城市轨道交通电弧的基本理论
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按产生电弧的电路电源不同，可将电弧分为交流电弧、 直流电弧和脉冲电弧。电极上电弧的孳生点（温度最高、最 明亮的斑点）称为阴极斑点或阳极斑点。
2. 电弧放电的特征及危害
（1） 电弧放电的特征。 ① 起弧电压、电流的数值很低。
② 电弧中含有大量的电子、离子，因此电弧有良好的导电性能，具有很高的电导。弧 柱电流密度可达10 kA/cm2。当电弧存在时，尽管开关电器的触头是断开的，但电路中仍 然有电流流过，电路将继续导通。只有当电弧熄灭后，电路中才无电流通过而真正断开。
3. 电弧的产生
（2） 产生电弧的游离方式。
20%
30%
40%
75%
① 热电子发射。
② 强电场发射。
③ 碰撞游离。
④ 热游离。
3. 电弧的产生
（3） 开关电弧形成的过程。断路器断开过程中，电 弧是这样形成的：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主要因素。此时， 在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧。
4. 电弧的熄灭
电弧中发生游离的同时，还存在着相反的过程，即去游离 。若去游离的作用始终大于游离的作用，则电弧电流减少，直 至电弧熄灭。因此，要熄灭电弧，就必须加强去游离的作用。 这就要了解去游离的形式和影响因素。
4. 电弧的熄灭
（1） 电弧的去游离形式。电弧的去游离形式包括复合和扩 散。 ① 复合。复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现 象。由于弧柱中电子的运动速度很快，约为正离子的1 000倍 ，所以电子直接与正离子复合的概率很小。一般情况下，先是 电子碰撞中性质点，被中性质点捕获而变成负离子，然后再与 质量和运动速度相当的正离子互相吸引而接近，交换电荷后成 为中性质点。还有一种情况就是电子先被固体介质表面吸附， 再被正离子捕获而成为中性质点。
电弧电压＝阴极区压降U1＋弧柱区压降U2＋阳极 区压降U3，即
Uh=U1+U2+U3（2பைடு நூலகம்5）
5. 直流电弧的特性和熄灭
图2-35直流电弧的 图2-36直流电弧的稳
伏安特性曲线
定燃烧曲线
（1） 直流电弧的特性。直流电弧的伏安特性曲线如 图2-35所示，直流电弧的稳定燃烧曲线如图2-36所示。 直流电弧的稳定燃烧点也称工作点，让触头保持一定的 距离，电弧燃烧达到稳定状态后，电流不随时间的变化 而变化。两条曲线交于A、B两点，此两点既满足了电路 的要求（电弧外部条件），又满足了电弧静态伏安特性 的要求（电弧内部条件）。B点称为稳定燃烧点，A点称 为视在稳定燃烧点。
（3） 直流电弧的熄灭方法。
20%
30%
40%
75%
① 拉长电弧。
② 开断电路时在 电路中逐级串入 电阻。
③ 在断口上装灭弧 栅。
④ 冷却电弧。
6. 交流电弧的特性和熄灭
（1） 交流电弧的特性。在交流电路中，电流瞬 时值随时间的变化而变化，因而电弧的温度、直径及 电弧电压也随时间的变化而变化，电弧的这种特性称 为动特性。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定 的过程，跟不上快速变化的电流，所以电弧温度的变 化总滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。
5. 直流电弧的特性和熄灭
（2） 直流电弧的熄灭条件。提高电弧静态伏安特性，使它与曲线无交点，
20%
则电弧熄灭。可知直流电弧的熄灭条件为
E－iR<Uh（2-6）
式（2-6）说明，当电源电压不足以平衡稳态电弧电压及线路电阻压降时，
电弧电流减小，直至熄灭。当两曲线相切时，为电弧燃烧与熄灭的临界状态。
5. 直流电弧的特性和熄灭
01
电弧的存在延长了开关电器断开故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。
电弧产生的高温将使触头表面熔化和汽化，烧坏绝缘材料，可能使充油
02
电气设备发生着火、爆炸等危险。 由于电弧能在电动力和热力的作用下移动，因此很容易造成飞弧短路和伤人，或
03
引起事故的扩大。
3. 电弧的产生
（1） 产生电弧的根本原因。产生电弧的根本原 因是开关触头在分断电流时，触头间电场强度很大， 使触头本身的电子及触头周围介质中的电子被游离而 形成电弧。
6. 交流电弧的特性和熄灭
