电弧能量的计算.
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电弧能量的计算
熔断型保险丝
跳闸式继电器
延时型继电器
Be Safe… Be Sure… Wear Lakeland
熔断型断路器 时间-电流曲线
Be Safe… Be Sure… Wear Lakeland
电弧持续时间（t）
保护器类型 电气情况
1，生产厂商提供的电流-时间曲线包括熔融 时间和开断时间. 2,如果生产厂商只是提供平均熔断时间。采 用平均熔断时间加上其15%，但是不能超过 0.03秒。如超过，直接加上0.03秒和超过部 分的10%。 3,如果电弧电流超过电流-时间曲线的最低端 （0.01秒）的电流，那么电弧的时间就选用 0.01秒。 跳闸式继电器 对于含有整体跳闸单元的断路器，如果生产 厂商给我们提供的电流-时间曲线包括跳闸时 间和开断时间， 延时整体跳闸式断路器,60Hz 电路中延时时 间一般为0.016秒，再加上开断时间。
13
13～153 153
2.000
2.000 0.973
线缆
13
2.000
Be Safe… Be Sure… Wear Lakeland
IEEE1584-2002 电弧能量的计算公式
模型二 计算公式 使用条件
Lee氏高压理 论计算模型
E=2.142×106VIbf(t/D2)
当电压超过15kV，或者导体间隙超（1+15%）
平均熔断时间+0.03+（平均熔 断时间×15%-0.03）×10% 0.01S
熔融保险丝
开断时间
延时型继电器
开断时间+0.016
Be Safe… Be Sure… Wear Lakeland
附表：继电器的断开时间表
断路器型号
低压 模制外壳 （ <1000V ）（整体跳闸断开型） 低压 绝缘外壳 （ <1000V ）（整体跳闸断开型 或者延时操作型） 中压 （1KV-35KV） 高压 （>35KV） 5.0 0.080 3.0 0.050 1.5 0.025
跳闸式继电器
延时型继电器
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熔断型断路器 时间-电流曲线
Be Safe… Be Sure… Wear Lakeland
电弧持续时间（t）
保护器类型 电气情况
1，生产厂商提供的电流-时间曲线包括熔融 时间和开断时间. 2,如果生产厂商只是提供平均熔断时间。采 用平均熔断时间加上其15%，但是不能超过 0.03秒。如超过，直接加上0.03秒和超过部 分的10%。 3,如果电弧电流超过电流-时间曲线的最低端 （0.01秒）的电流，那么电弧的时间就选用 0.01秒。 跳闸式继电器 对于含有整体跳闸单元的断路器，如果生产 厂商给我们提供的电流-时间曲线包括跳闸时 间和开断时间， 延时整体跳闸式断路器,60Hz 电路中延时时 间一般为0.016秒，再加上开断时间。
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13～153 153
2.000
2.000 0.973
线缆
13
2.000
Be Safe… Be Sure… Wear Lakeland
IEEE1584-2002 电弧能量的计算公式
模型二 计算公式 使用条件
Lee氏高压理 论计算模型
E=2.142×106VIbf(t/D2)
当电压超过15kV，或者导体间隙超（1+15%）
平均熔断时间+0.03+（平均熔 断时间×15%-0.03）×10% 0.01S
熔融保险丝
开断时间
延时型继电器
开断时间+0.016
Be Safe… Be Sure… Wear Lakeland
附表：继电器的断开时间表
断路器型号
低压 模制外壳 （ <1000V ）（整体跳闸断开型） 低压 绝缘外壳 （ <1000V ）（整体跳闸断开型 或者延时操作型） 中压 （1KV-35KV） 高压 （>35KV） 5.0 0.080 3.0 0.050 1.5 0.025
