在有觸點(diǎn)電器中，觸頭接通和分?jǐn)嚯娏鞯倪^(guò)程中往往伴隨著氣體放電現(xiàn)象---電弧的產(chǎn)生及熄滅，電弧對(duì)電器具有一定的危害。

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(yàn)證明，當(dāng)在大氣中開(kāi)斷或閉合電壓超過(guò)10V、電流超過(guò)100MA的電路時(shí)，在觸頭間隙（或稱弧隙）中會(huì)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(duì)于有觸點(diǎn)電器而言，由于電弧主要產(chǎn)生于觸頭斷開(kāi)電路時(shí)，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(lái)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(gè)極（觸頭）外，明顯的分為3個(gè)區(qū)域，即近陰極區(qū)、近陽(yáng)極區(qū)及弧柱區(qū)。

近陰極區(qū)的長(zhǎng)度約等于電子的平均自由行程。在電場(chǎng)力的作用下正離子向陰極運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)強(qiáng)度。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(yáng)極區(qū)的長(zhǎng)度約等于近陰極區(qū)的幾倍。在電場(chǎng)力的作用下自由電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，它們聚集在陽(yáng)極附近而且不斷被陽(yáng)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(yáng)極壓降，其值也隨陽(yáng)極材料而異、但變化不大，稍小于陰極壓降。由于近陽(yáng)極區(qū)的長(zhǎng)度比近陰極區(qū)的長(zhǎng)，故其電場(chǎng)強(qiáng)度較小。

陰極壓降與陽(yáng)極壓降的數(shù)值幾乎與電流大小無(wú)關(guān)，在材料及介質(zhì)確定后可以認(rèn)為是常數(shù)。

弧柱區(qū)的長(zhǎng)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(gè)弧區(qū)的特性類似于一金屬導(dǎo)體。每單位弧柱長(zhǎng)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(zhǎng)弧與短弧。長(zhǎng)短之別一般取決于弧長(zhǎng)與弧徑之比。把弧長(zhǎng)大大超過(guò)弧徑的稱為長(zhǎng)弧。長(zhǎng)弧的電壓是近極壓降（陰極壓降與陽(yáng)極壓降）與弧柱壓降之和。若弧長(zhǎng)小于弧徑，兩極距離極短（如幾毫米）的電弧稱為短弧。此時(shí)兩極的熱作用強(qiáng)烈，近極區(qū)的過(guò)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。

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電弧的形成原因

變壓器及各種用電設(shè)備投入或者退出電網(wǎng)時(shí)，都有開(kāi)關(guān)電器來(lái)完成。當(dāng)其在大氣中開(kāi)斷時(shí)，只要電源電壓超過(guò)12～20V，被關(guān)斷的電流超過(guò)0.25～1A，在觸頭間（簡(jiǎn)稱弧隙）就會(huì)產(chǎn)生一團(tuán)溫度極高、發(fā)出強(qiáng)光、能導(dǎo)電的近似圓柱形的氣體，此即為電弧。比如銅觸頭間的最小生弧電壓為13V，最小生弧電流為0.43A，開(kāi)斷220V交流電路時(shí)產(chǎn)生電弧的最小電流為0.5A。

實(shí)際上開(kāi)關(guān)電器在工作時(shí)，電路的電壓和電流大都大于生弧電壓和生弧電流。即開(kāi)斷電路時(shí)觸頭間隙中必然產(chǎn)生電弧這一現(xiàn)象。電弧的產(chǎn)生，一方面使電路仍舊保持導(dǎo)通狀態(tài)，而延遲了電路的開(kāi)斷；另一方面電弧長(zhǎng)久不熄還會(huì)燒損觸頭及附近的絕緣，嚴(yán)重時(shí)甚至引起開(kāi)關(guān)電器的爆炸和火災(zāi)。建立于電弧理論基礎(chǔ)上的各種開(kāi)關(guān)電器的構(gòu)造和工作原理，都和電弧有關(guān)，電弧在眾多電氣設(shè)備火災(zāi)事故中，作為一個(gè)很重要的點(diǎn)火源，已引起消防界的重視。因此，我們必須掌握電弧的產(chǎn)生和熄滅的原理，以便采取正確的措施，防范爆炸和火災(zāi)事故的發(fā)生。

