断路器电弧的形成及灭弧方法

一、电弧的形成

断路器切断载流电路时，在触头之间常常会出现电弧，直到电弧熄灭后，电路才真正被切断。触头间的电弧，实际上是由于中性质点游离而引起的一种气体放电现象，从电弧形成过程来看，游离放电可分为四个阶段：

1、强电场发射

当触头刚分开时，虽然电压不一定很高，但触头间距离很小，因此产生很强的电场强度。当电场强度超过3x10^6V/m时，在强电场作用下，金属触头阳极表面的自由电子会被电场力拉出来，成为游离在触头空隙中的自由电子，这种游离方式称为强电场发射，是弧隙自由电子的一个来源。

2、热电发射

这是弧隙中自由电子的又一来源。在触头分开瞬间，由于触头间的压力迅速减小，接触电阻增大，电流流过时发热加剧，在电极上出现强烈的炽热点。此外，弧隙中的正粒子被迅速吸向阴极，其能量被电极吸收，也使阴极表面温度升高。当阴极表面达到一定高温时，便发射电子使弧隙中的电子数目增加。

3、碰撞游离

从阴极表面发射出来的自由电子，在电场力的作用下向阳极做加速运动，它们在奔向阳极的途中碰撞介质的中性质点（原子或分子），使原中性质点碰撞游离为正离子和自由电子。新产生的电子又和原有的电子一起以极高的速度向阳极运动，当它们和其他中性质点相碰撞时，又再一次发生碰撞游离。碰撞游离连续进行的结果，触头间隙中充满了电子和正离子。在外加电压作用下，电子奔向阳极，正离子奔向阴极，产生电流，形成电弧。

4、热游离

热游离是电弧维持燃烧的主要原因。电弧燃烧时，电弧表面温度可达3000～4000℃以上，弧心温度可达10000℃以上。处于高温下的介质分子和原子产生强烈的热运动，不断发生互相碰撞，游离出电子正离子，称为热游离。实际上触头间隙击穿产生电弧后，弧隙电导迅速增大，触头之间电压降减小，随着触头拉开距离增大，触头间的电场强度大大减小，强电场发射基本停止。随着电场强度减小，电场对电子运动的加速作用减弱，碰撞游离也基本停止。这时电弧的稳定主要依靠热游离得以维持。

5、电弧形成过程简述

开关触头刚分离瞬间，阴极在强电场和高温的作用下发射电子，自由电子在触头电压作用下高速运动，产生碰撞游离导致介质击穿形成电弧。电弧形成后，由于弧柱温度很高，介质产生游离使电弧得以维持和发展。

二、电弧熄灭过程

1、去游离的主要方式

1）复合去游离

复合去游离是带正电的质点和带负电的质点彼此交换本身多余的电荷，成为中性质点的过程。带电质点运动速度快，出现复合的机会少，反之复合机会多，加快复合的方法有以下几种：

（1）快速拉长电弧，可使电场强度下降，离子运动速度变慢，复合机会增多；

（2）加快电弧冷却，可使离子运动速度变慢，复合机会增多；

（3）加大气体压力，提高气体介质的浓度，使离子间自由行程缩短，复合的机率增加；

（4）使电弧接触固体介质表面，促进带电质点复合。

2）扩散去游离

（1）浓度扩散

带电粒子从弧心浓度高的地方向弧边周围浓度低的地方扩散，使弧隙中带电粒子减少；

（2）温度扩散

弧道中的高温粒子向弧道周围温度低的介质中扩散，使弧道中的带电粒子减少；

（3）气流吹拂

高速气流吹拂电弧，将弧柱中的带电粒子吹走。

2、加速直流电弧熄灭的方法

1）快速拉长电弧或用气吹冷却电弧，加快扩散去游离，使电弧电阻增大，从而增加电弧本身的压降使外加电压不足以维持电弧；

2）在灭弧过程中，电路中临时串入电阻，增大电路的电压降使电弧加快熄灭；

3）分长弧为短弧，使外加电压不足以维持多个短弧的阴极压降，从而使电弧熄灭。

3、 交流电弧的熄灭过程

交流电弧中，电流每半周过零一次，此时电弧自然熄灭。以后电弧是否重燃，要看弧隙是否会重新击穿。弧隙的击穿主要有热击穿和电击穿。

1）热击穿

在电流过零后很短时间内，弧隙中的温度仍然很高，在弧隙电压作用下，通过残余电导仍有很小的电流通过，所以这时弧隙中存在着散失能量（散热）和输入能量（残余电流）两个过程。如果输入能量大于散失能量，则游离过程大于去游离过程，电弧就会重燃。这种由于热游离而使电弧重燃的现象称为热击穿。反之，如果在电流过零时加强弧隙冷却，使去游离过程大于游离过程，就不会发生热击穿引起电弧重燃。

2）电击穿

电流过零后，如弧隙温度降低到热游离基本停止，则热击穿就不会出现。但是弧隙的绝缘能力要恢复到正常绝缘状况仍需一定时间，即存在一个弧隙介质强度的恢复过程。而且在电流过零后，弧隙电压也要经过一个电磁振荡的过渡过程才能逐渐恢复到电源电压。如果恢复电压高于介质绝缘强度的恢复数值，弧隙仍被击穿，这种击穿称为电击穿。

3）交流电弧的熄灭，关键在于电流过零后要加强冷确，使热游离不能维持，防止发生热击穿。另一方面要使弧隙绝缘强度的恢复速度始终大于弧隙电压的恢复速度，防止发生电击穿。

三、高压断路器灭弧方法

高压断路器的交流电灭弧方法主要有以下两种：

1、吹弧

在各种断路器中，通过气体或油流吹弧，一方面可以增强对流，冷却电弧。另一方面可以将弧隙中的原有带电粒子吹散，提高介质绝缘强度的恢复速度。

2、多断口熄弧

断路器设备常制成每相有两个或两个以上的串联断口。在相等的触头行程下，多断口比单断口拉弧更长，电弧拉长的速度也快，加速了弧隙电阻的增大。同时，由于加在每个断口上的电压降低了，使弧隙的恢复电压降低，因此灭弧性能更好。