线能量
焊接电流——过小会使电弧不稳，造成未焊透、夹渣及焊缝成形不良等缺陷。焊接电流过大，易产生咬边、焊穿、增加焊件变形和金属飞溅量，也会使焊接接头的组织由于过热而发生变化。
电弧电压——焊条电弧焊的电弧电压主要由电弧长度来决定：电弧长度越长，电弧电压越高，降低保护效果，易产生电弧偏吹等。在焊接过程中，应尽量使用短弧焊接。 焊接线能量——熔焊时，由焊接热源输入给单位长度焊缝的能量。
焊接线能量：E＝P/v
其中：v——焊接速度（cm/min）
焊条电弧焊的焊接线能量与焊接电流、电弧电压及焊接速度有关，在保证不焊穿和成形良好的条件下，应尽量采用较大的焊接电流，并适当提高焊接速度，以提高焊接生成率
焊接线能量的计算过程如下：
有效热功率：P＝η×Po＝ห้องสมุดไป่ตู้×U×I
其中：
Po——电弧功率（J/s）
U——电弧电压（V）
I——焊接电流（A）
η —— 功率有效系数，焊条电弧焊为0.74～0.87、埋弧焊为0.77～0.90、交流钨极氩弧焊为0.68～0.85、直流钨极氩弧焊为0.78～0.85。无特别说明时，取中间值。
熔焊时由焊接能源输入给单位长度焊道上的热量，称为焊接线能量。
线能量的计算公式：
q = IU/υ
式中：I—焊接电流 A
U—电弧电压 V
υ—焊接速度 cm/s
q—线能量 J/cm
焊接速度——过快，熔化温度不够，易造成未熔合、焊缝成形不良等缺陷；若焊接速度过慢，高温停留时间增长，热影响区宽度增加，焊接接头的晶粒变粗，力学性能降低，同时使焊件变形量增大。当焊接较薄焊件时，易形成烧穿。
第4章_电弧及其与电路的相互作用
通常阴极区的电位降为l0V~20V，并与 触头材料等有关。阴极区的长度很小， 如在大气中只有10-4cm左右，因此电位 梯度很大。
阳极区的位降与阴极区的位降相近， 长度稍长。
弧柱长度大，电位梯度一般不过几十 伏上下，最高几百伏，较阴极电位梯 度小得多。
从电弧半径方向看，电弧中心温度最高.弧柱周围发光较 暗的区域称为弧焰，其中电流密度很小。
令：i→0
U L d d t ii 0 U h U 0 R i i 0 U x U 0
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。
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。
游离能Ai通常用游离电位Ui表示。各种气体的游离电位：
种类 He
F
N
H
O
C
W
Cu
Ag
电位/V 24.5 17.5 14.55 13.54 13.5 11.3 7.98 7.72 7.57
可见，金属蒸气比一般气体容易游离。为提高灭弧能力，应减少 金属蒸气量。
在大气间隙中，电位梯度达到30kV / cm时, 就会由于电场游离而 导致击穿，但在燃烧的电弧中弧柱电位梯度很小，因此在弧柱中 电场游离就微乎其微了。
触头材料： 触头材料也影响去游离的过程。当触头采用熔点高、导热能力强 和热容量大的耐高温金属时，减少了热电子发射和电弧中的金属 蒸汽，有利于电弧熄灭。
阳极区的位降与阴极区的位降相近， 长度稍长。
弧柱长度大，电位梯度一般不过几十 伏上下，最高几百伏，较阴极电位梯 度小得多。
从电弧半径方向看，电弧中心温度最高.弧柱周围发光较 暗的区域称为弧焰，其中电流密度很小。
令：i→0
U L d d t ii 0 U h U 0 R i i 0 U x U 0
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。
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。
游离能Ai通常用游离电位Ui表示。各种气体的游离电位：
