教學(xué)PPT真空電弧

1、11. 真空電弧11.1 概述真空電?。弘姌O間為真空狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的電弧，它實(shí)際上是電極金屬蒸汽中的電弧。（1）真空度與氣壓粗真空： 1atm1.33102pa;低真空： 1.33102pa-1.3310-1pa;高真空： 1.3310-1pa-1.3310-6pa;超高真空：1.3310-6pa -1.3310-10pa；極高真空： 1.3310-10pa真空度越高，氣壓越低（2）擊穿電壓與氣壓的關(guān)系paschen定律描述了均勻場中擊穿電壓與pd的關(guān)系，它是一條v形曲線，對于一定距離的極間距，擊穿電壓與氣壓的關(guān)系如圖。 當(dāng)p 10-4pa時(shí)，ub 基本不變，為了維持較高的擊穿電壓，應(yīng)使p 10-

2、4pa，產(chǎn)生真空電弧時(shí)應(yīng)使p 10-2pa。屬于高真空。（3）高真空間隙的絕緣強(qiáng)度 在電極表面光滑、電場均勻、高真空的條件下，取p=6.710-2pa，電子的平均自由程為25cm,而極間距通常小于4cm，所以電極間基本不會(huì)因電子的碰撞電離而發(fā)生擊穿。所以高真空間隙具有很高的絕緣強(qiáng)度。 由圖可見，高真空間隙的絕緣強(qiáng)度比一個(gè)大氣壓下的空氣、sf6氣體和變壓器油的高很多。 問題：一個(gè)大氣壓下，空氣的擊穿場強(qiáng)是多少？條件是什么？（4）擊穿電壓與極間距的關(guān)系 a. 空氣中均勻電場擊穿電壓與d的關(guān)系b.高真空中ub與d的關(guān)系 當(dāng)d 1cm時(shí)， ub基本上正比于d, 當(dāng)d 1cm后， ub 趨于飽和，增大極

3、間距不能有效地提高擊穿電壓。這就是研制高電壓等級真空斷路器的難點(diǎn)。當(dāng)d 1cm后， ub 趨于飽和。擊穿電壓隨距離變化的原因是什么？如何解釋？這涉及其擊穿機(jī)理。現(xiàn)已提出幾種假說。11.2 真空間隙的擊穿機(jī)理 為了解釋擊穿電壓隨極間距離增大的曲線特性，人們提出了多種理論。真空絕緣主要與電極過程和金屬蒸汽有關(guān)。其擊穿機(jī)理主要有如下兩種：（1）場致發(fā)射機(jī)理 再光滑的電極表面都有許多的微觀突起，這些微觀突起被稱為晶須。晶須的高度約為10-4cm，半徑約為10-5cm，密度約為104個(gè)/cm2。由于尖端效應(yīng)，晶須的尖端場強(qiáng)可增強(qiáng)數(shù)百倍。這樣，在平均場強(qiáng)106v/cm時(shí)，尖端場強(qiáng)可108v/cm，陰極晶須

4、會(huì)在強(qiáng)電場作用下發(fā)射電子（schottky 效應(yīng)）。電子電流密度由schottky公式表示。 晶須的尖端場強(qiáng)增強(qiáng)的程度可由電場的增強(qiáng)系數(shù)表示，晶須的高徑比與極間距的比值越大，則增強(qiáng)系數(shù)就越大，若極間距增大，則增強(qiáng)系數(shù)就越小。所以這一機(jī)理僅成立于小極間距的情況。在陰極發(fā)射電子電流的作用下，晶須的溫度由兩方面決定：a. 流過晶須的電流產(chǎn)生的焦耳熱；b.電極熱傳導(dǎo)引起的冷卻。 物理過程：若晶須溫度足夠高汽化間隙內(nèi)金屬原子密度增大碰撞電離加劇等離子體膨脹擴(kuò)散到電極間間隙擊穿 晶須汽化需有一臨界場強(qiáng)ec，與其相應(yīng)的間隙擊穿電壓ub= ecd可見，間隙擊穿電壓與極間距成正比。所以，當(dāng)d1cm時(shí)，擊穿由熱電

