任务二 电弧的特性和熄灭方法
认知1 交流电弧的特性及熄灭条件
一、交流电弧的特性
在交流电路中产生的电弧称为交流电弧。交流电弧的特性如下：
（1）交流电弧具有动态特性。在交流电路中，电流瞬时值随时间变化，因而电弧的温度、直径以及电弧电压也随时间变化，电弧的这种特性称为动特性。
在一个周期内交流电弧电流及电压随时间的变化关系如图44所示，图中A点称为燃弧电压，B点称为熄弧电压，熄弧电压低于燃弧电压。电弧电压呈马鞍形变化，电流小时，电弧电压高；电流大时，电弧电压减小且接近于常数。
（2）电弧具有热惯性。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟不上快速变化的电流，所以电弧温度的变化总滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。
（3）交流电流每半个周期过零一次，称为“自然过零”。电流过零时，电弧自然熄灭。如果电弧是稳定燃烧的，则电弧电流过零熄灭后在另半周又会重燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就熄灭。
二、交流电弧的熄灭条件
图44 交流电弧伏安特性及电压和电流波形
交流电弧的燃烧过程与直流电弧的基本区别在于交流电弧中电流每半周要经过零点一
（a）伏安特性；（b）波形
次，此时电弧自然暂时熄灭。在电流过零时，采取有效措施加强弧隙的冷却，使弧隙介质的绝缘能力达到不会被弧隙外施电压击穿的程度，则在下半周电弧就不会重燃而最终熄灭。交流电流过零后，电弧是否重燃取决于弧隙介质绝缘能力或介电强度和弧隙电压的恢复。
1.弧隙介质介电强度的恢复
弧隙介质能够承受外加电压作用而不致使弧隙击穿的电压称为弧隙的绝缘能力或介电强度。
当电弧电流过零时电弧熄灭，弧隙中去游离作用继续进行，弧隙电阻不断增大，但弧
隙介质的介电强度要恢复到正常状态值需要有一个过程，此恢复过程称为弧隙介质介电强度的恢复过程，以能耐受的电压Uj表示。
图45 介质介电强度的恢复过程曲线
1—真空；2—SF6；3—空气；4—油
介质介电强度的恢复速度与冷却条件、电流大小、开关电器灭弧装置的结构和灭弧介质的性质有关。图45所示为不同介质的介电强度恢复过程曲线。从图45中可见，在电流过零瞬间（t=0），介电强度突然出现升高的现象，此现象称为近阴极效应。这是因为电流过零后，弧隙的电极极性发生了改变，弧隙中剩余的带电质点的运动方向也相应改变，质量小的电子迅速向新的阳极运动，而比电子质量大很多倍的正离子由于惯性大，来不及改变运动方向而停留在原地未动，导致新的阴极附近形成了一个正电荷的离
子层，如图46所示，正空间电荷层使阴极附近出现了150～250V的起始介电强度，称近阴极效应。在低压电器中，常利用近阴极效应这个特性来灭弧。
2.弧隙电压的恢复过程
电流过零使电弧熄灭后，加在弧隙上的电压称为恢复电压。电弧电流过零前，弧隙电压呈马鞍形变化，电压值很低，电源电压的绝大部分降落在线路和负载阻抗上。电流过零图46 近阴极效应
图47 恢复电压非周期性变化过程
（a）电荷分布；（b）电压分布
