斷路器電弧的形成及滅弧方法

一、電弧的形成

斷路器切斷載流電路時(shí)，在觸頭之間常常會(huì)出現(xiàn)電弧，直到電弧熄滅后，電路才真正被切斷。觸頭間的電弧，實(shí)際上是由于中性質(zhì)點(diǎn)游離而引起的一種氣體放電現(xiàn)象，從電弧形成過程來看，游離放電可分為四個(gè)階段：

1、強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射

當(dāng)觸頭剛分開時(shí)，雖然電壓不一定很高，但觸頭間距離很小，因此產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過3x10^6V/m時(shí)，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，金屬觸頭陽極表面的自由電子會(huì)被電場(chǎng)力拉出來，成為游離在觸頭空隙中的自由電子，這種游離方式稱為強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射，是弧隙自由電子的一個(gè)來源。

2、熱電發(fā)射

這是弧隙中自由電子的又一來源。在觸頭分開瞬間，由于觸頭間的壓力迅速減小，接觸電阻增大，電流流過時(shí)發(fā)熱加劇，在電極上出現(xiàn)強(qiáng)烈的熾熱點(diǎn)。此外，弧隙中的正粒子被迅速吸向陰極，其能量被電極吸收，也使陰極表面溫度升高。當(dāng)陰極表面達(dá)到一定高溫時(shí)，便發(fā)射電子使弧隙中的電子數(shù)目增加。

3、碰撞游離

從陰極表面發(fā)射出來的自由電子，在電場(chǎng)力的作用下向陽極做加速運(yùn)動(dòng)，它們?cè)诒枷蜿枠O的途中碰撞介質(zhì)的中性質(zhì)點(diǎn)（原子或分子），使原中性質(zhì)點(diǎn)碰撞游離為正離子和自由電子。新產(chǎn)生的電子又和原有的電子一起以極高的速度向陽極運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它們和其他中性質(zhì)點(diǎn)相碰撞時(shí)，又再一次發(fā)生碰撞游離。碰撞游離連續(xù)進(jìn)行的結(jié)果，觸頭間隙中充滿了電子和正離子。在外加電壓作用下，電子奔向陽極，正離子奔向陰極，產(chǎn)生電流，形成電弧。

4、熱游離

熱游離是電弧維持燃燒的主要原因。電弧燃燒時(shí)，電弧表面溫度可達(dá)3000～4000℃以上，弧心溫度可達(dá)10000℃以上。處于高溫下的介質(zhì)分子和原子產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱運(yùn)動(dòng)，不斷發(fā)生互相碰撞，游離出電子正離子，稱為熱游離。實(shí)際上觸頭間隙擊穿產(chǎn)生電弧后，弧隙電導(dǎo)迅速增大，觸頭之間電壓降減小，隨著觸頭拉開距離增大，觸頭間的電場(chǎng)強(qiáng)度大大減小，強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射基本停止。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度減小，電場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的加速作用減弱，碰撞游離也基本停止。這時(shí)電弧的穩(wěn)定主要依靠熱游離得以維持。

5、電弧形成過程簡(jiǎn)述

開關(guān)觸頭剛分離瞬間，陰極在強(qiáng)電場(chǎng)和高溫的作用下發(fā)射電子，自由電子在觸頭電壓作用下高速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生碰撞游離導(dǎo)致介質(zhì)擊穿形成電弧。電弧形成后，由于弧柱溫度很高，介質(zhì)產(chǎn)生游離使電弧得以維持和發(fā)展。

二、電弧熄滅過程

1、去游離的主要方式

1）復(fù)合去游離

復(fù)合去游離是帶正電的質(zhì)點(diǎn)和帶負(fù)電的質(zhì)點(diǎn)彼此交換本身多余的電荷，成為中性質(zhì)點(diǎn)的過程。帶電質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度快，出現(xiàn)復(fù)合的機(jī)會(huì)少，反之復(fù)合機(jī)會(huì)多，加快復(fù)合的方法有以下幾種：