种类 He
F
N
H
O
C
W
Cu
Ag
电位/V 24.5 17.5 14.55 13.54 13.5 11.3 7.98 7.72 7.57
可见，金属蒸气比一般气体容易游离。为提高灭弧能力，应减少 金属蒸气量。
在大气间隙中，电位梯度达到30kV / cm时, 就会由于电场游离而 导致击穿，但在燃烧的电弧中弧柱电位梯度很小，因此在弧柱中 电场游离就微乎其微了。
触头材料： 触头材料也影响去游离的过程。当触头采用熔点高、导热能力强 和热容量大的耐高温金属时，减少了热电子发射和电弧中的金属 蒸汽，有利于电弧熄灭。
6. 直流电弧解析
8. 直流电弧的灭弧措施
1. 拉长电弧： 电源电压不能维持线路压降与弧压，电弧
将熄灭
2. 降低电离度 a. 加强吹弧，以提高对流换热 b. 加装灭弧室，以提高室内压力 c. 采用好的灭弧介质 3. 制造一个电流过零点
I
适当选取L、C, 使I 成为一高频振荡电流，且使I≤ Ia
若电流减小过快，回路中电感的能量会使回路中 产生过电压
（2） 若la不变，此时加强对流冷却（如吹弧）→p ↗、T ↘ → χ ↘ →Ea ↗ →Ua ↗，特性曲线上移
增大电弧电压是直流电弧灭弧的基本原 理
5.开关中电弧的起弧方式
• 开关开断时：触头开始分离时，电流集中在少数 的几个接触点处，焦耳热使接触点处温度升高， 形成熔融汽化，触头分离后，由热电子发射和/或 强场发射的电子使汽化的金属原子碰撞电离，产 生大量的电子和正离子，形成电弧。 • 开关闭合时：动、静触头在逐渐靠近的过程中， 因场致发射（阴极表面因强电场而发射电子）导 致击穿（预击穿），从而形成电弧。
思考题
1、直流电弧的动态伏安特性为什么不同于其 静态伏安特性？ 2、写出直流电弧稳定持续的方程式和熄灭条 件。 3、能否将两个相同类型、相同型号的断路器 并联起来以开断更大的直流电流？为什么？
4、试描述直流电源的电压逐渐升高的过程中，稳定工作点 的变化情况，应如何确定回路中的电阻与电感？ （选作） 5、试推导弧柱中电场强度与带电粒子密度的关系。（选作）
ⅢⅢ
Ⅰ Ⅱ Ⅲ (3)
用小偏离法Δi 来分析它们是否为稳定工作点，此时的电路方程为 U0=iR+Ldi/dt+Ua 改写为 Ldi/dt=（ U0—iR)—Ua
在Ⅰ、Ⅲ 两个区域：方程右边小于零， ∴ Ldi/dt＜0；在Ⅱ区域： Ldi/dt＞0，
焊接电弧的能量特性以及电弧力
26
第27页/共48页
焊接电弧的极性
焊接电弧的极性：直流焊接时电弧的两极与 电源的连接方式称为电弧的极性。
直流正接，正极性
直流反接，负极性
27
第28页/共48页
（2） 焊接电弧力的影响因素
影响焊接电弧力大小的主要因素有:
1） 焊接电流和电弧电压
当增大焊接电流时,电弧力显著增加(见 图1-14)，这主要与电磁收缩力和等离子流 力显著增加有关。当电弧电压升高时,意味 着电弧长度增加,由于电弧范围的扩展,使电 弧力降低,如图1-15所示。
18
第19页/共48页
3 焊接电弧力及其影响因素
•电弧静压力作用 •高温气体推向焊件 •电极上方气体补充 •新进入气体电离
图1-11 电弧等离子气流的产生
19
第20页/共48页
3 焊接电弧力及其影响因素
等离子流力与等离子气流的速度、焊接电流 值、电极状态、电弧形态、电弧长度等均有密切关 系。电弧中等离子气流的速度很大，可以达到每秒 数百米,其中电弧中心线上的速度最大,因此电弧中心 线上的动压力大于周边的动压力；焊接电流越大， 中心线上的动压力越大,而分布的区间越小。当钨极 氩弧焊的钨极锥角较小、电流较大时,或熔化极氩弧 焊采用射流过渡工艺时, 等离子流力很显著,容易形 成如图1-12b所示的指状熔深焊缝。
1） 正离子和电子对电极的撞击力 2）电磁收缩力 3） 电极材料蒸发产生的反作用力
22
第23页/共48页
3 焊接电弧力及其影响因素