5、子發(fā)射或/和場致電子發(fā)射引起。 （2）微粒擊穿機(jī)理 設(shè)陰陽極間為均勻電場e，電極表面的電荷面密度=0e，又設(shè)一微粒吸附在陰極表面，微粒所占陰極表面的面積為s，則微粒所帶電量為q= s= 0e s。該微粒在電場力作用下到達(dá)陽極時(shí)的動(dòng)能為wk= qu= 0e su= 0 su2/d （1）若微粒的動(dòng)能足夠大，當(dāng)其撞擊陽極表面時(shí)，使陽極表面溫度升高、汽化而產(chǎn)生等離子體，就可使間隙擊穿。此時(shí)的電壓即為擊穿電壓，所以有dswukb02dkub可見，ub 與d的平方根成正比。這一結(jié)論與d 1cm的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。另外，還有二次電子發(fā)射的機(jī)理。這幾種擊穿的原因和作用是同時(shí)存在的，看是哪種為主。（3）影響擊穿電

6、壓的因素a. 真空度；b. 極間距；c. 電極材料：銅鎢合金、銅鉍合金、銅鉻合金 金屬蒸汽的電離能與金屬材料有關(guān)，電極材料對擊穿電壓和真空電弧的性質(zhì)都有重要影響。d. 電極表面狀況e. 老練情況（4）擊穿的物理過程 用真空觸發(fā)管做實(shí)驗(yàn) a.真空觸發(fā)管的結(jié)構(gòu)陽極絕緣玻殼陰極觸發(fā)極絕緣b.實(shí)驗(yàn)電路c.實(shí)驗(yàn)結(jié)果 觸發(fā)瞬間 發(fā)展階段 電弧形成問題：1. 可見光的來源？它反映了什么？ 2. 電極間的一團(tuán)等離子體如何運(yùn)動(dòng)？根據(jù)物理現(xiàn)象推斷的擊穿過程開關(guān)的兩個(gè)電極斷開時(shí)，若陰極表面的電場強(qiáng)度超過某一閾值，就會(huì)由于場致發(fā)射而發(fā)射出電子，電子在電極間做加速運(yùn)動(dòng)，具有很高能量的電子撞擊陽極就會(huì)轟擊出正離子和金屬蒸

7、汽，這之后就會(huì)發(fā)生兩個(gè)過程：第一個(gè)過程是后續(xù)的電子就會(huì)與金屬蒸汽中的金屬原子發(fā)生雪崩式的碰撞電離，電離出的大量電子和正離子就在陽極附近形成了電弧等離子體；第二個(gè)過程是從陽極表面轟擊出的正離子在強(qiáng)電場作用下加速運(yùn)動(dòng)，撞擊陰極并轟擊出電子和金屬蒸汽，后續(xù)的正離子與金屬蒸汽同樣也會(huì)發(fā)生雪崩式的碰撞電離，結(jié)果就在陰極附近形成電弧等離子體。隨后陰極和陽極附近的等離子體迅速向整個(gè)間隙擴(kuò)散（雙極性擴(kuò)散），最終使間隙導(dǎo)通，電極間的電壓迅速下降到電弧的維持值。由陰極電子發(fā)射發(fā)展到電弧形成，這一過程涉及真空放電物理 要研究高電壓等級的真空開關(guān)，就要研究這一過程 能否阻止陰極發(fā)射電子？采用高（ tb）的陰極材料和特

8、別平滑的陰極表面？ 如何阻止電弧形成？或者，如何阻止陰極發(fā)射的電子向陽極運(yùn)動(dòng)？11.3 真空電弧1. 真空電弧的形成 真空滅弧室內(nèi)的動(dòng)靜觸頭是平面接觸式的平面圓盤電極，當(dāng)動(dòng)靜觸頭分離的瞬間，電流集中在少數(shù)接觸點(diǎn)上，電流產(chǎn)生的焦耳熱接觸點(diǎn)迅速升溫 金屬熔化形成一個(gè)個(gè)的亮點(diǎn)陰極斑點(diǎn)金屬蒸汽電子碰撞金屬蒸汽電弧等離子體 所以真空電弧是金屬蒸汽中的電弧。 真空電弧按形狀可分為兩種類型： 擴(kuò)散形真空電弧 幾千安培的電流 集聚形真空電弧 幾十千安培的電流2. 擴(kuò)散形電弧 對于銅電極，每個(gè)陰極斑點(diǎn)的通導(dǎo)電流為幾十100a，隨著電流增大，斑點(diǎn)增多。陰極斑點(diǎn)是發(fā)射電子和產(chǎn)生金屬蒸汽的源，電子與金屬蒸汽碰撞產(chǎn)生新

