第十三章 电弧及灭弧装置 在有触点电器中，触头接通和分断电流的过程中往往伴随着气体放电现象一电弧的产生及熄灭。电弧对电器具有一定的危害。本章通过对电弧现象的介绍，分析其产生和熄灭的过程，从而找出并介绍在电器常用的灭弧方法及装置，以解决电弧在电器中的影响。 第一节 电弧的物理基础 一、电弧现象及特点 电弧属于气体放电的一种形式。气体放电分为自持放电与非自持放电两类，电弧属于气体自持放电中的弧光放电。试验证明，当在大气中开断或闭合电压超过10V、电流超过0.5A的电路时，在触头间隙（或称弧隙）中会产生一团温度极高、亮度极强并能导电的气体，称为电弧。由于电弧的高温及强光，它可以广泛应用于焊接、熔炼、化学合成、强光源及空间技术等方面。对于有触点电器而言，由于电弧主要产生于触头断开电路时，高温将烧损触头及绝缘，严重情况下甚至引起相间短路、电器爆炸，酿成火灾，危及人员及设备的安全。所以从电器的角度来研究电弧，目的在于了解它的基本规律，找出相应的办法，让电弧在电器中尽快熄灭。 我们借助一定的仪器仔细观察电弧，可以发现，除两个极（触头）外，明显的分为3个区域，即近阴极区、近阳极区及弧柱区。如图13—1所示。  图13—1 电弧3个区及电位降、电位梯度分布 近阴极区的长度约等于电子的平均自由行程（小于）。在电场力的作用下正离子向阴极运动，造成此区域内聚集着大量的正离子而形成正的空间电荷层，使阴极附近形成高电场强度（约为）。正的空间电荷层形成阴极压降，其数值随阴极材料和气体介质的不同而有所变化，但变化不大，约在10－20V之间。 近阳极区的长度约等于近阴极区的几倍。在电场力的作用下自由电子向阳极运动，它们聚集在阳极附近而且不断被阳极吸收而形成电流。在此区域内聚集着大量的电子形成负的空间电荷层，产生阳极压降，其值也随阳极材料而异、但变化不大，稍小于阴极压降。由于近阳极区的长度比近阴极区的长，故其电场强度较小。 阴极压降与阳极压降的数值几乎与电流大小无关，在材料及介质确定后可以认为是常数。 弧柱区的长度几乎与电极间的距离相同。是电弧中温度最高、亮度最强的区域。因在自由状态下近似圆柱形，故称弧柱区。在此区中正、负电粒子数相同，称等离子区。由于不存在空间电荷，整个弧区的特性类似于一金属导体。每单位弧柱长度电压降相等。其电位梯度E。也为一常数，电位梯度与电极材料、电流大小、气体介质种类和气压等因素有关。 电弧按其外形分为长弧与短弧。长短之别一般取决于弧长与弧径之比。把弧长大大超过弧径的称为长弧。长弧的电压是近极压降（阴极压降与阳极压降）与弧柱压降之和。若弧长小于弧径，两极距离极短（如几毫米）的电弧称为短弧。此时两极的热作用强烈，近极区的过程起主要作用。电弧的压降以近极压降为主，几乎不随电流变化。 电弧还可按其电流的性质分为直流电弧和交流电弧。 二、开断电路时电弧产生的物理过程 当触头开断电路，在间隙中产生电弧时，电路仍然是导通的。这就说明已分开触头间的气体由绝缘状态变成了导电状态。那么，究竟有哪些物理过程在这个气体由不导电状态的变成导电状态过程中起作用了呢？下面就此进行一些分析。 1．碰撞游离 带电粒子（自由电子、正离子和负离子）在电场力中获得动能而加速，当这一粒子在运动过程中碰撞到气体的原子或分子（中性粒子）且此粒子具有的动能大于中性粒子的游离能时，该中性粒子则分解为带电荷的自由电子和正离子。这一现象叫作碰撞游离（或称电场游离）。碰撞游离后出现的自由电子在电场作用下又可同其他中性离子发生新的碰撞，使得自由电子和正离子数累进增加。在电场力作用下，电子定向运动，则形成电流。若带电粒子撞击中性粒子不足以使其立即游离，但经多次撞击，中性粒子所获得能量也使其发生了游离，这种过程称为累积游离。在带电粒子中，由于电子体小质轻，自由行程长，容易加速而获得能量，故其游离作用比正、负离子大得多。 2．热游离 在高温时（3000～4000K以上），中性粒子由于高速热运动相互碰撞而生的游离，叫做热游离。热游离的实质也是碰撞游离，只不过发生碰撞的原因是高温引起的热运动，而不是电场引起的。中性粒子热游离的程度与温度的高低、气压的大小、物质的游离能大小有关。