[科普中國]-滅弧

在有觸點電器中，觸頭接通和分斷電流的過程往往伴隨著電弧的產(chǎn)生及熄滅。電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，對電器具有一定的危害。通過對電弧現(xiàn)象的介紹，分析其產(chǎn)生和熄滅的原因，介紹電器常用的滅弧方法及裝置，以解決電弧在電器中的影響。

電弧現(xiàn)象電弧是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(dāng)在大氣中開斷或閉合電壓超過10V、電流超過0.5A的電路時，在觸頭間隙（或稱弧隙）中會產(chǎn)生一團溫度極高、亮度極強并能導(dǎo)電的氣體，稱為電弧。由于電弧的高溫及強光，它可以廣泛應(yīng)用于焊接、熔煉、化學(xué)合成、強光源及空間技術(shù)等方面。對于有觸點電器而言，由于電弧主要產(chǎn)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，從而釀成火災(zāi)、危及人員及設(shè)備的安全。

若借助一定的儀器仔細觀察電弧，可以發(fā)現(xiàn)，除兩個極（觸頭）外，明顯的分為三個區(qū)域，即近陰極區(qū)、近陽極區(qū)及弧柱區(qū)，如下圖所示。

近陰極區(qū)的長度約等于電子的平均自由行程（小于10-6m）。在電場力的作用下正離子向陰極運動，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強度（約為10+6~10+7V/m）。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。

近陽極區(qū)的長度約等于近陰極區(qū)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且不斷被陽極吸收而形成電流。在此區(qū)域內(nèi)聚集著大量的電子形成負的空間電荷層，產(chǎn)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(qū)的長度比近陰極區(qū)的長，故其電場強度較小。

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

弧柱區(qū)的長度幾乎與兩電極間的距離相同。是電弧中溫度最高、亮度最強的區(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、負電粒子數(shù)相同，稱等離子區(qū)。由于不存在空間電荷，整個弧區(qū)的特性類似于一金屬導(dǎo)體。每單位弧柱長度電壓降相等。其電位梯度臣也為一常數(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)。

觸頭開斷電路時，產(chǎn)生電弧的原因主要有陰極熱發(fā)射電子、陰極冷發(fā)射電子、碰撞游離和熱游離等。1

電弧熄滅方法拉長電弧電弧拉長以后，電弧電壓將會增大，從而改變電弧的伏安特性。在直流電弧中，其靜伏安特性上移，電弧可以熄滅；在交流電弧中，由于燃弧電壓的提高，電弧重燃困難。

電弧的拉長可以沿電弧的軸向（縱向）拉長，也可以沿垂直于電弧軸向（橫向）拉長，如下圖所示。

滅弧罩滅弧罩是讓電弧與固體介質(zhì)相接觸以降低電弧溫度，從而加速電弧熄滅的比較常用的裝置。滅弧罩的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但其基本構(gòu)成單元為“縫”。我們將滅弧罩壁與壁之間構(gòu)成的間隙稱作“縫”。根據(jù)縫的數(shù)量可分為單縫和多縫。根據(jù)縫的寬度與電弧直徑之比可分為窄縫與寬縫?？p的寬度小于電弧直徑的稱窄縫，大于電弧直徑的稱寬縫。根據(jù)縫的軸線與電弧軸線間的相對位置關(guān)系可分為縱縫與橫縫。縫的軸線和電弧軸線相平行的稱為縱縫，兩者相垂直的則稱為橫縫。

油冷滅弧裝置油冷滅弧是將電弧置于液體介質(zhì)（一般為變壓器油）中，電弧將油氣化、分解而形成油氣。油氣中主要成分是氫，在油中以氣泡的形式包圍電弧。氫氣具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)，這就使電弧的熱量容易散發(fā)。另外，由于存在著溫度差，所以氣泡產(chǎn)生運動，又進一步加強了電弧的冷卻。若要再提高其滅弧效果，可在油箱中加設(shè)一定機構(gòu)，使電弧定向發(fā)生運動，這就是油吹滅弧。由于油中的滅弧能力比大氣中滅弧能力強得多，所以這種方法一般用于高壓電器中，如油開關(guān)。

