電弧

　　電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，電流通過(guò)某些絕緣介質(zhì)(例如空氣)所產(chǎn)生的瞬間火花。具有能量集中、溫度高、亮度大的特點(diǎn)，是一種具有強(qiáng)光和高溫的電游離現(xiàn)象。

　　開(kāi)關(guān)電器的基本功能是能夠在所要求的短時(shí)間內(nèi)分合電路，即起所謂開(kāi)關(guān)的作用，機(jī)械式開(kāi)關(guān)設(shè)備是用觸頭來(lái)開(kāi)斷電路電流的，在大氣中開(kāi)斷電路時(shí)，只要電壓超過(guò)12~20V，被開(kāi)斷的電流超過(guò)0.25~1A，在觸頭間隙(也稱(chēng)弧縫)中通常產(chǎn)生一團(tuán)溫度極高、發(fā)出光且能夠?qū)щ姷慕茍A柱形的氣體，這就是電弧。

　　電孤是一種氣體放電現(xiàn)象，它有兩個(gè)特點(diǎn)：一是電弧中有大量的電子、離子，因而是導(dǎo)電的，電孤不熄滅電路繼續(xù)導(dǎo)通，要電弧熄滅后電路才正式斷開(kāi)；二是電弧的溫度很高，弧心溫度達(dá)4000～5000攝氏度以上，高溫電弧會(huì)燒壞設(shè)備造成嚴(yán)重事故，所以必須采取措施，迅速熄滅電弧。

　　電弧產(chǎn)生和熄滅的物理過(guò)程簡(jiǎn)述如下：在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)過(guò)程中，由于動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)、靜觸頭間的接觸面不斷減小，電流密度就不斷增大，接觸電阻隨接觸面的減小就越來(lái)越大，因而觸頭溫度升高，產(chǎn)生熱電子發(fā)射。當(dāng)觸頭剛分離時(shí)，由于動(dòng)、靜觸頭間的間隙極小，出現(xiàn)的電場(chǎng)強(qiáng)度很高，在電場(chǎng)作用下金屬表面電子不斷從金屬表面飛逸出來(lái)，成為自由電子在觸頭間運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為場(chǎng)致發(fā)射。熱電子發(fā)射、場(chǎng)致發(fā)射產(chǎn)生的自由電子在電場(chǎng)力作用下加速飛向陽(yáng)極，途中不斷碰撞中性質(zhì)點(diǎn)，將中性質(zhì)點(diǎn)中的電子又碰撞出來(lái)，這種現(xiàn)象稱(chēng)作碰撞游離。由于碰撞游離的連鎖反應(yīng)，自由電子成倍地增加(正離子亦隨之增加)，大量的電子奔向陽(yáng)極，大量的正離子向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，開(kāi)關(guān)觸頭間隙便成了電流的通道，觸頭間隙間介質(zhì)被擊穿就形成電弧。

　　由于電弧溫度很高，在高溫的作用下，處在高溫下的中性質(zhì)點(diǎn)由于高溫而產(chǎn)生強(qiáng)烈不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，在中性質(zhì)點(diǎn)互相碰撞時(shí)，又將被游離而形成電子和離子，這種因熱運(yùn)動(dòng)而引起的游離稱(chēng)為熱游離。熱游離產(chǎn)生大量電子和離子維持觸頭間隙間電弧。產(chǎn)生電弧主要由碰撞游離，維持電弧主要依靠熱游離。

01電弧是強(qiáng)功率的放電現(xiàn)象

　　在開(kāi)斷幾十千安短路電流時(shí)，以焦耳熱形式發(fā)出的功率可達(dá)10000kW。與此有關(guān)，電弧可具有上萬(wàn)攝氏度或更高的溫度及強(qiáng)輻射，在電弧區(qū)的任何固體、液體或氣體在電弧作用下都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的物理及化學(xué)變化。在有的開(kāi)關(guān)中，電弧燃燒時(shí)間比正常情況只多一二十毫秒，開(kāi)關(guān)就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)龘p甚至爆炸。在用滅弧能力很弱的隔離開(kāi)關(guān)開(kāi)斷負(fù)荷電路時(shí)(屬于誤操作)，電弧能使操作者大面積燒傷。

02電弧是一種自持放電現(xiàn)象

　　不用很高的電壓就能維持相當(dāng)長(zhǎng)的電弧穩(wěn)定燃燒而不熄滅。如在大氣中，每厘米長(zhǎng)電弧的維持電壓只有15V左右。在大氣中，在100kV電壓下開(kāi)斷僅5A的電流時(shí)，電弧長(zhǎng)度可達(dá)7m。電流更大時(shí)，可達(dá)30m。因此，單純采用拉長(zhǎng)電弧來(lái)熄滅電弧的方法是不可取的。