在高温状况下，金属材料容易发生气化，金属蒸气的游离能比气体的小的多。当气体中混有金属蒸气时，在同一温度下，比纯气体时游离程度要大的多，也可以说，其导电率较大。 金属材料表面在某些情况下能发射出自由电子，这种现象叫表面发射。自由电子的产生是由于金属内的电子得到能量，克服内部的吸引力而逸出金属。一个电子逸出金属所需能量叫逸出功，其单位用电子伏（）表示。不同金属材料逸出功的大小不一样。金属材料的表面发射根据其原因可分为以下几种。 1．热发射 当金属的温度升高到一定值时，其表面的电子能获得足够的动能以克服内部的吸引力从 金属表面逸出成为自由电子。这种主要是由于热作用而引起的发射称为金属表面的热发射电子。 2．强电场发射 当金属表面存在较高的电场强度（大于）时，可将电子从金属表面拉出，形成强电场发射电子。因为场发射在常温下即可发生，故又称冷发射。强电场发射的电流密度与温度。逸出功、金属表面的场强大小有关。 此外，还有由于光或射线照射金属表面引起电子从金属表面追出的现象称为光发射和由于高速的正离子撞击阴极、电子撞击阳极而形成的发射电子称为二次发射两种形式。 电器工作时，如果触头开断电路的电压和电流大于其生弧电压和生弧电流（产生电弧的最小电压、电流值），就会产生电弧。触头间产生电弧的物理过程如下： 触头刚开始分离时，接触面积逐渐减小，接触处的电阻越来越大，电流密度也逐渐增大，触头表面的温度剧增。触头表面形成热发射电子。在触头刚刚分开发生热发射的同时，由于触头之间的距离很小，线路电压在这很小的间隙内形成很高的电场。阴极表面形成强电场发射电子。由于这两种发射的作用，大量电子从阴极表面进人弧隙，它们在电场的作用下，随着触头的分开就会不断地撞击中性气体分子，形成碰撞游离，产生自由电子与正离子。被游离的自由电子在电场作用下又会发生新的撞击和游离。弧隙中的中性气体就变为导电的自由电子与正离子。在电场作用下，它们向阴极、阳极运动，电弧形成，电路并未断开。随着电弧形成产生的高温，弧隙间的热游离作用越来越强，气体中带电粒子越来越多，电弧则完全形成了。应该注意的是，在整个过程中几种物理作用并不是截然分开的，而是交叉进行或同时存在的。 从能量的角度来说，电弧燃烧时要从电源不断向电弧内部输人能量，而这个能量又不断转变为电弧的热量通过传导、对流及辐射3种方式散失。 设输人弧隙的功率为，电弧散失功率为，则 当 时，电弧电流不变，稳定燃烧； 当时，电弧电流变大，电弧越燃越烈； 当时，电弧电流变小，电弧逐渐熄灭。 三、电弧熄灭的物理过程 当电弧稳定燃烧时是处在热动平衡状态，此时不可能有电子和离子的积累。这说明电弧中气体游离现象的同时还存在一个相反的过程，我们称之为消游离。消游离就是正、负带电粒子中和而变成中性粒子的过程。消游离的方式分两类：复合和扩散。 1．复合 带异性电荷的粒子相遇后相互作用中和而变成中性粒子称为复合。复合按其地点可分为： （1）表面复合：带正、负电荷的粒子附在金属或绝缘材料表面上，相互吸引而中和电荷，变成中性粒子。 （2）空间复合：带正、负电荷的粒子在放电间隙中相互吸引而中和电荷，变成中性粒子。自由电子与正离子相遇，相互吸引而中和电荷而变成中性粒子，称为直接复合。由于自由电子的运动速度比正离子大得多，所以直接复合的机率很小。往往自由电子粘合在中性粒子上，再与正离子相遇而复合，中和电荷形成两个中性粒子。这种过程称间接复合。因为正、负离子的运动速度相当，间接复合的机率大，约为直接复合的上千倍。自由电子粘合在中性粒子上形成负离子的强弱与气体的种类和纯净度有关。氟原子及其化合物SF6分子与自由电子的粘合作用很强，所以称为负电性气体。SF6的复合能力很强，是比较理想的消游离和绝缘介质。现已应用在高压断路器中。 显而易见，带电粒子运动速度是直接影响复合作用大小的重要因素。降低温度、减小电场强度可使粒子运动速度减小，易于复合。此外，带电粒子浓度增大时，复合机会增多，复合作用也可以加强。在电弧电流不变的条件下，设法缩小电弧直径，则粒子浓度可增大。 复合过程总是伴随着能量的释放。