第十三章 电弧及灭弧装置

第十三章电弧及灭弧装置

在有触点电器中，触头接通和分断电流的过程中往往伴随着气体放电现象一电弧的产生及熄灭。电弧对电器具有一定的危害。本章通过对电弧现象的介绍，分析其产生和熄灭的过程，从而找出并介绍在电器常用的灭弧方法及装置，以解决电弧在电器中的影响。

第一节电弧的物理基础

一、电弧现象及特点

电弧属于气体放电的一种形式。气体放电分为自持放电与非自持放电两类，电弧属于气体自持放电中的弧光放电。试验证明，当在大气中开断或闭合电压超过10V、电流超过0.5A的电路时，在触头间隙（或称弧隙）中会产生一团温度极高、亮度极强并能导电的气体，称为电弧。由于电弧的高温及强光，它可以广泛应用于焊接、熔炼、化学合成、强光源及空间技术等方面。对于有触点电器而言，由于电弧主要产生于触头断开电路时，高温将烧损触头及绝缘，严重情况下甚至引起相间短路、电器爆炸，酿成火灾，危及人员及设备的安全。所以从电器的角度来研究电弧，目的在于了解它的基本规律，找出相应的办法，让电弧在电器中尽快熄灭。

我们借助一定的仪器仔细观察电弧，可以发现，除两个极（触头）外，明显的分为3个区域，即近阴极区、近阳极区及弧柱区。如图13—1所示。

图13—1 电弧3个区及电位降、电位梯度分布

近阴极区的长度约等于电子的平均自由行程（小于m 610 ）。在电场力的作用下正离子向阴极运动，造成此区域内聚集着大量的正离子而形成正的空间电荷层，使阴极附近形成高电场强度（约为m V /10~1076）。正的空间电荷层形成阴极压降，其数值随阴极材料和气体介质的不同而有所变化，但变化不大，约在10－20V 之间。

近阳极区的长度约等于近阴极区的几倍。在电场力的作用下自由电子向阳极运动，它们聚集在阳极附近而且不断被阳极吸收而形成电流。在此区域内聚集着大量的电子形成负的空间电荷层，产生阳极压降，其值也随阳极材料而异、但变化不大，稍小于阴极压降。由于近阳极区的长度比近阴极区的长，故其电场强度较小。

阴极压降与阳极压降的数值几乎与电流大小无关，在材料及介质确定后可以认为是常数。

弧柱区的长度几乎与电极间的距离相同。是电弧中温度最高、亮度最强的区域。因在自由状态下近似圆柱形，故称弧柱区。在此区中正、负电粒子数相同，称等离子区。由于不存在空间电荷，整个弧区的特性类似于一金属导体。每单位弧柱长度电压降相等。其电位梯度E 。也为一常数，电位梯度与电极材料、电流大小、气体介质种类和气压等因素有关。

电弧按其外形分为长弧与短弧。长短之别一般取决于弧长与弧径之比。把弧长大大超过弧径的称为长弧。长弧的电压是近极压降（阴极压降与阳极压降）与弧柱压降之和。若弧长小于弧径，两极距离极短（如几毫米）的电弧称为短弧。此时两极的热作用强烈，近极区的过程起主要作用。电弧的压降以近极压降为主，几乎不随电流变化。

电弧还可按其电流的性质分为直流电弧和交流电弧。

二、开断电路时电弧产生的物理过程

当触头开断电路，在间隙中产生电弧时，电路仍然是导通的。这就说明已分开触头间的气体由绝缘状态变成了导电状态。那么，究竟有哪些物理过程在这个气体由不导电状态的变成导电状态过程中起作用了呢？下面就此进行一些分析。

