第五节 SF₆气体的灭弧特性

一、电弧现象概述

电弧是一种气体导电（气体放电）现象。其特点是：温度很高，中心温度达10⁴K，电流密度很大，平均电流密度为10³A/cm²数量级。

气体导电与金属导体的导电性质有很大不同，具有负的伏安特性和负的电阻温度特性，即当电流增加时其电压降下降，当弧柱的温度增大时其电阻减小。

在正常状态下气体的分子是不导电的，所以常温下气体是良好的绝缘介质。但当温度升高到几千度时，气体的分子（原子）大量产生游离，而离解为正离子和自由电子，这些带电粒子在电极间（触头间）电场的作用下产生定向运动，因而造成气体导电现象。离子电流和电子电流合起来就是放电（电弧）的电流。

在电弧间隙中，电子和离子的总数（电荷数）是相等的，或者说电子密度与离子密度相等。但是电子的质量远小于离子，在电场作用下运动速度高的多，因此在总的电流构成中，电子电流占90%以上。

总的说来，电弧的压降是不大的。电弧电压由三个部分组成。靠近阴极区的压降U₁、靠近阳极区的压降U₂和中间区（等离子区）压降U₃（见图1-14）：

U_a＝U₁＋U₂＋U₃

靠近两个电极的近极区是两个非常薄的薄层，距离大约是电子碰撞的自由行程，这两个区域内由于电子扩散运动显著大于离子运动，因而出现单一空间电荷的净电荷区，在靠近阴极的薄层为净离子层，靠近阳极为净电子层。空间电荷形成了强电场，它的压降为：

U₁≈U₂≈10～20V

除了很小的两个近极区外，电弧间隙大部分是由正、负电荷密度相等的等离子体所组成，这里没有净空间电荷，电场很小，电压降也较小，其压降与电弧长度1成正比，对SF₆断路器约为几十伏每厘米。对于高压SF₆断路器，触头间隙一般为5～10cm，所以等离子区的压降在电弧电压中占主要成分，电弧的特性也由等离子体的特性所决定。

等离子体特性中与电弧的燃烧、熄灭直接有关的就是其导电特性（电导率），它是由温度所决定的。控制电弧通道的温度，即采用足够强的冷却手段，使交流电流过零前后电弧通道温度迅速下降，等离子体电导率迅速下降，也就是使它的带电粒子重新结合成中性分子，过渡到绝缘状态，这就是断路器灭弧的基本过程。

电弧的产生与熄灭的过程，从微观上分析就是看气体分子的分解、电离和复合的过程以及带电质点的运行，从宏观上看就是电弧的温度变化，即能量的输入（电能）和输出（散热）的关系。断路器灭弧能力的强弱就反映在它的散热能力的大小。开关电弧分析主要进行宏观的热的分析。

二、SF₆的分解和导电性能

气体的热和电特性与气体分解和电离过程有关。SF₆气体在大气压下随着温度增大而产生的分解和电离的过程。在1000K以下几乎没有分解（只有1/10⁶的微量SF₄，F的分解物），随着温度增加，分解作用逐渐显著，而在2000K附近达到高峰，原来的SF₆分子被分解成SF₄、SF₂、S、F等低氟化物及硫氟原子，SF₆的分子数由原来的10¹⁹减到10¹²以下。当温度继续增大，氟化物继续分解成S、F原子，而到5000K以上逐渐出现显著的电离（离解），空间产生自由电子（e^－）和正离子S^＋，以及（F^－），形成显著的导电性能，再继续增大温度，电离现象更加剧，导电性能更增大。

气体分子的分解和离解都要消耗能量，如一个SF₆分子要分解成原子态的S和F，需要消耗能量22.4eV，S产生一次电离消耗能量10.36eV，F电离能17.4eV。在大量分解和电离出现时，气体就要大量吸收热量，即这时气体的比热就要大大增加。这就是图1-15（a）所给出的定压比热C_P在2000K附近出现的高尖峰（分解高峰）和后面对应的电离高峰。图1-15（b）给出单位重量的气体所含的热焓量h随温度的变化，在温度增加的过程中热焓量也急剧地增长。图1-15（c）给出SF₆的绝缘系数K随温度增加的变化情况。