图2-37交流电弧的电流、电压变化曲线
在一个周期内，交流电弧的电流及电压随时间的变 化而变化，如图2-37所示。电弧电压呈马鞍形变化，即 电流小时，电弧电压高；电流大时，电弧电压减小且接 近于常数。图2037（a）、（b）分别是一般冷却和加 强冷却的电流、电压变化曲线。从图2-37（b）中可见， 加强冷却可使电弧电压尖峰增高。 总之，交流电弧在交流电流自然过零时将自动熄灭，但 在下半周，随着电压的增高，电弧又重燃。如果电弧过 零后，电弧不发生重燃，则电弧就此熄灭。
2. 电弧放电的特征及危害
③ 电弧能量集中，温度很高。电弧放电时，能量高度集中，弧心温度可达10 000 ℃左右，电弧表面的温度可达3 000～4 000 ℃。
④ 电弧是一束质量很轻的游离状态的气体，在外力的作用下，能迅速移动、伸长、弯 曲和变形。
2. 电弧放电的特征及危害
（2） 电弧的危害。电弧会对电力系统和电气设备造成危害，主要包括以下几点：
4. 电弧的熄灭
② 扩散。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。扩散有以下三种形式：
·温度扩散。电弧和周围介质间存在很大温差，使得电弧中 的高温带电质点向温度低的周围介质扩散，减少了电弧中的带 电质点。
·浓度扩散。因为电弧和周围介质存在浓度差，所以带电质 点就从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使电弧中的带电质 点减少。
·利用吹弧扩散。在断路器中采用高速气体吹弧，带走电弧 中的大量带电质点，以加强扩散作用。
4. 电弧的熄灭
（2） 影响电弧去游离的因素。
20%
30%
40%
75%
① 电弧温度。
② 介质的特性。
③ 气体介质的压力。
④ 触头材料。
5. 直流电弧的特性和熄灭
图2-34直流电弧电压分布
在直流电路中产生的电弧称为直流电弧。直流电 弧由阴极区、阳极区和弧柱区组成。直流电弧电压分 布如图2-34所示。
电弧的基本理论
1气体电弧原理
1. 电弧的概念
当开关电器开断电路时，如果电路电压超过10～20 V， 电流超过80～100 mA，触头刚刚分离后，触头之间就会产 生强烈的白光，称为电弧。电弧是开关电器在开断过程中不 可避免的现象。从现象上看，电弧是一束明亮的光柱。实质 上，电弧是一种游离状态的气体放电现象，它是电流通过某 些绝缘介质（如空气）所产生的瞬间火花。
2. 电弧放电的特征及危害
（1） 电弧放电的特征。 ① 起弧电压、电流的数值很低。
② 电弧中含有大量的电子、离子，因此电弧有良好的导电性能，具有很高的电导。弧 柱电流密度可达10 kA/cm2。当电弧存在时，尽管开关电器的触头是断开的，但电路中仍 然有电流流过，电路将继续导通。只有当电弧熄灭后，电路中才无电流通过而真正断开。
3. 电弧的产生
（2） 产生电弧的游离方式。
20%
30%
40%
75%
① 热电子发射。
② 强电场发射。
③ 碰撞游离。
④ 热游离。
3. 电弧的产生
（3） 开关电弧形成的过程。断路器断开过程中，电 弧是这样形成的：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主要因素。此时， 在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧。
4. 电弧的熄灭
电弧中发生游离的同时，还存在着相反的过程，即去游离 。若去游离的作用始终大于游离的作用，则电弧电流减少，直 至电弧熄灭。因此，要熄灭电弧，就必须加强去游离的作用。 这就要了解去游离的形式和影响因素。
4. 电弧的熄灭
（1） 电弧的去游离形式。电弧的去游离形式包括复合和扩 散。 ① 复合。复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现 象。由于弧柱中电子的运动速度很快，约为正离子的1 000倍 ，所以电子直接与正离子复合的概率很小。一般情况下，先是 电子碰撞中性质点，被中性质点捕获而变成负离子，然后再与 质量和运动速度相当的正离子互相吸引而接近，交换电荷后成 为中性质点。还有一种情况就是电子先被固体介质表面吸附， 再被正离子捕获而成为中性质点。
电弧电压＝阴极区压降U1＋弧柱区压降U2＋阳极 区压降U3，即
Uh=U1+U2+U3（2பைடு நூலகம்5）
5. 直流电弧的特性和熄灭
图2-35直流电弧的 图2-36直流电弧的稳
伏安特性曲线
定燃烧曲线
