第四章 开关电器运行与检修

第一节 电弧的基本概念

一、电弧的产生

开关电器在切断负荷电流或短路电流时，开关触头间隙中（以下简称弧隙）由于强电场或热游离的作用，将出现电弧电流。电弧电流的主要特征是能量集中，温度高（弧柱温度高达上万度）。如果电弧不能及时熄灭，会烧坏触头，危及电器的绝缘部分，影响电力系统的安全运行。开关电器的开断性能，即指开关电器的灭弧能力。

1.弧隙中带电质点的产生

研究表明，弧隙中的大量带电质点是由气体分子或原子分裂，或由电极表面发射电子产生的。在正常情况下，原子是中性的，故正常情况下，气体分子或原子是不导电的。当气体分子或原子从外界获得的能量超过某一数值时，原子的外层电子有一个或几个完全脱离原子核的束缚而形成互相独立的能导电的带电质点，即自由电子和正离子，这个过程称为原子游离。游离过程所需要的能量称为游离能。原子的游离可以一次完成，也可以分级完成——分级游离。前者需要较大的能量，后者需要能量较小，但几次获得的总能量应大于其游离能。

（1）气体中带电质点的产生。根据引起气体分子或原子游离的因素不同，可把气体分子或原子的游离分为三类，即碰撞游离、光游离和热游离。

1）碰撞游离。在电场作用下，电子及离子因被加速而获得动能，当具有足够动能的电子或离子与中性原子（或分子）相碰撞所形成的游离称为碰撞游离。碰撞游离的条件是电子的动能大于气体分子的游离能。

在气体放电过程中，碰撞游离起着极其重要的作用。电子或离子对气体分子（原子）的碰撞，以及激发原子对激发原子的碰撞都能产生游离。其中电子的质量小，在电场的作用下，容易获得较大的速度，积累起足够的动能，所以电子在碰撞游离中起着主要的作用，其他的质点因为本身的体积和质量较大，难以在碰撞前积累起足够的能量，因而游离的作用小。

2）光游离。光辐射引起的气体分子的游离过程称为光游离。

光是频率不同的电磁辐射。光具有粒子性，同时又像质点，所以也称为光子。光子具有很大的能量，它以光速运动。当气体分子受到光辐射作用时，如果光子能量大于分子游离能，就有可能引起光游离。光子能量小于气体分子的游离能时，有时仍会由于分级游离而造成游离现象。

导致气体光游离的光子可以由自然界（如空气中的紫外线、宇宙射线等）或人为照射（如紫外线、X射线等）提供，也可以由气体放电过程本身产生。气体放电过程中，异号带电质点会不断复合为中性质点，这时游离能将以光子形式释放出来。激发状态的分子回复到正常状态时，也将以光子形式释放出激发能。此外气体中还可能存在多重游离的分子，或者激发状态的离子，它们具有很大的位能，可释放出能量很大的光子。

由此可见，频率很高的光辐射可来自气体放电本身，气体放电引起光游离后又可促进放电进一步发展，所以气体放电中光游离是很重要的游离方式。

3）热游离。当弧隙温度增加时，气体质点的动能也增加。在高温下，质点热运动时相互碰撞而产生的游离称为热游离。在一般室温下，热游离的可能性极小，只有在5000～10000K的高温下才能产生热游离。

热游离包括三种形式：①高温时高速运动的气体分子互相碰撞时产生的游离；②气体分子与容器壁碰撞失去功能而放出光子，温度升高，光子的频率及强度增加，因而，在高温时，光子的频率可以增加到发生光游离的程度；③上述两种游离产生的电子与中性质点碰撞而产生的游离。

由此可见，热游离、碰撞游离及光游离是一致的，都是能量超过临界数值的质点或光子碰撞分子，使之发生游离，只是直接的能量来源不同罢了。热游离由热能决定，这时质点作着无规则热运动；而电场中造成碰撞游离的电子由电场获得能量，以电场方向作定向运动，这时就和无规则的热运动完全不同了。

4）负离子的形成。在气体游离过程中，除产生电子和正离子外，还会形成带负电荷的负离子，这是因为有的电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反而使碰撞电子附着于分子，形成了负离子。

有些气体形成负离子时可释放出能量，这类气体称为电负性气体（如氧、氟、氯等）。已发现的负离子有、、、、、、、等。

离子的游离能力不如电子，电子被分子俘获而形成负离子后，游离能力大减。因此在气体放电中，负离子的形成起着阻碍放电的作用，这和前述气体分子的游离作用相反，是应该注意的地方。

（2）金属（阴极）的表面游离。前面讲述的三种游离都是发生于气体空间，金属游离是另外一种游离方式。表面游离是金属表面电子接受外界的能量后，飞出表面成为自由电子的现象。

