电弧与电气触头的基本知识

第二章电弧与电气触头的基本知识

第一节电弧的形成与熄灭

一、电弧放电的特征和危害

电弧的实质是一种气体放电现象，但它又有别于电晕放电、火花放电等。电弧放电的主要特征有：（1）电弧由三部分组成。包括阴极区、阳极区和弧柱区。

（2）电弧温度很高。弧柱中心可达10000℃左右，电弧表面也会达到3000～4000℃。

（3）电弧是一种自持放电现象。极间的带电质点不断产生和消失，处于动平衡状态。

（4）电弧是一束游离的的气体。在外力作用下能迅速移动、伸长、弯曲和变形。

电弧存在时会对电力系统和电气设备造成危害，主要有：

（1）电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间。

（2）电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。

（3）电弧在电动力、热力作用下能移动，易造成飞弧短路和伤人，使事故的扩大。

二、电弧的形成

电弧能成为导电通道，是由于电弧的弧柱中存在大量的自由电子，这些自由电子的定向运动形成电弧。下面分析自由电子的产生以及电弧的形成。

（一）弧柱中自由电子的主要来源

1．热电子发射2．强电场发射3．碰撞游离4．热游离

（二）电弧形成的过程

触头刚分离时突然解除接触压力，阴极表面立即出现高温炽热点，产生热电子发射；同时，由于触头的间隙很小，使得电压强度很高，产生强电场发射。从阴极表面逸出的电子在强电场作用下，加速向阳极运动，发生碰撞游离，导致触头间隙中带电质点急剧增加，温度骤然升高，产生热游离并且成为游离的的主要因素，此时，在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧。

三、电弧的熄灭

当游离作用大于去游离作用时，电弧电流增加，电弧更加炽热燃烧；当两者作用持平时，电弧维持稳定燃烧；若去游离作用始终大于游离作用，则电弧电流减少，直至电弧熄灭。

电弧的去游离方式：去游离过程包括复合和扩散两种形式。

1. 复合：是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。

2. 扩散：是弧柱中的带电质点逸出弧柱以外，进入周围介质的现象。

扩散有三种形式：温度扩散、浓度扩散和利用吹弧扩散。

（一）影响去游离的因素

1. 电弧温度

2. 介质的特性

3. 气体介质的压力

4. 触头材料

第二节交流电弧的特性及熄灭

一、交流电弧的特性

1. 交流电弧的动特性。

2. 交流电弧的热惯性。

二、交流电弧的熄灭条件

交流电流过零后，电弧是否重燃取决于弧隙介质强度和弧隙电压的恢复。

1. 弧隙介质强度的恢复

弧隙介质能够承受外加电压作用而不致使弧隙击穿的电压称为弧隙的介质强度，以耐受的电压U j（t）表示。

弧隙介质强度的恢复过程U j（t）主要取决于开关电器灭弧装置的结构和灭弧介质的性质。

2. 弧隙电压的恢复过程

电流过零后，弧隙电压从后蜂值逐渐增长，一直恢复到电源电压，这一过程中的弧隙电压称为恢复电压，其电压恢复过程以U hf（t）表示。

3. 交流电弧的熄灭条件

交流电弧的熄灭条件为

U j（t）> U hf（t）

式中U j（t）———弧隙介质强度；

U hf（t）———弧隙恢复电压。

第三节开关电器中熄灭交流电弧的基本方法

熄灭交流电弧的关键在于电弧电流过零后，弧隙的介质强度的恢复过程能否始终大于弧隙电压的恢复过程。目前，在开关电器中广泛采用的灭弧方法有以下几种。

一、提高触头的分闸速度

迅速拉长电弧，减小弧柱中的电位梯度，增加电弧与周围介质的接触面积，加强冷却和扩散的作用。

二、采用多断口

在熄弧时，多断口把电弧分割成多个相串联的小电弧段。多断口使电弧的总长度加长，导致弧隙的电阻增加；在触头行程、分闸速度相同的情况下，电弧被拉长的速度成倍增加，使弧隙电阻加速增大，提高了介质强度的恢复速度，缩短了灭弧时间。

三、吹弧

吹弧时由于电弧被拉长变细，弧隙的电导下降，电弧的温度下降，热游离减弱，复合加快。按吹弧气流的产生方法和吹弧方向的不同，吹弧可分为以下几种。

1. 用油气吹弧

2. 用压缩空气或六氟化硫气体吹弧

3. 产气管吹弧

产气管由纤维、塑料等有机固体材料制成，电弧燃烧时与管的内壁紧密接触，在高温作用下，一部分管壁材料迅速分解为氢气、二氧化碳等，这些气体在管内受热膨胀，增高压力，向管的端部形成吹弧。

按吹弧的方向分为：

1．纵吹 2．横吹 3．纵横吹

四、短弧原理灭弧

这种灭弧方法常用于低压开关电器中。其灭弧装置是一个金属栅灭弧罩，利用将电弧分为多个串联的短弧的方法来灭弧。

五、固体介质的狭缝狭沟灭弧

低压开关电器中也广泛应用狭缝灭弧装置。触头间产生电弧后，在磁吹装置产生的磁场作用下，将电弧吹入又灭弧片构成的狭缝中，把电弧迅速拉长的同时，使电弧与灭弧片的内壁紧密接触，对电弧的表面进行冷却和吸附，产生强烈的去游离。

六、用耐高温金属材料制作触头

触头材料对电弧中的去游离也有一定影响，用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属制作触头，可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸汽，从而减弱了游离过程，有利于熄灭电弧。

七、采用优质灭弧介质

灭弧介质的特性，如导热系数、电强度、热游离温度、热容量等，对电弧的游离程度具有很大影响，这些参数值越大，去游离作用就越强。

在高压开关中，广泛采用压缩空气、六氟化硫（SF6）气体、真空等作为灭弧介质。