第十三章電弧及滅弧裝置在有觸點電器中，觸頭接通和分?jǐn)嚯娏鞯倪^程中往往伴隨著氣體放電現(xiàn)象一電弧的產(chǎn)生及熄滅。電弧對電器具有一定的危害。本章通過對電弧現(xiàn)象的介紹，分析其產(chǎn)生和熄滅的過程，從而找出并介紹在電器常用的滅弧方法及裝置，以解決電弧在電器中的影響。第一節(jié)電弧的物理基礎(chǔ)一、電弧現(xiàn)象及特點電弧屬于氣體放電的一種形式。氣體放電分為自持放電與非自持放電兩類，電弧屬于氣體自持放電中的弧光放電。試驗證明，當(dāng)在大氣中開斷或閉合電壓超過10V、電流超過0.5A的電路時，在觸頭間隙（或稱弧隙）中會產(chǎn)生一團(tuán)溫度極高、亮度極強(qiáng)并能導(dǎo)電的氣體，稱為電弧。由于電弧的高溫及強(qiáng)光，它可以廣泛應(yīng)用于焊接、熔煉、化學(xué)合成、強(qiáng)光源及空間技術(shù)等方面。對于有觸點電器而言，由于電弧主要產(chǎn)生于觸頭斷開電路時，高溫將燒損觸頭及絕緣，嚴(yán)重情況下甚至引起相間短路、電器爆炸，釀成火災(zāi)，危及人員及設(shè)備的安全。所以從電器的角度來研究電弧，目的在于了解它的基本規(guī)律，找出相應(yīng)的辦法，讓電弧在電器中盡快熄滅。我們借助一定的儀器仔細(xì)觀察電弧，可以發(fā)現(xiàn)，除兩個極（觸頭）外，明顯的分為3個區(qū)域，即近陰極區(qū)、近陽極區(qū)及弧柱區(qū)。如圖13—1所示。圖13—1電弧3個區(qū)及電位降、電位梯度分布近陰極區(qū)的長度約等于電子的平均自由行程（小于）。在電場力的作用下正離子向陰極運(yùn)動，造成此區(qū)域內(nèi)聚集著大量的正離子而形成正的空間電荷層，使陰極附近形成高電場強(qiáng)度（約為）。正的空間電荷層形成陰極壓降，其數(shù)值隨陰極材料和氣體介質(zhì)的不同而有所變化，但變化不大，約在10－20V之間。近陽極區(qū)的長度約等于近陰極區(qū)的幾倍。在電場力的作用下自由電子向陽極運(yùn)動，它們聚集在陽極附近而且不斷被陽極吸收而形成電流。在此區(qū)域內(nèi)聚集著大量的電子形成負(fù)的空間電荷層，產(chǎn)生陽極壓降，其值也隨陽極材料而異、但變化不大，稍小于陰極壓降。由于近陽極區(qū)的長度比近陰極區(qū)的長，故其電場強(qiáng)度較小。陰極壓降與陽極壓降的數(shù)值幾乎與電流大小無關(guān)，在材料及介質(zhì)確定后可以認(rèn)為是常數(shù)?；≈鶇^(qū)的長度幾乎與電極間的距離相同。是電弧中溫度最高、亮度最強(qiáng)的區(qū)域。因在自由狀態(tài)下近似圓柱形，故稱弧柱區(qū)。在此區(qū)中正、負(fù)電粒子數(shù)相同，稱等離子區(qū)。由于不存在空間電荷，整個弧區(qū)的特性類似于一金屬導(dǎo)體。每單位弧柱長度電壓降相等。其電位梯度E。也為一常數(shù)，電位梯度與電極材料、電流大小、氣體介質(zhì)種類和氣壓等因素有關(guān)。電弧按其外形分為長弧與短弧。長短之別一般取決于弧長與弧徑之比。把弧長大大超過弧徑的稱為長弧。長弧的電壓是近極壓降（陰極壓降與陽極壓降）與弧柱壓降之和。若弧長小于弧徑，兩極距離極短（如幾毫米）的電弧稱為短弧。此時兩極的熱作用強(qiáng)烈，近極區(qū)的過程起主要作用。電弧的壓降以近極壓降為主，幾乎不隨電流變化。電弧還可按其電流的性質(zhì)分為直流電弧和交流電弧。二、開斷電路時電弧產(chǎn)生的物理過程當(dāng)觸頭開斷電路，在間隙中產(chǎn)生電弧時，電路仍然是導(dǎo)通的。這就說明已分開觸頭間的氣體由絕緣狀態(tài)變成了導(dǎo)電狀態(tài)。那么，究竟有哪些物理過程在這個氣體由不導(dǎo)電狀態(tài)的變成導(dǎo)電狀態(tài)過程中起作用了呢？下面就此進(jìn)行一些分析。1．碰撞游離帶電粒子（自由電子、正離子和負(fù)離子）在電場力中獲得動能而加速，當(dāng)這一粒子在運(yùn)動過程中碰撞到氣體的原子或分子（中性粒子）且此粒子具有的動能大于中性粒子的游離能時，該中性粒子則分解為帶電荷的自由電子和正離子。這一現(xiàn)象叫作碰撞游離（或稱電場游離）。碰撞游離后出現(xiàn)的自由電子在電場作用下又可同其他中性離子發(fā)生新的碰撞，使得自由電子和正離子數(shù)累進(jìn)增加。在電場力作用下，電子定向運(yùn)動，則形成電流。若帶電粒子撞擊中性粒子不足以使其立即游離，但經(jīng)多次撞擊，中性粒子所獲得能量也使其發(fā)生了游離，這種過程稱為累積游離。