氣吹滅弧裝置氣吹滅弧是利用壓縮空氣來熄滅電弧的。壓縮空氣作用于電弧，可以很好地冷卻電弧、提高電弧區(qū)的壓力、很快帶走殘余的游離氣體，所以有較高的滅弧性能。按照氣流吹弧的方向，它可以分為橫吹和縱吹兩類。橫吹滅弧裝置的絕緣件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電流小時橫吹過強會引起很高的過電壓，故已被淘汰。下圖表示了縱吹（徑向吹）的一種形式。壓縮空氣沿電弧徑向吹入，然后通過動觸頭的噴口、內(nèi)孔向大氣排出，電弧的弧根能很快被吹離觸頭表面因而觸頭接觸表面不易燒損。因為壓縮空氣的壓力與電弧本身無關(guān)，所以使用氣吹滅弧時要注意熄滅小電流電弧時容易引起過電壓。由于氣吹滅弧的滅弧能力較強，故一般運用在高壓電器中，如韶山系列電力機車的空氣斷路器（主斷路器）。

橫向金屬柵片滅弧橫向金屬柵片又稱去離子?xùn)?，它利用的是短弧滅弧原理。它使用磁性材料的金屬片置于電弧中，將電弧分成若干短弧，利用交流電弧的近陰極效應(yīng)和直流電弧的近極壓降來達到熄滅電弧的目的。

橫向金屬柵片滅弧情況如下圖所示。柵片的材料一般采用鐵，當(dāng)電弧靠近鐵柵片時，由于鐵片為磁性材料，所以柵片本身就具有一個把電弧拉入柵片的磁場力（當(dāng)電弧移近金屬柵的上沿時，鐵柵片又具有把電弧拉回的特性，可防止電弧逸出柵外燒損其他物件）。當(dāng)電弧被這個磁場力或外力作用剛進入鐵片柵中時，由于磁阻較大，鐵片柵對電弧的吸力不大。為了減小電弧剛進入鐵柵片時的空氣阻力，鐵柵片作成楔口并交叉裝配，如下圖（b）所示，即只讓電弧先進入一半鐵片柵中以增大最初接觸電弧的鐵片片距。隨著電弧繼續(xù)進入鐵片柵中，磁阻減小，鐵片對電弧的拉力增大，足以使電弧進入所有的鐵片柵中。電弧進入柵片后分成許多串聯(lián)短弧，電流回路產(chǎn)生作用于各短弧上的電動力使短弧繼續(xù)發(fā)生運動。此時應(yīng)注意使短弧被拉回向觸頭方向運動的力，它會使電弧重燃并燒損觸頭。為了消除這種現(xiàn)象，可以采用凹形柵片和O形柵片。鐵柵片在使用時一般外表面要鍍上一層銅，以增大傳熱能力和防止鐵片生銹。

真空滅弧裝置真空滅弧是使觸頭電弧的產(chǎn)生和熄滅在真空中進行，它是依據(jù)零點熄弧原理，以真空為熄弧介質(zhì)工作的。

在真空中氣體很稀薄，電子的自由行程遠大于觸頭間的距離。當(dāng)真空度為10-5mm汞柱時，電子的自由行程長達43m。自由電子在弧隙中作定向運動時幾乎不會和氣體分子或原子相碰撞，不會產(chǎn)生碰撞游離。所以將觸頭置于真空中斷開時產(chǎn)生的電弧是由于陰極發(fā)射電子和產(chǎn)生的金屬蒸氣被電離而形成的。當(dāng)電弧電流接近零時，陰極發(fā)射的電子和金屬蒸氣減少，弧隙中殘留的金屬蒸氣和等離子體向周圍真空迅速擴散。這樣，弧隙可以在數(shù)微秒之內(nèi)由導(dǎo)電狀態(tài)恢復(fù)到真空間隙的絕緣水平。因此，在真空中觸頭有很高的介質(zhì)恢復(fù)速度、絕緣能力和分斷電流的能力。

真空電弧按其電流的大小可分為擴散弧和收縮弧兩種。擴散弧的電流較?。◣装僦翈浊О才啵?，此時電弧分裂為許多并聯(lián)的支弧。每～支弧有自己的陰極斑點和弧柱，陰極斑點互相排斥且均勻分布在陰極上。在電磁場的作用下陰極斑點不斷地沿左旋方向運動，觸頭表面的平均溫度較低且分布均勻。陽極此時不存在陽極斑點，陰極斑點既發(fā)射電子又產(chǎn)生金屬蒸氣。當(dāng)電流接近于零值時，最終只剩下一個斑點，電流過零時，電弧自行熄滅。當(dāng)擴散弧的電流增加到足夠大時，陰極斑點相互聚成一團，運動速度很小甚至不再運動：陰極表面不但產(chǎn)生大量的金屬蒸氣，而且有一部分金屬直接以顆?；蛞旱蔚男问较蚧∠秶娚洹ｊ枠O此時也出現(xiàn)熾熱的陽極斑點且蒸發(fā)和噴射一定數(shù)量的金屬，觸頭的電磨損迅速增加。當(dāng)真空滅弧裝置中出現(xiàn)收縮弧后，就不能再開斷電路。電弧由擴散弧轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s弧的電流，也就是該真空滅弧裝置的極限開斷電流，它隨觸頭材料和直徑大小的不同而不同。

