的輸入（電能）和輸出（散熱）的關系。斷路器滅弧能力的強弱就反映在它的散熱能力的大小。開關電弧分析主要進行宏觀的熱的分析。

二、SF₆的分解和導電性能

氣體的熱和電特性與氣體分解和電離過程有關。SF₆氣體在大氣壓下隨著溫度增大而產生的分解和電離的過程。在1000K以下幾乎沒有分解（只有1/10⁶的微量SF₄，F的分解物），隨著溫度增加，分解作用逐漸顯著，而在2000K附近達到高峰，原來的SF₆分子被分解成SF₄、SF₂、S、F等低氟化物及硫氟原子，SF₆的分子數由原來的10¹⁹減到10¹²以下。當溫度繼續增大，氟化物繼續分解成S、F原子，而到5000K以上逐漸出現顯著的電離（離解），空間產生自由電子（e^－）和正離子S^＋，以及（F^－），形成顯著的導電性能，再繼續增大溫度，電離現象更加劇，導電性能更增大。

氣體分子的分解和離解都要消耗能量，如一個SF₆分子要分解成原子態的S和F，需要消耗能量22.4eV，S產生一次電離消耗能量10.36eV，F電離能17.4eV。在大量分解和電離出現時，氣體就要大量吸收熱量，即這時氣體的比熱就要大大增加。這就是圖1-15（a）所給出的定壓比熱C_P在2000K附近出現的高尖峰（分解高峰）和后面對應的電離高峰。圖1-15（b）給出單位重量的氣體所含的熱焓量h隨溫度的變化，在溫度增加的過程中熱焓量也急劇地增長。圖1-15（c）給出SF₆的絕緣系數K隨溫度增加的變化情況。

SF₆的電導率隨溫度壓力變化而變化。對應于離解特性，SF₆分解氣體在6000～7000K以上才有顯著的電離，因而開始有較高的電導率出現。這是純SF₆氣體分子所得出的結果，而實際開關觸頭間燃燒的電弧，因不可避免地有金屬蒸汽的存在，它將使開始出現電離的溫度降低到3000K左右，因此實際弧柱中溫度3000K以上就構成導電的弧芯部分。電弧中心部分約為15000～20000K。在這樣的溫度范圍里，弧柱內的氣體還只是部分電離，或稱之為低溫等離子體。壓力對電導率的影響是壓力增加，氣體的分解與離解溫度都提高，所以開始時的電導率下降，但是在更高溫度下因電子密度增加又使電導率增加。

從SF₆分解特性上我們可以看到負離子F^－的存在，這就是氟元素的負電性。在弧隙的冷卻恢復過程中還會有存在。這些負離子的產生對弧隙的介質恢復，即帶電粒子的復合是有利的，因為負離子比自由電子的活潑度低，與正離子結合的概率要高得多，這就加快了電導率下降的過程，這正是SF₆氣體滅弧性能優良的原因之一。

必須說明一點，上面這些特性與參數都是在空間粒子處于熱力平衡狀態得到的，或者說是穩定狀態的參數。而穩定狀態的出現則需要一定的時間稱為“平衡時間”。譬如空間某些粒子受熱而加速，再傳遞給其它粒子，這需要一系列碰撞過程才能使其它粒子獲得能量，平衡時間與粒子的碰撞頻率有關，經過若干個碰撞自由行程時間，粒子間就可以達到局部的熱力學平衡。幾個反應的平衡時間大致為：

分子分解平衡時間：10^－3s

分子、原子電離平衡時間：10^－8s

電子熱平衡時間：10^－12s

分子熱平衡時間：10^－7s

這些數據提供了在什么樣時間范圍里可以使用前面平衡狀態得出的各種參數。就電弧的開斷過程來說，電參數的變化一般在微秒（10^－6s）時間以上，在這樣的時間范圍，電子、分子熱運動平衡可以達到，電離平衡也可以達到，即弧柱的電導率認為可以無慣性地跟上溫度的改變。而分子分解平衡時間則長達毫秒數量級，這在快速過程如電流零點附近，溫度變化很急劇時，已經分解的氣體原子（在大電流期間形成的），在短時間里來不及復合成分子，盡管溫度已降低到低于分解溫度（如2000K，對SF₆言），而氣體仍暫時保持原子態，這一種現象稱為“原子凍結狀態”，只有經若干毫秒以后，才可能復合完成分子狀態。在這種快速變化過程中，氣體來不及分解或復合，則氣體比熱C_P就不會出現分解尖峰，即如圖1-15（a）中虛線所示變化。

