2.6　电弧的基本理论

2.6.1　电弧的形成与熄灭

当开关电器开断有电流通过的电路时，触头刚刚分离后，电压和电流达到一定值时，触头之间就会产生强烈的白光，称为电弧。用开关电器设备切断电路时，只要电源电压大于10～20V，电流大于80～100mA，在开关电气设备的动、静触头分离瞬间，触头间就会出现电弧。

电弧的实质是一种气体放电现象。电弧的产生、维持是触头绝缘介质的中性质点（分子和原子）被游离的结果，游离就是中性质点转化为带电质点，即气态介质或固态、液态介质高温气化后向等离子体态的转化过程。

2.6.1.1　电弧的形成

（1）在开关电器设备触头分离的最初瞬间，触头电极的阴极区发射电子对产生电弧过程起决定性作用。阴极表面发射电子有两种方式：

1）热电子发射。触头分离瞬间，接触电阻突然加大而产生的高温，使阴极表面出现强烈的炽热点，使阴极的金属材料内的大量电子不断逸出金属表面。

2）强电场电子发射。触头刚分开时，触头间距离很小，则产生很强的电场强度（3×106V/m以上），阴极表面的电子就会被电场力拉出而形成触头空间的自由电子。强电场发射是弧隙间最初产生电子的主要原因。

（2）电弧的形成主要是碰撞游离所致。阴极表面发射出的电子和弧隙中原有的少数电子在强电场能的作用下，向阳极方向运动，不断地与其他粒子（如气体原子、分子）发生碰撞，将中性粒子中的电子击出，游离成正离子和新的自由电子，新产生的电子也向阳极加速运动，同样也会使它所碰撞的中性质点游离，如图2.6所示。碰撞游离连续进行就可能导致在触头间充满了电子和离子，从而击穿介质，电流急剧增大出现光和热的效应而成为电弧。

2.6.1.2　电弧的维持

电弧形成之后，维持电弧燃烧所需的游离过程是热游离。由于在电弧燃烧过程中，弧柱中的电导很大，则电位梯度很小，电子不能获得必需的位能，于是碰撞游离已不可能。然而电弧产生之后，弧隙的温度很高，中性质点不规则热运动速度增加，具有足够动能的互相碰撞游离出电子和正离子，这种现象称为热游离。

热游离的存在使电弧通道具有良好的导电性能。电弧的弧柱中只要有很低的电场强度（每厘米十几伏到几十伏）就能维持热游离，由它来提供转变成电弧热能所需的能量。

一般气体开始发生热游离的温度为9000～10000℃；金属蒸汽的热游离温度约为4000～5000℃。因为开关电气设备的电弧中总有一些金属蒸汽，而弧心温度总大于4000～5000℃，所以热游离的强度足可维持电弧的燃烧。

2.6.1.3　电弧的熄灭

电弧中发生游离的同时，还进行着使带电质点减少的复合和扩散的去游离过程。电弧的去游离过程包括复合和扩散两种形式：

（1）复合。正、负带电质点互相吸引、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1000倍，所以电子直接与正离子复合的几率很小。一般情况下，先是电子碰撞中性质点时，被中性质点捕获变成负离子，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后，再被正离子捕获成为中性质点。

（2）扩散。弧柱中的带电质点逸出弧柱以外，进入周围介质的现象。扩散有两种形式：

1）温度扩散，由于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中扩散，减少了电弧中的带电质点。

2）浓度扩散，这是因为电弧和周围介质存在浓度差，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。

游离和去游离是电弧燃烧中的两个相反过程，这两个过程的动平衡将使电弧稳定燃烧。若游离过程大于去游离过程，将会使电弧愈加强烈的燃烧。反之，将会使电弧燃烧减弱，以致最终熄灭。

2.6.2　电弧的危害

电弧有如下特征：①电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成；②电弧温度很高；③电弧是一种自持放电现象；④电弧是一束游离的气体。电弧往往产生如下危害：

（1）电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。

（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。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。

（3）由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。

2.6.3　影响电弧熄灭的因素

（1）电弧温度。电弧是由热游离维持的，降低电弧温度就可以减弱热游离，减少新的带电质点的产生。同时，也减小了带电质点的运动速度，加强了复合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动电弧，或使电弧与固体介质表面接触等，都可以降低电弧的温度。

（2）电场强度。场强越小，带电质点的反向运动速度就越小，复合的概率就越大。同时，场强降低，电弧电流减小，电弧温度下降，热游离也随之减弱。

（3）介质的特性。电弧燃烧时所在介质的特性在很大程度上决定了电弧中去游离的强度，这些特性包括：导热系数、热容量、热游离温度、介质电强度等。若这些参数值大，则去游离过程就越强，电弧就越容易熄灭。