释放出来的能量成为加热电极、绝缘物及气体的热源，同时也向四周散发。 2．扩散 带电粒子从电弧区转移到周围介质中去的现象称为扩散。扩散的方向一般为从高温、高浓度区向低温、低浓度区。扩散使电弧中的带电粒子减小。扩散出来的带电粒子因冷却很容易相互结合，中和电荷而形成中性粒子。扩散速度与电弧内外浓度差、温度差成正比。电弧直径愈小，弧区中带电粒子浓度愈大；电弧与周围介质温差愈大，扩散速度愈大。因此，加速电弧的冷却是提高扩散作用的有效方法。 综上所述，电弧中存在着游离和消游离两方面的作用。当游离作用占优势时电弧就会产生和扩大，当消游离作用占优势时，电弧就趋于熄灭。游离与消游离作用与许多物理因素有关，如电场强度、温度、浓度、气体压力等。那么，我们可以根据这些物理因素的变化影响情况，找出一些切实可行的方法，减小游离，增加消游离，使触头断开电路时产生的电弧尽快地熄灭。 第二节 直流电弧及其熄灭 一、直流电弧的伏安特性 电弧的伏安特性说明电弧电压与电流的关系，是电弧重要特性之一。它实质上是反映电弧内的物理过程。直流电弧是指产生电弧的电路电源为直流。直流电弧的伏安特性可用实验方法求得。 如图13—2中电路图所示，在两极中有一稳定燃烧的电弧。我们若是通过调节可变电阻R的值非常缓慢地调节回路电流，在这个过程中分别测量电弧电流和电弧电压，可绘出其伏安特性，如图13—2中曲线 1。此伏安特性称为直流电弧的静伏安特性（简称静特性）。静特性是指在电弧稳定燃烧条件下，电弧不受热惯性影响时，电弧电流与电弧压降的关系。从静特性曲线1中可以得出，当电弧电流上升时，电弧电压下降，这是和一般金属导体不同的。其原因是因为随着电流的增大，电弧内的游离作用加强，离子浓度增加，导电性越好，其对外所显示的电阻值愈小。  图13—2 直流电弧及其伏安特性 若调节。变电阻R来调节回路电流，让回路电流以一定速度增加或减少，则可得曲线3和2。这时所得的伏安特性称直流电弧的动伏安特性（简称动特性）。动特性是指在电弧不稳定燃烧条件下，电弧电流变化快，其热惯性对电弧有影响时，电弧电流与电弧压降的关系。根据电流变化速度不一样，动特性曲线有许多条。从图13—2中可得出，伏安特性曲线1、2、3并不重合，而且是电流增加过程的伏安特性3位于静伏安特性1之上方，电流减小过程的伏安特性2位于静伏安特性1的下方。其原因是因为当回路电流以一定速度变化时，电弧内部有保持原来热状态（游离和消游离状态）的热惯性作用，致使电弧内部状态的变化总是滞后于回路电流的变化。当回路电流变化速度愈高时，这种热惯性作用就愈明显。电弧的电阻也就不同于相应点应有的电阻值，电弧的压降同样就和相应点的压降不同。 在图13—2中，静特性曲线 1与纵轴交点的电压值称为燃弧电压，用Uf表示。所谓燃弧电压，就是产生电弧所必须的最低电压，电压低于此值，就不足以点燃电弧。伏安特性曲线2与电压轴交点的电压值称为熄弧电压，用U；表示。所谓熄弧电压，就是指熄灭电弧的最高电压，电压高于此值，电弧将不能熄灭。熄弧电压总是小于燃弧电压的，其原因是燃弧前弧隙中介质强度高，即游离程度小，要形成电弧就必须具有较高的电压。燃弧电压应比维持电弧所需的最低电压要高。电弧在燃烧过程中游离程度高，介质强度低，维持其燃烧的最低电压就低，而熄弧电压应比这个电压还要低，所以熄弧电压U总是小于燃弧电压Ur。 电弧的静伏安特性与弧长有关。在其他条件相同时，弧长L愈长，静伏安特性愈向上移，如图13—2中曲线4所示。其原因如下：在同一电流情况下，电弧单位长度的电阻值不变，电弧拉长后的总电阻增加，因而电弧的电压就增大了。由于静伏安特性向上平移，燃弧电压和熄弧电压也都要增加。从这个角度来说，拉长电弧，可以加速电弧的熄灭。 二、直流电弧的熄灭 设有如图13—3（a）所示典型的直流电弧电路上为电源电势上和R分别为电路中和电弧串联的电感和电阻。根据克希荷夫第二定律，可写出电压平衡方程式  (13—1)  图13—3 开断电感电路的直流电弧及其熄灭 (a)直流电弧；(b)直流电弧的熄灭 由于电弧的电阻呈非线性的特点，以采用图解法为便。将式（13—1）中各项的伏安特性表示在同一坐标系中，以便分析其相互间的关系。