電弧的形成主要是什么所致

一般意義上的過電壓保護器是對工頻過電壓進行保護蔽穗的，所謂工頻過電壓，往往產(chǎn)生在操作過程中，如開關(guān)開斷時電弧未過零就被開斷時會有過電壓，回路開斷時由于回路波阻抗不同而產(chǎn)生電壓反射波疊加的操作過電壓等等，這些過電壓都是工頻過電壓，也就是其電壓波形的頻率還是維持50HZ沒變。

避雷器是保護雷電過電壓的，這種過電壓波形前端很陡，頻率很高，但后續(xù)電流很小，避雷器可以將雷電波的峰值泄放 從而保證其后面的電器安全

斷路器切斷通有電流的回路時，只要電源電壓大于10～20V，電流大于80～100mA，在動、靜觸頭分開瞬間，觸頭間隙就會出現(xiàn)電弧。此時，觸頭雖然已分開，但是電路中的電流還在繼續(xù)流通，只有熄滅電弧，電路才真正斷開。本節(jié)介紹開關(guān)電弧的基本知識與各種滅弧方法的原理。

一、電弧的形成

電弧的產(chǎn)生和維持是觸頭間隙的絕緣介質(zhì)的中性質(zhì)點(分子和原子)被游離的結(jié)果，游離是指中性質(zhì)點轉(zhuǎn)化為帶電質(zhì)點。電弧的形成過程就是氣態(tài)介質(zhì)或液態(tài)介質(zhì)高溫氣化后的氣態(tài)介質(zhì)向等離子體態(tài)的轉(zhuǎn)化過程。因此，電弧是一種游離氣體的放電現(xiàn)象。

強電場發(fā)射是觸頭間隙最初產(chǎn)生電子的主要原因。在觸頭剛分開的瞬間，間隙很小，間隙的電場強度很大，陰極表面的電子被電場力拉出而進入觸頭間隙成為自由電子。

電弧的產(chǎn)生是碰撞游離所致。陰極表面發(fā)射的電子和觸頭間隙原宏昌卜有的少數(shù)電子在強電場作用下，加速向陽極移動，并積累動能，當具有足夠大動能的電子與介質(zhì)的中性質(zhì)點相碰撞時，產(chǎn)生正離子與新的自由電子，這種現(xiàn)象不斷發(fā)生的結(jié)果，使觸頭間隙中的電子與正離子大量增加，它們定向移動形成電流，介質(zhì)強度急劇下降，間隙被擊穿，電流急劇增大，出現(xiàn)光效應和熱效應而形成電弧。

熱游離維持電弧的燃燒。電弧形成后，弧隙溫度劇增，可達6000℃～10000℃以上。在高溫作用下，弧隙中性質(zhì)點獲得大量的動能，且熱運動加劇，當其相互碰撞時，產(chǎn)生正離子與自由電子。這種由熱運動而產(chǎn)生的游離叫熱游離。一般氣體游離溫度為9000℃～10000℃，金屬蒸氣熱游離溫度約為4000～5000℃。因此熱游離足以維持電弧的燃燒。

二、電弧的熄滅

在中性質(zhì)點發(fā)生游離的同時，還存在著使帶電質(zhì)點不斷減少的去游離。去游離的主要形式是復合與擴散。

1．復合

復合是異性帶電質(zhì)點彼此的中和。復合速率與下列因素有關(guān)：

1)帶電質(zhì)點濃度越大，復合機率越高。當電弧電流一定時，弧截面越小或介質(zhì)壓力越大，帶電質(zhì)點濃度也越大，復合就強。故斷路器采用小直徑的滅弧室，可以提高弧隙帶電質(zhì)點的濃度，增強滅弧性能；

2)電弧溫度越低，帶電質(zhì)點運動速度越慢，復合就容易。故加強電弧冷卻，能促進復合。在交流電弧中，當電流接近零時，弧隙溫度驟降，此時復合特別強烈；

3)弧隙電場強度小，帶電質(zhì)點運動速度慢，復合的可能性就增大。所以提高斷路器的開斷速度，對復合有利。

2．擴散

擴散是指帶電質(zhì)點從弧隙逸出進入周圍介質(zhì)中的現(xiàn)象。擴散去游離主要有兩種。

l)溫度擴散。弧隙與其周圍介質(zhì)的溫差越大，擴散越強。用冷卻介質(zhì)吹弧，或電弧在周圍介質(zhì)中運動，都可增大電弧與周圍介質(zhì)的溫差，加強擴散作用。

2)濃度擴散。電弧與周圍介質(zhì)離子的濃度相差越大，擴散就越強烈。

當游離大于去游離時，電子與離子濃度增加，電弧加強；當游離與去游離相等時，電弧穩(wěn)定燃燒；當游離小于去游離時，電弧減少以致熄滅。所以要促使電弧熄滅就必須削弱游離作用，加強去游離作用。斷路器綜合利用上述原理，制成各式滅弧裝置，能迅速而有效地熄滅短路電流產(chǎn)生的強大電弧。