1） 正离子和电子对电极的撞击力 电弧焊时,阴极受到正离子的撞击,阳极受
到电子的撞击,因正离子的质量远远大于电子
的质量,而阴极压降UK又大于阳极压降UA,因
此撞击力在阴极上较大,而在阳极上较小。
第27页/共48页
焊接电弧的极性
焊接电弧的极性：直流焊接时电弧的两极与 电源的连接方式称为电弧的极性。
直流正接，正极性
直流反接，负极性
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（2） 焊接电弧力的影响因素
影响焊接电弧力大小的主要因素有:
1） 焊接电流和电弧电压
当增大焊接电流时,电弧力显著增加(见 图1-14)，这主要与电磁收缩力和等离子流 力显著增加有关。当电弧电压升高时,意味 着电弧长度增加,由于电弧范围的扩展,使电 弧力降低,如图1-15所示。
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3 焊接电弧力及其影响因素
•电弧静压力作用 •高温气体推向焊件 •电极上方气体补充 •新进入气体电离
图1-11 电弧等离子气流的产生
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3 焊接电弧力及其影响因素
等离子流力与等离子气流的速度、焊接电流 值、电极状态、电弧形态、电弧长度等均有密切关 系。电弧中等离子气流的速度很大，可以达到每秒 数百米,其中电弧中心线上的速度最大,因此电弧中心 线上的动压力大于周边的动压力；焊接电流越大， 中心线上的动压力越大,而分布的区间越小。当钨极 氩弧焊的钨极锥角较小、电流较大时,或熔化极氩弧 焊采用射流过渡工艺时, 等离子流力很显著,容易形 成如图1-12b所示的指状熔深焊缝。
1） 正离子和电子对电极的撞击力 2）电磁收缩力 3） 电极材料蒸发产生的反作用力
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3 焊接电弧力及其影响因素
1） 正离子和电子对电极的撞击力 电弧焊时,阴极受到正离子的撞击,阳极受
到电子的撞击,因正离子的质量远远大于电子
的质量,而阴极压降UK又大于阳极压降UA,因
此撞击力在阴极上较大,而在阳极上较小。
《电弧的基本理论》课件
电弧的特性
电弧的种类
有多种电弧类型，如直流电弧、交流电弧、气 体电弧等。
电弧的温度和能量
电弧温度极高，可达数千摄氏度，能量也非常 大。
电弧的颜色和形态
电弧的颜色和形态根据电弧种类、电力、环境 等因素而异。
电弧的声音
电弧形成的声音是由于空气分子震荡而产生的， 通常被描述为噼啪声。
电弧的应用
1
电弧的切割和焊接应用
可以使用电弧切割金属，还可以使用电
电弧的灯光应用
2
弧焊接多种材料。
电弧灯可以用于照明和特效灯光，例如 舞台表演和电影拍摄。
电弧的如眼睛和皮肤灼伤， 同时可能产生有毒气体。
电弧的防护措施
使用防护服、防护眼镜等个人防护装备，对工作场 所进行安全评估和防护设施安装。
电弧的基本理论
欢迎来到本课程，我们将深入研究电弧的基本理论。从原理到应用，探索电 弧的神奇世界。
什么是电弧
电弧的定义
电弧是由于电流通过气体或液体导体时，由于空间 弧形区域中的电离和迁移导致的放电现象，通常表 现为明亮而有形的火焰。
电弧的形成
当两个电极之间的电压高到足以使空气击穿时，空 气将被电离并形成电弧现象。
电弧与航空
1 雷电
飞机在空中受到雷电攻击时，可能会产生一种称为“St. Elmo's Fire”的电弧现象。
2 火花
当两个金属表面互相碰撞时或出现电缆线和插头之类的故障时，也会出现火花和电弧。
电弧设计艺术
电弧不仅是科学领域的研究对象，还是艺术家的创作素材。
电弧雕塑
艺术家使用电极在金属上创造出令人惊叹的3D雕塑。
电弧摄影
在暗处使用摄像机捕捉电弧现象，可以创造出非常 独特的图像。
电弧能量的计算..