在帶電粒子中，由于電子體小質(zhì)輕，自由行程長，容易加速而獲得能量，故其游離作用比正、負(fù)離子大得多。2．熱游離在高溫時（3000～4000K以上），中性粒子由于高速熱運(yùn)動相互碰撞而生的游離，叫做熱游離。熱游離的實質(zhì)也是碰撞游離，只不過發(fā)生碰撞的原因是高溫引起的熱運(yùn)動，而不是電場引起的。中性粒子熱游離的程度與溫度的高低、氣壓的大小、物質(zhì)的游離能大小有關(guān)。在高溫狀況下，金屬材料容易發(fā)生氣化，金屬蒸氣的游離能比氣體的小的多。當(dāng)氣體中混有金屬蒸氣時，在同一溫度下，比純氣體時游離程度要大的多，也可以說，其導(dǎo)電率較大。金屬材料表面在某些情況下能發(fā)射出自由電子，這種現(xiàn)象叫表面發(fā)射。自由電子的產(chǎn)生是由于金屬內(nèi)的電子得到能量，克服內(nèi)部的吸引力而逸出金屬。一個電子逸出金屬所需能量叫逸出功，其單位用電子伏（）表示。不同金屬材料逸出功的大小不一樣。金屬材料的表面發(fā)射根據(jù)其原因可分為以下幾種。1．熱發(fā)射當(dāng)金屬的溫度升高到一定值時，其表面的電子能獲得足夠的動能以克服內(nèi)部的吸引力從金屬表面逸出成為自由電子。這種主要是由于熱作用而引起的發(fā)射稱為金屬表面的熱發(fā)射電子。2．強(qiáng)電場發(fā)射當(dāng)金屬表面存在較高的電場強(qiáng)度（大于）時，可將電子從金屬表面拉出，形成強(qiáng)電場發(fā)射電子。因為場發(fā)射在常溫下即可發(fā)生，故又稱冷發(fā)射。強(qiáng)電場發(fā)射的電流密度與溫度。逸出功、金屬表面的場強(qiáng)大小有關(guān)。此外，還有由于光或射線照射金屬表面引起電子從金屬表面追出的現(xiàn)象稱為光發(fā)射和由于高速的正離子撞擊陰極、電子撞擊陽極而形成的發(fā)射電子稱為二次發(fā)射兩種形式。電器工作時，如果觸頭開斷電路的電壓和電流大于其生弧電壓和生弧電流（產(chǎn)生電弧的最小電壓、電流值），就會產(chǎn)生電弧。觸頭間產(chǎn)生電弧的物理過程如下：觸頭剛開始分離時，接觸面積逐漸減小，接觸處的電阻越來越大，電流密度也逐漸增大，觸頭表面的溫度劇增。觸頭表面形成熱發(fā)射電子。在觸頭剛剛分開發(fā)生熱發(fā)射的同時，由于觸頭之間的距離很小，線路電壓在這很小的間隙內(nèi)形成很高的電場。陰極表面形成強(qiáng)電場發(fā)射電子。由于這兩種發(fā)射的作用，大量電子從陰極表面進(jìn)人弧隙，它們在電場的作用下，隨著觸頭的分開就會不斷地撞擊中性氣體分子，形成碰撞游離，產(chǎn)生自由電子與正離子。被游離的自由電子在電場作用下又會發(fā)生新的撞擊和游離?；∠吨械闹行詺怏w就變?yōu)閷?dǎo)電的自由電子與正離子。在電場作用下，它們向陰極、陽極運(yùn)動，電弧形成，電路并未斷開。隨著電弧形成產(chǎn)生的高溫，弧隙間的熱游離作用越來越強(qiáng)，氣體中帶電粒子越來越多，電弧則完全形成了。應(yīng)該注意的是，在整個過程中幾種物理作用并不是截然分開的，而是交叉進(jìn)行或同時存在的。從能量的角度來說，電弧燃燒時要從電源不斷向電弧內(nèi)部輸人能量，而這個能量又不斷轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀〉臒崃客ㄟ^傳導(dǎo)、對流及輻射3種方式散失。設(shè)輸人弧隙的功率為，電弧散失功率為，則當(dāng)時，電弧電流不變，穩(wěn)定燃燒；當(dāng)時，電弧電流變大，電弧越燃越烈；當(dāng)時，電弧電流變小，電弧逐漸熄滅。三、電弧熄滅的物理過程當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時是處在熱動平衡狀態(tài)，此時不可能有電子和離子的積累。這說明電弧中氣體游離現(xiàn)象的同時還存在一個相反的過程，我們稱之為消游離。消游離就是正、負(fù)帶電粒子中和而變成中性粒子的過程。消游離的方式分兩類：復(fù)合和擴(kuò)散。1．復(fù)合帶異性電荷的粒子相遇后相互作用中和而變成中性粒子稱為復(fù)合。復(fù)合按其地點可分為：（1）表面復(fù)合：帶正、負(fù)電荷的粒子附在金屬或絕緣材料表面上，相互吸引而中和電荷，變成中性粒子。（2）空間復(fù)合：帶正、負(fù)電荷的粒子在放電間隙中相互吸引而中和電荷，變成中性粒子。自由電子與正離子相遇，相互吸引而中和電荷而變成中性粒子，稱為直接復(fù)合。