3.1 开关电器的电弧及灭弧原理

3.1.1 电弧产生的过程与灭弧的基本方法

电弧是气体导电现象。直流电弧的组成如图3.1所示。在电网电压较高、开断电流较大的情况下，均可能在触头间形成电弧（由绝缘气体或绝缘油受热分解出的气体游离产生的自由电子导电）。这时伴随有强光和高温（可达数千摄氏度甚至上万摄氏度），切断电路就是要熄灭电弧，如果不能迅速熄灭电弧，将造成开关电器的损坏并将事故扩大。

（1）电弧的形成与稳定燃烧过程

气体导电的条件是气体中出现大量的自由电子，因此开关电器切断电路时在开断的触头之间产生电弧的过程就是自由电子产生的过程：自由电子如何从触头金属表面逸出，触头中间的气体如何分离出自由电子。

1）强电场发射

当开关动、静触头分离的初瞬，触头间距离很小，在外施电压作用下，触头间出现很高的电场强度，当电场强度超过3×10 ⁶ V/m时，阴极表面的自由电子在电场力的作用下被强行从金属表面拉出，称为强电场发射。

2）碰撞游离

从触头表面拉出的自由电子在强电场作用下加速，以极高的速度向阳极运动，沿途撞击介质中的中性分子或原子，使之游离出自由电子，进而产生连锁反应式的碰撞，使间隙中的自由电子迅速增加，这一过程称为碰撞游离，由此而形成电弧。

3）热发射与热游离

电弧形成之后，断口由开断初瞬的不导电状态变为导电状态。因此加于断口的电压将迅速下降，不能依靠高电场强度，即不能依靠强电场发射和碰撞游离来维持电弧的稳定燃烧。当电源容量很大，即被切断电路的电流很大时，电源在极短的时间内即可向断口注入大量的能量。导致金属触头和间隙内温度迅速升高，此时金属触头依靠高温而发射电子，称之为热发射。高温下的中性分子具有很高的运动速度，足以在其彼此碰撞时游离出大量的自由电子，称为热游离。因此，大电流形成的高温是维持电弧燃烧的主要因素。

4）电弧的稳定燃烧

在游离的同时，间隙中存在着自由电子与正离子相结合还原为中性分子或原子的过程，这一现象称为复合。由于弧道温度很高，因此弧道中的热量向周围介质传递，并有弧道中的部分介质向周围运动而降低弧道中自由电子的密度，这一现象称为扩散。复合与扩散是去游离过程。

当游离与去游离相平衡时，电弧进入稳定燃烧状态。

（2）熄灭电弧的基本方法与措施

由电弧的形成过程提出熄灭电弧的基本方法：削弱游离作用，加强去游离作用。其主要措施为：

1）提高触头的开断速度

第一批自由电子是依靠断口间的高电场强度产生的，提高触头的运动速度或增加断口的数目，可以缩短触头达到绝缘要求开断距离所需要的时间，即减少间隙处于高电场强度下的时间，使自由电子不足而迫使电流减小，过程中注入间隙中的能量也小，间隙温度较低，使电弧不易形成。

2）冷却电弧

用冷却绝缘介质降低电弧的温度，削弱热发射和热游离作用以熄灭电弧。在高压开关中常用的绝缘介质有3种：油、六氟化硫（SF ₆ ）和压缩空气（高密度空气），并分别称为油开关、六氟化硫开关和压缩空气开关。

3）增大绝缘介质气体压力

它可使气体密度增加，缩短分子运动的自由程，降低热游离的概率，增大复合的概率，促使电弧熄灭。在高压断路器中，有高强度绝缘材料做成的半封闭的特制空腔，称为灭弧室，触头套入其中（图3.2），使绝缘气体或绝缘油分解后产生的气体保持很高的压力。

4）吹弧

采用绝缘介质吹弧，使电弧拉长、增大冷却面、提高传热率，并强行迫使弧道中游离介质扩散，流入新鲜介质以促使电弧熄灭。采用合理的灭弧室结构（合理开口）以引导介质的流动，可以实现吹弧。按气体流动方向与电弧方向的相对关系划分吹弧方式，图3.2（ a）、（ c）为纵吹，图3.2（b）、（d）为横吹。

5）将触头置于真空密室中

由于缺乏导电介质而使断路器分断时不能维持电弧。因此称这种开关为真空开关，它是一种可以频繁操作的高压断路器，但价格昂贵，常用于变电站无功补偿电容器的投切和钢铁厂轧钢电路的控制。

3.1.2 直流电弧的伏安特性及低压开关的灭弧方法

（1）直流电弧的特性

直流电弧的特性可从两个方面来讨论：

①电弧电压的组成。电弧电压沿弧长的分布状况，如图3.3所示。

式中 U _h ——电弧在全长上的压降，V;

U ₁ ——阴极区压降，V;

U ₂ ——弧柱压降，V;

