第五節(jié) SF₆氣體的滅弧特性

一、電弧現(xiàn)象概述

電弧是一種氣體導(dǎo)電（氣體放電）現(xiàn)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(shù)量級。

氣體導(dǎo)電與金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)有很大不同，具有負(fù)的伏安特性和負(fù)的電阻溫度特性，即當(dāng)電流增加時其電壓降下降，當(dāng)弧柱的溫度增大時其電阻減小。

在正常狀態(tài)下氣體的分子是不導(dǎo)電的，所以常溫下氣體是良好的絕緣介質(zhì)。但當(dāng)溫度升高到幾千度時，氣體的分子（原子）大量產(chǎn)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(chǎn)生定向運動，因而造成氣體導(dǎo)電現(xiàn)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(shù)（電荷數(shù)）是相等的，或者說電子密度與離子密度相等。但是電子的質(zhì)量遠(yuǎn)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(gòu)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(qū)的壓降U₁、靠近陽極區(qū)的壓降U₂和中間區(qū)（等離子區(qū)）壓降U₃（見圖1-14）：

U_a＝U₁＋U₂＋U₃

靠近兩個電極的近極區(qū)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(qū)域內(nèi)由于電子擴散運動顯著大于離子運動，因而出現(xiàn)單一空間電荷的凈電荷區(qū)，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(qū)外，電弧間隙大部分是由正、負(fù)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(qū)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(guān)的就是其導(dǎo)電特性（電導(dǎo)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(dǎo)率迅速下降，也就是使它的帶電粒子重新結(jié)合成中性分子，過渡到絕緣狀態(tài)，這就是斷路器滅弧的基本過程。

電弧的產(chǎn)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(fù)合的過程以及帶電質(zhì)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(guān)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(guān)電弧分析主要進行宏觀的熱的分析。

二、SF₆的分解和導(dǎo)電性能

氣體的熱和電特性與氣體分解和電離過程有關(guān)。SF₆氣體在大氣壓下隨著溫度增大而產(chǎn)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(xiàn)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(shù)由原來的10¹⁹減到10¹²以下。當(dāng)溫度繼續(xù)增大，氟化物繼續(xù)分解成S、F原子，而到5000K以上逐漸出現(xiàn)顯著的電離（離解），空間產(chǎn)生自由電子（e^－）和正離子S^＋，以及（F^－），形成顯著的導(dǎo)電性能，再繼續(xù)增大溫度，電離現(xiàn)象更加劇，導(dǎo)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(tài)的S和F，需要消耗能量22.4eV，S產(chǎn)生一次電離消耗能量10.36eV，F(xiàn)電離能17.4eV。在大量分解和電離出現(xiàn)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(xiàn)的高尖峰（分解高峰）和后面對應(yīng)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(shù)K隨溫度增加的變化情況。

SF₆的電導(dǎo)率隨溫度壓力變化而變化。對應(yīng)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(dǎo)率出現(xiàn)。這是純SF₆氣體分子所得出的結(jié)果，而實際開關(guān)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(xiàn)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(gòu)成導(dǎo)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(nèi)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(dǎo)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(dǎo)率下降，但是在更高溫度下因電子密度增加又使電導(dǎo)率增加。

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

必須說明一點，上面這些特性與參數(shù)都是在空間粒子處于熱力平衡狀態(tài)得到的，或者說是穩(wěn)定狀態(tài)的參數(shù)。而穩(wěn)定狀態(tài)的出現(xiàn)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(guān)，經(jīng)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(xué)平衡。幾個反應(yīng)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(shù)據(jù)提供了在什么樣時間范圍里可以使用前面平衡狀態(tài)得出的各種參數(shù)。就電弧的開斷過程來說，電參數(shù)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(dǎo)率認(rèn)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(shù)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(jīng)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(fù)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(tài)，這一種現(xiàn)象稱為“原子凍結(jié)狀態(tài)”，只有經(jīng)若干毫秒以后，才可能復(fù)合完成分子狀態(tài)。在這種快速變化過程中，氣體來不及分解或復(fù)合，則氣體比熱C_P就不會出現(xiàn)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(dǎo)率是由其溫度惟一地決定的，因此電弧弧柱的電導(dǎo)G（電阻R）也就取決于弧柱內(nèi)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(jié)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(dǎo)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(zhì)特性的函數(shù)，但是要確定它們之間的關(guān)系是不容易的。正是從這個基本關(guān)系出發(fā)，不同的電弧研究者設(shè)立了許多理論模型來描述這些量之間的相互關(guān)系，企圖簡化復(fù)雜的過程，以期獲得電弧各參數(shù)的計算方法并確定電弧熄滅的條件。我們不準(zhǔn)備介紹這方面的研究內(nèi)容，因為要定量地計算分析電弧熄滅過程現(xiàn)在還不可能。我們只準(zhǔn)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(tǒng)的三種傳熱方式：傳導(dǎo)、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(dǎo)