如图13—3（b）所示，曲线2为电弧的静伏安特性，直线1为E—iR。从图中可以得出；直线1与曲线二相交于AJ两点，其对应的电流值为与。 一个直流由电弧能够稳守燃烧的条件是有稳定燃烧点，即。那么，要想使直流电弧熄灭，就应该做到消除稳定燃烧点，且。从图形来看就应该是曲线2即与直线1没有交点且曲线2位于直线1的上方。要想达到这个目的，图形上的变化可有很多种，但结合实际来考虑，将曲线2 向上平移至3的作法最为可行。从其代表的物理意义上来讲，就是将电弧拉长。所以拉长电弧对熄灭直流是最常用的方法，而且拉长的方式也有多种。 还有一种方法也能使直流电弧熄灭，那就是在电弧两端并联电阻，如图13—4所示。从图形上看，由于，使得电弧两端的伏安特性发生了变化，满足了直流电弧熄灭的条件，电弧将熄灭。这种方法有一定的缺陷，那就是电弧虽熄灭了，但电路并未断开。所以要利用这种方法，还必须安装附加开关以分断并联电阻电路。 三、断开感性电路的过电压 为了减小电弧对触头及电器的烧损，通常希望熄弧时间越短越好。但是在断开感性电路时，若熄弧时间过短，电感中将产生很大的自感电势，也就是的值很大。其数值常比电源电压大好多倍，通常称之为过电压。为了区别于大气过  图13—4 电弧并联电阻嗲路及其伏安特性 电压，称之为内部过电压（或操作过电压）。过电压产生后，一方面可能将电气设备的绝缘击穿，引起破坏性故障；另一方面，可能击穿弧隙，使电弧重燃。为此必须加以防止和限制。 断开感性电路产生过电压的根本原因，在于贮存在电感中的磁场能量要在非常短暂的时间内释放出来并消耗掉。如果能将磁场能量逐渐地消耗在电阻上，就可以控制此时的过电压。  图13—5 减小直流电弧熄灭时过电压的方法 (a)并联电阻法；(b)并联RC支路法；(c)并联整流二极管法 以上几种方法均能将电感中的磁场能量逐渐地消耗在电阻上或者延长电路电流变化的时间，起到抑制过电压的作用。图13—5（a）中所表示的方法其缺点是在正常工作时，附加电阻有功率损耗。图13－5（b）中的情况在正常工作时电容充电达到电源电势，在附加电阻上没有功率消耗。图13—5（c）所示情况在正常工作时二极管的反向电流很小，其上的功率损耗亦很小。 第三节 交流电弧及其熄灭 一、电弧的伏安特性 交流电弧与直流电弧有所不同，交流电流的瞬时值随时间变化，每周期内有两次过零点。电流经过零点时，弧隙的输人能量等于零，电弧温度下降，电弧自然熄灭。而后随着电压和电流的变化，电弧重新燃烧。因此，交流电弧的燃烧，实际上就是电弧的点燃、熄灭周而复始的过程。这个特点也反映在它的伏安特性中。 图13—6为交流电弧在一周内的伏安特性。图中箭头方向表示了电流变化和方向。从O点开始，因电弧还未产生，所以随着电压的增加只有小量的由阴极发射产生的电流。到A点时电弧点燃，再随着电流的增大，电弧电阻减小，电弧压降也下降，直到B点，此时弧电流达到峰值。在B点后随着电流的减小，弧电阻增加，电弧压降上升。变化到C点时，电弧电流趋近于零，电压达到熄弧电压，电弧熄灭。当电流过零点后，在第三象限重复上述规律。显然，由于热惯性作用，电弧电阻的变化总是滞后于电流的变化，因此，交流电弧的伏安特性为动特性。  图13—6 交流电弧的伏安特性 二、交流电弧过零后的物理过程 交流电弧电流过零时，由于电源停止供给能量，故电弧自然熄灭，这也是交流电弧比直流电弧容易熄灭的原因。但是交流电弧过零自然熄灭后，还会重新燃烧。所以怎样防止电弧重燃就是研究交流电弧的重点。哪些因素能使电弧重新点燃，哪些因素抑制电弧重燃，就要分析一下交流电弧过零熄灭后，在弧隙间存在着哪些物理过程。 1．介质强度恢复过程 交流电弧过零熄灭后，由于外部条件的变化，弧隙内消游离作用加强，使得原来的导电状态要向绝缘介质状态转变，这就是介质强度恢复过程。这个过程的快慢与许多因素有关，例如温度。散热情况、空间位置等。在靠近两极的区域，由于金属材料的传热性好，所以此区域的温度要比弧柱区的温度低，故此处的介质强度恢复要比弧柱区快。电流过零后，两电极改变极性，原来的阴极改变为新的阳极，而原来的阳极改变为新的阴极。