由于自由電子的運(yùn)動速度比正離子大得多，所以直接復(fù)合的機(jī)率很小。往往自由電子粘合在中性粒子上，再與正離子相遇而復(fù)合，中和電荷形成兩個中性粒子。這種過程稱間接復(fù)合。因為正、負(fù)離子的運(yùn)動速度相當(dāng)，間接復(fù)合的機(jī)率大，約為直接復(fù)合的上千倍。自由電子粘合在中性粒子上形成負(fù)離子的強(qiáng)弱與氣體的種類和純凈度有關(guān)。氟原子及其化合物SF6分子與自由電子的粘合作用很強(qiáng)，所以稱為負(fù)電性氣體。SF6的復(fù)合能力很強(qiáng)，是比較理想的消游離和絕緣介質(zhì)。現(xiàn)已應(yīng)用在高壓斷路器中。顯而易見，帶電粒子運(yùn)動速度是直接影響復(fù)合作用大小的重要因素。降低溫度、減小電場強(qiáng)度可使粒子運(yùn)動速度減小，易于復(fù)合。此外，帶電粒子濃度增大時，復(fù)合機(jī)會增多，復(fù)合作用也可以加強(qiáng)。在電弧電流不變的條件下，設(shè)法縮小電弧直徑，則粒子濃度可增大。復(fù)合過程總是伴隨著能量的釋放。釋放出來的能量成為加熱電極、絕緣物及氣體的熱源，同時也向四周散發(fā)。2．?dāng)U散帶電粒子從電弧區(qū)轉(zhuǎn)移到周圍介質(zhì)中去的現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。擴(kuò)散的方向一般為從高溫、高濃度區(qū)向低溫、低濃度區(qū)。擴(kuò)散使電弧中的帶電粒子減小。擴(kuò)散出來的帶電粒子因冷卻很容易相互結(jié)合，中和電荷而形成中性粒子。擴(kuò)散速度與電弧內(nèi)外濃度差、溫度差成正比。電弧直徑愈小，弧區(qū)中帶電粒子濃度愈大；電弧與周圍介質(zhì)溫差愈大，擴(kuò)散速度愈大。因此，加速電弧的冷卻是提高擴(kuò)散作用的有效方法。綜上所述，電弧中存在著游離和消游離兩方面的作用。當(dāng)游離作用占優(yōu)勢時電弧就會產(chǎn)生和擴(kuò)大，當(dāng)消游離作用占優(yōu)勢時，電弧就趨于熄滅。游離與消游離作用與許多物理因素有關(guān)，如電場強(qiáng)度、溫度、濃度、氣體壓力等。那么，我們可以根據(jù)這些物理因素的變化影響情況，找出一些切實可行的方法，減小游離，增加消游離，使觸頭斷開電路時產(chǎn)生的電弧盡快地熄滅。第二節(jié)直流電弧及其熄滅一、直流電弧的伏安特性電弧的伏安特性說明電弧電壓與電流的關(guān)系，是電弧重要特性之一。它實質(zhì)上是反映電弧內(nèi)的物理過程。直流電弧是指產(chǎn)生電弧的電路電源為直流。直流電弧的伏安特性可用實驗方法求得。如圖13—2中電路圖所示，在兩極中有一穩(wěn)定燃燒的電弧。我們?nèi)羰峭ㄟ^調(diào)節(jié)可變電阻R的值非常緩慢地調(diào)節(jié)回路電流，在這個過程中分別測量電弧電流和電弧電壓，可繪出其伏安特性，如圖13—2中曲線1。此伏安特性稱為直流電弧的靜伏安特性（簡稱靜特性）。靜特性是指在電弧穩(wěn)定燃燒條件下，電弧不受熱慣性影響時，電弧電流與電弧壓降的關(guān)系。從靜特性曲線1中可以得出，當(dāng)電弧電流上升時，電弧電壓下降，這是和一般金屬導(dǎo)體不同的。其原因是因為隨著電流的增大，電弧內(nèi)的游離作用加強(qiáng)，離子濃度增加，導(dǎo)電性越好，其對外所顯示的電阻值愈小。圖13—2直流電弧及其伏安特性若調(diào)節(jié)。變電阻R來調(diào)節(jié)回路電流，讓回路電流以一定速度增加或減少，則可得曲線3和2。這時所得的伏安特性稱直流電弧的動伏安特性（簡稱動特性）。動特性是指在電弧不穩(wěn)定燃燒條件下，電弧電流變化快，其熱慣性對電弧有影響時，電弧電流與電弧壓降的關(guān)系。根據(jù)電流變化速度不一樣，動特性曲線有許多條。從圖13—2中可得出，伏安特性曲線1、2、3并不重合，而且是電流增加過程的伏安特性3位于靜伏安特性1之上方，電流減小過程的伏安特性2位于靜伏安特性1的下方。其原因是因為當(dāng)回路電流以一定速度變化時，電弧內(nèi)部有保持原來熱狀態(tài)（游離和消游離狀態(tài)）的熱慣性作用，致使電弧內(nèi)部狀態(tài)的變化總是滯后于回路電流的變化。當(dāng)回路電流變化速度愈高時，這種熱慣性作用就愈明顯。電弧的電阻也就不同于相應(yīng)點應(yīng)有的電阻值，電弧的壓降同樣就和相應(yīng)點的壓降不同。在圖13—2中，靜特性曲線1與縱軸交點的電壓值稱為燃弧電壓，用Uf表示。