（1） 直流电弧的特性。直流电弧的伏安特性曲线如 图2-35所示，直流电弧的稳定燃烧曲线如图2-36所示。 直流电弧的稳定燃烧点也称工作点，让触头保持一定的 距离，电弧燃烧达到稳定状态后，电流不随时间的变化 而变化。两条曲线交于A、B两点，此两点既满足了电路 的要求（电弧外部条件），又满足了电弧静态伏安特性 的要求（电弧内部条件）。B点称为稳定燃烧点，A点称 为视在稳定燃烧点。
（3） 直流电弧的熄灭方法。
20%
30%
40%
75%
① 拉长电弧。
② 开断电路时在 电路中逐级串入 电阻。
③ 在断口上装灭弧 栅。
④ 冷却电弧。
6. 交流电弧的特性和熄灭
（1） 交流电弧的特性。在交流电路中，电流瞬 时值随时间的变化而变化，因而电弧的温度、直径及 电弧电压也随时间的变化而变化，电弧的这种特性称 为动特性。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定 的过程，跟不上快速变化的电流，所以电弧温度的变 化总滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。
5. 直流电弧的特性和熄灭
（2） 直流电弧的熄灭条件。提高电弧静态伏安特性，使它与曲线无交点，
20%
则电弧熄灭。可知直流电弧的熄灭条件为
E－iR<Uh（2-6）
式（2-6）说明，当电源电压不足以平衡稳态电弧电压及线路电阻压降时，
电弧电流减小，直至熄灭。当两曲线相切时，为电弧燃烧与熄灭的临界状态。
5. 直流电弧的特性和熄灭
01
电弧的存在延长了开关电器断开故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。
电弧产生的高温将使触头表面熔化和汽化，烧坏绝缘材料，可能使充油
02
电气设备发生着火、爆炸等危险。 由于电弧能在电动力和热力的作用下移动，因此很容易造成飞弧短路和伤人，或
03
引起事故的扩大。
3. 电弧的产生
（1） 产生电弧的根本原因。产生电弧的根本原 因是开关触头在分断电流时，触头间电场强度很大， 使触头本身的电子及触头周围介质中的电子被游离而 形成电弧。
6. 交流电弧的特性和熄灭
图2-37交流电弧的电流、电压变化曲线
在一个周期内，交流电弧的电流及电压随时间的变 化而变化，如图2-37所示。电弧电压呈马鞍形变化，即 电流小时，电弧电压高；电流大时，电弧电压减小且接 近于常数。图2037（a）、（b）分别是一般冷却和加 强冷却的电流、电压变化曲线。从图2-37（b）中可见， 加强冷却可使电弧电压尖峰增高。 总之，交流电弧在交流电流自然过零时将自动熄灭，但 在下半周，随着电压的增高，电弧又重燃。如果电弧过 零后，电弧不发生重燃，则电弧就此熄灭。
2. 电弧放电的特征及危害
③ 电弧能量集中，温度很高。电弧放电时，能量高度集中，弧心温度可达10 000 ℃左右，电弧表面的温度可达3 000～4 000 ℃。
④ 电弧是一束质量很轻的游离状态的气体，在外力的作用下，能迅速移动、伸长、弯 曲和变形。
2. 电弧放电的特征及危害
（2） 电弧的危害。电弧会对电力系统和电气设备造成危害，主要包括以下几点：
4. 电弧的熄灭
② 扩散。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。扩散有以下三种形式：
·温度扩散。电弧和周围介质间存在很大温差，使得电弧中 的高温带电质点向温度低的周围介质扩散，减少了电弧中的带 电质点。
·浓度扩散。因为电弧和周围介质存在浓度差，所以带电质 点就从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使电弧中的带电质 点减少。
·利用吹弧扩散。在断路器中采用高速气体吹弧，带走电弧 中的大量带电质点，以加强扩散作用。
4. 电弧的熄灭
（2） 影响电弧去游离的因素。
20%
30%
40%
75%
① 电弧温度。
② 介质的特性。
③ 气体介质的压力。
④ 触头材料。
5. 直流电弧的特性和熄灭
图2-34直流电弧电压分布
在直流电路中产生的电弧称为直流电弧。直流电 弧由阴极区、阳极区和弧柱区组成。直流电弧电压分 布如图2-34所示。
电弧的基本理论
1气体电弧原理
1. 电弧的概念
当开关电器开断电路时，如果电路电压超过10～20 V， 电流超过80～100 mA，触头刚刚分离后，触头之间就会产 生强烈的白光，称为电弧。电弧是开关电器在开断过程中不 可避免的现象。从现象上看，电弧是一束明亮的光柱。实质 上，电弧是一种游离状态的气体放电现象，它是电流通过某 些绝缘介质（如空气）所产生的瞬间火花。