电弧伏安特性及其优化方案

当开距给定时，电弧电压随电弧电流的变化特性已经积累了许多数据。在小电流时为负伏安特性，如图4-23所示，曲线的两端分别趋向于最小起弧电流I_min和最小起弧电压U_min。对于Cu和AgCdO触头材料在小电流下实际测得的负伏安特性示于图4-24和图4-25中，由图中可见负伏安特性表现为当电弧电流增加时，电弧电压下降。

图4-22 维持电弧所需的电压和电流条件

图4-23 一个在铜电极之间自由燃炽的小电流直流电弧伏安特性

图4-24 一个在铜电极之间自由燃炽的小电流直流电弧伏安特性，图中示出触头开距的影响

总电弧电压U_A由阴极压降U_C，弧柱压降U_col和阳极压降U_a组成

U_A=U_C+U_col+U_a （4-47）

图4-26示出了测得的总电弧电压U_A与触头开距之间的关系

U_A=Δ+（τ+d）E（I） （4-48）

式中 d——电弧长度；

Δ——26V；

τ——触头开距（触头为银时τ=1.1cm，触头为铜时τ=1.3cm，触头为钨时τ=1.6cm）；

I——电弧电流。(www.xing528.com)

其中 E（I）=b（lnI/q）-3 （4-49）

式中 b=5400V/cm；q=7.4×10^-3A。

图4-25 一个在AgCdO电极之间自由燃炽的小电流直流电弧伏安特性，图中示出触头开距的影响

图4-26 一个空气中自由燃炽电弧的电弧电压与触头开距（电弧长度）的关系

当电弧电流继续增加时，负的伏安特性先趋于平坦，然后随电流的增加而升高。图4-27所示为当电流变化跨越8个数量级时的伏安特性。Lowke对距离阴极表面1cm处的电弧电压进行了计算，计算结果与不同作者的实验结果进行了比较，比较结果如图4-28所示（另见4.4.1节中的情况1和情况4）。由这些数据得到的一个重要信息是电弧电压并不是系统电压或电路电压的函数，而是由维持电弧所需的输入能量所决定。

图4-27 电流从10^-4A变化到10⁴A时在氮气和空气中燃炽电弧的伏安特性随触头开距的变化

因为电弧的能量与电弧电导率和能量流动速率有关，而电弧电导率无法立即响应电流的变化，因此电弧电导率和电弧电压要滞后于电流的变化。滞后的程度取决于电弧电流变化的快慢以及电弧的惯性（称作时间常数）。图4-29示出了不同交变频率电流对电弧的影响：频率f₁是一个足够低的频率，电弧在此频率下表现为静态伏安特性；而频率f₄是一个非常高的频率，在此频率下电弧电导率跟不上电流的变化，此时电弧伏安特性表现为一个电阻特性；频率f₂和f₃的特性则在两者之间。在较大的工频电流下（50Hz或60Hz），在每个电流半波下电弧电压倾向于保持为一常数，仅仅在电流过零时才能观察到电弧电压的增加。

图4-28 空气中自由燃炽电弧的伏安特性

图4-29 不同交变频率电流对电弧的影响