电弧产生的原理

電弧

一電弧的產生

1.熱電子發射&強電場發射

當開關斷開時﹐電觸頭分離過程中﹐由於動靜觸頭間的壓力和接觸面積不斷下降﹐接觸電阻迅速增大﹐使觸頭急劇發熱﹐溫度升高。在觸頭分開的瞬間﹐觸頭間立即充滿了不導電的介質(如空氣)﹐電流不能通過﹐即電路在一瞬間被切斷。但是由於這時觸頭溫度很高﹐金屬觸頭內的一部分自由電子﹐因具有較大的動能而從觸頭表面逸出﹐稱為“熱電子發

射”。同時由於觸頭分斷的瞬間距離很小﹐觸頭間電場強度很高﹐在強大電場力作用下﹐將陰極觸頭內的一部分電子從陰極表面拉出﹐稱“強電場發射”。這樣就使觸頭之間的介質中出現了自由電子。

2.碰撞遊離

自由電子在電場力作用下﹐逐漸加速運動﹐迅速奔向陽極﹐自由電子在向陽極高速運動的過程中﹐不斷與氣體分子發生碰撞﹐運動中的自由電子積累足夠大的動能時﹐碰撞會使中性的氣體分子分離成正離子和自由電子﹐稱“碰撞遊離”。

3.電弧

新產生的自由電子和原有的自由電子一起在電場中加速運動﹐又與其他的中性氣體分子碰撞﹐再次發生碰撞遊離﹐如此碰撞遊離連鎖發展下去﹐氣體介質中帶電質點大量增加﹐使原本絕緣的氣體間隙﹐由於存在著大量導電的自由電子和正離子﹐在電路電壓的作用下﹐失去絕緣而導電﹐稱為“擊穿” ﹐形成電弧。

4.熱遊歷

電弧放電時﹐電流的密度大﹐溫度高﹐弧柱溫度高達5000~13000℃。弧柱中的高溫氣體分子本身具有極高的動能而作劇烈的熱運動﹐在無規則的熱運動中相互碰撞而遊離﹐稱為“熱遊歷”。弧柱中導電的正離子和自由電子﹐就是靠熱遊歷來維持的。電弧越強﹐溫度越高﹐電弧就越穩定。

5.電弧電壓

開關觸頭分斷電路時產生電弧﹐其強弱除與電路的電壓有關外﹐還決定於被切斷電流的大小﹔電弧形成後﹐維護電弧穩定燃燒的電壓稱為電弧電壓﹐。電弧電壓沿整個弧長非均勻分佈﹐分為陰極壓降區﹐弧柱和陽極壓降區三部分﹐陰極壓降區只占弧長很少的一部分﹐但是電壓比較高﹐約10~~20V﹐陽極壓降區的電壓一般小於陰極壓降區的電壓﹐且隨電弧電流的增大而減小﹐甚至接近於零﹐弧柱雖然占弧長的大部分﹐電壓變化卻不大。陰極壓降對滅弧﹐尤其是低壓電路中的滅弧﹐具有重大意義。

二電弧的熄滅

1.電弧熄滅的基本條件

中性氣體分子的游離﹐是產生電弧和維持電弧的必要條件。在游離的同時﹐也存在著質點(正離子負離子或自由電子)相互中和為不帶(導)電中性質點的過程。這種游歷的反過程﹐叫做“去游離”。在電弧燃燒過程中﹐游離和去游歷同時存在﹐當游歷作用大于去游歷作用時﹐弧柱內離子增加﹐電流增大﹔反之﹐電弧電流減小熄滅﹔兩者作用平衡時﹐電弧穩定燃燒。因此﹐電弧熄滅的基本條件是﹕使電弧的去游歷作用大于游歷作用。

要使電弧迅速熄滅﹔必須人為加強去游歷的條件。

2.去游歷方式

電弧的去游歷方式有復合和擴散兩種﹐復合是使兩個帶異號電荷的質點中和﹐條件是兩個質點在一定的時間內必須處于相近的距離﹔由于電子運動速度很快﹐約為離子的1000倍﹐與正離子復合的機會少的多﹐讓電弧與固體表面接觸﹐使電子首先附著在其表面﹐會很容易吸引正離子進行復合。拉長和冷卻電弧﹐降低帶電質點的運行速度﹐有助於復合的加強。擴散是帶電質點從弧柱中逸出的現象﹐是由于電弧與周圍介質存在著很大的溫度差與濃度差的結果。不斷用較冷又沒有游歷的氣體吹動電弧或使之在周圍介質中移動﹐不僅使電弧加速冷卻﹐還會加大電弧與介質間的溫差和離子濃度差﹐使擴散增強。

拉長電弧﹐增大電弧周長與截面的比值﹐擴散也會加強。

三熄滅電弧的措施

1. 加速觸頭的分離速度﹐迅速拉長電弧

交流電路中﹐每隔半個周期電流經過零值一次﹐在電流過零瞬間﹐電弧自然熄滅。然后弧隙間介質的電場強度開始恢復﹐同時觸頭間的電壓也隨之按正弦規律恢復﹐當電壓增加到大于弧隙間介質的絕緣強度時﹐弧隙被再次擊穿﹐電弧重燃。加速觸頭的分離速度﹐可增大觸頭間的距離﹐迅速拉長電弧可增強弧隙的去游離作用﹐加大弧隙介質絕緣強度的恢復速度。當電壓的增長值小于弧隙間介質的絕緣強度時﹐電弧不能重燃。具體方法可采用強力跳閘彈簧。

2.將長電弧分成几個短電弧

在電弧途徑的旁邊與電弧垂直放置一些金屬柵片﹐

3.利用氣體縱向或橫向吹動電弧

4.使電弧在周圍介質中移動

5.利用固體介質的狹縫或狹溝