SF₆的电导率随温度压力变化而变化。对应于离解特性，SF₆分解气体在6000～7000K以上才有显著的电离，因而开始有较高的电导率出现。这是纯SF₆气体分子所得出的结果，而实际开关触头间燃烧的电弧，因不可避免地有金属蒸汽的存在，它将使开始出现电离的温度降低到3000K左右，因此实际弧柱中温度3000K以上就构成导电的弧芯部分。电弧中心部分约为15000～20000K。在这样的温度范围里，弧柱内的气体还只是部分电离，或称之为低温等离子体。压力对电导率的影响是压力增加，气体的分解与离解温度都提高，所以开始时的电导率下降，但是在更高温度下因电子密度增加又使电导率增加。

从SF₆分解特性上我们可以看到负离子F^－的存在，这就是氟元素的负电性。在弧隙的冷却恢复过程中还会有存在。这些负离子的产生对弧隙的介质恢复，即带电粒子的复合是有利的，因为负离子比自由电子的活泼度低，与正离子结合的概率要高得多，这就加快了电导率下降的过程，这正是SF₆气体灭弧性能优良的原因之一。

必须说明一点，上面这些特性与参数都是在空间粒子处于热力平衡状态得到的，或者说是稳定状态的参数。而稳定状态的出现则需要一定的时间称为“平衡时间”。譬如空间某些粒子受热而加速，再传递给其它粒子，这需要一系列碰撞过程才能使其它粒子获得能量，平衡时间与粒子的碰撞频率有关，经过若干个碰撞自由行程时间，粒子间就可以达到局部的热力学平衡。几个反应的平衡时间大致为：

分子分解平衡时间：10^－3s

分子、原子电离平衡时间：10^－8s

电子热平衡时间：10^－12s

分子热平衡时间：10^－7s

这些数据提供了在什么样时间范围里可以使用前面平衡状态得出的各种参数。就电弧的开断过程来说，电参数的变化一般在微秒（10^－6s）时间以上，在这样的时间范围，电子、分子热运动平衡可以达到，电离平衡也可以达到，即弧柱的电导率认为可以无惯性地跟上温度的改变。而分子分解平衡时间则长达毫秒数量级，这在快速过程如电流零点附近，温度变化很急剧时，已经分解的气体原子（在大电流期间形成的），在短时间里来不及复合成分子，尽管温度已降低到低于分解温度（如2000K，对SF₆言），而气体仍暂时保持原子态，这一种现象称为“原子冻结状态”，只有经若干毫秒以后，才可能复合完成分子状态。在这种快速变化过程中，气体来不及分解或复合，则气体比热C_P就不会出现分解尖峰，即如图1-15（a）中虚线所示变化。

三、电弧的散热

气体的电导率是由其温度惟一地决定的，因此电弧弧柱的电导G（电阻R）也就取决于弧柱内的温度和几何尺寸，或者简单地说决定于弧柱所包含的能量Q，G＝＝f（Q），弧柱的能量是电弧的输入能量（电源输入的焦耳能）与电弧的散热平衡的结果，即：

式中 P₁——电源输入功率，P₁＝i²R＝i²/G，如电弧电流由外电路决定，即P₁决定于弧柱电导G；

P₂——弧柱向外散热功率；

Q——弧柱中储存的能量（热量）。

这里Q、P₂、G都是弧柱的几何尺寸（直径、长度）、温度分布和介质特性的函数，但是要确定它们之间的关系是不容易的。正是从这个基本关系出发，不同的电弧研究者设立了许多理论模型来描述这些量之间的相互关系，企图简化复杂的过程，以期获得电弧各参数的计算方法并确定电弧熄灭的条件。我们不准备介绍这方面的研究内容，因为要定量地计算分析电弧熄灭过程现在还不可能。我们只准备介绍影响电弧燃烧与熄灭的一些重要的因素，尤其是各种散热过程的影响，使读者对断路器中的电弧燃烧与熄灭过程有较清晰的了解。

气吹断路器电弧的散热主要是依靠轴向流动的喷口气流传热，但是径向的传热在决定电弧截面、截面上的气体温度、速度分布上起着重要的作用。我们将先讨论主要在径向传热上起决定作用的传统的三种传热方式：传导、辐射和对流，最后再讨论轴向气流传热以及对熄弧的影响问题。

（一）电弧的热传导

经典的热传导是考虑气体的分子热扩散运动，使高温位置的分子携带较高的内能，迁移到较低温的位置，造成热量在空间的传递。这里的分子运动指的是热运动（无规则的，各向同性的），而不是宏观的相对移动，在固体中则表现为自由电子的热运动。只要空间存在温度差，就存在热传导，如空间的温度梯度为ΔT/ΔX（K/m），穿过与该温度梯度相垂直的面积S（m²），单位时间传递的热量Q可表示为：