U ₃ ——阳极区压降，V。

由于电弧的端部靠近触头的区段（阴极区和阳极区）较之于中心区段（弧柱）温度较低，自由电子的密度小，因此导电率低，电位梯度大。特别是阴极区，由于堆积了许多正离子，大量吸收自由电子而使该区域自由电子浓度最低，电位梯度最高。一般在靠近阴极10 ^-4 cm的区间内可形成一个近似为常数的压降。例如，触头为铜材，导电介质为空气时，在电弧电流为1~20A，阴极压降为8~9V，称为阴极效应。

②在弧隙距离（即电弧长 l ）确定的条件下，电弧的电压与电弧电流的关系，称为电弧的伏安特性 u _h = f （ i _h ），如图3.4所示。

如果用图3.4（a）的实验电路，在弧长 l 不变的条件下，改变电源电压以改变电弧电流，这时可以得出如图3.4（b）所示的电弧的伏安特性。曲线1表示电源电压缓慢变化时，电弧的端电压与电弧电流的关系，曲线中的每一个点代表弧道中的复合与游离处于动态平衡状态的情况，称曲线1为静态特性。其特征是间隙的导电能力随热游离的增强而上升，其电弧的电阻将随电流的上升而下降。由于注入间隙中的热功率正比于电流的平方，因此，当电源电压上升使整个电路的电流上升时，电弧的电压反而下降，电弧的动态电阻为负值，即 ，此时电源电压主要降落在外电路的电阻上。曲线2表示迅速升高电源电压的情况：由于在每一个电流值下停留的时间不足，热游离处于上升阶段而尚未进入该电流下的稳定状态，因此与曲线1相比较，各点出现因温度较低，弧道电阻较高，压降较大的情况。曲线3为电源电压迅速下降的情况：由于在每一个电流值下停留时间不足，热游离处于下降阶段而尚未进入稳定状态，从而出现因温度较高，弧道电阻较低，电弧压降较小的情况。曲线2、3为电弧的动态特性，由于热惯性的存在，即温度的变化滞后于电流的变化，使电弧的伏安特性与电源电压的变化方向和变化速度有关，不是一条固定的曲线，图3.4（b）中仅表示出动态特性与静态特性的相对关系。

（2）电弧稳定燃烧的条件

电路的电压平衡方程式为：

由于电弧压降 u _h 的非线性而采用图解的方法确定电路的工作状态，如图3.5所示。其中曲线 AEB 为电弧的静态伏安特性，直线 AB 为电阻 R 的伏安特性， AB 线上的点与水平线 EC 的距离为电阻 R 上的压降。电感 L 的压降 L ，称为剩余电压，由其确定电流的变化，有：

并有：

=0是电弧稳定燃烧的必要条件，图3.5中之 A 、 B 两点具有此条件。电弧能承受干扰保持稳定燃烧的另一必要条件为 ，当出现扰动 上升时，有Δ u <0迫使 下降回复到原有的工作状态；反之，当出现扰动使 下降时，有Δ u >0迫使 上升回复至原工作点。图3.5中仅 B 点满足此条件，即 B 点是电弧的稳定燃烧点。电弧稳定燃烧的充分条件为：

按Δ u = E -（ i _h R + u _h ），对应于一定的电源电压 E ，式（3.5）的条件可改写为：

由此而确定电弧稳定燃烧的充分条件为：①电源电压等于电阻压降与电弧压降之和；②全电路的动态电阻为正。当电弧动态电阻处于负值区时，外电路电阻的存在是保证电弧稳定燃烧的必要条件。

（3）低压开关的灭弧方法与措施

如能保持Δ u <0，则能保持 从而使电弧熄灭，因此消耗电压，即增加电阻压降和电弧压降是低压开关熄灭电弧的有效方法，具体措施为：

①拉长电弧。如图3.6（a），当电弧长度为 l ₀ 时在 B 点稳定燃烧，如将其拉长经 l ₁ （临界状态）至 l ₂ ，由于 u _h 的增加而总有Δ u <0，电弧熄灭。

②开断电路时在电路中串入电阻，如图3.6（b）所示。当外电路电阻为 R ₀ 时，电弧在 B 点稳定燃烧，如在外电路中串入电阻使外电路电阻变为 R ₁ ，电弧因Δ u <0而熄灭。采用此种措施时应注意限制电流的变化速度以防止过电压，否则不能达到熄弧目的，因此由 R ₀ 变至 R ₁ 是逐级串入电阻进行的。

③在断口上装灭弧栅。如图3.7，由钢片组成的灭弧栅罩在低压开关触头上，开关断开时，弧电流产生的磁场与钢片产生作用力使电弧拉入灭弧栅内被钢片分割成多段短弧形成许多对电极，由于电弧的近极压降而使电弧所需电压增加，造成Δ u <0，使电弧熄灭。灭弧栅在低压开关中使用十分广泛。有灭弧栅的刀开关可以切断其铭牌标注的额定电流；无灭弧栅的刀开关的额定电流仅表示其闭合状态下长期通过该电流时发热温度在允许范围之内，由于没有灭弧栅而不能切断该电流，因此仅在无电流下操作承担检修隔离任务。