电场方向的改变，弧隙中剩余电子和离子的运动方向也应随之改变。但是由于电子的质量远比正离子质量小得多，因而电子的运动方向改变要远比正离子灵敏得多，形成电子很快向新阳极运动，而正离子在此瞬间几乎停止在原地，来不及向新阴极运动。新的阴极此时还不能形成强电场发射电子与热发射。因此，在新的阴极附近就存在一层没有电子而只有正离子的空间，相当于形成了一薄层绝缘介质，如图13—7(b)所示。从电路的角度来看，必需加一定的电压才能将此绝缘薄层击穿，电弧才会重燃，弧隙重新导电。这个击穿电压值称为弧隙的起始介质强度。这种在交流电流过零后弧隙形成一定的介质恢复强度的现象，称为交流电弧的近阴极效应。 实验证明：近阴极效应所产生的起始介质强度与电极材料、温度，特别是所通过的电流有关。其数值在40～250 V之间。电流越大，其值越低。近阴极效应是交流短弧熄弧的主要因素，是低压交流电器中主要熄弧方法。  图13—7 近阴极效应 (a)电弧过零前带电粒子状况；(b)电弧过零后瞬间带电粒子状况。 通常把弧隙间介质强度恢复随时间变化的关系称做弧隙介质恢复强度特性。此特性可通过实验测出并用图形表示，如图13—8所示。图中的OA段与近阴极效应产生的起始介质强度有关，AB段与电弧熄灭的方法和装置有关。灭弧装置效果越好，图中的a角就越大，说明介质强度恢复速度愈高。  图13—8 介质强度恢复特性 2．弧隙电压恢复过程 在交流电路中，电流过零电弧熄灭后，触头两端电压从熄弧电压恢复到电源电压的过程称电压恢复过程。这个过程根据线路参数情况的不同形成较为复杂的情况。总的来说，可分为两类；一类叫非周期（非振荡）电压恢复过程，如图13—9（a）所示，另一类叫周期（振荡）电压恢复过程，如图13—9(b)所示。因为电压恢复过程是使电弧重燃的因素，很显然，周期电压恢复过程中有较高的电压峰值，对电弧不再重燃是十分不利的，所以也是应该尽量避免的。  图13—9 电压恢复过程 (a)非振荡电压恢复过程；(b)振荡电压恢复过程。 我们把恢复过程中的电压称为恢复电压。从图13—9中可以看出，恢复电压可由两部分组成；稳态分量和暂态分量。稳态分量一般称工频恢复电压，暂态分量则根据线路负载情况不同呈较复杂情况。在交流电弧开断过程中，对于不同性质的负载，触头上电压变化过程不同。 从触头的结构型式来说，由于双断点结构时恢复电压是作用在两个断口上，使每个断口的电压值比一个断口时的要低。所以电弧容易熄灭。 三、交流电弧熄灭的条件 交流电弧过零后弧隙间介质强度的恢复和电压的恢复是两个对立的过程。因为介质强度恢复过程主要是弧隙内部带电粒子不断减少的过程，而电压恢复过程恰相反，它使弧隙中的气体产生新的游离而使带电粒子不断增加。那末可以简单地确定交流电弧熄灭条件为：交流电弧电流过零后，如果弧隙介质强度恢复的速度超过了弧隙电压恢复的速度，则电弧熄灭。反之，电弧重燃，如图13—10所示。  图13—10 交流电弧熄灭的条件 (a)重燃；(b)熄灭。 在实际中，由于介质恢复过程与电压恢复过程是相互联系又相互影响的，所以情况较为复杂。如果恢复电压上升得快，弧隙游离加强，使得介质强度恢复速度减慢。如果介质强度增长的速度慢，它又对恢复电压上升起阻尼作用。因此，在交流电弧熄灭过程中有两个方面的因素要加以考虑： （1）交流电弧电流过零是最有利的灭弧时机，这时输人弧隙的功率趋近于零，如电弧散失的功率大于此时由电源输人的功率，电弧就会熄灭。如果熄弧措施太强，使电弧电流提前强制过零，这时交流电弧的熄灭与直流电弧相同，会造成熄弧困难。 （2）对交流电弧的电路参数而言，电源电压越高，恢复电压峰值也愈高，熄弧困难。电弧熄灭前电路的电流越大，电弧功率越大，熄弧困难。电路中电感比例越大，熄弧越困难。 为了使交流电弧过零点后不再重燃，总的来讲可减小恢复电压增长速度和增加介质强度恢复速度。 增加介质强度恢复速度，车务面运用中效果较显著的方法主要就是通过金属栅片将电弧分割成许多短弧，这样每一个短弧相当于处在一对电极之中，电流过零后，就产生近阴极效应。此时起始介质强度之和比一对极下产生的扩大了许多倍。