时，弧隙电压等于熄弧电压，正处于马鞍形的后峰值处，电流过零后，弧隙电压从后峰值逐渐增长，一直恢复到电源电压，弧隙电压从熄弧电压变成电源电压的过程，称为弧隙电压恢复过程，用Uhf（t）表示电压恢复过程。电压恢复过程与电路参数、负荷性质等有关。受电路参数等因素的影响，电压恢复过程可能是周期性的变化过程，也可能是非周期性变化过程。图47所示为弧隙恢复电压按指数规律变化的非周期性过程，图4 7中U0是电弧自然熄灭瞬间的电源相电压，Uxh为熄弧电压，Uhf是弧隙恢复电压，依指数规律上升的恢复电压最大值不会超过U0，也就是说，不会在电压恢复过程中出现过电压。图48所示是恢复电压呈现周期性振荡的变化过程，这时弧隙的恢复电压最大值理论上可达到2U0，实际中由于电阻影响，弧隙恢复电压振荡有衰减，实际最大值为（1.3～1.6）U0。周期性振荡的恢复电压更容易超过弧隙介质强度，造成电弧重燃。
图48 周期性振荡恢
图49 交流电弧在过零后重燃和熄灭
复电压变化过程
（a）重燃；（b）熄灭
3.交流电弧的熄灭条件
电弧电流过零后，电弧自然熄灭。电流过零后，弧隙中同时存在着两个作用相反的恢复过程，即介质介电强度恢复过程Uj和弧隙电压的恢复过程Uhf。如果弧隙介质介电强度在任何情况下都高于弧隙恢复电压，则电弧熄灭；反之，如果弧隙恢复电压高于弧隙介质介电强度，弧隙就被击穿，电弧重燃，如图49所示。因此，交流电弧的熄灭条件为
Uj（t）＞Uhf（t）
综上所述，在交流电弧的灭弧中，应充分利用交流电流的自然过零点，采取有效的措施，加大弧隙间去游离的强度，使电弧不再重燃，最终熄灭。
认知2 熄灭交流电弧的基本方法
开断交流电弧时，在电流达到零值以后，加强对弧隙的冷却，抑制热游离，加强去游离。为此，在开关设备中均装设了灭弧装置，或称为灭弧室，灭弧室不断改进，大大提高了开关的灭弧能力。另外，为了进一步提高灭弧能力，还可以采用性能更为优越的新型灭弧介质，如六氟化硫断路器的使用等。目前，在开关电器中广泛采用的灭弧方法有以下几种。
1.吹弧
利用灭弧介质（气体、油等）在灭弧室中吹动电弧，广泛应用在开关电器中，特别是高压断路器中。
按吹弧气流的产生方法和吹弧方向的不同，吹弧可分为以下几种：（1）吹弧气流产生的方法分类。
1）用油气吹弧。用油气作吹弧介质的断路器称为油断路器。在这种断路器中，有用专用材料制成的灭弧室，其中充满了绝缘油。当断路器触头分离产生电弧后，电弧的高温使一部分绝缘油迅速分解为氢气、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳等气体，其中氢的灭弧能力是空气的7.5倍。这些油气体在灭弧室中积蓄能量，一旦打开吹口，即形成高压气流吹弧。
2）用压缩空气或六氟化硫气体吹弧。将20个左右大气压的压缩空气或5个大气压左右的六氟化硫气体（SF6）先储存在专门的储气罐中，断路器分闸时产生电弧，随后打开
喷口，用具有一定压力的气体吹弧。
3）产气管吹弧。产气管由纤维、塑料等有机固体材料制成，电弧燃烧时与管的内壁紧密接触，在高温作用下，一部分管壁材料迅速分解为氢气、二氧化碳等，这些气体在管内受热膨胀，增高压力，向管的端部形成吹弧。
（2）按吹弧的方向分类。
1）横吹。吹弧方向与电弧轴线相垂直时，称为横吹，如图4 10（a）所示。横吹更易于把电弧吹弯拉长，增大电弧表面积，加强冷却和增强扩散。
图410 吹弧方法
（a）横吹；（b）纵吹
2）纵吹。吹动方向与电弧轴线一致时，称为纵吹，如图4 10（b）所示。纵吹能促使弧柱内带电质点向外扩散，新鲜介质更好地与炽热的电弧相接触，冷却作用加强，易于熄灭。
3）纵横吹。横吹灭弧室在开断小电流时，因灭弧室内压力太小，开断性能差。为了改善开断小电流时的灭弧性能，可将纵吹和横吹结合起来。在开断大电流时主要靠横吹，开断小电流时主要靠纵吹。
