电弧及电气触头基本理论分析

电弧及电气触头基本理论分析
【摘要】本文对电弧及电气触头的基本理论进行了分析。

【关键词】电弧；电气触头；基本理论
一、气体游离放电现象和电弧形成
在电路中，断路器切断载流电路时，在触头之间常常会出现电弧，直到电弧熄灭后，电路才真正被切断。

触头间的电弧实际上是由于中性质点游离而引起的一种气体放电现象。

从电弧的形成过程来看，游离放电可分为四个阶段：
1.强电场发射
当触头刚分开时，虽然电压不一定很高，但触头间距离很小，因此产生很强的电场强度。

在强电场作用下，金属触头阳极表面的自由电子会被电场力拉出来，成为游离在触头空隙中的自由电子。

这种游离方式称为强电场发射，是电弧自由电子的一个来源。

2.热电发射
这是弧腔中自由电子的又一来源。

在触头分开瞬间，由于触头间的压力迅速变小，接触电阻增大，电流流过时发热加剧，在电极上出现强烈的炽热点。

此外，孤隙中正离子被迅速吸向阴极，其能量被电极吸收，也使阴极表面温度升高。

当阴极表面达到一定高温时，便发射电子，使弧隙中的电子数目增加。

3.碰撞游离
从阴极表面发射出来的自由电子，在电场力的作用下向阳极做加速运动。

它们在奔向阳极的途中碰撞介质的中性质点（原子或分子），使原中性质点碰撞游离为正离子和自由电子。

新产生的电子又和原有的电子一起以极高的速度向阳极运动，当它们和其他中性质点相碰撞时；又再一次发生碰撞游离。

碰撞游离连续进行的结果，触头间隙中便充满了电子和正离子。

在外加电压作用下，电子奔向阳极，正离子奔向阴极，产生电流，形成电弧。

4.热游离
热游离是电弧得以维持燃烧的主要原因。

在电弧燃烧时，电弧表面湿度可达三千到四千摄氏度以上，孤心温度可达一万摄氏度以上。

处于高温下的介质分子和原子产生强烈的热运动，不断发生互相碰撞，游离出电子和正离子，称为热游离。

实际上，在间隙击穿产生电弧后，由于弧隙电导迅速增大，触头之间电压降减小，而触头的拉开距离却在增大，因此触头间的电场强度大大减小，强电场发射基本停止。

随着电场强度减小，电场对电子运动的加速作用减弱，碰撞游离也
基本停止。

这时，电弧的稳定主要依靠热游离得以维持。

从以上分析可知，在开关触头刚分离的瞬间，阴极在强电场和高温的作用下发射电子。

发射的自由电子在触头电压作用下高速运动，产生碰撞游离，导致介质击穿形成电弧。

在电弧形成后，主要由于弧温度很高，介质产生游离，使电弧得以维持和发展。

这就是触头分断时，其间介质被击穿而产生电弧的大致过程。

二、电孤基本特性
l.电弧的伏安特性
图1为电弧的伏安特性曲线，即U=f（I）。

图中：U——弧隙电压；I——弧隙电流。

在图1（a）中，表示直流电弧的伏安特性曲线。

由图可见，随着电弧电流的增大，电弧电压降低。

这是因为电弧电流增大，使热游离加剧，弧隙中自由电子和正离子增加，因此电导增加，电弧电压反而降低。

图1（b）所示为交流电弧的伏安特性曲线。

在交流电路中，电流的瞬时值随时间按正弦规律变化，并且从一个半局变化到下一个半周时要过零一次。

当电流过零时，处于熄弧状态，弧隙电压U=iR=0。

电流过零后的最初瞬间，由弧柱的热惯性维持一个较小的电流。

随着电流增大，孤隙电压迅速增高，到达A点时，电弧重燃，这时的电压称为燃弧电压。

产生电弧后、弧隙电阻随电流的平方成反比急剧下降。

所以虽然电流增加，但弧隙电压反而下降。

到C点时，电流不再增加，达到最大值，开始下降。

随着电流的下降，弧隙电阻急剧上升，因此弧隙电压反而略有上升。

当电流降回到B点时，由于电弧电流很小，弧隙电阻很大，电弧不能维持，自行熄灭，这一点的电压称为熄弧电压。

由于弧隙中的热惯性作用，交流电流周期性变化时，熄弧电压要低干燃弧电压。

2.短弧特性
长弧的电弧电压主要决定于弧柱电压，阴极和阳极的电压降可以忽略不计。

在短弧中，电弧电压主要由阴极、阳极电压降组成。

这时阴极、阳极区的特性对整个电弧的特性起着决定性的作用。

短弧的电弧电压一般为20v左右，与电流和外界条件几乎无关。

当施加在电极上的电压小于电弧电压降时，电弧就不能维持，从而且终导致电孤熄灭。

实际上，在断开电路时，如触头间的电压小于10—20v，则电弧就不会形成。

利用这一原理，把一条长弧分割成许多互相中联的短弧，可达到加速熄弧的目的。

三、电弧熄弧过程和灭弧方法
1.去游离的主要方式
（1）复合去游离
复合去游离是带正电的质点和带负电的质点彼此交换本身多余的电荷，成为中性质点的过程。

带电质点运动速度快，出现复合的机会少；运动速度慢，复合
机会多。

（2）扩散去游离
扩散去游离有三种：
①浓度扩散。

则电弧沿中心一带的带电粒子浓度高，而弧边周围介质中带电粒子浓度低，带电粒子将从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使弧隙中带电粒子减少；②温度扩散。

由于弧道中温度很高，弧道周围温度很低，弧道中的高温离子将向温度低的周围介质中扩散，使弧道中带电粒子减少；③气流吹拂。

高速气流吹拂电弧，将弧柱中的带电粒子吹走。

扩散的速率还和电弧的直径有关。

直径愈小，电弧表面的带电粒子相对于电弧内部的带电粒子数量之比增加，复合和扩散均有增加。

因此，扩散去游离的速率与电弧直径成反比。

2.直流电弧的熄灭过程
在直流电路中，如果外加电压不足以维持电路中各元件的电阻压降和电弧上的电压时，电弧就熄灭。

四、电气触头
1.对电气触头的要求
在回路接线和电气设备中，常常需要将两部分导体互相接触连通以实现导电，这些接触导电的地方称为电气触头。

电气触头制造不良，在运行中往往会造成严重事故。

2.电气触头的接触电阻
电气触头的质量，主要决定于触头的接触电阻。

接触电阻愈小，温升就愈小。

为了降低电气触头的接触电阻，一般采用以下方法：
（1）增加触头接触面上的压力无论怎样光滑的接触表面，从微观上看总是凹凸不平的。

如果触头受压力小，则仅在一些点接触；如果受压力大，则接触面积扩大，接触电阻小。

（2）采用电阻系数小的材料制造触头电阻系数愈小，接触电阻也愈小。

（3）防止触头接触面氧化用铜、铝、钢等材料制成的触头，其表面在空气中很容易氧化。

氧化后形成的氧化物薄膜电阻很大，使触头的接触电阻也增大。

为了防止触头接触面出现氧化层，通常将触头接触面镀以金属保护层（如银、锡）；或者在接头处密封。

将触头浸入油内，也可以减轻氧化。

为了除去触头表面己形
成的氧化层，可以使触头在分合过程中有少许滑动，以磨去氧化层，称为触头的自洁作用。

参考文献
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