3.1.3 交流电弧的波形与防止恢复电压振荡的方法

（1）交流电弧的波形

交流电弧的电压与电流的波形如图3.8所示。

获得此波形的等效电路如图3.9（a）所示。由于外电路的阻抗远大于电弧电阻，因此稳定燃烧的弧电流波形近似为正弦波形。由于电弧电阻的非线性而使电弧压降为非正弦波形。由于热惯性使交流电弧温度的变化滞后于电流的变化，使最高温度点滞后于电流峰值点。同时对应于相同电流瞬时值处于电流下降段的温度高于处于上升段的温度，因此有电流降段电阻低于上升段电阻。从而使在每一半周期内有电压波形呈前高后低、极小值点较电流峰值点后移的不对称马鞍形状态，在一个周期内的伏安特性如图3.9（b）所示。

由于电源电压的交变使每一交变周期内交流电弧两次过零，即电弧两次自然熄灭，而并非如直流电弧那样需要强行熄灭，因此熄灭交流电弧的主要问题仅为防止电弧重燃。由于自燃熄弧产生的过电压低于强行熄弧的过电压，从而使交流电路较直流电路易于切断。

（2）电弧不重燃的条件

电弧熄灭后开关断口间出现两个过程：一方面开关断口间介质的绝缘强度（以击穿电压 u _jf 表示）迅速提高；另一方面施加于断口的电压（称为恢复电压，记为 u _hf ）由燃弧时极小的数值向该时刻电源电压 e ₀ 过渡。电弧是否重燃，取决于两方“竞赛”的结果：图3.10（a）中， u _jf 上升速度低于 u _hf 上升速度，电弧在交点处重燃。在图3.10（b）中， u _jf 上升速度高于 u _hf 上升速度，电弧不重燃。

电弧重燃的可能性与电路的性质有关。图3.11示出纯电阻电路与纯电感电路电弧自然过零后断口恢复电压的上升过程。 A 点为电弧的自然熄灭点，此时 i _f =0。图3.11（ a）对应于纯电阻电路， i _h =0时有电源电压 e ₀ =0, u _hf 平稳（不振荡）地向电源电压过渡，上升缓慢。图3.11（b）纯电感电路， i _f =0时有电源电压 e ₀ = E _max （峰值），且由于无电阻的阻尼作用而由零电压向 e ₀ 振荡过渡， u _hf 上升极为迅速，因此电弧易于重燃。恢复电压的目标值 e ₀ 较大和恢复电压易于产生高频振荡使感性电路较阻性电路难于切断。表3.1列出CJ10接触器辅助触头的技术参数，可见断开交流的能力大于断开直流的能力，断开电阻负荷的能力大于断开电感负荷的能力。

e—电源电压；i _h —电弧电流；u _h —电弧电压；u _hf —恢复电压

（3）恢复电压不振荡的条件及防止振荡的方法

限制恢复电压上升速度最重要的措施是防止恢复电压产生振荡，特别要防止高频振荡。如图3.12（a）所示，在开关的主断口DL ₁ 上经辅助断口DL ₂ 并联适当的小电阻 r 可以防止主断口断开时恢复电压的振荡。开关跳闸时主断口DL ₁ 首先跳开，然后再跳开DL ₂ 。

主断口DL ₁ 跳开后（DL ₂ 跳开之前）的等效电路如图3.12（b）所示，图中示出主断口电弧熄灭点的情况，令其为时间的起点 t =0, e ₀ 为该瞬时的电源电压。断口DL ₁ 的恢复电压即为电容 C 的端电压，即 u _hf = u _c ，由此列出以 u _c 为求解对象的微分方程组为：

整理后，可得微分方程，即

如为交流电路， t =0为自然熄灭点，则式（3.7）的初始条件为： 由此而解出方程。图3.13、图3.14示出不振荡和无阻尼不衰减振荡的两种情况。

分析式（3.7），恢复电压不振荡的条件为：

整理为：

令 r =∞，即断口无并联电阻 r 时的不振荡条件为：

u _f —电弧电压；u _hf —恢复电压

式（3.11）表明阻性电路恢复电压不易振荡而感性电路易于振荡，因此后者难于切断。

由式（3.9）可以分析主断口并联电阻 r 的作用。将平方项展开写为便于与式（3.10）相比较的形式，有电阻 r 时的不振荡条件为：

式（3.12）的第二部分表征并联电阻的作用，并联电阻起有利作用的必要条件为：

式（3.13）表明断口并联电阻 r 越小对主断口 的灭弧越有利。但由式（3.11）可知， r 越大对辅助断口 的灭弧越有利。同时该并联电阻的作用还与外电路的参数有关，当 r > （例如阻性电路），将对 的灭弧产生不利影响，因此这种开关应用于电阻电路和电容电路时应将并联电阻 r 撤除。 zwsbTRQYLQCSEZPykKDny3OmkvLZ34tQ55sT9ThskloUoUuat7C3xTgoDCrZZ1vw