电弧放电能量平衡

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。

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。

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。

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。

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。

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。

电弧是一种气体放电现象，也是一种等离子体。等离子体是与固体、液体、气体并列的物质第四态。以50000K为界，等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体两大类，电弧属于后者。实际上，宇宙中约90%的物质都是等离子体。

等离子体是物质的第四态

开关电弧是电弧等离子体的一种。开关电弧的主要外部特征有 ：

（1）电弧是强功率的放电现象 在开断几十千安短路电流时，以焦耳热形式发出的功率可达10000kW。与此有关，电弧可具有上万摄氏度或更高的温度及强辐射，在电弧区的任何固体、液体或气体在电弧作用下都会产生强烈的物理及化学变化。在有的开关中．电弧燃烧时间比正常情况只多一二十毫秒，开关就会出现严重烧损甚至爆炸。在用灭弧能力很弱的隔离开关开断负荷电路时（属于误操作），电弧能使操作者大面积烧伤。

（2）电弧是一种自持放电现象 不用很高的电压就能维持相当长的电弧稳定燃烧而不熄灭。如在大气中，每厘米长电弧的维持电压只有15V左右。在大气中，在100kV电压下开断仅5A的电流时，电弧长度可达7m。电流更大时，可达30m。因此，单纯采用拉长电弧来熄灭电弧的方法是不可取的。

（3）电弧是等离子体，质量极轻、极容易改变形状 电弧区内气体的流动，包括自然对流以及外界甚至电弧电流本身产生的磁场都会使电弧受力，改变形状，有的时候运动速度可达每秒几百米。设计人员可以利用这一特点来快速熄弧并预防电弧的不利影响及破坏作用。

两个电极在一定电压下由气态带电粒子，如电子或离子，维持导电的现象。激发试样产生光谱。电弧放电主要发射原子谱线，是发射光谱分析常用的激发光源。通常分为直流电弧放电和交流电弧放电两种。

气体放电中最强烈的一种自持放电。当电源提供较大功率的电能时，若极间电压不高（约几十伏），两极间气体或金属蒸气中可持续通过较强的电流（几安至几十安），并发出强烈的光辉,产生高温（几千至上万度），这就是电弧放电。电弧是一种常见的热等离子体（见等离子体应用）。

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。

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。

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。直流电弧要比交流电弧难以熄灭。

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。目前的电子产品，如等离子电视、等离子显示器其显示原理也是依赖电弧放电。

电弧不单单只是对人有坏处，某些大型舞台的灯光师利用电弧放电原理而制造成七彩斑斓的电弧花，以满足人们对于电弧的稀奇。

电弧具有超强的电力，能瞬间使心脏停跳，所以，利用电弧而工作的人们需要小心。

研究工作针对电弧放电加工的高效材料去除机理和利用高速电弧放电实现航空航天难切削材料的高效加工等科学问题及相关工程应用问题而开展了全面、系统的研究并取得了显著的成果。在机理方面，首先验证了流体动力断弧机制的存在及其在高速电弧放电加工中的重要作用，观测和分析电弧放电通道在流体动力断弧机制下形态变化的过程和放电加工蚀除颗粒从熔池内排出的过程，并测量和分析了出电弧放电通道的温度特征并采用双线法对放电通道温度进行了测量。推导出放电通道在击穿放电之后的扩张阶段的半径表达式，发现放电通道扩张阶段的传热时间累积效应。建立了考虑时间累积效应的热分析模型和高速电弧放电加工的“先扩张后偏移”材料蚀除模型，拟合了流体动力断弧机制下尾状放电痕的形成，并且从能量利用效率的观点解释了高速电弧放电加工能够获得较大的材料去除效率的原因。 在机理研究成果的基础上，针对航空航天典型难切削材料，特别是高温合金、钛合金和碳化硅铝基复合材料等进行了系统的电弧放电加工工艺特性研究，并研究了极性效应对加工性能的影响。加工效率较传统电火花加工提高了20-30倍，加工高温合金的效率较传统铣削加工提高1倍以上，而加工表面的热损伤与传统电火花加工接近，对后续精加工不产生不良影响。对于开敞型腔及叶盘类零件的加工需求和高速电弧放电加工的特点，提出了高速电弧放电侧铣加工工艺。针对复杂形状的闭式涡轮叶盘的高效加工需求，结合高速电弧放电加工，提出了新型的叠片电极形式，并进行了理论及实验研究，实现了闭式形状的沉入式高效BEAM加工。为解决高速电弧放电加工效率高，但加工精度有限的问题，提出了高速电弧放电加工表面质量改进的组合加工方法，使其具有高效、低成本和较好表面质量的特点。实现了多件航空航天应用背景样件的加工，为高速电弧放电加工技术迈向工业应用奠定了基础。