三、交流電弧的開斷

交流電弧電流每周自然過零兩次。在電流過零時，電弧暫時熄滅。因此熄滅交流電弧，就是讓交流電弧過零后電弧不重燃。

交流電弧過零時自然熄滅，過零后是否重燃，取決于電源加在弧隙上的恢復電壓與弧隙介質(zhì)強度的耐壓能力的恢復情況。

弧隙介質(zhì)強度恢復過程是指電弧電流過零時電弧熄滅，而弧隙的絕緣能力要經(jīng)過一定時間才能恢復到絕緣的正常狀態(tài)的過程，此過程稱為弧隙介質(zhì)強度的恢復過程。主要由迅祥斷路器滅弧裝置的結(jié)構(gòu)和滅弧介質(zhì)的性質(zhì)決定。

弧隙電壓恢復過程是指電弧電流過零時電弧熄滅，電源電壓施加于弧隙上的電壓將從不大的熄弧電壓逐漸增大直到電源電壓的過程，稱為弧隙電壓恢復過程。主要取決于線路電路參數(shù)(電阻、電容、電感)和負荷性質(zhì)，一般電阻性電路的電弧最易熄滅。

交流電弧的熄滅條件是，交流電弧過后，弧隙介質(zhì)強度恢復過程永遠大于弧隙電壓恢復過程。

四、滅弧的基本方法

滅弧的基本方法就是加強去游離提高弧隙介質(zhì)強度的恢復過程，或改變電路參數(shù)降低弧隙電壓的恢復過程，目前開關(guān)電器的主要滅弧方法有：

1．利用介質(zhì)滅弧

弧隙的去游離在很大程度上，取決于電弧周圍滅弧介質(zhì)的特性。六氟化硫(SF6)氣體是很好的滅弧介質(zhì)，其電負性很強，能迅速吸附電子而形成穩(wěn)定的負離子，有利于復合去游離，其滅弧能力比空氣約強100倍；真空(壓強在0.013Pa以下)也是很好的滅弧介質(zhì)，因真空中的中性質(zhì)點很少，不易于發(fā)生碰撞游離，且真空有利于擴散去游離，其滅弧能力比空氣約強15倍。

采用不同介質(zhì)可以制成不同的斷路器，如油斷路器、六氟化硫斷路器和真空斷路器。

2．利用氣體或油吹動電弧

吹弧使弧隙帶電質(zhì)點擴散和冷卻復合。在高壓斷路器中利用各種滅弧室結(jié)構(gòu)形式，使氣體或油產(chǎn)生巨大的壓力并有力地吹向弧隙。吹弧方式主要有縱吹與橫吹兩種。縱吹是吹動方向與電弧平行，它促使電弧變細；橫吹是吹動方向與電弧垂直，它把電弧拉長并切斷。

3．采用特殊的金屬材料作滅弧觸頭

采用熔點高、導熱系數(shù)和熱容量大的耐高溫金屬作觸頭材料，可減少熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸氣，得到抑制游離的作用；同時采用的觸頭材料還要求有較高的抗電弧、抗熔焊能力。常用觸頭材料有銅鎢合金、銀鎢合金等。

4．電磁吹弧

電弧在電磁力作用下產(chǎn)生運動的現(xiàn)象，叫電磁吹弧。由于電弧在周圍介質(zhì)中運動，它起著與氣吹的同樣效果，從而達到熄弧的目的。這種滅弧的方法在低壓開關(guān)電器中應用得更為廣泛。

5．使電弧在固體介質(zhì)的狹縫中運動

此種滅弧的方式又叫狹縫滅弧。由于電弧在介質(zhì)的狹縫中運動，一方面受到冷卻，加強了去游離作用；另一方面電弧被拉長，弧徑被壓小，弧電阻增大，促使電弧熄滅。

6．將長弧分隔成短弧

當電弧經(jīng)過與其垂直的一排金屬柵片時，長電弧被分割成若干段短弧；而短電弧的電壓降主要降落在陰、陽極區(qū)內(nèi)，如果柵片的數(shù)目足夠多，使各段維持電弧燃燒所需的最低電壓降的總和大于外加電壓時，電弧就自行熄滅。另外，在交流電流過零后，由于近陰極效應，每段弧隙介質(zhì)強度驟增到150～250V，采用多段弧隙串聯(lián)，可獲得較高的介質(zhì)強度，使電弧在過零熄滅后不再重燃。

7．采用多斷口滅弧

高壓斷路器每相由兩個或多個斷口串聯(lián)，使得每一斷口承受的電壓降低，相當于觸頭分斷速度成倍地提高，使電弧迅速拉長，對滅弧有利。

8．提高斷路器觸頭的分離速度

提高了拉長電弧的速度，有利于電弧冷卻復合和擴散。