所謂燃弧電壓，就是產(chǎn)生電弧所必須的最低電壓，電壓低于此值，就不足以點燃電弧。伏安特性曲線2與電壓軸交點的電壓值稱為熄弧電壓，用U；表示。所謂熄弧電壓，就是指熄滅電弧的最高電壓，電壓高于此值，電弧將不能熄滅。熄弧電壓總是小于燃弧電壓的，其原因是燃弧前弧隙中介質(zhì)強(qiáng)度高，即游離程度小，要形成電弧就必須具有較高的電壓。燃弧電壓應(yīng)比維持電弧所需的最低電壓要高。電弧在燃燒過程中游離程度高，介質(zhì)強(qiáng)度低，維持其燃燒的最低電壓就低，而熄弧電壓應(yīng)比這個電壓還要低，所以熄弧電壓U總是小于燃弧電壓Ur。電弧的靜伏安特性與弧長有關(guān)。在其他條件相同時，弧長L愈長，靜伏安特性愈向上移，如圖13—2中曲線4所示。其原因如下：在同一電流情況下，電弧單位長度的電阻值不變，電弧拉長后的總電阻增加，因而電弧的電壓就增大了。由于靜伏安特性向上平移，燃弧電壓和熄弧電壓也都要增加。從這個角度來說，拉長電弧，可以加速電弧的熄滅。二、直流電弧的熄滅設(shè)有如圖13—3（a）所示典型的直流電弧電路上為電源電勢上和R分別為電路中和電弧串聯(lián)的電感和電阻。根據(jù)克希荷夫第二定律，可寫出電壓平衡方程式(13—1)圖13—3開斷電感電路的直流電弧及其熄滅(a)直流電??；(b)直流電弧的熄滅由于電弧的電阻呈非線性的特點，以采用圖解法為便。將式（13—1）中各項的伏安特性表示在同一坐標(biāo)系中，以便分析其相互間的關(guān)系。如圖13—3（b）所示，曲線2為電弧的靜伏安特性，直線1為E—iR。從圖中可以得出；直線1與曲線二相交于AJ兩點，其對應(yīng)的電流值為與。一個直流由電弧能夠穩(wěn)守燃燒的條件是有穩(wěn)定燃燒點，即。那么，要想使直流電弧熄滅，就應(yīng)該做到消除穩(wěn)定燃燒點，且。從圖形來看就應(yīng)該是曲線2即與直線1沒有交點且曲線2位于直線1的上方。要想達(dá)到這個目的，圖形上的變化可有很多種，但結(jié)合實際來考慮，將曲線2向上平移至3的作法最為可行。從其代表的物理意義上來講，就是將電弧拉長。所以拉長電弧對熄滅直流是最常用的方法，而且拉長的方式也有多種。還有一種方法也能使直流電弧熄滅，那就是在電弧兩端并聯(lián)電阻，如圖13—4所示。從圖形上看，由于，使得電弧兩端的伏安特性發(fā)生了變化，滿足了直流電弧熄滅的條件，電弧將熄滅。這種方法有一定的缺陷，那就是電弧雖熄滅了，但電路并未斷開。所以要利用這種方法，還必須安裝附加開關(guān)以分?jǐn)嗖⒙?lián)電阻電路。三、斷開感性電路的過電壓為了減小電弧對觸頭及電器的燒損，通常希望熄弧時間越短越好。但是在斷開感性電路時，若熄弧時間過短，電感中將產(chǎn)生很大的自感電勢，也就是的值很大。其數(shù)值常比電源電壓大好多倍，通常稱之為過電壓。為了區(qū)別于大氣過圖13—4電弧并聯(lián)電阻嗲路及其伏安特性電壓，稱之為內(nèi)部過電壓（或操作過電壓）。過電壓產(chǎn)生后，一方面可能將電氣設(shè)備的絕緣擊穿，引起破壞性故障；另一方面，可能擊穿弧隙，使電弧重燃。為此必須加以防止和限制。斷開感性電路產(chǎn)生過電壓的根本原因，在于貯存在電感中的磁場能量要在非常短暫的時間內(nèi)釋放出來并消耗掉。如果能將磁場能量逐漸地消耗在電阻上，就可以控制此時的過電壓。圖13—5減小直流電弧熄滅時過電壓的方法(a)并聯(lián)電阻法；(b)并聯(lián)RC支路法；(c)并聯(lián)整流二極管法以上幾種方法均能將電感中的磁場能量逐漸地消耗在電阻上或者延長電路電流變化的時間，起到抑制過電壓的作用。圖13—5（a）中所表示的方法其缺點是在正常工作時，附加電阻有功率損耗。圖13－5（b）中的情況在正常工作時電容充電達(dá)到電源電勢，在附加電阻上沒有功率消耗。圖13—5（c）所示情況在正常工作時二極管的反向電流很小，其上的功率損耗亦很小。第三節(jié)交流電弧及其熄滅一、電弧的伏安特性交流電弧與直流電弧有所不同，交流電流的瞬時值隨時間變化，每周期內(nèi)有兩次過零點。電流經(jīng)過零點時，弧隙的輸人能量等于零，電弧溫度下降，電弧自然熄滅。而后隨著電壓和電流的變化，電弧重新燃燒。因此，交流電弧的燃燒，實際上就是電弧的點燃、熄滅周而復(fù)始的過程。這個特點也反映在它的伏安特性中。圖13—6為交流電弧在一周內(nèi)的伏安特性。圖中箭頭方向表示了電流變化和方向。從O點開始，因電弧還未產(chǎn)生，所以隨著電壓的增加只有小量的由陰極發(fā)射產(chǎn)生的電流。