03電弧是等離子體，質(zhì)量極輕、極容易改變形狀

　　電弧區(qū)內(nèi)氣體的流動(dòng)，包括自然對(duì)流以及外界甚至電弧電流本身產(chǎn)生的磁場(chǎng)都會(huì)使電弧受力，改變形狀，有的時(shí)候運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)每秒幾百米。設(shè)計(jì)人員可以利用這一特點(diǎn)來(lái)快速熄弧并預(yù)防電弧的不利影響及破壞作用。

　　1. 按電流種類(lèi)可分為：交流電弧、直流電弧和脈沖電弧；

　　2. 按電弧的狀態(tài)可分為：自由電弧和壓縮電弧(如等離子弧)；

　　3. 按電極材料可分為：熔化極電弧和不熔化極電弧。

　　在一些大電流電路上，觸頭或開(kāi)關(guān)的通斷都會(huì)產(chǎn)生電弧火花，可能會(huì)造成以下危害：

　　1、燒傷觸點(diǎn)觸頭等，久而久之使電路接觸不良，造成電路的損壞。

　　2、可能對(duì)人的眼、皮膚等造成電弧灼傷，對(duì)人體造成不可臆測(cè)的危害。

　　3、在一些對(duì)電弧火花敏感的地方，如煤氣廠或充置可燃性氣體的地方，極少的電弧火花都可能引起爆炸等。

　　4、電弧火花可能隨著電路對(duì)一些電子產(chǎn)品(如集成電路)造成擊穿損壞等。

　　所以為了安全起見(jiàn)，在有大電流可能引起的觸點(diǎn)觸頭等地方都要加裝一個(gè)金屬盒來(lái)屏蔽電弧火花的產(chǎn)生，在交流接觸器最為常見(jiàn)。

　　1. 利用氣體或油熄滅電弧。在開(kāi)關(guān)電器中利用各種形式的滅弧室使氣體或油產(chǎn)生巨大的壓力并有力地吹向弧隙，電弧在氣流或油流中被強(qiáng)烈地冷卻和去游離，并且其中的游離物質(zhì)被未游離物質(zhì)所代替，電弧便迅速熄滅。氣體或油吹動(dòng)的方式有縱吹和橫吹兩種，縱吹使電弧冷卻變細(xì)，然后熄滅;橫吹是把電弧拉長(zhǎng)切斷而熄滅。不少斷路器采用縱橫混合吹弧方式，以取得更好滅弧效果。

　　2. 采用多斷口。高壓斷路器常制成每相有兩個(gè)或多個(gè)串聯(lián)的斷口，使加于每個(gè)斷口的電壓降低，電弧易于熄滅。

　　3. 斷路器斷口加裝并聯(lián)電阻。在高壓大容量斷路器中，廣泛利用弧隙并聯(lián)電阻來(lái)改善它們的工作條件。斷路器每相假如有兩對(duì)觸頭，一對(duì)為主觸頭，另一對(duì)為輔助觸頭，電阻并聯(lián)在主觸頭上。當(dāng)斷路器在合閘位置時(shí)，主、輔觸頭都閉合。當(dāng)斷開(kāi)電路時(shí)，主觸頭先斷開(kāi)，這時(shí)并聯(lián)在主觸頭斷口上的電阻在主觸頭斷開(kāi)過(guò)程中起分流作用，有利于主觸頭斷口滅弧。主觸頭的電弧熄滅后，并聯(lián)電阻串聯(lián)在電路中，有效地降低觸頭上的恢復(fù)電壓數(shù)值及電壓恢復(fù)速度。另外，并聯(lián)電阻對(duì)切斷小電感電流或電容電流時(shí)，可限制過(guò)電壓產(chǎn)生。

　　4. 采用新介質(zhì)。利用滅弧性能優(yōu)越的新介質(zhì)，例如SF6(六氟化硫)斷路器和真空斷路器等。

　　5. 利用金屬滅弧柵熄滅電弧。用鐵磁物質(zhì)制成金屬滅弧柵，當(dāng)電弧發(fā)生后，立刻把電弧吸引到柵片內(nèi)，將長(zhǎng)弧分割成一串短弧，當(dāng)電弧過(guò)零時(shí)，每個(gè)短弧的附近會(huì)出現(xiàn)150～250伏的介質(zhì)強(qiáng)度，如果作用于觸頭間的電壓小于各個(gè)介質(zhì)強(qiáng)度的總和時(shí)，電弧就立即熄滅。這種滅弧方法在低壓開(kāi)關(guān)中用得很多。