2.采用多断口灭弧
图411 双断口示意图
1—静触头；2—电弧；
3—动触头
在许多高压断路器中，常采用每相两个或多个断口相串联的方式，如图411所示。熄弧时，利用多断口把电弧分解为多个相串联的短电弧，使电弧的总长度加长，弧隙电导下降；在触头行程、分闸速度相同的情况下，电弧被拉长的速度成倍增加，促使弧隙电导迅速下降，提高了介电强度的恢复速度。另外，加在每一断口上的电压减小数倍，输入电弧的功率和能量减小，降低了弧隙电压的恢复速度，缩短了灭弧时间。多断口比单断口具有更好的灭弧性能，便于采用积木式结构（用于110kV及以上电
压的断路器中）。
3.提高分闸速度
熄灭交流电弧的关键在于电弧电流过零后，弧隙的介质强度的恢复过程能否始终大于弧隙电压的恢复过程。为了加强冷却，抑制热游离，增强去游离，在开关电器中装设专用的灭弧装置或使用特殊的灭弧介质，以提高开关的灭弧能力。
迅速拉长电弧，有利于迅速减小弧柱中的电位梯度，增加电弧与周围介质的接触面积，加强冷却和扩散的作用。因此，现代高压开关中都采取了迅速拉长电弧的措施灭弧，
如采用强力分闸弹簧，其分闸速度已达16m/
s以上。
4.短弧原理灭弧
这种灭弧方法常用于低压开关电器中，如自动开关和电磁接触器等。利用一个金属灭弧栅将电弧分为多个短弧，利用近阴极效应的方法灭弧，如图412所示。灭弧栅用金属材料制成，触头间产生的电弧被磁吹线圈驱入灭弧栅，每两个栅片间就是一个短弧，每个短弧在电流过零时新阴极产生150～250V的起始介电强度，如果所有串联短弧的
图412 电弧在灭弧栅内熄灭
1—灭弧栅片；2—电弧；3—电弧移动位置；
4—静触头；5—动触头
起始介电强度总和始终大于触头间的外加电压，电弧就不会重燃而熄灭。在低压电路中，电源电压远小于起始介质强度之和，因而电弧不能重燃。
5.用耐高温金属材料制作触头
触头材料对电弧中的去游离也有一定影响，用熔点高、热导率和热容量大的耐高温金属制作触头，可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸汽，从而减弱了游离过程，有利于熄灭电弧。
灭弧介质的特性，如热导率、电强度、热游离温度、热容量等，对电弧的游离程度具有很大影响，这些参数值越大，去游离作用就越强。在高压开关中，广泛采用压缩空气、六氟化硫（SF6）气体、真空等作为灭弧介质。
6.采用优质灭弧介质
灭弧介质的特性，如热导率、介电强度、热游离温度、热容量等，对电弧的游离程度有很大影响，这些参数值越大，去游离作用越强。现代高压开关中，广泛采用油、压缩空气、SF6气体、真空等作为灭弧介质。
7.利用固体介质的狭缝灭弧装置灭弧
低压开关中也广泛应用狭缝灭弧装置灭弧。狭缝由耐高温的绝缘材料（如陶土或石棉水泥）制作，通常称为灭弧罩。电弧形成后，用磁吹线圈产生的磁场作用于电弧，电弧受电动力作用吹入狭缝中，把电弧迅速拉长的同时，电弧与灭弧罩内壁紧密接触，热量被冷的灭弧罩吸收，电弧温度下降，电弧表面被冷却和吸附；又因窄缝中的气体被加热使压力很大，加强了电弧中的复合过程。图413是狭缝灭弧装置的工作原理示意图。
图413 狭缝灭弧装置的工作原理
（a）灭弧装置；（b）迷宫式灭弧片；（c）磁吹弧原理
1—磁吹铁芯；2—磁吹线圈；3—静触头；4—动触头；5—灭弧片；6—灭弧罩；7—电弧移动位置
磁吹力的产生靠外加磁场，使电弧在磁场中受力向灭弧室狭缝中移动。