電弧產生現象原因及特點

　　在有觸點電器中，觸頭接通和分斷電流的過程中往往伴隨著氣體放電現象---電弧的產生及熄滅，電弧對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。試驗證明，當在大氣中開斷或閉合電壓超過10V、電流超過100MA的電路時，在觸頭間隙（或稱弧隙）中會產生一團溫度極高、亮度極強并能導電的氣體，稱為電弧。由于電弧的高溫及強光，它可以廣泛應用于焊接、熔煉、化學合成、強光源及空間技術等方面。對于有觸點電器而言，由于電弧主要產生于觸頭斷開電路時，高溫將燒損觸頭及絕緣，嚴重情況下甚至引起相間短路、電器爆炸，釀成火災，危及人員及設備的安全。所以從電器的角度來研究電弧，目的在于了解它的基本規律，找出相應的辦法，讓電弧在電器中盡快熄滅。

　　我們借助一定的儀器仔細觀察電弧，可以發現，除兩個極（觸頭）外，明顯的分為3個區域，即近陰極區、近陽極區及弧柱區。

　　近陰極區的長度約等于電子的平均自由行程。在電場力的作用下正離子向陰極運動，造成此區域內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強度。正的空間電荷層形成陰極壓降，其數值隨陰極材料和氣體介質的不同而有所變化，但變化不大，約在10－20V之間。

　　近陽極區的長度約等于近陰極區的幾倍。在電場力的作用下自由電子向陽極運動，它們聚集在陽極附近而且不斷被陽極吸收而形成電流。在此區域內聚集著大量的電子形成負的空間電荷層，產生陽極壓降，其值也隨陽極材料而異、但變化不大，稍小于陰極壓降。由于近陽極區的長度比近陰極區的長，故其電場強度較小。

　　陰極壓降與陽極壓降的數值幾乎與電流大小無關，在材料及介質確定后可以認為是常數。

　　弧柱區的長度幾乎與電極間的距離相同。是電弧中溫度最高、亮度最強的區域。因在自由狀態下近似圓柱形，故稱弧柱區。在此區中正、負電粒子數相同，稱等離子區。由于不存在空間電荷，整個弧區的特性類似于一金屬導體。每單位弧柱長度電壓降相等。其電位梯度E。也為一常數，電位梯度與電極材料、電流大小、氣體介質種類和氣壓等因素有關。

　　電弧按其外形分為長弧與短弧。長短之別一般取決于弧長與弧徑之比。把弧長大大超過弧徑的稱為長弧。長弧的電壓是近極壓降（陰極壓降與陽極壓降）與弧柱壓降之和。若弧長小于弧徑，兩極距離極短（如幾毫米）的電弧稱為短弧。此時兩極的熱作用強烈，近極區的過程起主要作用。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分為直流電弧和交流電弧。

　　電弧的形成原因

　　變壓器及各種用電設備投入或者退出電網時，都有開關電器來完成。當其在大氣中開斷時，只要電源電壓超過12～20V，被關斷的電流超過0.25～1A，在觸頭間（簡稱弧隙）就會產生一團溫度極高、發出強光、能導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，開斷220V交流電路時產生電弧的最小電流為0.5A。

　　實際上開關電器在工作時，電路的電壓和電流大都大于生弧電壓和生弧電流。即開斷電路時觸頭間隙中必然產生電弧這一現象。電弧的產生，一方面使電路仍舊保持導通狀態，而延遲了電路的開斷；另一方面電弧長久不熄還會燒損觸頭及附近的絕緣，嚴重時甚至引起開關電器的爆炸和火災。建立于電弧理論基礎上的各種開關電器的構造和工作原理，都和電弧有關，電弧在眾多電氣設備火災事故中，作為一個很重要的點火源，已引起消防界的重視。因此，我們必須掌握電弧的產生和熄滅的原理，以便采取正確的措施，防范爆炸和火災事故的發生。