使金属表面释放出电子所需的能量称为逸出功。逸出功和金属的微观结构有关，不同的金属，逸出功也不同。逸出功和金属表面状态（氧化层、吸附层等）也有很大关系。它们在1～5eV之间，比一般气体的游离能要小，约为其1/2。

使电子逸出金属表面的方式有以下几种：①将金属加热，电子热运动的速度增加，能量超过逸出功，则电子逸出，通常称此为热电子发射；②具有足够能量的质点（主要是正离子）撞击金属表面，交出能量使电子逸出，通常称此为二次发射；③用短波照射金属表面，光子打上去并交出能量使电子逸出，通常称此为光电发射；④加强电场，靠电场的位能将电子由金属表面拉出。通常称此为强电场发射。

2.电弧的产生过程

电弧是有触点开关电器在切断有载电路过程中必然产生的物理现象，现以断路器为例说明电弧产生和维持燃烧的物理过程。

断路器的触头刚分开的瞬间，距离很小，触头间的电场强度很高，阴极表面上的电子被强电场拉出来，在触头间隙中形成自由电子。同时，随着接触压力和接触面积减小，接触电阻迅速增加，使即将分离的动静触头接触处剧烈发热，因而产生热电子发射。这两种电子在电场力的作用下，向阳极作加速运动，并碰撞弧隙中的中性质点。由于电子的运动速度很高，其功能大于中性质点的游离能，故使中性质点游离为正离子和自由电子，这种碰撞游离的规模由于连锁反应而不断扩大，乃至弧隙中充满了定向流动的自由电子和正离子，这就是介质由绝缘状态变为导电状态的物理过程。

实验证明，强电场发射电子是产生电弧的主要条件，而碰撞游离是产生电弧的主要原因。处在高温下的介质分子和原子产生强烈的热运动，它们相互不断发生碰撞，游离出正离子和自由电子。因此，电弧产生以后主要由热游离来维持电弧燃烧。同时，在弧隙高温下，阴极表面继续发射热电子。在热游离和热电子发射共同作用下，电弧继续炽热燃烧。

二、电弧中的去游离

在电弧燃烧过程中，中性介质发生游离的同时，还存在着去游离。弧隙中带电质点自身消失或者失去电荷变为中性质点的现象称为去游离。去游离有两种方式，即复合与扩散。

1.复合

带有异性电荷的质点相遇而结合成中性质点的现象，称为复合。

（1）空间复合。在弧隙空间内，自由电子和正离子相遇，可以直接复合成一中性质点。但由于自由电子运动速度比离子运动速度高很多（约高1000倍），所以电子与正离子直接复合的机会很少。复合的主要形式是间接复合，即电子碰撞中性质点时，一个电子可能先附着在中性质点上形成负离子，其速度大大减慢，然后与正离子复合，形成两个中性质点。

（2）表面复合。在金属表面进行的复合，称为表面复合。

主要有以下几种形式：电子进入阳极；正离子接近阴极表面，与从阴极刚发射出的电子复合，变为中性质点；负离子接近阳极后将电子移给阳极，自身变为中性质点。

2.扩散

弧隙中的电子和正离子，从浓度高的空间向浓度低的介质周围移动的现象，称为扩散。扩散的结果使电弧中带电质点减少，有利于灭弧。电弧和周围介质的温度差及带电质点的浓度差越大，扩散的速度就越快。若把电弧拉长或用气体、液体吹弧，带走弧柱中的大量带电质点，就能加强扩散的作用。弧柱中的带电质点逸出到冷却介质中受到冷却而互相结合，成为中性质点。开关电器的主要灭弧措施就是加强去游离作用。在开断过程中使去游离作用大于游离作用，以达到灭弧的目的。

三、电弧的熄灭

交流电弧每半周期要过零一次，而电流过零时电弧将暂时熄灭，此时弧隙的输入能量为零或趋近于零，电弧的温度下降，弧隙将从导体变成介质，这给熄灭交流电弧创造了有利条件。开关电器的灭弧装置就是利用这个有利条件在电流过零时强迫冷却或拉长电弧，使去游离大于游离作用，将电弧迅速熄灭，切断电路。

从每次电弧电流过零时刻开始，弧隙中都发生两个作用相反而又相互联系的过程，一个是弧隙中的介质强度恢复过程，另一个是弧隙上电压恢复过程。电弧熄灭与否取决于这两种恢复过程的速度。