電弧能夠形成導(dǎo)電通道，是因?yàn)橛|頭開(kāi)始分離時(shí)，接觸處的接觸面積很小，電流密度很大，這就使觸頭金屬材料強(qiáng)烈發(fā)熱。它首先被融化形成液態(tài)金屬橋，然后有一部分被汽化，變成金屬蒸汽進(jìn)去弧隙。陰極表面在高溫作用下，也產(chǎn)生熱電發(fā)射，向弧隙發(fā)射電子。同時(shí)，觸頭間隙開(kāi)始很小，電場(chǎng)強(qiáng)度極大，陰極表面內(nèi)部的電子會(huì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下被拉出來(lái)，送向弧隙，這叫場(chǎng)強(qiáng)發(fā)射。由于場(chǎng)強(qiáng)發(fā)射和熱電發(fā)射在弧隙中形成的自由電子，又被強(qiáng)電場(chǎng)加速，向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，具有足夠動(dòng)能的電子與弧隙介質(zhì)中性點(diǎn)產(chǎn)生碰撞游離。這種現(xiàn)象不斷發(fā)生的結(jié)果，是觸頭間隙中的介質(zhì)點(diǎn)大量游離，變成大量正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)，從而使弧隙擊穿發(fā)弧。

電子動(dòng)能大于介質(zhì)的游離能（即游離電位）時(shí)，碰撞游離才能發(fā)生，但當(dāng)電子動(dòng)能小于介質(zhì)游離能時(shí)．中性質(zhì)點(diǎn)只能激勵(lì)。電子在弧隙電場(chǎng)中動(dòng)能的大小，有電子速度決定，而電子平均速度與介質(zhì)密度和電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。在開(kāi)關(guān)電器觸頭間往往充以游離電位高的氫、六氟化硫等物質(zhì)，來(lái)達(dá)到使電弧易于熄滅并難于重燃的目的。開(kāi)關(guān)油作滅弧介質(zhì)，因?yàn)樗陔娀「邷叵?，能分解出游離電位高的氫氣，易于滅弧。

碰撞游離是電弧發(fā)生的主要原因，觸頭間的強(qiáng)電場(chǎng)，是電弧發(fā)生的必要條件，弧隙介質(zhì)的熱游離則是維持電弧燃燒的主要因素。發(fā)生電弧時(shí)，弧隙中電子、原子及分子互相碰撞，并不斷交換能量，使弧隙中介質(zhì)溫度急劇增加，弧柱溫度高達(dá)6000～7000℃，甚至10000℃以上。一般氣體當(dāng)溫度大于7000～8000℃時(shí)，金屬蒸汽溫度大于3000～4000℃，熱游離產(chǎn)生的電子，就足夠形成導(dǎo)電通路，使電弧得以維持。

電弧產(chǎn)生原理圖

電弧產(chǎn)生原理圖也是一個(gè)簡(jiǎn)易高壓發(fā)生器電路，使用一塊固定頻率脈寬調(diào)制電路TL494 產(chǎn)生方波信號(hào)控制MOS 管Q1，Q1 上的交變電流在通過(guò)串聯(lián)的黑白電視機(jī)高壓包T 的時(shí)候升壓到2k~10kV，升壓后經(jīng)高壓包次級(jí)串聯(lián)的高壓整流二極管半波整流，輸出帶直流分量的高頻高壓（或者說(shuō)帶高頻紋波的直流高壓也行，兩者是一回事）。