式中 K——热导率，[w/（m·K）]。

对固体、液体和温度不特别高的气体，热导率都近乎为常数。但是对温度很高如数千度以上的气体（弧柱中及其邻近区的气体就是这样），热传导现象就不同于经典热传导过程，K的数值将发生很大的变化。

前面谈到高温下气体发生分解和电离，这时要吸收能量，如果由于热运动，已经分解吸收了热量的气体原子扩散到较低温位置，而较低温位置较低内能的气体分子又扩散到较高温位置，因而产生的热传递要比单纯的内能携带多得多。这时扩散（迁移）的能量除了携带内能外，还携带反应能（分解能、电离能以及其它化学反应能等都属于反应能）。对于SF₆气体而言，对应于前述分解特性，其热导率在气体分解、离解高峰温度位置就出现高峰（见图1-16）。图1-16中2000K左右的热传导高峰为分子分解高峰，10000K以上的高峰是电离过程造成的。图中虚线表示温度快速变化时的原子（分子）冻结状态的热导率。

SF₆气体2000K附近的热传导高峰对SF₆电弧弧柱截面形状有重要影响。前面谈到触头间有金属蒸汽影响的弧柱导电的温度下限大约3000K左右，通常把这个温度以上的区域，即主要的通过电流的区域称为“弧芯区”外面温度较低的区域为“弧焰区”。SF₆电弧在弧芯区边界上有很高的热传导（指在相对稳定的燃弧期间，如工频电流的大电流期间），这里传导散热很强烈，温度降低得很快。因此形成陡峭的温度下降的边界，弧芯是高温、高电导率的，弧焰则很快降为低温。

图1-17给出SF₆和空气（以N₂为代表）的导电、导热性能的比较。相比较而言，SF₆电弧弧芯热导率低，电导率高，而空气电弧弧芯则相反。因此SF₆电弧弧芯温度高，电弧的电压梯度低。在相同的气压下，SF₆电弧电压梯度只有空气电弧的三分之一左右。

上面讨论的热传导的热散，只发生有温差（温度梯度）的方向上，对喷口中气流电弧来讲，轴向温度差比较小，而且气流散热作用强，所以传导散热主要在径向产生影响。

（二）电弧的辐射

凡是温度高于绝对零度的物体都在不停地向外辐射能量，它是以射线（电磁波）的形式传递的，不需要中间介质做媒介。电弧辐射的波长范围很广：100～10000A（1A＝10^－10m）远远超过了可见光的波长（4000～7600A，即紫光到红光范围）。辐射是由于电子、离子或原子的能量状态改变时而发出的，辐射的波长（频率）与电弧中的元素成分、各元素中电子可能的能态变化有关。

任何物体都在辐射能量的同时也吸收外来的辐射。温度越高的物体其辐射线中短波长

（高频率）所占比例越大，也就是辐射的能量密度（辐射系数ε），即单位体积向单位空间立体角S_r射出的能量越大。因此，在弧柱中心处温度最高，实测在20000K左右，其辐射线大量为波长很短的真空紫外线，这些射线在穿过外层弧柱时，大部分被吸收，实际上传到弧柱以外的能量是很少的。

辐射能在弧柱内的自吸收对弧柱径向尺寸、温度分布有决定性的影响，中心的电弧输入能量几乎完全通过辐射散出，在外层又被吸收，使径向直径扩大，温度趋于均匀，平均温度降低。辐射能量在弧柱边界的吸收使弧柱直径增大。由于冷气体吸收作用很强，吸收厚度很小，因而也在边界上形成温度梯度很大的边界层。

尽管弧柱的辐射能中只有很小一部分传递到外面去，但其散热效应还是不可忽略的，特别是在大电流期间是重要的。有人对压缩空气气吹喷口在吹弧压力4.5～14大气压、电流10kA下进行了辐射能量及单位弧长的输入电功率的测量，求得辐射散热对输入能量的相对值，见表1-9。

由此可见，辐射在大电流期间的散热作用是重要的。对上游部分由于气体压力高，辐射能量占的比例更高，下游部分因为气流的涡流的存在，对流散热起更大的作用。触头材料的影响也可以看出，高熔点材料有更强辐射作用。

在大电流燃弧期间，强烈的辐射热量传出弧柱边界层以后，主要被壁表喷口器面所吸收，引起材料表面过热和蒸发。研究表明，喷口表面会产生一个蒸发气体构成的附面层，温度高达1000K以上。这种蒸发造成喷口烧损，而更严重的是可能使喷口的堵塞更早地发生，因为附面层造成喷口有效截面减小。对SF₆断路器聚四氟乙烯材料的喷口，因为其熔点较低（1000K）蒸发现象比铜喷口更为严重。