在開斷交流電路時，當(dāng)被開斷的電流減小到某一數(shù)值時，擴散弧會發(fā)生被稱為截流的電流突然被截斷的現(xiàn)象。這樣，在開斷感性負載電流時，弧隙上將產(chǎn)生很高的過電壓，這是使用真空滅弧裝置應(yīng)注意的問題。1

真空滅弧滅弧室的基本結(jié)構(gòu)

真空滅弧室的基本結(jié)構(gòu)如圖上圖所示。外殼4是用玻璃、陶瓷或微晶玻璃等無機絕緣材料做成的，呈圓筒形狀，兩端用金屬蓋板封接組成一個密封容器。外殼內(nèi)部有一對觸頭5，其中靜觸頭匿定在靜導(dǎo)電桿1的端頭，動觸頭固定在動導(dǎo)電桿7的端頭。動導(dǎo)電桿通過波紋管6和金屬蓋板的中心孔伸出真空滅弧室外。動導(dǎo)電桿在中部與波裂管的一個端口焊在一起。波紋管的另一個端口與金屬蓋板焊接。波紋管是一種彈性元件，側(cè)壁呈波浪狀的金屬管，它可以縱向伸縮。由于在動導(dǎo)電桿和金屬蓋板之間引入了一個波紋管，真空滅弧室的外殼就被完全密封，動導(dǎo)電桿可以前后移動，但不會破壞外殼的密封性。真空滅弧室內(nèi)部的氣壓應(yīng)低于10-3Pa，一般為10-4Pa左右，因而動觸頭和靜觸頭始終是處在高真空狀態(tài)下。在觸頭和波紋管周圍都設(shè)有屏蔽罩，觸頭周圍的屏蔽罩3稱做主屏蔽罩由瓷柱2支撐，波紋管周圍的屏蔽罩稱做輔助屏蔽罩或波紋管屏蔽罩。

如果真空開關(guān)接入如下圖所示的電路，當(dāng)操動機構(gòu)使動導(dǎo)電桿向上運動時，動觸頭和靜觸頭就會閉合，電源與負載接通，電流就流過負載。反之，動導(dǎo)電桿作反方向向下運動時，動觸頭就會分離，在剛分離的瞬筒，觸頭之間將立刻產(chǎn)生真空電弧，真空電弧是依靠觸頭上蒸發(fā)出來的金屬蒸汽來維持的，直到工頻交流電流接近零時，金屬蒸汽將接近停止蒸發(fā)，同時加上真空電弧的等離子體很快向四周擴散，電弧就被熄滅，觸頭間隙很快地變?yōu)榻^緣體，于是電流就被分斷。

真空滅弧室按用途可以分為斷路器用、負荷開關(guān)用、接觸器用和特殊用途等分類。斷路器用的真空滅弧室要求具有開斷短路電流的能力，用于電路和電氣設(shè)備的過載和短路保護，一般不經(jīng)常操作，短路電流的開斷次數(shù)可達30~100次。

負荷開關(guān)用的真空滅弧室只要求開斷負荷電流，即開斷額定工作電流。它常與熔斷器配套組合，由熔斷器作短路保護。在負載情況下的開斷次數(shù)為200～300次。

接觸器用的真空滅弧室要求在一定負荷電流下能作頻繁操作，它的操作次數(shù)可達到50萬次到100萬次，甚至更多。也常和熔斷器串聯(lián)配套使用。

特殊用的真空滅弧室是指在特定條件下運行的真空滅弧室。例如，托克馬克（Tokmak）設(shè)備上用的真空開關(guān)，它要求真空滅弧室既具有開斷接近短路電流的能力，同時又能作頻繁的操作。這些要求無疑是十分苛刻的，但對真空滅弧室來說，經(jīng)過嚴密的設(shè)計也能滿意地達到預(yù)期的目標。其它如開斷高壓直流用的真空滅弧室、觸發(fā)點火用的真空滅弧室和切斷高頻電流用的真空滅弧室等等。