電弧熄滅的方法

①拉滅弧法

在開(kāi)關(guān)觸頭斷開(kāi)時(shí)，加速觸頭分離，將電弧迅速拉長(zhǎng)，從而降低了開(kāi)關(guān)觸頭之間的電場(chǎng)強(qiáng)度，或者說(shuō)電弧不足以維持電弧的燃燒，而使電弧熄滅。

a.用氣體吹動(dòng)滅弧

利用任何一種較冷的絕緣介質(zhì)的氣流來(lái)縱吹電?。饬鞣较蚺c弧柱平行）或橫吹電?。饬鞣较蚺c弧柱垂直），使電弧迅速擴(kuò)散，加強(qiáng)冷卻，從而達(dá)到滅弧的目的。

b.采用多斷口滅弧

在高壓斷路器中，常制成每相有兩個(gè)或更多個(gè)串聯(lián)斷口，可將電弧分割成多個(gè)小電弧段。其作用是：在相等的觸頭行程下，多斷口比單斷口的電弧拉長(zhǎng)速度快，從而弧隙電阻迅速增加，增大了介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度；同時(shí)，加在每個(gè)斷口的電壓減小，使弧隙的電壓恢復(fù)速度降低，因而滅弧性能良好。

c.利用真空滅弧

真空具有較高的絕緣強(qiáng)度，將開(kāi)關(guān)觸頭置于真空容器中，當(dāng)電流過(guò)零時(shí)即能熄滅電弧。為防止產(chǎn)生過(guò)電壓，應(yīng)當(dāng)不使觸頭分開(kāi)時(shí)電流突變?yōu)榱?。宜在觸頭間產(chǎn)生少量金屬蒸汽，形成電弧通道。當(dāng)交流電流自然下降過(guò)零前后，這些金屬蒸汽便在真空中迅速飛散而熄滅電弧。

d.將電弧分為多個(gè)串聯(lián)的短弧

交流電弧，在電流過(guò)零的瞬間，新陰極附近在0.1us的時(shí)間內(nèi)，立即出現(xiàn)大約150~250V的介質(zhì)強(qiáng)度，稱為新陰極效應(yīng)。當(dāng)觸頭兩端外加交流電壓小于150V時(shí)，則電弧將熄滅。將長(zhǎng)弧切成幾個(gè)短弧串聯(lián)就是利用新陰極效應(yīng)滅弧。一般是采用絕緣板夾著許多金屬柵片組成滅弧柵，罩住開(kāi)關(guān)觸頭的全行程。當(dāng)開(kāi)關(guān)觸頭分離時(shí)，長(zhǎng)電弧在電動(dòng)力和磁場(chǎng)力的作用下迅速移入滅弧柵，長(zhǎng)電弧被滅弧片切割成一連串的短電弧，在電弧電流過(guò)零，電弧熄滅時(shí)，每?jī)蓶牌g均立即出現(xiàn)150~250伏的介質(zhì)強(qiáng)度，設(shè)有n個(gè)柵片，則滅弧柵片總的介質(zhì)強(qiáng)度為n（150~250）V，若作用于觸頭間的電壓小于該值時(shí)，不能維持電弧燃燒，電弧必然熄滅。也就是說(shuō)，當(dāng)所有柵片間的介質(zhì)強(qiáng)度總和大于動(dòng)、靜頭向外加電壓，電弧就不再重燃。

e.利用有機(jī)固體介質(zhì)的狹縫滅弧

狹縫滅弧裝置，滅弧柵片電陶土或有機(jī)固體材料制成。當(dāng)觸頭間產(chǎn)生電弧后，在磁吹線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，以電弧產(chǎn)生電動(dòng)力，將電弧拉長(zhǎng)進(jìn)入滅弧柵片的狹縫中，電弧與柵片緊密接觸，冷卻電弧，加強(qiáng)去游離。同時(shí)有機(jī)固體介質(zhì)在高溫作用下分解而產(chǎn)生氣體，壓力增大，使電弧強(qiáng)烈冷卻，最終熄滅

②冷卻滅弧法

降低電弧的溫度，使離子運(yùn)動(dòng)速度減慢，這樣不但使熱游離作用減弱，同時(shí)離子的復(fù)合作用也增強(qiáng)，有利于電弧的熄滅。溫度愈低，復(fù)合作用就愈強(qiáng)烈，電弧愈易熄滅.