（1）快速拉長(zhǎng)電弧，可使電場(chǎng)強(qiáng)度下降，離子運(yùn)動(dòng)速度變慢，復(fù)合機(jī)會(huì)增多；

（2）加快電弧冷卻，可使離子運(yùn)動(dòng)速度變慢，復(fù)合機(jī)會(huì)增多；

（3）加大氣體壓力，提高氣體介質(zhì)的濃度，使離子間自由行程縮短，復(fù)合的機(jī)率增加；

（4）使電弧接觸固體介質(zhì)表面，促進(jìn)帶電質(zhì)點(diǎn)復(fù)合。

2）擴(kuò)散去游離

（1）濃度擴(kuò)散

帶電粒子從弧心濃度高的地方向弧邊周圍濃度低的地方擴(kuò)散，使弧隙中帶電粒子減少；

（2）溫度擴(kuò)散

弧道中的高溫粒子向弧道周圍溫度低的介質(zhì)中擴(kuò)散，使弧道中的帶電粒子減少；

（3）氣流吹拂

高速氣流吹拂電弧，將弧柱中的帶電粒子吹走。

2、加速直流電弧熄滅的方法

1）快速拉長(zhǎng)電弧或用氣吹冷卻電弧，加快擴(kuò)散去游離，使電弧電阻增大，從而增加電弧本身的壓降使外加電壓不足以維持電??；

2）在滅弧過程中，電路中臨時(shí)串入電阻，增大電路的電壓降使電弧加快熄滅；

3）分長(zhǎng)弧為短弧，使外加電壓不足以維持多個(gè)短弧的陰極壓降，從而使電弧熄滅。

3、 交流電弧的熄滅過程

交流電弧中，電流每半周過零一次，此時(shí)電弧自然熄滅。以后電弧是否重燃，要看弧隙是否會(huì)重新?lián)舸??；∠兜膿舸┲饕袩釗舸┖碗姄舸?/p>

1）熱擊穿

在電流過零后很短時(shí)間內(nèi)，弧隙中的溫度仍然很高，在弧隙電壓作用下，通過殘余電導(dǎo)仍有很小的電流通過，所以這時(shí)弧隙中存在著散失能量（散熱）和輸入能量（殘余電流）兩個(gè)過程。如果輸入能量大于散失能量，則游離過程大于去游離過程，電弧就會(huì)重燃。這種由于熱游離而使電弧重燃的現(xiàn)象稱為熱擊穿。反之，如果在電流過零時(shí)加強(qiáng)弧隙冷卻，使去游離過程大于游離過程，就不會(huì)發(fā)生熱擊穿引起電弧重燃。

2）電擊穿

電流過零后，如弧隙溫度降低到熱游離基本停止，則熱擊穿就不會(huì)出現(xiàn)。但是弧隙的絕緣能力要恢復(fù)到正常絕緣狀況仍需一定時(shí)間，即存在一個(gè)弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過程。而且在電流過零后，弧隙電壓也要經(jīng)過一個(gè)電磁振蕩的過渡過程才能逐漸恢復(fù)到電源電壓。如果恢復(fù)電壓高于介質(zhì)絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)數(shù)值，弧隙仍被擊穿，這種擊穿稱為電擊穿。

3）交流電弧的熄滅，關(guān)鍵在于電流過零后要加強(qiáng)冷確，使熱游離不能維持，防止發(fā)生熱擊穿。另一方面要使弧隙絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)速度始終大于弧隙電壓的恢復(fù)速度，防止發(fā)生電擊穿。

三、高壓斷路器滅弧方法

高壓斷路器的交流電滅弧方法主要有以下兩種：

1、吹弧

在各種斷路器中，通過氣體或油流吹弧，一方面可以增強(qiáng)對(duì)流，冷卻電弧。另一方面可以將弧隙中的原有帶電粒子吹散，提高介質(zhì)絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)速度。

2、多斷口熄弧

斷路器設(shè)備常制成每相有兩個(gè)或兩個(gè)以上的串聯(lián)斷口。在相等的觸頭行程下，多斷口比單斷口拉弧更長(zhǎng)，電弧拉長(zhǎng)的速度也快，加速了弧隙電阻的增大。同時(shí)，由于加在每個(gè)斷口上的電壓降低了，使弧隙的恢復(fù)電壓降低，因此滅弧性能更好。