气体压力与温度的关系(气体中的电弧)

Posted 2023-05-30

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气体压力与温度的关系(气体中的电弧)

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本书第二章是气体中的电弧，电弧是电力系统中电路开合的重要组合部分，只有在极低的电流和电压下，例如空载情况下，才可能出线无弧开合；无触点设备（半导体开关设备、二极管、晶体管、超导体或类似设备）中也可能出现无弧开端。到目前为止，除了电弧以外其他的方法都无法经济地实现高压电路的开断。因此，一般来说设计开关设备就需要深刻了解电弧内部物理过程及其特性。

电弧的基本过程和物理特性

电弧是气体放电的型式之一，以等离子体的出现为特征，是由于有电流通过诸如空气这样的在一般情况下不导电的介质而产生的。

按照物理学的定义，等离子体是指包含带电荷的粒子、电子、正负离子的电离气体。电荷具有自由运动的能力，使得等离子体具有导电性，因而会受到电磁场的强烈作用。因此，等离子体具有不同于固体、液体和气体的特性，被认为是一种独立的物质形态。

要使等离子体存在，电离（产生带电粒子）是必须的。在电弧中，电离是通过热过程实现的，即由高速运动的电子和相对低速运动的正离子和中性粒子之间的碰撞引起的。同时，消电离过程也在进行，即电子和正离子复合成为中性的原子或分子。稳定的电弧燃烧意味着电离与消电离过程处于平衡状态。等离子体可分为热等离子体和冷等离子体。热等离子体又可分为低温和高温等离子体。

六氟化硫（SF6）是一种极易附着电子的气体。这种表现出具有吸附电子能力的气体，被称为负电性气体。负电性可以显著影响弧后击穿电压，因为它可以俘获引起雪崩（汤森）放电的自由电子。

等离子体的性质取决于气体压力。当气压较低时，电子的自由行程相对较长并且能子电场中获得较大的动能。在这种情况下，电子动能超过了正离子和中性粒子的动能。这种动能增加的状态是由具有较高温度（数千开尔文）的电子为特征表现出来的，而其他粒子的温度（数百开尔文）则远低于此。同样，其他粒子的动能也不相同，具有各自的温度。在这种情况下，“其他温度”这一概念是没有任何意义的。这种等离子体被称为非热（冷）等离子体。这样的电弧被称作低气压电弧。

当气压上升时，电子温度降低而其他粒子温度身高。在大气压下，所有粒子的温度实际上是相同的，这种情况下的电弧被称作高气压电弧，这也是大多数开关设备中典型状态。高气压电弧等离子体具有局部热平衡的特征，这意味着构成电弧的所有成分都处于同一温度下。这一温度决定了高气压电弧的所有基本过程。只有在电极区域，由于电子和离子的集中情况不同，局部热平衡才被打破。高气压电弧的特征是有明显的弧柱边界、弧柱中电流密度高（可以达到数百安每平方厘米）、气体温度高（数千乃至上万开）、阴极压降低（10~30V）以及近阴极区电流密度极高（数千安每平方厘米）。

金属表面电子发射机理

无论是热能（加热）还是电能（电场），都会传递给电子而成为其离开金属表面的能量。因此，电子通过三种机理自阴极发射进入弧柱：

·热电子发射（T-emission）；

·场致发射（F-emission）；

·场致热电子发射（TF-emission）。

对于大多数金属触头来说，电弧中起主导作用的电子发射机理是组合发射，及场致热电子发射。

电弧中的载流子

电弧可分为三个区域：邻近负电极的阴极压降区域、弧柱区和与正电极相邻的阳极压降区域，阴极和阳极压降区域在空间尺度上远小于弧柱。

触头侵蚀机理

触头侵蚀的原因如下：

·在电流负载下触头分开；

·在电流负载下触头闭合；

·分合过程中触头弹跳。

触头弹跳过程中，每次触头分开都会伴随着电弧产生，从而引起触头侵蚀，甚至会把触头熔焊在一起。因此必须通过一个合理的设计来阻止触头发生弹跳或尽可能减少触头弹跳时间。

对于低压元件而言，在没有电弧燃烧的条件下分断电流的过程中产生的触头侵蚀称为触头此料从一个电极向另一个电极的桥转移，通常是有阳极转移到阴极。在大多数交流开关元件中，桥转移现象并不显著（尽管类似现象会出现在依靠金属导体载流而由电子器件承担开断任务的混合型开关元件中）。在交流电路中，触头的极性是随机的。因此，一对电极中的任何一个是阳极或阴极的概率相同，这实际上补偿了电极材料的桥转移。如果开断电流伴随哟电弧出现，那么在电流负载下触头分离的时刻将会发生最严重的过程。电力系统中电感所贮存的磁场能量将通过电弧使电流继续流过。在这一过程的初始阶段，由于触头压力减小，触头表面实际接触面的面积率先减小，与此同时，电流密度增加并且在触头分开前的瞬间达到最大值。此时触头的接触面积非常小，高电流密度将导致触头材料发生熔化和汽化，这实际上加剧了电弧燃烧和触头材料磨损。当触头间隙较小时，电弧为短弧，两触头会互相转移材料。这种转移方式称为大规模转移。随着电弧长度的增加，触头侵蚀仅取决于磨损。