到A點時電弧點燃，再隨著電流的增大，電弧電阻減小，電弧壓降也下降，直到B點，此時弧電流達(dá)到峰值。在B點后隨著電流的減小，弧電阻增加，電弧壓降上升。變化到C點時，電弧電流趨近于零，電壓達(dá)到熄弧電壓，電弧熄滅。當(dāng)電流過零點后，在第三象限重復(fù)上述規(guī)律。顯然，由于熱慣性作用，電弧電阻的變化總是滯后于電流的變化，因此，交流電弧的伏安特性為動特性。圖13—6交流電弧的伏安特性二、交流電弧過零后的物理過程交流電弧電流過零時，由于電源停止供給能量，故電弧自然熄滅，這也是交流電弧比直流電弧容易熄滅的原因。但是交流電弧過零自然熄滅后，還會重新燃燒。所以怎樣防止電弧重燃就是研究交流電弧的重點。哪些因素能使電弧重新點燃，哪些因素抑制電弧重燃，就要分析一下交流電弧過零熄滅后，在弧隙間存在著哪些物理過程。1．介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程交流電弧過零熄滅后，由于外部條件的變化，弧隙內(nèi)消游離作用加強(qiáng)，使得原來的導(dǎo)電狀態(tài)要向絕緣介質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，這就是介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程。這個過程的快慢與許多因素有關(guān)，例如溫度。散熱情況、空間位置等。在靠近兩極的區(qū)域，由于金屬材料的傳熱性好，所以此區(qū)域的溫度要比弧柱區(qū)的溫度低，故此處的介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)要比弧柱區(qū)快。電流過零后，兩電極改變極性，原來的陰極改變?yōu)樾碌年枠O，而原來的陽極改變?yōu)樾碌年帢O。電場方向的改變，弧隙中剩余電子和離子的運(yùn)動方向也應(yīng)隨之改變。但是由于電子的質(zhì)量遠(yuǎn)比正離子質(zhì)量小得多，因而電子的運(yùn)動方向改變要遠(yuǎn)比正離子靈敏得多，形成電子很快向新陽極運(yùn)動，而正離子在此瞬間幾乎停止在原地，來不及向新陰極運(yùn)動。新的陰極此時還不能形成強(qiáng)電場發(fā)射電子與熱發(fā)射。因此，在新的陰極附近就存在一層沒有電子而只有正離子的空間，相當(dāng)于形成了一薄層絕緣介質(zhì)，如圖13—7(b)所示。從電路的角度來看，必需加一定的電壓才能將此絕緣薄層擊穿，電弧才會重燃，弧隙重新導(dǎo)電。這個擊穿電壓值稱為弧隙的起始介質(zhì)強(qiáng)度。這種在交流電流過零后弧隙形成一定的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度的現(xiàn)象，稱為交流電弧的近陰極效應(yīng)。實驗證明：近陰極效應(yīng)所產(chǎn)生的起始介質(zhì)強(qiáng)度與電極材料、溫度，特別是所通過的電流有關(guān)。其數(shù)值在40～250V之間。電流越大，其值越低。近陰極效應(yīng)是交流短弧熄弧的主要因素，是低壓交流電器中主要熄弧方法。圖13—7近陰極效應(yīng)(a)電弧過零前帶電粒子狀況；(b)電弧過零后瞬間帶電粒子狀況。通常把弧隙間介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)隨時間變化的關(guān)系稱做弧隙介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性。此特性可通過實驗測出并用圖形表示，如圖13—8所示。圖中的OA段與近陰極效應(yīng)產(chǎn)生的起始介質(zhì)強(qiáng)度有關(guān)，AB段與電弧熄滅的方法和裝置有關(guān)。滅弧裝置效果越好，圖中的a角就越大，說明介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度愈高。圖13—8介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)特性2．弧隙電壓恢復(fù)過程在交流電路中，電流過零電弧熄滅后，觸頭兩端電壓從熄弧電壓恢復(fù)到電源電壓的過程稱電壓恢復(fù)過程。這個過程根據(jù)線路參數(shù)情況的不同形成較為復(fù)雜的情況?？偟膩碚f，可分為兩類；一類叫非周期（非振蕩）電壓恢復(fù)過程，如圖13—9（a）所示，另一類叫周期（振蕩）電壓恢復(fù)過程，如圖13—9(b)所示。