經(jīng)典的熱傳導(dǎo)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(nèi)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(guī)則的，各向同性的），而不是宏觀的相對移動，在固體中則表現(xiàn)為自由電子的熱運動。只要空間存在溫度差，就存在熱傳導(dǎo)，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(dǎo)率，[w/（m·K）]。

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

前面談到高溫下氣體發(fā)生分解和電離，這時要吸收能量，如果由于熱運動，已經(jīng)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(nèi)能的氣體分子又?jǐn)U散到較高溫位置，因而產(chǎn)生的熱傳遞要比單純的內(nèi)能攜帶多得多。這時擴散（遷移）的能量除了攜帶內(nèi)能外，還攜帶反應(yīng)能（分解能、電離能以及其它化學(xué)反應(yīng)能等都屬于反應(yīng)能）。對于SF₆氣體而言，對應(yīng)于前述分解特性，其熱導(dǎo)率在氣體分解、離解高峰溫度位置就出現(xiàn)高峰（見圖1-16）。圖1-16中2000K左右的熱傳導(dǎo)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(jié)狀態(tài)的熱導(dǎo)率。

SF₆氣體2000K附近的熱傳導(dǎo)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(dǎo)電的溫度下限大約3000K左右，通常把這個溫度以上的區(qū)域，即主要的通過電流的區(qū)域稱為“弧芯區(qū)”外面溫度較低的區(qū)域為“弧焰區(qū)”。SF₆電弧在弧芯區(qū)邊界上有很高的熱傳導(dǎo)（指在相對穩(wěn)定的燃弧期間，如工頻電流的大電流期間），這里傳導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的比較。相比較而言，SF₆電弧弧芯熱導(dǎo)率低，電導(dǎo)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(dǎo)的熱散，只發(fā)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(dǎo)散熱主要在徑向產(chǎn)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(zhì)做媒介。電弧輻射的波長范圍很廣：100～10000A（1A＝10^－10m）遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(tài)改變時而發(fā)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(tài)變化有關(guān)。

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(shù)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(nèi)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(yīng)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(fā)。研究表明，噴口表面會產(chǎn)生一個蒸發(fā)氣體構(gòu)成的附面層，溫度高達1000K以上。這種蒸發(fā)造成噴口燒損，而更嚴(yán)重的是可能使噴口的堵塞更早地發(fā)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(fā)現(xiàn)象比銅噴口更為嚴(yán)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(jīng)過噴口的氣流。這種強迫對流當(dāng)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(wěn)定持續(xù)的，更多的是小范圍的、不穩(wěn)定的渦漩。渦漩的出現(xiàn)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(xiàn)相當(dāng)于局部傳導(dǎo)散熱增大。縱向噴口中的電弧周圍渦漩出現(xiàn)的規(guī)律有兩條：

（1）渦漩現(xiàn)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(xiàn)象對電弧零點附近有較大的影響，在分析弧隙恢復(fù)過程時有不可忽略的作用。

四、SF₆氣體的優(yōu)良滅弧性能

（一）優(yōu)良的熱特性

由SF₆氣體分解特性造成的高溫導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)具有高電導(dǎo)率和低熱導(dǎo)率，而低溫區(qū)（2000K

附近）卻有很大的熱導(dǎo)率，因此形成近乎徑向矩形溫度分布的弧芯結(jié)構(gòu)，經(jīng)過非常陡峭的溫度下降區(qū)（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(shù)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(guān)參數(shù)。單位體積弧柱的熱焓（H）空氣為SF₆的1.5倍，當(dāng)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(dǎo)電機構(gòu)，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(zhì)恢復(fù)特性好的原因之一。因為研究表明，零后殘余弧柱電導(dǎo)變化的時間常數(shù)是與弧柱的截面成正比。

由于弧芯結(jié)構(gòu)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(xiàn)高的截流過電壓。

（二）SF₆分子的負(fù)電性

鹵族元素的強負(fù)電性在它形成化合物后仍保持著，SF₆及其它含F(xiàn)分子在零后吸附了自由電子，生成的負(fù)離子，其運動速度大大低于自由電子，與正離子碰撞，結(jié)合的概率大大增多，因此使電離、電導(dǎo)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(fù)的重要手段。

（三）SF₆電弧的時間常數(shù)與開斷性能

SF₆斷路器的優(yōu)良開斷性能與SF₆電弧弧后恢復(fù)快，即時間常數(shù)小是分不開的。時間常數(shù)的影響因素復(fù)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(shù)據(jù)差別很大，早期在靜態(tài)氣體中，小電流電弧的測量數(shù)據(jù)表明SF₆電弧時間常數(shù)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(zhì)恢復(fù)過程的時間常數(shù)，在熱恢復(fù)階段SF₆就比空氣快一倍左右，后面的介質(zhì)恢復(fù)階段則要歸功于SF₆氣體的優(yōu)良絕緣性能。

（四）SF₆氣體的優(yōu)良絕緣性能

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