当外界加在电弧两端的电压小于此值时，电弧在过零后就不再重燃。 对于减小恢复电压增长速度，抑制电弧重燃，一般采用的方法为在弧隙两端并联一电阻，如图13—11所示。在弧电流过零时，线路电流由于有分流，使电容充电电流减小，充电时间加长，a、b两端电压增长速度变慢，因此抑制了燃弧因素。的值从分流角度考虑应小一些，但值小，在正常情况下损耗过大，因此，采用非线性电阻较好。韶山系列电力机车所用的TDZIA型主断路器就是采用这种方法。  图13—11 关联电阻灭弧原理 第四节 电弧熄灭的方法及装置 通过前面的一系列理论分析，我们可以找出加速电弧熄灭的很多方法，例如：拉长电弧、降低温度、将长弧变为短弧、将电弧放置于特殊介质中，增大电弧周围气体介质的压力等。为了减少电弧对触头的烧损和限制电弧扩展的空间，通常要将这些方法加以应用，为此而采用的装置称为灭弧装置。一个灭弧装置可以采用某一种方法进行熄弧。但在大多数情况下，则是综合采用几种方法，以增加灭弧效果。例如拉长和冷却电弧往往是一起运用的。 一、拉长电弧 电弧拉长以后，电弧电压就增大，改变了电弧的伏安特性。在直流电弧中，其静伏安特性上移，电弧可以熄灭。在交流电弧中，由于燃弧电压的提高，电弧重燃困难。 电弧的拉长可以沿电弧的轴向（纵向）拉长，也可以沿垂直于电弧轴向（横向）拉长，如图13—12所示。  图13—12 拉长电弧 1．机械力拉长 电弧沿轴向拉长的情况是很多的，电器触头分断过程实际上就是将电弧不断地拉长。刀开关中闸刀的拉开也拉长电弧，电焊过程中将焊钳提高可使电弧拉长并熄灭。 2．回路电动力拉长 载流导体之间会产生电动力，如果把电弧看作为一根软导体，那么受到电动力它就会发生变形，即拉长。如图13—13所示，在一对桥式双断点结构型式的触头断开时，电弧受回路电动力F的作用被横向拉长，也就是图2一12中受F。作用力的情况。横向拉长时电弧与周围介质发生相对运动，其冷却效果比纵向拉长的好。 在利用电路本身通过电流而产生的回路电动力拉长电弧时，要注意当回路电流较小时，其效果较差。  图13—13 触头回路电动力吹弧 (a)常用触头回路电动力吹弧；(b)增磁型触头回路电动力吹弧 1—触头桥；2—动触头；3—电弧；4—静触头；5—静触头座；6—磁性片。 3．磁吹灭弧 当需要较大的电动力来拉长电弧时，可以让电弧在一个专门设置的磁场中受力的作用。这个产生用于专门熄弧磁场的装置，一般我们称之为吹弧线圈，如图13—14所示。由于这个磁场力比较大，其拉长电弧的效果也较好，如图2－12中F。所示的情况。 由于磁吹线圈与电路的连接方式不同而形成串激线圈和并激线圈之分。当磁吹线圈与触头相串联而构成串激线圈时，若电流方向改变但磁场力方向不变，即磁吹方向不随电流的极性变化而改变。另一方面，吹弧力的大小与弧电流有关，弧电流越大，吹弧力越大，灭弧效果越好。当磁吹线圈与电路并联构成并激线圈时，它的特点与申激线圈上述两方面正好相反，即吹弧力的方向与弧电流方向有关，产生吹弧力磁场的大小与弧电流大小无关。还有一种不需线圈和电源也能产生和并激线圈同样效果的磁吹装置，那就是用永久磁铁。这样，其结构就可更趋简单。 图13—14中所示的导弧角2是根据回路电动力的原理而设置的。其作用是使电弧很快离开触头且按一定方向运动，以减小触头表面电弧的烧伤。  图13—14 磁吹灭弧装置示意图 1—磁吹铁心；2—导弧角；3—灭弧罩；4—磁吹线圈； 5—铁夹板；6—静触头；7—动触头；8—绝缘套。 二、灭弧罩 灭弧罩是让电弧与团体介质相接触，降低电弧温度，从而加速电弧熄灭的比较常用的装置。其结构型式是多种多样的，但其基本构成单元为“缝”。我们将灭弧罩壁与壁之间构成的间隙称作“缝”。根据缝的数量可分为单缝和多缝。根据缝的宽度与电弧直径之比可分为窄缝与宽缝。缝的宽度小于电弧直径的称窄缝，反之，大于电弧直径的称宽缝。根据缝的轴线与电弧轴线间的相对位置关系可分为纵缝与横缝。缝的轴线和电弧轴线相平行的称为纵缝，两者相垂直的则称为横缝。 1．纵缝灭弧罩 图13—15所示为一纵向窄缝的灭弧情况，当电弧受力被拉人窄缝后，电弧与缝壁能紧密接触。