三、電弧的散熱

氣體的電導率是由其溫度惟一地決定的，因此電弧弧柱的電導G（電阻R）也就取決于弧柱內的溫度和幾何尺寸，或者簡單地說決定于弧柱所包含的能量Q，G＝＝f（Q），弧柱的能量是電弧的輸入能量（電源輸入的焦耳能）與電弧的散熱平衡的結果，即：

式中 P₁——電源輸入功率，P₁＝i²R＝i²/G，如電弧電流由外電路決定，即P₁決定于弧柱電導G；

P₂——弧柱向外散熱功率；

Q——弧柱中儲存的能量（熱量）。

這里Q、P₂、G都是弧柱的幾何尺寸（直徑、長度）、溫度分布和介質特性的函數，但是要確定它們之間的關系是不容易的。正是從這個基本關系出發，不同的電弧研究者設立了許多理論模型來描述這些量之間的相互關系，企圖簡化復雜的過程，以期獲得電弧各參數的計算方法并確定電弧熄滅的條件。我們不準備介紹這方面的研究內容，因為要定量地計算分析電弧熄滅過程現在還不可能。我們只準備介紹影響電弧燃燒與熄滅的一些重要的因素，尤其是各種散熱過程的影響，使讀者對斷路器中的電弧燃燒與熄滅過程有較清晰的了解。

氣吹斷路器電弧的散熱主要是依靠軸向流動的噴口氣流傳熱，但是徑向的傳熱在決定電弧截面、截面上的氣體溫度、速度分布上起著重要的作用。我們將先討論主要在徑向傳熱上起決定作用的傳統的三種傳熱方式：傳導、輻射和對流，最后再討論軸向氣流傳熱以及對熄弧的影響問題。

（一）電弧的熱傳導

經典的熱傳導是考慮氣體的分子熱擴散運動，使高溫位置的分子攜帶較高的內能，遷移到較低溫的位置，造成熱量在空間的傳遞。這里的分子運動指的是熱運動（無規則的，各向同性的），而不是宏觀的相對移動，在固體中則表現為自由電子的熱運動。只要空間存在溫度差，就存在熱傳導，如空間的溫度梯度為ΔT/ΔX（K/m），穿過與該溫度梯度相垂直的面積S（m²），單位時間傳遞的熱量Q可表示為：

式中 K——熱導率，[w/（m·K）]。

對固體、液體和溫度不特別高的氣體，熱導率都近乎為常數。但是對溫度很高如數千度以上的氣體（弧柱中及其鄰近區的氣體就是這樣），熱傳導現象就不同于經典熱傳導過程，K的數值將發生很大的變化。

前面談到高溫下氣體發生分解和電離，這時要吸收能量，如果由于熱運動，已經分解吸收了熱量的氣體原子擴散到較低溫位置，而較低溫位置較低內能的氣體分子又擴散到較高溫位置，因而產生的熱傳遞要比單純的內能攜帶多得多。這時擴散（遷移）的能量除了攜帶內能外，還攜帶反應能（分解能、電離能以及其它化學反應能等都屬于反應能）。對于SF₆氣體而言，對應于前述分解特性，其熱導率在氣體分解、離解高峰溫度位置就出現高峰（見圖1-16）。圖1-16中2000K左右的熱傳導高峰為分子分解高峰，10000K以上的高峰是電離過程造成的。圖中虛線表示溫度快速變化時的原子（分子）凍結狀態的熱導率。