1.弧隙介质强度恢复过程

电弧电流过零时，弧隙有一定的介质强度，并随着弧隙温度的不断降低而继续上升，逐渐恢复到正常的绝缘状态。使弧隙能承受电压作用而不发生重燃的过程称为介质强度恢复过程。

（1）弧柱区介质强度恢复过程。电弧电流过零前，电弧处在炽热燃烧阶段，热游离很强，电弧电阻很小。当电流接近自然过零时，电流很小，弧隙输入能量减小，散失能量增加，弧隙温度逐渐降低，游离减弱，去游离增强，弧隙电阻增大，并达到很高的数值。当电流自然过零时，弧隙输入的能量为零，弧隙散失的能量进一步增加，使其温度继续下降，去游离继续加强，弧隙电阻继续上升并达到相当高的数值，为弧隙从导体状态转变为介质状态创造条件。实践证明，虽然电流过零时弧隙温度有很大程度的下降，但由于电流过零的速度很快，电弧热惯性的作用使热游离仍然存在，因此弧隙具有一定的电导性，被称为剩余电导。在弧隙两端电压作用下，弧隙中仍有能量输入。如果此时加在弧隙上的电压足够高，使弧隙输入能量大于散失能量，则弧隙温度升高，热游离又得到加强，弧隙电阻迅速减小，电弧重新剧烈燃烧，这就是电弧的重燃。这种重燃是由于输入弧隙的能量大于其散失能量而引起的，称为热击穿，此阶段称热击穿阶段。热击穿阶段的弧隙介质强度为弧隙在该阶段每一时刻所能承受的外加电压，在该电压作用下，弧隙输入能量等于散失能量。如果此时加在弧隙上的电压相当小甚至为零，则弧隙温度继续下降，弧隙电阻继续增大至无穷，此时热游离已基本停止，电弧熄灭，弧隙中的带电质点转变为中性介质。当加在弧隙上的电压超过此时弧隙所能承受的电压时，则会引起弧隙重新击穿，从而使电弧重燃。由此而引起的重燃称为电击穿，电流过零后的这一阶段称为电击穿阶段。

（2）近阴极区介质强度恢复过程。实验证明，在电弧电流过零后0.1～1μs时间内，阴极附近的介质强度突然升高，这种现象称为近阴极效应。其原因是在电弧电流过零后，弧隙电极的极性发生了变化，弧隙中电子运动方向随之改变。电子向正电极方向运动，而质量比电子大得多的正离子几乎未动。因此，在阴极附近形成了不导电的正电荷空间，阻碍阴极发射电子，出现了一定的介质强度。如果此时加在弧隙上的电压低于此时的介质强度，则弧隙中不再有电流流过，因而电弧不再产生。这个介质强度值为150～250V，称为起始介质强度。

近阴极效应在熄灭低压短弧中得到了广泛应用。如低压开关在开断过程中，把电弧引入到用钢片制成的灭弧栅中，将其分割成一串短弧，这样就出现了对应数目的阴极。当电流过零后，每个短弧阴极附近都立刻形成150～250V的介质强度，如其总和大于加在触头间的电压，即可将电弧熄灭。

2.弧隙电压恢复过程

交流电弧熄灭时，加在弧隙上的电压是从熄弧电压开始逐渐变化到电源电压，这个过程称为电压恢复过程。在电压恢复过程中，加在弧隙上的电压称为恢复电压。

恢复电压由暂态恢复电压和工频恢复电压两部分组成。暂态恢复电压是电弧熄灭后出现在弧隙上的暂态电压，它可能是周期性的，也可能是非周期性的，主要是由电路参数（集中的或分布的电感、电容和电阻等）、电弧参数（电弧电压、剩余电导等）和工频恢复电压的大小所决定。工频恢复电压是暂态恢复电压消失后弧隙上出现的电压，即恢复电压的稳态值。

电压恢复过程仅在几十或几百微秒内完成，此期间正是决定电弧能否熄灭的关键时刻，因此加在弧隙上恢复电压的幅值和波形，对弧隙能否重燃具有很大的影响。如果恢复电压的幅值和上升速度大于介质强度的幅值和上升速度，则电弧重燃；反之，不再重燃。因此，能否熄灭交流电弧，不但与介质强度恢复过程有关，而且还和电压恢复过程有关。

3.交流电弧的熄灭条件

在交流电弧熄灭过程中，介质强度恢复过程和电压恢复过程是同时进行的，电弧能否熄灭取决于这两个过程的发展速度。通过对弧隙介质强度恢复过程和弧隙电压恢复过程的分析，得出交流电弧的熄灭条件，即交流电弧电流过零后，弧隙中的介质强度总是高于弧隙恢复电压。

现代开关电器中主要采用的灭弧方式有：金属灭弧栅灭弧、绝缘灭弧栅灭弧、固体石英砂灭弧、固体产气灭弧、多断口灭弧、气体或油吹弧灭弧、真空灭弧等。