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在断路器弧

在断路器的接触弧是一个极其复杂的电 - 热 - 水 - 动态的过程,我们从来没有完全数学描述弧的详细物理。我们的目标,在这里,是建立一个近似圆弧模型,使得我们可以把一个圆弧作为电路元件,并分析含圆弧的电路。

在断路器正常运行过程中,电弧出现时,是处于连续变化状态。它是动态延长分触点和电磁力推动它远离原来的轨迹。它被水流动态加热。它是动态冷却的环境,也许,通过其他辅助手段(强制气体流动,冷却容器壁,等等)。并且,依赖于净能量吸收率(加热减去冷却),它在横截面面积上动态增长。

由于电弧物理和热的变化,也改变了电。在电弧的电特性的变化,反过来,通过电流的外部电路可以提供改变量。因此,工程描述(这是所有我们寻求)断路器电弧必须包括断路器的电气网络交互的动态描述。现在,我们将讨论电弧的部件:阴极,阳极和等离子列。

这两个电弧电极被称为阴极和阳极。电子由阴极以与电弧电流成比例的速度注入电弧。由于电流必须是连续的,所以电弧电子被阳极以相同的速率收集。阴极和阳极之间的区域被分为三个子区域:阴极降区,等离子体柱(有时称为正柱)和阳极降区。

沿一个“短”电弧的路径的典型电压分布所示图5.7

图5.7机械产品万博官网手机登陆版本万博体育app手机登录

简而言之,我们指的是在等离子体柱上的电压降比在阴极和阳极上的综合电压降要小。通常,这将发生在等离子体柱的物理长度很小的时候。阴极和阳极降区是金属阴极和阳极电极与气体等离子体柱之间的过渡区。阴极和阳极下降区的电场强度远远高于金属阴极和阳极的电场强度。而且,比等离子体区域内的场的强度要高得多。根据定义,较高的电场意味着单位距离的电压降较高,因此使用术语“降”,就像在描述阴极和阳极过渡区时使用的“电压降”一样。

阴极和阳极下降区的电压下降或“下降”是阴极和阳极电极材料的强功能,而弧内电流水平的相对弱功能。将一个电子从物质表面完全移除所需要的能量被定义为该物质的“功函数”。用等效电压(能量除以一个电子的电荷)来表示,大多数金属元件的真空功函数约为4至5伏。在电弧条件下,阴极和阳极区域的电子发射和收集的详细物理是如此复杂,只有有限数量的小电流,简化的情况下,研究人员进行了理论分析。就我们的目的而言,这足以说明阴极和阳极电压降是阴极和阳极工作功能的“顺序”。

阴极电子发射和阳极电子收集的实际表面积与总电弧电流而变化。这些活跃的区域内的电流密度,但是,是非常大的,特别是对于阴极。电流密度超过106A /厘米2和表面温度超过4000ØK色被假定李阴极“点”。在这些电流密度和温度的电子发射是热离子和场发射的组合。有足够的热能电子可热离子逸出阴极的表面,而且,由于大的浓度在阴极的前面正离子,高表面电场也存在。它使表面电子隧穿通过减小的表面功函数的能量势垒,并通过场致发射而加速远离或“发射”。

甚至更高的表面“点”温度可存在于阳极。当电子离开阴极,他们把精力和他们在一起。因此,阴极实际上是由他们的出口冷却(按净值计算,但是,阴极由I加热2R阴极点内的加热和进入的正离子的能量)。当电子到达阳极时,它们将能量释放到阳极表面并将其加热(除阳极I外)2ř加热)。

根据实际的表面点温度,如果间隙足够小(就像在一个断路器的初始接触分离),阳极和阴极蒸发表面材料将从较热的表面转移到较冷的表面。一些研究表明,材料的迁移可能是电弧电流峰值的函数,当电弧电流峰值超过一定的阈值时,表面温度峰值从阴极转移到阳极。