SF₆氣體2000K附近的熱傳導高峰對SF₆電弧弧柱截面形狀有重要影響。前面談到觸頭間有金屬蒸汽影響的弧柱導電的溫度下限大約3000K左右，通常把這個溫度以上的區域，即主要的通過電流的區域稱為“弧芯區”外面溫度較低的區域為“弧焰區”。SF₆電弧在弧芯區邊界上有很高的熱傳導（指在相對穩定的燃弧期間，如工頻電流的大電流期間），這里傳導散熱很強烈，溫度降低得很快。因此形成陡峭的溫度下降的邊界，弧芯是高溫、高電導率的，弧焰則很快降為低溫。

圖1-17給出SF₆和空氣（以N₂為代表）的導電、導熱性能的比較。相比較而言，SF₆電弧弧芯熱導率低，電導率高，而空氣電弧弧芯則相反。因此SF₆電弧弧芯溫度高，電弧的電壓梯度低。在相同的氣壓下，SF₆電弧電壓梯度只有空氣電弧的三分之一左右。

上面討論的熱傳導的熱散，只發生有溫差（溫度梯度）的方向上，對噴口中氣流電弧來講，軸向溫度差比較小，而且氣流散熱作用強，所以傳導散熱主要在徑向產生影響。

（二）電弧的輻射

凡是溫度高于絕對零度的物體都在不停地向外輻射能量，它是以射線（電磁波）的形式傳遞的，不需要中間介質做媒介。電弧輻射的波長范圍很廣：100～10000A（1A＝10^－10m）遠遠超過了可見光的波長（4000～7600A，即紫光到紅光范圍）。輻射是由于電子、離子或原子的能量狀態改變時而發出的，輻射的波長（頻率）與電弧中的元素成分、各元素中電子可能的能態變化有關。

任何物體都在輻射能量的同時也吸收外來的輻射。溫度越高的物體其輻射線中短波長

（高頻率）所占比例越大，也就是輻射的能量密度（輻射系數ε），即單位體積向單位空間立體角S_r射出的能量越大。因此，在弧柱中心處溫度最高，實測在20000K左右，其輻射線大量為波長很短的真空紫外線，這些射線在穿過外層弧柱時，大部分被吸收，實際上傳到弧柱以外的能量是很少的。

輻射能在弧柱內的自吸收對弧柱徑向尺寸、溫度分布有決定性的影響，中心的電弧輸入能量幾乎完全通過輻射散出，在外層又被吸收，使徑向直徑擴大，溫度趨于均勻，平均溫度降低。輻射能量在弧柱邊界的吸收使弧柱直徑增大。由于冷氣體吸收作用很強，吸收厚度很小，因而也在邊界上形成溫度梯度很大的邊界層。

盡管弧柱的輻射能中只有很小一部分傳遞到外面去，但其散熱效應還是不可忽略的，特別是在大電流期間是重要的。有人對壓縮空氣氣吹噴口在吹弧壓力4.5～14大氣壓、電流10kA下進行了輻射能量及單位弧長的輸入電功率的測量，求得輻射散熱對輸入能量的相對值，見表1-9。

由此可見，輻射在大電流期間的散熱作用是重要的。對上游部分由于氣體壓力高，輻射能量占的比例更高，下游部分因為氣流的渦流的存在，對流散熱起更大的作用。觸頭材料的影響也可以看出，高熔點材料有更強輻射作用。

在大電流燃弧期間，強烈的輻射熱量傳出弧柱邊界層以后，主要被壁表噴口器面所吸收，引起材料表面過熱和蒸發。研究表明，噴口表面會產生一個蒸發氣體構成的附面層，溫度高達1000K以上。這種蒸發造成噴口燒損，而更嚴重的是可能使噴口的堵塞更早地發生，因為附面層造成噴口有效截面減小。對SF₆斷路器聚四氟乙烯材料的噴口，因為其熔點較低（1000K）蒸發現象比銅噴口更為嚴重。

（三）電弧的對流散熱

對流傳熱指氣體整體的運動而攜帶的熱量。這種整體運動可以是由于局部的壓力（或密度、溫度）差引起的流動，例如靠近高溫物體表面氣體受熱膨脹而引起流動，這叫自由對流。在靜止氣體中燃燒的電弧表面就存在這種自由對流散熱。另外一種叫強迫對流散熱，即氣體流動是外界因素引起的，例如由儲氣罐或壓氣室來的經過噴口的氣流。這種強迫對流當然比自由對流要有強得多的散熱效果，是氣吹斷路器主要的散熱冷卻手段。