在继续受力情况下，电弧在移动过程中能不断改变与缝壁接触的部位，因而冷却效果好，对熄弧有利。但是在频繁开断电流时，缝内残余的游离气体不易排出，这对熄弧不利。所以此种形式适用于操作频率不高的场合。  图13—15 纵向窄缝式灭弧罩 图13—16所示为一纵向宽缝的灭弧情况，宽缝灭弧罩的特点与窄缝的正好相反，冷却效果差，但排出残余游离气体的性能好。图13—16中所示情况是将一宽缝中又设置了若干绝缘隔板，这样就形成了纵向多缝。电弧进人灭弧罩后，被隔板分成两个直径较原来小的电弧，并和缝壁接触而冷却，冷却效果加强，熄弧性能提高。此外，由于缝较宽，熄弧后残存的游离气体容易排出，所以这种结构型式适用于较频繁开断的场合。  图13—16 纵向宽缝式灭弧 图13—17所示为纵向曲缝式灭弧罩的灭弧情况。纵向曲缝式又称迷宫式，它的缝壁制成凹凸相间的齿状，上下齿相互错开。同时，在电弧进人处齿长较短，愈往深处，齿长愈长。当电弧受到外力作用从下向上进人灭弧罩的过程中，它不仅与缝壁接触面积越来越大，而且长度也愈来愈长。这就加强了冷却作用，具有很强的灭弧能力。但是，也正因为缝隙愈往深处愈小，电弧在缝内运动时受到的阻力愈来愈大。所以，这种结构的灭弧罩，一定要配合以较大的让电弧运动的力。否则，其灭弧效果反而不好。  图13—17 纵向曲缝式灭弧罩 2．横缝灭弧罩 为了加强冷却效果，横缝灭弧罩往往以多缝的结构型式使用，也就是称为横向绝缘栅片，如图13—18所示。当电弧进入灭弧罩后，受到绝缘栅片的阻挡，电弧在外力作用下便发生弯曲，从而拉长了电弧，并加强了冷却。为了分析电弧与绝缘栅片接触时的情况，以图13—19来放大说明：设磁通方向为垂直向里，电弧AB、BC和CD段所受的电动力都使电弧压向绝缘棚片顶部，而DE段所受的电动力使电弧拉长，CD段和EF段相互作用产生斥力。这样一些力的作用，使电弧拉长并与缝壁接触面增大而且紧密，所以能收到比较好的灭弧效果。  图13—18 横向绝缘栅片式灭弧罩 1-灭弧罩；2—电弧。  图13—19 电弧在横向绝缘栅片灭弧罩中的放大图 由于灭弧罩要受电弧高温的作用，所以对灭弧罩的材料也有一定的要求，如：受电弧高温作用不会因热变形、绝缘性能不能下降，机械强度好且易加工制造等。灭弧罩材料过去广泛采用石棉水泥和陶土材料。现在逐渐改为采用耐弧陶瓷和耐弧塑料，它们在耐弧性能与机械强度方面都有所提高。 三、油冷灭弧装置 油冷灭弧是将电弧置于液体介质（一般为变压器油）中，电弧将油汽化、分解而形成油气。油气中主要成分是氢，在油中以气泡的形式包围电弧。氢气具有很高的导热系数，这就使电弧的热量容易散发。另外，由于存在着温度差，所以气泡产生运动，又进一步加强了电弧的冷却。若再要提高其灭弧效果，可在油箱中加设一定机构，使电弧定向发生运动，这就是油吹灭弧。由于电弧在油中灭弧能力比大气中拉长电弧大得多，所以这种方法一般用于高压电器中，如油开关。 四、气吹灭弧装置 气吹灭弧是利用压缩空气来熄灭电弧的。压缩空气作用于电弧，可以很好地冷却电弧、提高电弧区的压力、很快带走残余的游离气体，所以有较高的灭弧性能。按照气流吹弧的方向，它可以分为横吹和纵吹两类。横吹灭弧装置的绝缘件结构复杂，电流小时横吹过强会引起很高的过电压，故已被淘汰。图13—20表示了纵吹（径向吹）的一种形式。压缩空气沿电弧径向吹人，然后通过动触头的喷口、内孔向大气排出，电弧的弧根能很快被吹离触头表面，因而触头接触表面不易烧损。因为压缩空气的压力与电弧本身无关，所以使用气吹灭弧时要注意熄灭小电流电弧时容易引起过电压。由于气吹灭弧的灭弧能力较强，故一般运用在高压电器中，例如韶山系列机车的主断路器。  图13—20 气吹灭弧装置 1—动触头；2—灭弧室瓷罩；3—静触头；4—压缩空气；5—电弧。 五．横向金属栅片灭弧 横向金属机片又称去离子栅，它利用的是短弧灭弧原理。用磁性材料的金属片置于电弧中，将电弧分成若干短弧，利用交流电弧的近阴极效应和直流电弧的近极压降来达到熄灭电弧的目的。 横向金属栅片灭弧情况如图13—21所示。栅片的材料一般采用铁。