（三）电弧的对流散热

对流传热指气体整体的运动而携带的热量。这种整体运动可以是由于局部的压力（或密度、温度）差引起的流动，例如靠近高温物体表面气体受热膨胀而引起流动，这叫自由对流。在静止气体中燃烧的电弧表面就存在这种自由对流散热。另外一种叫强迫对流散热，即气体流动是外界因素引起的，例如由储气罐或压气室来的经过喷口的气流。这种强迫对流当然比自由对流要有强得多的散热效果，是气吹断路器主要的散热冷却手段。

在实际喷口气流中，尤其在有电弧存在时，往往伴有局部的涡漩，涡漩有些是稳定持续的，更多的是小范围的、不稳定的涡漩。涡漩的出现使局部气流流动速度加快和垂直于涡漩面的加速度运动，这些都造成传热的增强。因此涡漩的出现相当于局部传导散热增大。纵向喷口中的电弧周围涡漩出现的规律有两条：

（1）涡漩现象在大电流燃弧期间不显著，而小电流期间比较显著。

（2）喷口喉部下游比上游要显著得多。因此，涡漩现象对电弧零点附近有较大的影响，在分析弧隙恢复过程时有不可忽略的作用。

四、SF₆气体的优良灭弧性能

（一）优良的热特性

由SF₆气体分解特性造成的高温导电区域内具有高电导率和低热导率，而低温区（2000K

附近）却有很大的热导率，因此形成近乎径向矩形温度分布的弧芯结构，经过非常陡峭的温度下降区（边界层），外焰部分温度很低。实测和计算都表明SF₆弧芯的平均温度约为12000～14000K，高于空气弧芯的10000～11000K。因此SF₆的电弧电压就比空气低，电弧功率也小，自然对电弧熄灭有利。

比较了实测的电弧直径，证明SF₆与空气在相同条件下电弧的平均电流密度，弧柱直径是相差不多的。但电弧的电压梯度空气要比SF₆大2倍，亦即空气电弧的输入功率比SF₆大。这表明空气电弧弧柱中单位体积的能量（热焓）要比SF₆电弧大。比较两者的热参数证明确实如此。表1-10中列出了在平均温度12000K、压力1大气压下的有关参数。单位体积弧柱的热焓（H）空气为SF₆的1.5倍，当然其轴向气流散热能力也比SF₆为大，得以维持平衡的温度相差不多。

SF₆弧柱能在电流很小时还维持弧芯导电机构，而且弧芯热体积小，使之在电流零点时的残余弧柱体积小，这也是造成弧柱介质恢复特性好的原因之一。因为研究表明，零后残余弧柱电导变化的时间常数是与弧柱的截面成正比。

由于弧芯结构能维持到电流零点附近，这也使SF₆电弧不会造成电流截断，在开断感性小电流时不会出现高的截流过电压。

（二）SF₆分子的负电性

卤族元素的强负电性在它形成化合物后仍保持着，SF₆及其它含F分子在零后吸附了自由电子，生成的负离子，其运动速度大大低于自由电子，与正离子碰撞，结合的概率大大增多，因此使电离、电导率降低的过程大大加快。在灭弧过程中，供给大量SF₆分子使之与弧柱有效接触是促使弧隙迅速冷却、恢复的重要手段。

（三）SF₆电弧的时间常数与开断性能

SF₆断路器的优良开断性能与SF₆电弧弧后恢复快，即时间常数小是分不开的。时间常数的影响因素复杂，理论计算是困难的，而实验测量也是不易的。许多研究者测到的数据差别很大，早期在静态气体中，小电流电弧的测量数据表明SF₆电弧时间常数只及空气的1/100，而推论其灭弧性能也是空气的100倍。近期在大电流（10kA级）试验表明，SF₆的开断能力大约为大气压力的2～3倍（在相同的吹弧气压下）。在一定的喷口尺寸，达到同样的开断电流，SF₆吹弧需要的压力大约为大气压力的1/2～1/3。电流过零后介质恢复过程的时间常数，在热恢复阶段SF₆就比空气快一倍左右，后面的介质恢复阶段则要归功于SF₆气体的优良绝缘性能。

（四）SF₆气体的优良绝缘性能

SF₆气体的绝缘强度在比较均匀的电场结构下约为空气的3倍，电流过零若干微秒以后的恢复速度比空气高数倍就是SF₆气体绝缘强度高的表现。