（4）气体介质的压力。气体介质的压力对电弧去游离的影响很大。因为，气体的压力越大，电弧中质点的浓度就越大，质点间的距离就越小，复合作用越强，电弧就越容易熄灭。在高度的真空中，由于发生碰撞的概率减小，抑制了碰撞游离，而扩散作用却很强。因此，真空是很好的灭弧介质。

（5）电气触头的材料。触头材料也影响去游离的过程。当触头采用熔点高、导热能力强和热容量大的耐高温金属时，减少了热电子发射和电弧中的金属蒸汽，有利于电弧熄灭。除了上述因素以外，去游离还受电场电压等因素的影响。

2.6.4　直流电弧的特性与熄灭

产生在直流电路中的电弧为直流电弧。图2.7是直流电弧的伏安特性，它表示直流电弧两端的电弧电压与流过它的电弧电流的关系。电弧伏安特性是一条非线性的下降曲线，这说明电弧电压是随电流的增加而降低的。直流电弧在一定长度下稳定状态时所测得的伏安特性称为静态伏安特性，见图中曲线1。由于热惯性的作用，当电弧电流增加时，电弧的伏安特性将按曲线2动态变化。曲线3为电弧电流减小时的动态伏安特性。

实验表明：在其他条件不变时，当电弧电流增大到超过几十安培后，电弧电阻将不再随电流的增加而下降，基本保持为常数。在长弧中，电弧电压主要是弧柱的电压降，即

式中：Ea为弧柱的电场强度，V/cm；la为电弧的长度，cm。

在大电流情况下，弧柱的电场强度基本上保持为一常数。因此在其他条件不变时，电弧电压随电弧长度的增大而升高，伏安特性曲线向上移，如图2.8（a）所示。弧柱冷却强，散热好，会使弧柱电场强度增大，伏安特性曲线也会上移，如图2.8（b）所示。

直流电路如图2.9（a）所示，具有电阻R、电感L和触头D，外施电压为U0，将D从闭合位置分开至某一距离形成电弧。它的电压平衡方程式为

或

由于ua与i是非线性关系，因此需用图解法来求解，如图2.9（b）所示。电弧稳定时电流i不变，稳定电弧方程为

可以判断，点2处为稳定工作点，要使直流电弧熄灭，必须减小电流，使，电弧电压平衡方程变为

抬高电弧的伏安特性使之与直线（U0-iR）相交于一点时（相切），交点即为电弧的不稳定工作点。进一步抬高电弧的伏安特性使之不再与直线（U0-iR）相交，如曲线C，电弧就不可能燃烧，必然熄灭。所以，上式为直流电弧熄灭的条件。它说明，当电路中电源电压不足以维持稳定电弧电压和线路上的压降时，直流电弧将被熄灭。

在开关中熄灭电弧时，线路内的参数一般是不变的，因此常采用拉长电弧、增强冷却这两种方法来抬高电弧的伏安特性曲线，以达到电弧的熄灭条件。

2.6.5　交流电弧的特性与熄灭

交流电弧具有动态的伏安特性（动特性）和过零值自然熄灭两大特点。

在交流电路中，电流瞬时值随时间变化，因而电弧的温度、直径以及电弧电压也随时间变化，电弧的这种特性称为动特性。

交流电弧在交流电流自然过零时将自动熄灭（暂时），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，电弧就此熄灭。

由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟不上快速变化的电流，所以电弧温度的变化（即热游离程度变化）总滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。热惯性的存在使得电弧温度的变化及热游离程度变化滞后于电流变化，因而电弧电压呈现如图2.10所示的马鞍形。对应于正弦波电流，半个波内，电弧电压中间大部分平坦，只有在电流靠近零点，瞬时值很小时，电弧电压升高，呈现电弧电压尖峰。图中A点是电弧产生时的电压，而B点是电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压。显然，由于介质的热惯性，燃弧电压必然大于熄弧电压。