因為電壓恢復(fù)過程是使電弧重燃的因素，很顯然，周期電壓恢復(fù)過程中有較高的電壓峰值，對電弧不再重燃是十分不利的，所以也是應(yīng)該盡量避免的。圖13—9電壓恢復(fù)過程(a)非振蕩電壓恢復(fù)過程；(b)振蕩電壓恢復(fù)過程。我們把恢復(fù)過程中的電壓稱為恢復(fù)電壓。從圖13—9中可以看出，恢復(fù)電壓可由兩部分組成；穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量。穩(wěn)態(tài)分量一般稱工頻恢復(fù)電壓，暫態(tài)分量則根據(jù)線路負(fù)載情況不同呈較復(fù)雜情況。在交流電弧開斷過程中，對于不同性質(zhì)的負(fù)載，觸頭上電壓變化過程不同。從觸頭的結(jié)構(gòu)型式來說，由于雙斷點結(jié)構(gòu)時恢復(fù)電壓是作用在兩個斷口上，使每個斷口的電壓值比一個斷口時的要低。所以電弧容易熄滅。三、交流電弧熄滅的條件交流電弧過零后弧隙間介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)和電壓的恢復(fù)是兩個對立的過程。因為介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程主要是弧隙內(nèi)部帶電粒子不斷減少的過程，而電壓恢復(fù)過程恰相反，它使弧隙中的氣體產(chǎn)生新的游離而使帶電粒子不斷增加。那末可以簡單地確定交流電弧熄滅條件為：交流電弧電流過零后，如果弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)的速度超過了弧隙電壓恢復(fù)的速度，則電弧熄滅。反之，電弧重燃，如圖13—10所示。圖13—10交流電弧熄滅的條件(a)重燃；(b)熄滅。在實際中，由于介質(zhì)恢復(fù)過程與電壓恢復(fù)過程是相互聯(lián)系又相互影響的，所以情況較為復(fù)雜。如果恢復(fù)電壓上升得快，弧隙游離加強(qiáng)，使得介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度減慢。如果介質(zhì)強(qiáng)度增長的速度慢，它又對恢復(fù)電壓上升起阻尼作用。因此，在交流電弧熄滅過程中有兩個方面的因素要加以考慮：（1）交流電弧電流過零是最有利的滅弧時機(jī)，這時輸人弧隙的功率趨近于零，如電弧散失的功率大于此時由電源輸人的功率，電弧就會熄滅。如果熄弧措施太強(qiáng)，使電弧電流提前強(qiáng)制過零，這時交流電弧的熄滅與直流電弧相同，會造成熄弧困難。（2）對交流電弧的電路參數(shù)而言，電源電壓越高，恢復(fù)電壓峰值也愈高，熄弧困難。電弧熄滅前電路的電流越大，電弧功率越大，熄弧困難。電路中電感比例越大，熄弧越困難。為了使交流電弧過零點后不再重燃，總的來講可減小恢復(fù)電壓增長速度和增加介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度。增加介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度，車務(wù)面運(yùn)用中效果較顯著的方法主要就是通過金屬柵片將電弧分割成許多短弧，這樣每一個短弧相當(dāng)于處在一對電極之中，電流過零后，就產(chǎn)生近陰極效應(yīng)。此時起始介質(zhì)強(qiáng)度之和比一對極下產(chǎn)生的擴(kuò)大了許多倍。當(dāng)外界加在電弧兩端的電壓小于此值時，電弧在過零后就不再重燃。對于減小恢復(fù)電壓增長速度，抑制電弧重燃，一般采用的方法為在弧隙兩端并聯(lián)一電阻，如圖13—11所示。在弧電流過零時，線路電流由于有分流，使電容充電電流減小，充電時間加長，a、b兩端電壓增長速度變慢，因此抑制了燃弧因素。的值從分流角度考慮應(yīng)小一些，但值小，在正常情況下?lián)p耗過大，因此，采用非線性電阻較好。韶山系列電力機(jī)車所用的TDZIA型主斷路器就是采用這種方法。圖13—11關(guān)聯(lián)電阻滅弧原理第四節(jié)電弧熄滅的方法及裝置通過前面的一系列理論分析，我們可以找出加速電弧熄滅的很多方法，例如：拉長電弧、降低溫度、將長弧變?yōu)槎袒?、將電弧放置于特殊介質(zhì)中，增大電弧周圍氣體介質(zhì)的壓力等。為了減少電弧對觸頭的燒損和限制電弧擴(kuò)展的空間，通常要將這些方法加以應(yīng)用，為此而采用的裝置稱為滅弧裝置。一個滅弧裝置可以采用某一種方法進(jìn)行熄弧。但在大多數(shù)情況下，則是綜合采用幾種方法，以增加滅弧效果。