真空滅弧室按不同的觸頭結(jié)構(gòu)，可分為平板形觸頭結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生橫向磁場的觸頭結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生縱向磁場的觸頭結(jié)構(gòu)、縱橫磁場相結(jié)合的觸頭結(jié)構(gòu)（又稱作杯狀觸頭結(jié)構(gòu)）和其它特殊型式的觸頭結(jié)構(gòu)等。

真空滅弧室按絕緣外殼材料不同可分作，玻璃外殼真空滅弧室（絕緣外殼用玻璃制成）、陶瓷外殼真空滅弧室（絕緣外殼用陶瓷制成）和微晶玻璃外殼真空滅弧室（絕緣外殼用微晶玻璃制成）。2

滅弧系統(tǒng)故障原理及處理滅弧罩是讓電弧與固體介質(zhì)相接觸以降低電弧溫度，從而加速電弧熄滅的比較常用的裝置。滅弧罩的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但其基本構(gòu)成單元為“縫”。我們將滅弧罩壁與壁之間構(gòu)成的間隙稱作“縫”。根據(jù)縫的數(shù)量可分為單縫和多縫。根據(jù)縫的寬度與電弧直徑之比可分為窄

滅弧裝置是開關(guān)的重要組成部分，尤其是對斷路器、熔斷器等顯得更加重要。

開關(guān)的滅弧方式很多，主要有：

采用壓縮彈簧，使開關(guān)高速斷開。

利用空氣或某些氣體吹弧，使電弧迅速冷卻和拉長。

使電弧與固定介質(zhì)接觸，使電弧拉長并迅速冷卻，如絕緣滅弧柵就屬于這種。

將電弧分成若干段，以利熄弧，如金屬弧柵等。

將觸頭置于絕緣油中，使電弧迅速冷卻。

如果開關(guān)不能正常滅弧，將導(dǎo)致開關(guān)損壞，進而使電氣裝置發(fā)生更大的故障。滅弧系統(tǒng)故障的主要原因如下所述：

1.滅弧罩受潮

滅弧罩通常由石棉水泥板或纖維板制成，容易受潮。受潮以后，絕緣性能降低，電弧不能被拉長。同時，電弧燃燒時，在電弧高溫作用下使滅弧罩內(nèi)水分汽化，造成滅弧罩上部空間壓力增大，阻止了電弧進人滅弧罩，延長滅弧時間。對于這種故障比較易于判斷。正常時，電弧噴射范圍很大，并且聽到軟弱無力的“卜、卜'’聲；若發(fā)生觸頭燒毛嚴重、有滅弧罩燒焦等現(xiàn)象，就說明滅弧罩已經(jīng)受潮。這時，只要將滅弧罩烘干即可。

2.滅弧罩炭化 滅弧罩在高溫作用下，其表面被燒焦，形成一種炭質(zhì)的導(dǎo)電橋，對滅弧很不利，應(yīng)及時處理。處理的方法可用細銼輕輕銼掉，但不能增加粗糙度，因為毛糙的表面會增大電弧的阻力。

3.磁吹線圈短路為了將電弧引入滅弧罩中，一些開關(guān)采用磁吹線圈。這種線圈一般采用空氣絕緣，不另外增加絕緣材料。如果線圈受到碰撞變形、導(dǎo)電灰塵積聚太多，就會出現(xiàn)線圈短路或匝間短路，使線圈不能工作，降低了開關(guān)的滅弧性能。

4.滅孤柵片損壞 金屬滅弧柵片脫落、銹蝕將使電弧不能順利拉人柵片中，影響滅弧效果，因此應(yīng)及時修補。滅弧柵片外表看似銅質(zhì)，其實絕大部分是鋼質(zhì)的，僅表面鍍了一層銅。損壞的柵片可用普通白鐵片代替。

5.滅弧觸頭的故障 滅弧觸頭起招引電弧的作用，是保護主觸頭的。它的基本工作程序是：先于工作觸頭閉合，后于工作觸頭打開。如果磨損嚴重或裝配不合理，將失去其作用，因此，應(yīng)定期檢查調(diào)整。3

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李雪梅 - 副教授 - 西南大學(xué)