9、的電子和正離子，從而形成電弧等離子體，但金屬蒸汽壓不高。由于真空電弧弧柱中帶電粒子多，電導(dǎo)率高，場強(qiáng)很低，且由于斑點(diǎn)噴射出的粒子動(dòng)能較大，所以正離子也和電子一樣向陽極運(yùn)動(dòng)。陰極斑點(diǎn)附近的粒子密度最大，它們在向陽極運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，從而形成錐頂角為60度的圓錐狀弧柱，所以稱為擴(kuò)散形電弧。擴(kuò)散性電弧的特點(diǎn)是：只有陰極斑點(diǎn)而陽極表面沒有斑點(diǎn)；陰極斑點(diǎn)不斷移動(dòng)。由于陰極斑點(diǎn)在陰極表面快速移動(dòng)，電極的局部區(qū)域加熱時(shí)間短，陰極表面的平均溫度低于金屬材料的熔點(diǎn)。擴(kuò)散型電弧熄滅后，幾微秒內(nèi)就恢復(fù)為真空間隙，從而能承受很高的電壓。隨著電流地增大，陰極斑點(diǎn)增多，相鄰的錐體發(fā)生重疊。陰極斑點(diǎn)通常從中心區(qū)域向邊

10、緣不斷移動(dòng)，然后彎曲變長，因不能維持弧柱電壓而熄滅，但瞬間在電極中心區(qū)域又會(huì)產(chǎn)生新的陰極斑點(diǎn)。3.集聚形電弧 形成過程：電流 陰極斑點(diǎn)數(shù) 電子數(shù) 轟擊陽極表面使其溫度 陽極斑點(diǎn)形成 噴射帶正電的金屬蒸汽和正離子 帶電粒子數(shù) 電導(dǎo)率 陽極斑點(diǎn)所在弧柱的弧柱電壓 其它陰極斑點(diǎn)所對應(yīng)的弧柱電壓不能維持而熄滅，陰極表面只剩下與陽極斑點(diǎn)正對面的陰極斑點(diǎn) 形成集聚形電弧。 陰極斑點(diǎn)和陽極斑點(diǎn)都是明亮可見的，陽極斑點(diǎn)的直徑可達(dá)12cm，熔區(qū)的冷卻需要毫秒量級。電流過零后，陽極斑點(diǎn)仍噴發(fā)金屬蒸汽，因此間隙無法承受恢復(fù)電壓而重燃。 集聚形電弧弧柱中可達(dá)數(shù)個(gè)大氣壓，其伏安特性為負(fù)阻特性。電流自身磁場對形成集聚形電

11、弧的作用 將圓錐狀電弧近似視為圓柱狀，設(shè)其半徑為r， 則電流產(chǎn)生的磁場bi， i為總電流，又設(shè)距軸線r處的電流密度為j，則該電流所受磁壓力為f ij，這個(gè)力使弧柱箍縮，但弧柱內(nèi)粒子的氣壓要使其膨脹，所以弧柱的直徑取決于這兩個(gè)力的大小。 i 磁壓力f ij 使弧柱箍縮集聚形電弧集聚形電弧的特點(diǎn)是：陰極斑點(diǎn)團(tuán)和陽極斑點(diǎn)移動(dòng)緩慢，甚至不動(dòng)，陰陽極表面局部升溫劇烈，導(dǎo)致嚴(yán)重熔融汽化。4. 電弧電壓 高氣壓電?。贺?fù)的伏安特性，以弧柱壓降為主 真空電?。盒‰娏鲿r(shí)為正的伏安特性，因?yàn)榛≈?，以陰極壓降和陽極壓降之和為主；大電流時(shí)仍呈現(xiàn)負(fù)阻特性。（1）陰極壓降uc 由陰極材料的沸點(diǎn)溫度tb和熱導(dǎo)率的乘積決定沸

12、點(diǎn)溫度tb 金屬蒸汽不易產(chǎn)生熱導(dǎo)率 陰極斑點(diǎn)溫度不易 兩者的乘積大 要產(chǎn)生足夠的金屬蒸汽所需的能量 陰極壓降 陰極壓降與陰極材料物性（ tb）的關(guān)系（2）弧柱壓降uz電流i 陰極斑點(diǎn) 錐體重疊 粒子密度 碰撞 運(yùn)動(dòng)阻力 要維持大電流，需場強(qiáng) 弧柱壓降 uz：0.1v/cm(小電流）幾v/cm(幾千安以上） 因極間距不大于4cm，所以uz在電弧電壓中所占比例很小。（3）陽極壓降ua與真空電弧的伏安特性 小電流時(shí)，電子、正離子都可憑其初始動(dòng)能到達(dá)陽極，陽極附近正負(fù)電荷基本相等，陽極壓降ua基本等于零，電弧電壓基本為陰極壓降，如圖中a區(qū)所示。 電流i 弧柱場強(qiáng)ez與uz都（原因同前，如b區(qū)所示），

