[科普中国]-电弧放电

特征

电弧是一束高温电离气体， 在外力作用下， 如气流，外界磁场甚至电弧本身产生的磁场作用下会迅速移动（每秒可达几百米），拉长、卷曲形成十分复杂的形状。电弧在电极上的孳生点也会快速移动或跳动。 直流电弧要比交流电弧难以熄灭。电弧的形成是由于介质的游离而发生的。

电弧的特点是：

（1）起弧电压、电流数值低

（2）电弧能量集中，温度很高

（3）电弧是一束质量很轻的游离态气体，在外力作用下，很易弯曲、变形。

（4）电弧有良好的导电性能、具有很高的电导：

（5）电弧有阴极区（包括阴极斑点）、弧柱区（包括弧柱、弧焰）、阳极区（包括阳极斑点）三部分组成。

游离作用：

当开关工作时，介质会由绝缘状态变成导电状态。介质的放电现象是由于电场、热、光的作用下，介质里的中性质点产生自由电子、正、负离子的结果。这种现象我们称为游离作用。在介质中产生的游离作用达到一定程度时，介质将被击穿，而产生电弧放电。

放电特点：

电弧放电最显著的外观特征是明亮的弧光柱和电极斑点。电弧的重要特点是电流增大时,极间电压下降,弧柱电位梯度也低，每厘米长电弧电压降通常不过几百伏，有时在1伏以下。弧柱的电流密度很高,每平方厘米可达几千安，极斑上的电流密度更高。电力系统中的电磁暂态现象主要是由各种开关装置在操作过程中的电弧放电现象所引起,随着输电电压等级的提高,开关电弧放电所引起的电磁暂态问题更加突出。1

电火花放电和电弧放电的区别电弧放电是由于电极间消电离不充分，放电点不分散，多次连续在同一处放电而形成，它是稳定的放电过程，放电时，爆炸力小，蚀除量低。而火花放电是非稳定的放电过程，具有明显的脉冲特性，放电时爆炸力大，蚀除量高。

电弧放电的伏安特性曲线为正值（即随着极间电压的减小，通过介质的电流减小），而火花放电的伏安特性曲线为负值（即随着极间电压的减小，通过介质的电流却增加）。

电弧放电通道形状显圆锥形，阳极与阴极斑点大小不同，阳极斑点小，而阴极斑点大，因此，其电流密度也不相同，阳极的电流密度约为2800 A/ cm2 ，阴极电流密度为300 A/ cm2。

火花放电通常为鼓形阳极与阴极斑点大小相等。因此两极上的电流密度相同而且很高，可达105～106 A/ cm2

电弧放电通道和电极上的温度约为7000～8000℃，而火花放电通道和电极上的温度约为10000～12000℃。

电弧放电的击穿电压低，而火花放电的击穿电压高。

电弧放电中蚀除量较低，而阴极腐蚀比阳极多，而在电火花放电中，大多数情况下是阳极腐蚀比阴极多，为此，电火花加工时工件接脉冲电源正极。

划分区域电弧放电可分为 3个区域：阴极区、弧柱和阳极区。其导电的机理是：阴极依靠场致电子发射和热电子发射效应发射电子；弧柱依靠其中粒子热运动相互碰撞产生自由电子及正离子，呈现导电性，这种电离过程称为热电离；阳极起收集电子等作用，对电弧过程影响常较小。在弧柱中，与热电离作用相反，电子与正离子会因复合而成为中性粒子或扩散到弧柱外，这一现象称为去电离。在稳定电弧放电中，电离速度与去电离速度相同，形成电离平衡。此时弧柱中的平衡状态可用萨哈公式描述。

能量平衡能量平衡是描述电弧放电现象的又一重要定律。能量的产生是电弧的焦耳热，能量的发散则通过辐射、对流和传导三种途径。改变散热条件可使电弧参数改变，并影响放电的稳定性。

电弧分类电弧通常可分为长弧和短弧两类。长弧中弧柱起重要作用。短弧长度在几毫米以下，阴极区和阳极区起主要作用。

根据电弧所处的介质不同又分为气中电弧和真空电弧两种。液体(油或水)中的电弧实际在气泡中放电，也属于气中电弧。真空电弧实际是在稀薄的电极材料蒸气中放电。这二种电弧的特性有较大差别。

应用电弧放电可用于焊接、冶炼、照明、喷涂等。这些场合主要是利用电弧的高温、高能量密度、易控制等特点。在这些应用中，都需使电弧稳定放电。

灭弧室在电力系统中，开关分断电路时会出现电弧放电。由于电弧弧柱的电位梯度小，如大气中几百安以上电弧电位梯度只有15伏/厘米左右。在大气中开关分断100千伏5安电路时，电弧长度超过7米。电流再大，电弧长度可达30米。因此要求高压开关能够迅速地在很小的封闭容器内使电弧熄灭，为此，专门设计出各种各样的灭弧室。灭弧室的基本类型有：①采用六氟化硫、真空和油等介质；②采用气吹、磁吹等方式快速从电弧中导出能量；③迅速拉长电弧等。23