電弧的形成機制與滅弧原理研究

李維剛，鄭全新

（荊楚理工學院，湖北 荊門 448000）

1 電弧現象

電弧現象是電氣工程領域的基本問題，在電氣工程領域，經常需要研究電弧的利用或抑制問題；因此，有必要對電弧現象進行介紹。通過實驗發現，電弧發生時會產生大量的熱量，發出強烈的弧光，且電弧在外力的作用下可漂移。把電弧分為陰極區域、陽極區域及弧柱區域分別加以說明。陰極區域：大量正離子在電場力作用下向陰極做加速運動，聚集到陰極附近，而形成由正離子組成的空間電荷區，電場強度較高。陽極區域：自由電子在電場力作用下向陽極聚集，不斷被陽極吸收并由此形成電流；在此區域，聚集的大量電子形成了負空間電荷區。電弧中的高溫高亮度區域在通常狀態呈圓柱形，故稱弧柱；弧柱區域正、負離子數相同，是等離子區。

有關研究人員通過電弧熱等離子體建模仿真研究，將電弧建模劃分為外部電氣特性和內部理化特性兩種方式[1]。外部電氣特性將電弧看作系統電路的一部分；內部理化特性應用物理學（流體力學、動力學和熱力學）和電磁學等相關理論。通過對電弧內部特性進行研究和分析，從電弧流體的宏觀屬性和微觀粒子屬性兩方面描述電弧的內部物理化學動態發展和變化過程。

2 電弧的性質與產生條件

通過對交流電流、負載為阻性、觸頭分斷電流150 A電弧放電的動態變化規律進行研究發現，隨著觸頭斷開時間延長，電弧放電面積先增大，趨于穩定后再減小；從電弧燃燒形態來看，電弧燃燒呈仿錘形；從電弧放電時電路的功率變化來看，隨著觸頭斷開時間延長，電弧放電面積和電路功率變化呈正相關，即具有相同的趨勢；從電弧放電面積變化和電路功率變化時間先后看，由于電弧的熱滯后使電弧面積的變化滯后于電弧功率的變化[2]。

電弧的弧光放電與電暈放電、火花一樣，是一種氣體放電形式。在電場強度達到一定值時，弧光放電能持續進行，故弧光放電是一種自持放電形式。另外，電弧的溫度極高，以電氣工程實踐中應用最為廣泛的電弧焊為例，焊接時電弧的溫度為6 000～8 000 ℃。電弧性質總結：電弧是一種高溫、可電導、游離的氣體。根據大量研究發現，電弧產生的具體條件為：在開關電氣設備斷開的瞬間，如果觸頭兩極的電壓大于10 V，切斷電流大于80 mA時，會受到激發而產生電弧。

電氣工程實踐中使用的速斷開關、斷路器等電氣設備是根據電弧的性質及其產生基本條件，在普通開關設備的基礎上增設滅弧系統設計而成。通常情況下，交流接觸器的U型觸頭電流回路能產生磁場，電磁力能推動電弧做背離觸點方向運動，如果接觸器分斷電流較?。措娀‰娏鬏^?。娀∷艿降碾姶艌鲆草^小。在燃弧過程中電弧運動非常微弱，即電弧存在停滯現象，開關電氣設備的觸頭會受到高溫威脅，嚴重影響電氣設備的使用壽命。另外，通過研究永磁體對電弧磁吹弧作用、電弧電流大小、燃弧時間的影響發現，電弧受到永磁體電磁力的磁吹弧作用較強，電弧會因永磁體電磁力的作用迅速產生位移，弧柱區能得到較為充分的冷卻而發生游離現象，能有效減少燃弧時間。

3 電弧形成的物理機制

電氣設備中氣隙中的帶電粒子游離和去游離過程是電弧形成的物理機制，去游離過程中往往伴隨新游離的開始，去游離過程中釋放大量的熱和強烈的弧光，大量的熱又使熱游離過程得以延續，如此往復循環，陰極表面的電子將獲得足夠的能量向外發射，產生了弧光放電現象。

3.1 場電子發射

由強電場力將電子從觸頭金屬電極拉出的過程稱為場電子發射，產生機理為：電氣開關觸頭兩極在初始分離的瞬間間隙非常小，電路中的電壓降落在很小的間隙上，可使間隙的電場強度達到109V/m數量級。這一強電場將陰極觸頭表面的自由電子拉到極小的兩極電場氣隙中，使氣隙中充滿較多的自由電子，這種因強電場的形成，而使自由電子不斷從負極性電極激發到間隙的過程即為場電子發射。

3.2 碰撞游離

開關電氣設備觸頭兩極間隙中的中性質點被游離過程稱為碰撞游離，產生機理為：由場電子發射產生的大量自由電子，會在電場力的作用下加速向陽極運動，高速運動的自由電子與氣隙中的中性質點碰撞會產生兩種結果。第一種，如果自由電子的動能足夠大，則氣體分子中的束縛電子受到激發而游離，形成自由電子和正離子；第二種，如果自由電子的動能較小，自由電子將與間隙中的中性質點結合，形成負離子。因此，自由電子與中性質點碰撞會形成新的自由電子、正離子和負離子。新形成的自由電子同樣向陽極做加速運動，使碰撞游離過程連續發生，觸頭電極間便充滿了電子和正負離子。