在實際噴口氣流中，尤其在有電弧存在時，往往伴有局部的渦漩，渦漩有些是穩定持續的，更多的是小范圍的、不穩定的渦漩。渦漩的出現使局部氣流流動速度加快和垂直于渦漩面的加速度運動，這些都造成傳熱的增強。因此渦漩的出現相當于局部傳導散熱增大。縱向噴口中的電弧周圍渦漩出現的規律有兩條：

（1）渦漩現象在大電流燃弧期間不顯著，而小電流期間比較顯著。

（2）噴口喉部下游比上游要顯著得多。因此，渦漩現象對電弧零點附近有較大的影響，在分析弧隙恢復過程時有不可忽略的作用。

四、SF₆氣體的優良滅弧性能

（一）優良的熱特性

由SF₆氣體分解特性造成的高溫導電區域內具有高電導率和低熱導率，而低溫區（2000K

附近）卻有很大的熱導率，因此形成近乎徑向矩形溫度分布的弧芯結構，經過非常陡峭的溫度下降區（邊界層），外焰部分溫度很低。實測和計算都表明SF₆弧芯的平均溫度約為12000～14000K，高于空氣弧芯的10000～11000K。因此SF₆的電弧電壓就比空氣低，電弧功率也小，自然對電弧熄滅有利。

比較了實測的電弧直徑，證明SF₆與空氣在相同條件下電弧的平均電流密度，弧柱直徑是相差不多的。但電弧的電壓梯度空氣要比SF₆大2倍，亦即空氣電弧的輸入功率比SF₆大。這表明空氣電弧弧柱中單位體積的能量（熱焓）要比SF₆電弧大。比較兩者的熱參數證明確實如此。表1-10中列出了在平均溫度12000K、壓力1大氣壓下的有關參數。單位體積弧柱的熱焓（H）空氣為SF₆的1.5倍，當然其軸向氣流散熱能力也比SF₆為大，得以維持平衡的溫度相差不多。

SF₆弧柱能在電流很小時還維持弧芯導電機構，而且弧芯熱體積小，使之在電流零點時的殘余弧柱體積小，這也是造成弧柱介質恢復特性好的原因之一。因為研究表明，零后殘余弧柱電導變化的時間常數是與弧柱的截面成正比。

由于弧芯結構能維持到電流零點附近，這也使SF₆電弧不會造成電流截斷，在開斷感性小電流時不會出現高的截流過電壓。

（二）SF₆分子的負電性

鹵族元素的強負電性在它形成化合物后仍保持著，SF₆及其它含F分子在零后吸附了自由電子，生成的負離子，其運動速度大大低于自由電子，與正離子碰撞，結合的概率大大增多，因此使電離、電導率降低的過程大大加快。在滅弧過程中，供給大量SF₆分子使之與弧柱有效接觸是促使弧隙迅速冷卻、恢復的重要手段。

（三）SF₆電弧的時間常數與開斷性能

SF₆斷路器的優良開斷性能與SF₆電弧弧后恢復快，即時間常數小是分不開的。時間常數的影響因素復雜，理論計算是困難的，而實驗測量也是不易的。許多研究者測到的數據差別很大，早期在靜態氣體中，小電流電弧的測量數據表明SF₆電弧時間常數只及空氣的1/100，而推論其滅弧性能也是空氣的100倍。近期在大電流（10kA級）試驗表明，SF₆的開斷能力大約為大氣壓力的2～3倍（在相同的吹弧氣壓下）。在一定的噴口尺寸，達到同樣的開斷電流，SF₆吹弧需要的壓力大約為大氣壓力的1/2～1/3。電流過零后介質恢復過程的時間常數，在熱恢復階段SF₆就比空氣快一倍左右，后面的介質恢復階段則要歸功于SF₆氣體的優良絕緣性能。

（四）SF₆氣體的優良絕緣性能

SF₆氣體的絕緣強度在比較均勻的電場結構下約為空氣的3倍，電流過零若干微秒以后的恢復速度比空氣高數倍就是SF₆氣體絕緣強度高的表現。