材料侵蚀量由以下条件绝对：

·直接通过弧根和等离子体喷流实现从弧柱到触头转移的电弧功率；

·弧根停滞时间，及弧根停留在一个位置的时间；

·触头的形状和尺寸；

·触头材料等等。

触头侵蚀的复杂过程至今仍未得到全面研究和探索，关于触头侵蚀机理有许多不同的假说，其先决条件都是假设触头侵蚀是触头上发生的热过程所引起的。

触头侵蚀研究的实验结果

针对触头侵蚀过程已开展了大量的实验研究工作。但触头侵蚀是一个非常复杂的现象，缺乏准确的和普遍适用的规律，特别在一些复杂结构的情况下更是如此。对于不太复杂的触头系统通常采用的经验公式为

M=a·Iα·ta 或W=m/（ta）=a·Iα

式中m-材料侵蚀质量；W-侵蚀速率；I-电流；ta-电弧持续时间；a和α-经验常数。

触头侵蚀强烈依赖于触头材料。非均质的（烧结）触头的侵蚀显著小于均质材料（纯金属或合金）

电极间隙也是影响侵蚀速度的一个因素。这一相互关系对很小的间隙是特别明确的，此时侵蚀随间隙的减小而增大。当间隙更大时情况有所变化，所有从侵蚀最小的立场出发考虑触头之间的最佳间距是有意义的。

电弧趋向于在触头上所出现的位置停留一定时间，对于大多数开关装置，电流不应该保持静止。就触头磨损而言，电弧在其出现于触头上的位置的停留时间对于触头侵蚀来说是极为重要的，要特别予以关注，并应尽可能的短。可以通过驱动电弧离开触头表面至引弧角来实现触头侵蚀最小化，因为引弧角的侵蚀实际上并不重要。电弧停留时间涉及触头侵蚀，取决于电流、磁场以及触头材料的稳定效应。

触头材料的分类

触头材料可以分为三大类：纯金属、合金和烧结材料。触头材料可以进一步分为高导电率金属与合金、抗化学腐蚀的金属与合金、难熔金属等。

1）高导电率金属与合金

·高导电率金属类有铜、铝和银。

铜由于高导电率而最为普遍的用作触头。铜并不适用于常闭触头，特别是在低压条件下。铜触头经常采用镀银予以保护，以防止氧化物生成。铜触头是非氧化性环境或油中的性能优良的常开触头。在无氧条件下或在油中性能良好。触头温度一定不能超过100℃，因为在此温度下氧化会显著加速。铜触头会形成强熔焊，应采用足够的分闸力来断开任何形式的熔焊。铜的电弧侵蚀是严重的，因此该材料并不适合用作具有强电弧的电器中的弧触头。

在所有实用金属中，银具有最高的电导率。银是一种相对较软、熔点低、易延展的材料。银触头能够以许多方式加工：模压、冲压，锻造等。银比铜更容易发生触头熔焊。银触头已用于微型低压断路器中，通过触头快速分开和电弧快速运动离开触头来避免严重的电弧侵蚀和触头熔焊。

铝是一种柔软、耐用、轻质、易延展且可塑的金属，它是热和电的良导体。铝可以容易地进行加工、铸造和冲压。纯铝的机械强度差，但铝合金可以拥有高机械强度。由于钝化现象，铝的抗侵蚀能力非常优异。该金属优异的抗腐蚀性能是由于其暴露在空气中时会在表面形成氧化铝薄膜，有效地阻止了进一步的氧化。铝经常镀银以防止氧化膜生成。对于未电镀的铝，微振磨损是一个严重的问题。如果连接处用专门的油脂进行保护，并且采用弹簧加压螺栓，可以使用纯铝。铝不能用于可能产生电弧的地方，铝的低熔点和沸点会产生严重的侵蚀。在氧化性环境中，铝甚至可以燃烧，在无氧化性大气中会形成强熔焊。