3.3 熱電子發射

當觸頭金屬電極的溫度升高到一定值時，金屬電極表面電子獲得足夠的動能，足以克服原子核的吸引力而從金屬電極表面逸出，成為自由電子。這種由于電極高溫而使金屬電極表面逸出電子的現象稱為熱電子發射，形成機理為：因碰撞游離而產生的正離子在電場力作用下向觸頭電極的陰極做加速運動撞擊到陰極板上，使陰極溫度快速升高，陰極中電子動能增加，當溫度升高到一定程度時，部分電子獲得足夠的動能并從陰極表面逸出參與到碰撞游離過程。

3.4 熱游離

高溫狀態下，中性粒子由于高速不規則的熱運動相互碰撞，產生帶電離子的過程稱為熱游離。熱游離是碰撞游離的另一種形式，其碰撞游離是由中性質點的熱運動形成，機理為：電流通過弧隙（在開關電氣設備中，把動靜觸頭間電弧燃燒的間隙簡稱為弧隙）產生大量的熱，使電弧的中心溫度達到10 000 ℃以上，弧隙中的中性質點的不規則熱運動加劇，劇烈運動的中性質點會相互撞擊，產生電子或正離子的過程為熱游離。根據大量研究發現，非金屬氣體分子發生熱游離需要的能量大于金屬原子發生熱游離需要的能量。一般氣體分子發生熱游離溫度為9 000 ～10 000 ℃，金屬原子發生熱游離的溫度為4 000 ～5 000 ℃。開關電氣設備觸頭的電極一般為金屬，存在一定的金屬原子，電弧中心溫度總高于4 000 ℃，足以支持熱游離不斷發生。

3.5 去游離

去游離是正負離子中和成為中性質點或降低帶電質點濃度的過程，包括復合和擴散兩種形式。

復合是正負離子中和成為中性質點的過程。對復合作用有直接影響的是帶電粒子速度。減小電場強度、降低溫度均可以使帶電粒子速度減小，使復合更加容易。另外，帶電粒子的濃度增大，復合的幾率也會增加，復合的效果更顯著。

擴散是電弧中帶電質點的熱運動而從弧柱區逸出，進入周圍介質的過程。擴散作用與介質、電弧溫差、離子濃度差呈正相關，通常從高溫處向低溫處擴散、從高濃度向低濃度擴散。擴散使弧柱中帶電粒子濃度減少，溫度降低。因為介質與電弧的溫差越大，擴散作用越強，所以冷卻是加速擴散作用最有效的途徑。

4 滅弧原理和方法

電氣開關分斷時為何容易形成電弧，是因為電氣觸頭間隙及其周圍介質中存在可游離的帶電離子濃度過高。熄滅電弧原理：采取措施，讓去游離過程更易發生，降低電氣觸頭間隙及其周圍介質可游離帶電離子的濃度，即去游離速度大于等于游離速度。基于熄滅電弧的原理，電氣設備研制中常用的滅弧措施有以下幾種。第一，真空滅弧。如真空斷路器，就是利用真空的高絕緣強度，不存在電介質，不可能發生碰撞游離過程，不支持電弧燃燒的原理制造。第二，電負性氣體滅弧。如常用的SF6斷路器，是利用SF6氣體為電介質。因為SF6是一種電負性氣體，絕緣強度是空氣的3倍，電子復合能力很強，是空氣的100倍。第三，吹弧滅弧。利用外力拉長電弧，降低電場強度，同時使電弧冷卻加速。常用的吹弧方法有橫吹、縱吹、磁吹、氣吹以及油吹等。第四，速斷滅弧。如鐵殼開關中加裝速斷彈簧，斷開電路時能迅速拉長電弧，使電場強度下降，游離過程減弱，去游離過程增強。第五，冷卻滅弧。如油斷路器以絕緣油為電介質，不僅能減弱觸頭間的電場，還能有效降低觸頭及其間隙的溫升，使得游離過程難以發生。第六，狹溝滅弧。如石英砂熔斷器，在熔管中填充石英砂，電弧與石英砂形成的狹溝接觸迅速冷卻進而熄滅。第七，短弧滅弧。原理是采用金屬柵片將電弧分隔成若干串聯的短弧，減弱游離增強去游離，使電弧熄滅。

5 結 論

電弧問題是電氣工程的基本問題之一，電氣工程實踐中很多電氣設備如真空斷路器、SF6斷路器、油斷路器、接觸器、組合GIS開關以及負荷開關等都是為減小電弧產生或盡快熄滅電弧而研制的。認識電弧的性質及其形成的物理機制，掌握電氣滅弧的原理，制定電氣設備常用的滅弧措施，根據開關電氣設備觸頭間隙的溫度、場強、電離子濃度以及氣體壓力等物理因素，采取適當措施、減小游離、增加去游離，避免電弧產生或使產生的電弧盡快熄滅，對于研究開發新型開關電氣設備，延長開關電氣設備的使用壽命，提高電氣線路運行的可靠性，提高電路運行維護技術人員的檢修效率等均具有重要意義。