在电弧等离子体柱是由一个部分电离的气体的。气体分子被“电离”时中性气体分子分离成带负电荷的自由电子和带正电的离子。这通过许多不同的方法的:高电场电子和正离子的碰撞;辐射的吸收;和热电离,通过用高温(即高能量)的电子,正离子和中性分子的碰撞的装置电离。所有这些过程发生在一个弧形;各自的相对重要性取决于等离子体柱内的位置和电弧的强度。输入到等离子体柱能量是焦耳加热由于移动电流载体。

由于有一个电子的质量和正离子的质量之间存在大的差异,有一个电子的反应和正离子所施加的电场之间的大的差异。迄今为止,大部分电弧的等离子体柱内的电流是由电子携带。因此,初始能量传递给等离子体是将等离子体中的电子气体。但非常迅速,通过碰撞的装置,该能量与等离子体正离子和背景中性分子共享。因此,在感兴趣的断路器设计工程师的时间间隔,并能够很好的近似度,等离子体处于热平衡状态。也就是说,空间区域内的所有组件(电子,离子和中性分子)是在相同的温度。

在热平衡条件下,离子化的一个特定的差分区域内的速率是由离子 - 电子复合的相等速率平衡。此外,净浓度或电子和正离子的密度大致相等,并单调地依赖于等离子体温度。

在电弧等离子体区域的导电率的等离子体温度的强函数。温度越高,热电离和载流子浓度的水平越高。的多种载体,电场的少值需要支持的电流密度(即,导电率增加)的一个给定的电平。此正反馈效应 - 更多的电流→更高的加热→以上载波→用于外部激励的一个给定的电平更大的电流 - 部分占电弧的稳态负微分电阻。

造成电弧稳态负差动电阻的另一个因素是等离子体柱在较高电流水平下的截面扩展。随着活性(电离)等离子体柱的温度升高,由于热传导(可能还有对流和辐射),等离子体柱周围的气体温度也会升高。当温度超过阈值时,周围的气体也会发生热电离。然后会有额外的载流子出现以携带电弧电流,进一步增加净电弧电导率。

文中给出了电弧的典型静态或稳态电压电流特性图5.8

图5.8机械产品万博官网手机登陆版本万博体育app手机登录

一般来说,对于电弧电流的给定水平,电弧电压是正比于电弧长度。但是,对于一个弧长给出更高的电弧电流导致较低的电弧电压降低由于静负微分电阻特性。

在许多断路器设计中使用的一种常见的电弧控制方案(即的方法中使用以增加跨越主触点的总电弧电压),是将电弧力成弧形挡板或分离器的结构。在一个小的断路器的典型电弧挡板结构中示出图5.9

图5.9机械产品万博官网手机登陆版本万博体育app手机登录

弧形挡板行动,打破了单一的圆弧成几个串联短弧。这些多个弧的阳极和阴极电压下降然后添加和构成总装置的主要部分 - 电弧电压。电弧进入挡板的运动通过磁性洛伦兹力发起或J X B力,由于电弧电流本身(J为电弧电流密度,B是磁通密度,由于电流)。该磁洛伦兹力是其趋向于排斥接触相同的力朝向隔开由于收缩的电流流动路径,以分钟接触点。圆弧的运动,由于该自磁力,被称为磁性熄弧的。

磁爆也被用来迫使电弧运动到电弧“跑弧”,这是附在接触结构(见图5.10)

图5.10机械产品万博官网手机登陆版本万博体育app手机登录

电弧导板的使用通过移动电弧的阴极/阳极“脚”断开触点保留较昂贵的银合金触头材料,并到不太昂贵浇道材料。此外,电弧导板呈现较长的电弧路径的弧遍历,并且可以作为接触间区域和任何电弧挡板或电弧室区域之间的转印介质起作用。电弧导板可以通过添加来增强上演电磁驱动线圈,以进一步加强沿流道长度的磁性熄力。(见图5.11)。

图5.11机械产品万博官网手机登陆版本万博体育app手机登录

在断路器设计和分析,圆弧的静态特性是肯定的兴趣,但是,它是最关心的电弧的动态特性。电弧承载电路电流,直到中断将是成功的,那就是,电弧是否会重新点燃横跨断路器接触电压上升,是只能由电弧动态行为的研究来回答的问题。

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