·合金：主要的代表性高电导率合金有，标准纯银银镍和银镉。

2）抗化学腐蚀的金属与合金，价格非常昂贵，大多用于电子和低压技术。

3）难熔金属：是耐高温和耐磨损性能都很优异的一类金属。它们以极高熔点为特征，通常很硬，抗熔焊和抗电弧侵蚀性能非常好，这些特性使其可用户高压开关设备中。难熔金属的抗氧化和抗腐蚀性能差，因此当微振磨损会成为突出问题时，一般不使用这类材料。这类材料尽管电导率相对较高，但由于其容易形成氧化膜，并不适合做导电触头。

难熔金属包括12种熔点在2100K以上的金属。难容金属的主要代表有，钨和钼。

4）烧结材料：因为熔点高的缘故，难熔金属元件从不采用铸造方法进行制造，而是采用粉末冶金工艺。将纯净的金属粉末压紧，用电流加热并通过施加压力使其进一步烧结。

烧结材料也称为假合金，其技术工业和制造都非常复杂而且相当昂贵。因此，并不用烧结材料来制造整个触头，而仅用于经常暴露在电弧下的部位，及弧触头尖端。这些部分用焊接，通过扩散熔合或电子束焊接到适当的金属基座上。高压和中压SF6断路器采用W/Cu触头，油和少油断路器也采用W/Cu触头，中压磁吹空气断路器则采用W/Ag或WC/Ag触头。

触头材料的特性

触头材料要满足在本质上差异很大的各种非常严格的要求，其必须满足的一些机械、冶金、电气方面的要求如下：

·良好的机械强度

·良好的导热性

·低熔焊力

·低电弧侵蚀

·良好的导电性

·低截流值

触头材料的主要特性有抗电弧侵蚀能力、电弧在其表面的运动（由弧根停滞时间来表征）。

按照抗电弧侵蚀能力由弱到强顺序排列：Ag→Cu→Ag- Cu→Ag/C→Ag-Ni→Ag/CdO、Ag/SnO2、Ag/ZnO→W/Ag、WC/Ag、W/Cu。大多数情况下，烧结材料的侵蚀会随着触头材料组成元素的熔点和沸点之间差异的增加而减小。

根据弧根停滞时间由短至长排列：W/Ag、WC/Ag、W/Cu→Ag/Ci→Ag/CdO→Ag-Ni→Ag/ Cu、Ag、Cu。

所有烧结触头材料都具有稳定弧根的作用，使得停滞时间长，这对于弧根运动是不利的。为了在触头表面上实现优化的电弧运动特性，可以应用不对称触头，即由不同材料制成电极触头。

除了侵蚀要求和停滞时间外，触头材料还要满足在闭合状态时触头的发热，弧后接触电阻和负载条件下的关合特性。在高压负荷开关和断路器中，因为关合与开断容量大，触头材料要使用抗电弧侵蚀材料。它们在正常负荷电流传导方面的不利特性通常借助在闭合状态承载电流的主触头来弥补。

交流电弧的熄灭

交流电弧熄灭过程有三种：

·强迫熄弧：在这种情况下，电弧电压很高，电源电压不能维持，电弧电流很快减小到零而熄灭。

·截流开断：在这种情况下，电弧应不稳定而熄灭。

·过零熄弧：在大多数高压断路器开断过程中，电弧电压远低于电源电压，即电源电压足以维持电弧燃烧而不致发生强迫熄弧。在电流较大的情况下也不会出线截流。在这种情况下，电弧是电流零点时熄灭的。这种熄弧过程称为过零熄弧。

弧隙是否复燃决定于两方面：一是弧隙的介质强度，另一是加在电弧上的电压，通常称为恢复电压。

热击穿阶段：瞬态恢复电压即电流过零后立即出现在断路器触头之间的电压，产生并保持某一非常小的电流来流过消失的等离子体的原因。加热所提供的能量和冷却所散失能量达到平衡，在下一个半波会导致等离子体完全消失和电流开断，或者导致高温气体额外加热而演变为热等离子体和电弧重燃。电流过零后紧接着的时间间隔称为热击穿区域或简称热阶段。如果在此时间间隔内，受瞬态恢复电压和弧后电流影响的弧柱加热作用占优势，会导致熄弧不成功，称为热击穿或热重燃。防止热击穿阶段复燃的基本措施时加强冷却，增加电弧散热功率。

电击穿阶段：然而，能力平衡对熄弧有利且未发生热击穿，仍不意味着电流能够成功开断，随后导电弧柱的触头间隙必须承受瞬态恢复电压峰值，这会在几十或几百微秒后产生介质应力。如果瞬态恢复电压过高，就会发生介质击穿。所以，这一时间间隔称为电介质击穿区域或简称为电击穿区域。在此时间间隔内不成功的开断则称为电击穿或电重燃。提高电击穿阶段弧隙介质强度的主要措施与提高气体间隙耐压强度一致，即与介质的种类、状态（包括压力、温度、流动情况），电极材料、形状，表面状况等有关。