交流电的上述特性，特别是过零值的自然暂时熄灭，对采取措施加强去游离，以使在下半周期电弧不会重燃而最终熄灭尤为重要。

（1）交流电弧的熄灭条件。决定熄弧的基本因素是弧隙的介质强度恢复过程和加在弧隙上的弧隙电压恢复过程。

1）弧隙介质强度恢复过程是指在电弧过零后，弧隙的绝缘能力在经过一定时间恢复到绝缘的正常状态的过程，以耐受电压Ud（t）表示。

弧隙介质强度Ud（t）主要由断路器灭弧装置的结构和灭弧介质的性质所决定，随断路器型式而异。目前，电力系统中常用的灭弧介质有油（变压器油或断路器油）、空气、真空、SF6等。图2.11示出其介质强度恢复过程的典型曲线。从图中可以看出，在t=0电流过零瞬间，介质强度突然出现0a（0a′、0a″）升高的现象，称为近阴极效应。这是因为在电弧过零之前，弧隙充满着电子和正离子，当电流过零后，弧隙的电极极性发生改变，弧隙中的电子立即向新阳极运动，而比电子质量大1000多倍的正离子则基本未动，从而在新阴极附近呈现正电荷离子层，如图2.12所示。其电导很低，显示出一定的介质强度，在0.1～1s的短暂时间内有150～250V起始介质强度。这种近阴极效应特性，交流电弧远大于直流电弧，特别对交流低压电气设备的熄弧有利。继后的介质强度的增长速度和恢复过程，将与电弧电流的大小、介质特性、触头分离速度和冷却条件等因素有关。

2）弧隙电压恢复过程是指电弧电流自然过零后，电源施加于弧隙的电压将从不大的熄弧电压逐渐恢复到电源电压的过程，以恢复电压Ur（t）表示。该电压恢复过程可能是周期性或非周期性的变化过程，这主要取决于系统电路的参数。

综上可知，在电弧电流过零时，弧隙之间同时存在着介质强度恢复过程和弧隙电压恢复过程。电弧熄灭的条件应为Ud（t）＞Ur（t），反之，弧隙被电击穿，电弧重燃。

（2）高压断路器熄灭交流电弧的基本方法。电弧能否熄灭，决定于电弧电流过零时，弧隙的介质强度恢复速度和弧隙电压上升速度的竞争。加强弧隙的去游离或减小弧隙电压的恢复速度，都可以促使电弧熄灭。现代高压开关电气设备中通常采用以下几种方法灭弧。

1）利用灭弧介质。电弧中的去游离程度在往往取决于电弧周围介质的特性，如介质的传热能力，介电强度、热游温度和热容量。这些参数的数值越大，则去游离作用越强，电弧就越容易熄灭。氢的灭弧能力是空气的7.5倍，用变压器油或断路器油作灭弧介质，使绝缘油在电弧的高温作用下分解出氢气（H2占70%～80%）和其他气体来灭弧；六氟化硫（SF6）是良好的负电性气体，氟原子具有很强的吸附电子的能力，能迅速捕捉自由电子而成为稳定的负离子，为复合创造了有利条件，因而具有很好的灭弧性能，SF6气体的灭弧能力比空气约强100倍；用真空（气体压力低于133.3×10-4Pa）作为灭弧介质时，在弧隙间自由电子很少，碰撞游离可能性大大减少，况且弧柱对真空的带电质点的浓度差和温度差很大，有利于扩散，真空的介质强度比空气约大15倍。采用不同介质可以制成不同类型的断路器，如空气断路器、油断路器、SF6断路器、真空断路器等。

2）采用特殊金属材料作灭弧触头。熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属作触头材料，可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸汽，抑制游离作用。同时，触头材料还要求有较高的抗电弧、抗熔焊能力。常用的触头材料有铜、钨合金和银、钨合金等。

3）利用气体或油吹动电弧。在高压断路器中利用各种结构形式的灭弧室，使气体或油产生巨大的压力并有力地吹向弧隙，将使带电离子扩散和强烈地冷却而复合。空气断路器利用充入压力约2.3MPa（即20atm）干燥压缩空气作为吹动电弧的灭弧介质；SF6断路器利用0.304～0.608MPa（即3～6atm）纯净SF6气体作为灭弧介质；油断路器利用油和油在电弧作用下分解出的气体吹动电弧。吹动方向与弧柱轴线平行的叫纵吹，它使电弧冷却变细；吹动方向与弧柱轴线垂直的叫横吹，它使电弧拉长，表面积增大并加强冷却。在断路器更多地采用纵、横混合吹弧或环吹方式，其灭弧效果更好。

4）采用多断口熄弧。每相采用两个或更多的断口串联，把长弧变成短弧，在熄弧时，断口把电弧分割成多个小电弧段，在相等的触头行程下，多断口比单断口的电弧拉长，而且电弧被拉长的速度也增加，加速了弧隙电阻的增大。同时，由于加在每个断口的电压降低，使弧隙恢复电压降低，亦有利于熄灭电弧。

5）提高断路器触头的分离速度，迅速拉长电弧，可使弧隙的电场强度骤降；同时，使电弧的表面突然增大，有利于电弧的冷却和带电质点向周围介质中扩散和离子复合。为此，在高压断路器中都装有强有力的分闸机构，以加快触头的分断速度。