当电弧靠近铁栅片时，由于铁片为磁性材料，所以栅片本身就具有一个把电弧拉人栅片的磁场力。当电弧被这个磁场力或外力拉人铁片栅中时，空气阻力较大。为了减少电弧刚进人铁栅片时的空气阻力，铁栅片作成楔口并交叉装置，如图13—21(b)所示，即只让电弧先进人一半铁片栅中。随着电弧继续进人铁片栅中，磁阻减小，铁片对电弧的拉力增大，使电弧进人所有的铁片栅中。电弧进人概片后分成许多串联短弧，电流回路产生作用于各短弧上的电动力使短弧继续发生运动。此时应注意短弧被拉回向触头方向运动的力，它会使电弧重燃并烧损触头。为了消除这种现象，可以采用四形栅片和O形栅片。铁栅片在使用时一般外表面要镀上一层铜，以增大传热能力和防止铁片生锈。  图13—21 横向金属栅片式灭弧罩结构、原理示意图 (a) 电弧在横向金属栅中状况；(b)横向金属栅对电弧的作用；(c)横向金属栅灭弧原理。 1—入栅片前的电弧；2—金属栅；3—入栅片后的电弧。 横向金属栅片灭弧装置主要用于交流电器，因为它可将起始介质强度成倍的增长。对于直流电弧而言，因无近阴极效应，只能靠成倍提高极旁压降来进行灭弧。由于极旁压降值较 小，要想达到较好的灭弧效果，金属栅片的数量太大，会造成灭弧装置体积庞大。所以直流电弧中很少采用。 六、真空灭弧装置 在真空中气体很稀薄，电子的自由行程远大于触头间的距离。当真空度为5～10 mm汞柱时，电子的自由行程达43 m。自由电子在弧隙中作定向运动时几乎不会和气体分子或原子相碰撞，不会产生磁撞游离。所以将触头置于真空中断开时产生的电弧则是由于阴极发射电子和产生的金属蒸气被电离而形成的。当电弧电流接近零时，阴极发射的电子和金属蒸气减少，弧隙中残留的金属蒸气和等离子体向周围真空迅速扩散。这样，弧隙可以在数微秒之内由导电状态恢复到真空间隙的绝缘水平。因此，在真空中触头有很高的介质恢复速度、绝缘能力和分断电流的能力。 真空电弧按其电流的大小可分为扩散弧和收缩弧两种。扩散弧的电流较小（几百至几千安培），此时电弧分裂为许多并联的支弧。每一支弧有自己的阴极斑点和弧柱，阴极斑点互相排斥且均匀分布在阴极上。在电磁场的作用下阴极斑点不断地沿左旋方向运动，触头表面的平均温度较低且分布均匀。阳极此时不存在阳极斑点。阴极斑点既发射电子又产生金属蒸气。当电流接近于零值时，最终只剩下一个斑点。电流过零时，电弧自行熄灭。当扩散弧的电流增加到足够大时，阴极斑点相互聚成一团，运动速度很小甚至不再运动。阴极表面不但产生大量的金属蒸气，而且有一部分金属直接以颗粒或液滴的形式向弧隙喷射。阳极此时也出现炽热的阳极斑点且蒸发和喷射一定数量的金属，触头的电磨损迅速增加。当真空灭弧装置中出现收缩弧后，就不能再开断电路。电弧由扩散弧转变为收缩弧的电流，也就是该真空灭弧装置的极限开断电流，它随触头材料和直径大小而不同。 在开断交流电路时，当被开断的电流减小到某一数值时，扩散弧会发生电流突然被截断的现象，称之为截流。这样，在开断感性负载电流时，弧隙上将产生很高的过电压，这是使用真空灭弧装置应注意的问题。 小 结 本章介绍了有触点电器触头在断开时电弧产生的原因、危害及在实际运用中加速电弧熄灭的方法及装置。 学习本章时，理论的分析是熄灭电弧找出有效的方法，不管是从物理学的角度，还是从直流、交流的角度去进行的分析。 直流电弧较交流电弧难以熄灭，主要原因是交流电弧有自然过零点，只要在过零后有自然过零点，只要在过零后想法不让其重燃，交流电弧就可以保持熄灭状态。应掌握在实际运用中加速熄灭电弧的常用方法。 断开感性电路时产生的过电称之为内部过电压，其危害性较大，应掌握减小或抑制过电压产生的方法。 复习思考题 1、电器产生电弧的基本条件是什么？电弧对电器有什么危害？ 2、电弧产生的过程中，有哪几种物理现象起主要作用？ 3、复合与扩散作用在电弧熄灭过程中起什么作用？ 4、电场强度、温度、压力等因素对电弧的熄灭有怎样的影响？ 5、直流电弧熄灭的条件是什么？其熄灭方法的理论根据是什么？ 6、使用磁吹灭弧应注意哪些问题？ 7、短弧灭弧的原理是什么？这种方法有无局限性？ 8、灭弧罩有什么作用？其结构有哪些型式？