例如拉長和冷卻電弧往往是一起運(yùn)用的。一、拉長電弧電弧拉長以后，電弧電壓就增大，改變了電弧的伏安特性。在直流電弧中，其靜伏安特性上移，電弧可以熄滅。在交流電弧中，由于燃弧電壓的提高，電弧重燃困難。電弧的拉長可以沿電弧的軸向（縱向）拉長，也可以沿垂直于電弧軸向（橫向）拉長，如圖13—12所示。圖13—12拉長電弧1．機(jī)械力拉長電弧沿軸向拉長的情況是很多的，電器觸頭分?jǐn)噙^程實際上就是將電弧不斷地拉長。刀開關(guān)中閘刀的拉開也拉長電弧，電焊過程中將焊鉗提高可使電弧拉長并熄滅。2．回路電動力拉長載流導(dǎo)體之間會產(chǎn)生電動力，如果把電弧看作為一根軟導(dǎo)體，那么受到電動力它就會發(fā)生變形，即拉長。如圖13—13所示，在一對橋式雙斷點結(jié)構(gòu)型式的觸頭斷開時，電弧受回路電動力F的作用被橫向拉長，也就是圖2一12中受F。作用力的情況。橫向拉長時電弧與周圍介質(zhì)發(fā)生相對運(yùn)動，其冷卻效果比縱向拉長的好。在利用電路本身通過電流而產(chǎn)生的回路電動力拉長電弧時，要注意當(dāng)回路電流較小時，其效果較差。圖13—13觸頭回路電動力吹弧(a)常用觸頭回路電動力吹?。?b)增磁型觸頭回路電動力吹弧1—觸頭橋；2—動觸頭；3—電弧；4—靜觸頭；5—靜觸頭座；6—磁性片。3．磁吹滅弧當(dāng)需要較大的電動力來拉長電弧時，可以讓電弧在一個專門設(shè)置的磁場中受力的作用。這個產(chǎn)生用于專門熄弧磁場的裝置，一般我們稱之為吹弧線圈，如圖13—14所示。由于這個磁場力比較大，其拉長電弧的效果也較好，如圖2－12中F。所示的情況。由于磁吹線圈與電路的連接方式不同而形成串激線圈和并激線圈之分。當(dāng)磁吹線圈與觸頭相串聯(lián)而構(gòu)成串激線圈時，若電流方向改變但磁場力方向不變，即磁吹方向不隨電流的極性變化而改變。另一方面，吹弧力的大小與弧電流有關(guān)，弧電流越大，吹弧力越大，滅弧效果越好。當(dāng)磁吹線圈與電路并聯(lián)構(gòu)成并激線圈時，它的特點與申激線圈上述兩方面正好相反，即吹弧力的方向與弧電流方向有關(guān)，產(chǎn)生吹弧力磁場的大小與弧電流大小無關(guān)。還有一種不需線圈和電源也能產(chǎn)生和并激線圈同樣效果的磁吹裝置，那就是用永久磁鐵。這樣，其結(jié)構(gòu)就可更趨簡單。圖13—14中所示的導(dǎo)弧角2是根據(jù)回路電動力的原理而設(shè)置的。其作用是使電弧很快離開觸頭且按一定方向運(yùn)動，以減小觸頭表面電弧的燒傷。圖13—14磁吹滅弧裝置示意圖1—磁吹鐵心；2—導(dǎo)弧角；3—滅弧罩；4—磁吹線圈；5—鐵夾板；6—靜觸頭；7—動觸頭；8—絕緣套。二、滅弧罩滅弧罩是讓電弧與團(tuán)體介質(zhì)相接觸，降低電弧溫度，從而加速電弧熄滅的比較常用的裝置。其結(jié)構(gòu)型式是多種多樣的，但其基本構(gòu)成單元為“縫”。我們將滅弧罩壁與壁之間構(gòu)成的間隙稱作“縫”。根據(jù)縫的數(shù)量可分為單縫和多縫。根據(jù)縫的寬度與電弧直徑之比可分為窄縫與寬縫。縫的寬度小于電弧直徑的稱窄縫，反之，大于電弧直徑的稱寬縫。根據(jù)縫的軸線與電弧軸線間的相對位置關(guān)系可分為縱縫與橫縫?？p的軸線和電弧軸線相平行的稱為縱縫，兩者相垂直的則稱為橫縫。1．縱縫滅弧罩圖13—15所示為一縱向窄縫的滅弧情況，當(dāng)電弧受力被拉人窄縫后，電弧與縫壁能緊密接觸。在繼續(xù)受力情況下，電弧在移動過程中能不斷改變與縫壁接觸的部位，因而冷卻效果好，對熄弧有利。但是在頻繁開斷電流時，縫內(nèi)殘余的游離氣體不易排出，這對熄弧不利。所以此種形式適用于操作頻率不高的場合。圖13—15縱向窄縫式滅弧罩圖13—16所示為一縱向?qū)捒p的滅弧情況，寬縫滅弧罩的特點與窄縫的正好相反，冷卻效果差，但排出殘余游離氣體的性能好。圖13—16中所示情況是將一寬縫中又設(shè)置了若干絕緣隔板，這樣就形成了縱向多縫。電弧進(jìn)人滅弧罩后，被隔板分成兩個直徑較原來小的電弧，并和縫壁接觸而冷卻，冷卻效果加強(qiáng)，熄弧性能提高。此外，由于縫較寬，熄弧后殘存的游離氣體容易排出，所以這種結(jié)構(gòu)型式適用于較頻繁開斷的場合。圖13—16縱向?qū)捒p式滅弧圖13—17所示為縱向曲縫式滅弧罩的滅弧情況?？v向曲縫式又稱迷宮式，它的縫壁制成凹凸相間的齒狀，上下齒相互錯開。同時，在電弧進(jìn)人處齒長較短，愈往深處，齒長愈長。當(dāng)電弧受到外力作用從下向上進(jìn)人滅弧罩的過程中，它不僅與縫壁接觸面積越來越大，而且長度也愈來愈長。