　　電弧能夠形成導電通道，是因為觸頭開始分離時，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烈發熱。它首先被融化形成液態金屬橋，然后有一部分被汽化，變成金屬蒸汽進去弧隙。陰極表面在高溫作用下，也產生熱電發射，向弧隙發射電子。同時，觸頭間隙開始很小，電場強度極大，陰極表面內部的電子會在強電場作用下被拉出來，送向弧隙，這叫場強發射。由于場強發射和熱電發射在弧隙中形成的自由電子，又被強電場加速，向陽極運動，具有足夠動能的電子與弧隙介質中性點產生碰撞游離。這種現象不斷發生的結果，是觸頭間隙中的介質點大量游離，變成大量正、負帶電質點，從而使弧隙擊穿發弧。

　　電子動能大于介質的游離能（即游離電位）時，碰撞游離才能發生，但當電子動能小于介質游離能時．中性質點只能激勵。電子在弧隙電場中動能的大小，有電子速度決定，而電子平均速度與介質密度和電場強度有關。在開關電器觸頭間往往充以游離電位高的氫、六氟化硫等物質，來達到使電弧易于熄滅并難于重燃的目的。開關油作滅弧介質，因為它在電弧高溫下，能分解出游離電位高的氫氣，易于滅弧。

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

　　電弧產生原理圖

　　電弧產生原理圖也是一個簡易高壓發生器電路，使用一塊固定頻率脈寬調制電路TL494 產生方波信號控制MOS 管Q1，Q1 上的交變電流在通過串聯的黑白電視機高壓包T 的時候升壓到2k~10kV，升壓后經高壓包次級串聯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

　　在開關觸頭斷開時，加速觸頭分離，將電弧迅速拉長，從而降低了開關觸頭之間的電場強度，或者說電弧不足以維持電弧的燃燒，而使電弧熄滅。

　　a.用氣體吹動滅弧

　　利用任何一種較冷的絕緣介質的氣流來縱吹電弧（氣流方向與弧柱平行）或橫吹電弧（氣流方向與弧柱垂直），使電弧迅速擴散，加強冷卻，從而達到滅弧的目的。

　　b.采用多斷口滅弧

　　在高壓斷路器中，常制成每相有兩個或更多個串聯斷口，可將電弧分割成多個小電弧段。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速度快，從而弧隙電阻迅速增加，增大了介質強度的恢復速度；同時，加在每個斷口的電壓減小，使弧隙的電壓恢復速度降低，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度，將開關觸頭置于真空容器中，當電流過零時即能熄滅電弧。為防止產生過電壓，應當不使觸頭分開時電流突變為零。宜在觸頭間產生少量金屬蒸汽，形成電弧通道。當交流電流自然下降過零前后，這些金屬蒸汽便在真空中迅速飛散而熄滅電弧。

　　d.將電弧分為多個串聯的短弧

　　交流電弧，在電流過零的瞬間，新陰極附近在0.1us的時間內，立即出現大約150~250V的介質強度，稱為新陰極效應。當觸頭兩端外加交流電壓小于150V時，則電弧將熄滅。將長弧切成幾個短弧串聯就是利用新陰極效應滅弧。一般是采用絕緣板夾著許多金屬柵片組成滅弧柵，罩住開關觸頭的全行程。當開關觸頭分離時，長電弧在電動力和磁場力的作用下迅速移入滅弧柵，長電弧被滅弧片切割成一連串的短電弧，在電弧電流過零，電弧熄滅時，每兩柵片間均立即出現150~250伏的介質強度，設有n個柵片，則滅弧柵片總的介質強度為n（150~250）V，若作用于觸頭間的電壓小于該值時，不能維持電弧燃燒，電弧必然熄滅。也就是說，當所有柵片間的介質強度總和大于動、靜頭向外加電壓，電弧就不再重燃。

　　e.利用有機固體介質的狹縫滅弧

　　狹縫滅弧裝置，滅弧柵片電陶土或有機固體材料制成。當觸頭間產生電弧后，在磁吹線圈產生的磁場作用下，以電弧產生電動力，將電弧拉長進入滅弧柵片的狹縫中，電弧與柵片緊密接觸，冷卻電弧，加強去游離。同時有機固體介質在高溫作用下分解而產生氣體，壓力增大，使電弧強烈冷卻，最終熄滅

　　②冷卻滅弧法

　　降低電弧的溫度，使離子運動速度減慢，這樣不但使熱游離作用減弱，同時離子的復合作用也增強，有利于電弧的熄滅。溫度愈低，復合作用就愈強烈，電弧愈易熄滅.