13、若uz 、ez增大到一定值正離子在電場中減速并轉(zhuǎn)向陰極運(yùn)動(dòng)陽極附近只剩下電子（離子貧乏） 形成陽極場強(qiáng)和陽極壓降ua（c區(qū)的曲線1） 若電流i 繼續(xù) 形成陽極斑點(diǎn) 噴射帶正電的金屬蒸汽和正離子 陽極壓降ua （c區(qū)的曲線2） 形成集聚形電弧。伏安特性？結(jié)論：小電流時(shí)為正的伏安特性，大電流時(shí)仍為負(fù)的伏安特性5. 磁場對真空電弧的影響（1）橫向磁場 磁力線與弧柱軸線垂直優(yōu)點(diǎn)：電弧電流在橫向磁場中受到的洛侖茲力使電弧在電極表面運(yùn)動(dòng)，避免電極局部溫度過高，抑制或推遲陽極斑點(diǎn)的產(chǎn)生。缺點(diǎn)：使電弧彎曲變長，電弧電壓和電弧能量增加，限制了開斷電流的提高。角向磁場or徑向磁場or x向磁場? 電弧電壓高更易于

14、滅?。?）縱向磁場 磁力線與弧柱軸線平行優(yōu)點(diǎn)：a. 對作徑向運(yùn)動(dòng)的帶電粒子有抑制作用，延緩了離子貧乏現(xiàn)象和陽極斑點(diǎn)的產(chǎn)生； b. 可降低電弧電壓（?）和電弧能量； c. 部分抵消了電弧本身磁場產(chǎn)生的箍縮作用（向心力），延緩了集聚形電弧的形成。c1:40ka， c2: 30ka，c3：20ka圖 電弧電壓與縱向磁場強(qiáng)度的關(guān)系6. 交流真空電弧的熄滅(1) 雙極性擴(kuò)散的速度幾個(gè)cm/s，所以真空間隙可在幾微秒內(nèi)恢復(fù)絕緣性能(2) 只要沒有集聚型電弧，電流過零后就不會(huì)再有電弧。 開斷大電流時(shí)，需避免形成集聚型電弧?？刹扇⊥馐┐艌龅拇胧篴. 采用縱向磁場觸頭，提高集聚電流值；b. 采用橫向磁場觸頭，

15、使集聚性電弧迅速移動(dòng)，避免電極表面局部升溫；在后半周電流減小時(shí)使電弧重新變?yōu)閿U(kuò)散型電弧，這樣電流過零時(shí)就沒有陽極斑點(diǎn)。(3) 小電流的截流現(xiàn)象 截流與鎢的含量有關(guān)，不含鎢的電極的截流值很小。(4) 散熱方式：以輻射和經(jīng)電極、屏蔽罩的熱傳導(dǎo)為主，散熱條件較差。7.電壓、電流波形與截流問題（1）直流條件下小電流時(shí)的電弧電壓波形隨著電流從50a減小到10a，電弧電壓也逐漸從1819v降低到1516va. 50a時(shí)，噪聲電壓峰值45v；b. 25a時(shí)，噪聲電壓峰值8v，個(gè)別脈沖超過20v；c. 10a時(shí)，大多數(shù)噪聲電壓峰值超過25v，個(gè)別脈沖超過60v.另外，在電流陡峭變化時(shí)，噪聲電壓可超過上千伏噪聲

16、電壓的頻率從幾khz到幾mhz，其持續(xù)時(shí)間可達(dá)幾十微秒。噪聲電壓形成的原因：因?yàn)殡娏餍?，陰極表面局部因電子爆炸發(fā)射出一陣陣極高密度的電子流（explosive centre, ecton for short），電子爆炸發(fā)射具有隨機(jī)的性質(zhì)。由于是間歇式地發(fā)射電子，這些電子就在間隙中建立起高頻電場（噪聲電場），從而引起間隙間帶電粒子的高頻振蕩。（2）電流較大時(shí)的情況交流時(shí)幾百安培的條件下，電弧電壓和電流的波形都很光滑。這是因?yàn)橛辛顺掷m(xù)性的陰極斑點(diǎn)，源源不斷地發(fā)射電子，沒有高頻電場。（3）大電流時(shí)的電弧電壓波形 在即將形成陽極斑點(diǎn)前，陽極表面也會(huì)產(chǎn)生爆炸發(fā)射，發(fā)射出正離子和金屬蒸汽，這些帶電粒子同樣會(huì)激起間隙間的高頻振蕩電場 形成穩(wěn)定的陽極斑點(diǎn)后，電壓、電流波形又很光滑。（4）更大電流的情況 可產(chǎn)生各高次諧波并存的的高頻輻射 我們