1．碰撞游离

带电粒子（自由电子、正离子和负离子）在电场力中获得动能而加速，当这

一粒子在运动过程中碰撞到气体的原子或分子（中性粒子）且此粒子具有的动能大于中性粒子的游离能时，该中性粒子则分解为带电荷的自由电子和正离子。这一现象叫作碰撞游离（或称电场游离）。碰撞游离后出现的自由电子在电场作用下又可同其他中性离子发生新的碰撞，使得自由电子和正离子数累进增加。在电场力作用下，电子定向运动，则形成电流。若带电粒子撞击中性粒子不足以使其立即游离，但经多次撞击，中性粒子所获得能量也使其发生了游离，这种过程称为累积游离。在带电粒子中，由于电子体小质轻，自由行程长，容易加速而获得能量，故其游离作用比正、负离子大得多。

2．热游离

在高温时（3000～4000K 以上），中性粒子由于高速热运动相互碰撞而生的游离，叫做热游离。热游离的实质也是碰撞游离，只不过发生碰撞的原因是高温引起的热运动，而不是电场引起的。中性粒子热游离的程度与温度的高低、气压的大小、物质的游离能大小有关。在高温状况下，金属材料容易发生气化，金属蒸气的游离能比气体的小的多。当气体中混有金属蒸气时，在同一温度下，比纯气体时游离程度要大的多，也可以说，其导电率较大。

金属材料表面在某些情况下能发射出自由电子，这种现象叫表面发射。自由电子的产生是由于金属内的电子得到能量，克服内部的吸引力而逸出金属。一个电子逸出金属所需能量叫逸出功，其单位用电子伏（eV ）表示。不同金属材料逸出功的大小不一样。金属材料的表面发射根据其原因可分为以下几种。

1．热发射

当金属的温度升高到一定值时，其表面的电子能获得足够的动能以克服内部的吸引力从

金属表面逸出成为自由电子。这种主要是由于热作用而引起的发射称为金属表面的热发射电子。

2．强电场发射

当金属表面存在较高的电场强度（大于m V /108）时，可将电子从金属表面拉出，形成强电场发射电子。因为场发射在常温下即可发生，故又称冷发射。强电场发射的电流密度与温度。逸出功、金属表面的场强大小有关。

此外，还有由于光或射线照射金属表面引起电子从金属表面追出的现象称为

光发射和由于高速的正离子撞击阴极、电子撞击阳极而形成的发射电子称为二次发射两种形式。

电器工作时，如果触头开断电路的电压和电流大于其生弧电压和生弧电流（产生电弧的最小电压、电流值），就会产生电弧。触头间产生电弧的物理过程如下：

触头刚开始分离时，接触面积逐渐减小，接触处的电阻越来越大，电流密度也逐渐增大，触头表面的温度剧增。触头表面形成热发射电子。在触头刚刚分开发生热发射的同时，由于触头之间的距离很小，线路电压在这很小的间隙内形成很高的电场。阴极表面形成强电场发射电子。由于这两种发射的作用，大量电子从阴极表面进人弧隙，它们在电场的作用下，随着触头的分开就会不断地撞击中性气体分子，形成碰撞游离，产生自由电子与正离子。被游离的自由电子在电场作用下又会发生新的撞击和游离。弧隙中的中性气体就变为导电的自由电子与正离子。在电场作用下，它们向阴极、阳极运动，电弧形成，电路并未断开。随着电弧形成产生的高温，弧隙间的热游离作用越来越强，气体中带电粒子越来越多，电弧则完全形成了。应该注意的是，在整个过程中几种物理作用并不是截然分开的，而是交叉进行或同时存在的。

从能量的角度来说，电弧燃烧时要从电源不断向电弧内部输人能量，而这个能量又不断转变为电弧的热量通过传导、对流及辐射3种方式散失。

设输人弧隙的功率为)(W P h ，电弧散失功率为)(W P s ，则

当 S h P P =时，电弧电流不变，稳定燃烧；

当s h P P 〉时，电弧电流变大，电弧越燃越烈；

当S h P P 〈时，电弧电流变小，电弧逐渐熄灭。

三、电弧熄灭的物理过程

当电弧稳定燃烧时是处在热动平衡状态，此时不可能有电子和离子的积累。这说明电弧中气体游离现象的同时还存在一个相反的过程，我们称之为消游离。消游离就是正、负带电粒子中和而变成中性粒子的过程。消游离的方式分两类：复合和扩散。

1．复合