E——事故能量(J/cm2) V——电路电压（V） Cf——系数，1kV以上为1.0；1kV以下为1.5 En——典型事故能量(J/cm2) t——电弧时间(s) D——操作距离(mm) x——距离指数
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•元器件和电压级别因子
60Hz电路中断开时间（圈）
断开时间（秒）
8.0
0.130
Be Safe… Be Sure… Wear Lakeland
电弧能量计算——在线软件
Be Safe… Be Sure… Wear Lakeland
主要目的： ——对于一个确定的电气环境，电弧能量是 基本一定的，并且是可以计算的。
注意：
工作环境中电弧事故的危险评估和计算，选择合适
防护性能的服装，是最终用户的责任，因为用户最了解其
工作环境和电气特点。
Be Safe… Be Sure… Wear Lakeland
Thanks！
Be Safe… Be Sure… Wear Lakeland
防电弧产品培训
——电弧能量的计算
Be Safe… Be Sure… Wear Lakeland
美国：NFPA 70E-2009 电气环境作业安全标准
Be Safe… Be Sure… Wear Lakeland
IEEE1584-2002：电弧危险计算方法指南
经典经验计算 模型
电压220V~15kV；三相； 频率50Hz或60Hz；短路 故障电流700A-106000A； 导体间隙13mm-152mm。
Ia——电弧电流
K——常数，开放结构为0.153；封闭式结构为0.097 Ibf ——三相短路故障电流(kA) En——典型电弧放电时间和工作距离的事故能量(J/cm2) K1——常数，开放结构为-0.792；箱型结构为-0.555 K2——常数，未接地及高阻接地系统为0；接地系统为-0.113 G——导体间隙(mm)
焊接线能量的计算公式-
线能量的计算公式：q = IU/ u式中：I—焊接电流AU—电弧电压Vu—旱接速度cm/sq—线能量J/cm决定焊接线能量的主要参数就是焊接速度，焊接电流，和电弧电压，所以从这个意义上讲，只要你确定了合理的焊接规范参数，就已经确定了合理的焊接线能量，所以并没有一个专门的定量的的焊接线能量的测定，除非有特别要求，工程技术上也不可能给一个线能量的具体数值来控制，而是由焊接规范控制的，不过焊接线能量可以通过电流和电压和焊速来计算。
但是没一种焊接方法，还有根据实际应用情况线能量都不同，所以这种计算必要性不大，只要你利用合理的焊接规范，一般就没什么问题个人认为理论上应该乘以热效率系数，但是从工程上来说这些都不是实用的东西熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量，称为焊接线能量，用下式表示为IUq=u式中I ——焊接电流熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量，称为焊接线能量，用下式表示为IUq=u式中I ——焊接电流（A）；U——电弧电压（V）；u --- 焊接速度（cm/s）;q ----- 线能量（J/cm）。
例如，板厚12mm进行双面开I形坡口埋弧焊，焊丝巾4mm l=650A，U=38V u =0.9cm/s。
，则焊接线能量q 为IU 650 x 38q= = 27444 J/cmu 0.9线能量综合了焊接电流、电弧电压和焊接速度三大焊接工艺参数对焊接热循环的影响。
线能量增大时，热影响区的宽度增大，加热到高温的区域增宽，在高温的停留时间增长，同时冷却速度减慢，焊接线能量综合了、和三个工艺因素对的影响。
线能量增大时，过热区的尺寸粗大，降低；线能量减小时，和强度提高，但韧性也会降低。
生产中根据不同的材料成分，在保证焊缝成形良好的前提下，适当调节，以合适的线能量焊接，可以保证具有良好的性能。
0 牌准乩惦iT】G烬01 1 ：宦娇条址孤坤坤樓臬■林时+妻以塚據时趙输人不蛊11 32 kj/cni.fta果述押岬推唯施为200 电任击V flf ,讣算婵搖畫屢总Jt：参少丫M i丿—饷吐32 kJ / cm - 1 2 JO J / runtfff 耳L I v ・平—0* 7Q fl jOO善：曲逸用的彈按連(I为1.打K1RV仏42;冀衲材庄強检如锂屮的域住热输人为丹kJ rm.H集逐用炸第电H特•选用电31电用为旳「却It連麼为0 15听」、・■ : LT — 2fl V <g— 28 kJ/ctn I H・0_ cm/s P ft fk <7* tfUl vt_空_ _gg X IQ*兀仏汁tfU ~oTTxis-焊接接头百科名片■ W" «BI Hti d*.焊接接头焊接接头，指两个或两个以上零件要用焊接组合的接点。