這就加強(qiáng)了冷卻作用，具有很強(qiáng)的滅弧能力。但是，也正因為縫隙愈往深處愈小，電弧在縫內(nèi)運(yùn)動時受到的阻力愈來愈大。所以，這種結(jié)構(gòu)的滅弧罩，一定要配合以較大的讓電弧運(yùn)動的力。否則，其滅弧效果反而不好。圖13—17縱向曲縫式滅弧罩2．橫縫滅弧罩為了加強(qiáng)冷卻效果，橫縫滅弧罩往往以多縫的結(jié)構(gòu)型式使用，也就是稱為橫向絕緣柵片，如圖13—18所示。當(dāng)電弧進(jìn)入滅弧罩后，受到絕緣柵片的阻擋，電弧在外力作用下便發(fā)生彎曲，從而拉長了電弧，并加強(qiáng)了冷卻。為了分析電弧與絕緣柵片接觸時的情況，以圖13—19來放大說明：設(shè)磁通方向為垂直向里，電弧AB、BC和CD段所受的電動力都使電弧壓向絕緣棚片頂部，而DE段所受的電動力使電弧拉長，CD段和EF段相互作用產(chǎn)生斥力。這樣一些力的作用，使電弧拉長并與縫壁接觸面增大而且緊密，所以能收到比較好的滅弧效果。圖13—18橫向絕緣柵片式滅弧罩1-滅弧罩；2—電弧。圖13—19電弧在橫向絕緣柵片滅弧罩中的放大圖由于滅弧罩要受電弧高溫的作用，所以對滅弧罩的材料也有一定的要求，如：受電弧高溫作用不會因熱變形、絕緣性能不能下降，機(jī)械強(qiáng)度好且易加工制造等。滅弧罩材料過去廣泛采用石棉水泥和陶土材料?，F(xiàn)在逐漸改為采用耐弧陶瓷和耐弧塑料，它們在耐弧性能與機(jī)械強(qiáng)度方面都有所提高。三、油冷滅弧裝置油冷滅弧是將電弧置于液體介質(zhì)（一般為變壓器油）中，電弧將油汽化、分解而形成油氣。油氣中主要成分是氫，在油中以氣泡的形式包圍電弧。氫氣具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)，這就使電弧的熱量容易散發(fā)。另外，由于存在著溫度差，所以氣泡產(chǎn)生運(yùn)動，又進(jìn)一步加強(qiáng)了電弧的冷卻。若再要提高其滅弧效果，可在油箱中加設(shè)一定機(jī)構(gòu)，使電弧定向發(fā)生運(yùn)動，這就是油吹滅弧。由于電弧在油中滅弧能力比大氣中拉長電弧大得多，所以這種方法一般用于高壓電器中，如油開關(guān)。四、氣吹滅弧裝置氣吹滅弧是利用壓縮空氣來熄滅電弧的。壓縮空氣作用于電弧，可以很好地冷卻電弧、提高電弧區(qū)的壓力、很快帶走殘余的游離氣體，所以有較高的滅弧性能。按照氣流吹弧的方向，它可以分為橫吹和縱吹兩類。橫吹滅弧裝置的絕緣件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電流小時橫吹過強(qiáng)會引起很高的過電壓，故已被淘汰。圖13—20表示了縱吹（徑向吹）的一種形式。壓縮空氣沿電弧徑向吹人，然后通過動觸頭的噴口、內(nèi)孔向大氣排出，電弧的弧根能很快被吹離觸頭表面，因而觸頭接觸表面不易燒損。因為壓縮空氣的壓力與電弧本身無關(guān)，所以使用氣吹滅弧時要注意熄滅小電流電弧時容易引起過電壓。由于氣吹滅弧的滅弧能力較強(qiáng)，故一般運(yùn)用在高壓電器中，例如韶山系列機(jī)車的主斷路器。圖13—20氣吹滅弧裝置1—動觸頭；2—滅弧室瓷罩；3—靜觸頭；4—壓縮空氣；5—電弧。五．橫向金屬柵片滅弧橫向金屬機(jī)片又稱去離子?xùn)?，它利用的是短弧滅弧原理。用磁性材料的金屬片置于電弧中，將電弧分成若干短弧，利用交流電弧的近陰極效應(yīng)和直流電弧的近極壓降來達(dá)到熄滅電弧的目的。橫向金屬柵片滅弧情況如圖13—21所示。柵片的材料一般采用鐵。當(dāng)電弧靠近鐵柵片時，由于鐵片為磁性材料，所以柵片本身就具有一個把電弧拉人柵片的磁場力。當(dāng)電弧被這個磁場力或外力拉人鐵片柵中時，空氣阻力較大。為了減少電弧剛進(jìn)人鐵柵片時的空氣阻力，鐵柵片作成楔口并交叉裝置，如圖13—21(b)所示，即只讓電弧先進(jìn)人一半鐵片柵中。隨著電弧繼續(xù)進(jìn)人鐵片柵中，磁阻減小，鐵片對電弧的拉力增大，使電弧進(jìn)人所有的鐵片柵中。電弧進(jìn)人概片后分成許多串聯(lián)短弧，電流回路產(chǎn)生作用于各短弧上的電動力使短弧繼續(xù)發(fā)生運(yùn)動。此時應(yīng)注意短弧被拉回向觸頭方向運(yùn)動的力，它會使電弧重燃并燒損觸頭。為了消除這種現(xiàn)象，可以采用四形柵片和O形柵片。鐵柵片在使用時一般外表面要鍍上一層銅，以增大傳熱能力和防止鐵片生銹。圖13—21橫向金屬柵片式滅弧罩結(jié)構(gòu)、原理示意圖(a)電弧在橫向金屬柵