1.3 电弧理论

高压开关设备在使用过程中其技术参数需满足运行情况的要求(技术参数的意义)，通常在设备选择时已经校核过相关的技术参数，但在运行过程中有些要求可能发生改变，此时需对有关的技术参数重新进行校核，确认设备是否满足技术要求。

1.3.1 电弧现象

电弧是一种能量集中、温度很高、亮度很强的放电现象。如10kV断路器开断20kA的电流时，电弧功率高达10000kW以上，造成电弧及其附近区域的介质极其强烈的物理、化学变化，可能烧坏触头及触头附近的其他部件。如果电弧长期不灭，将会烧毁电器甚至引起爆炸，危及电力系统的安全运行，造成重大损失。所以，切断电路时，必须尽快熄灭电弧。

电弧是导体，虽然开关电器的触头已经分开，但是触头间如有电弧存在，电路就还没有断开，电流仍然存在。

电弧是一种自持放电现象，即电弧一旦形成，维持电弧稳定燃烧所需的电压很低。如，大气中1cm长的直流电弧的弧柱电压只有15~30V，在变压器油中也不过100~200V。

电弧是一束游离气体，质量很轻，容易变形，在外力作用下（如气体、液体的流动或电动力作用）会迅速移动、伸长或弯曲，对敞露在大气中的电弧尤为明显。如在大气中开断交流110kV、5A的电流时，电弧长度超过7m。电弧移动速度可达每秒几十米至几百米。

在开关设备中，电弧的存在延长了开断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。另外由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。

1.3.2 电弧的产生与维持

开关电器中电弧的形成是触头间具有电压以及绝缘介质分子被游离的结果。其主要的游离方式有强电场发射、热电子发射、碰撞游离及热游离。

1.强电场发射

开关电器触头开始分离时，触头间距很小，即使电压很低，只有几百伏甚至几十伏，但是电场强度却很大。由于上述原因，阴极表面可能向外发射电子，这种现象称为强电场发射。

2.热电子发射

触头是由金属材料制成的，在常温下，金属内部就存在大量的自由电子，当开关开断电路时，在触头分离的瞬间，一方面动静触头间的压力不断下降，接触面积减小，因而接触电阻增大，温度剧升；另一方面由于大电流被切断，在阴极上出现强烈的炽热点，从而有电子从阴极表面向四周发射，这种现象称为热电子发射。发射电子的多少与阴极材料及表面温度有关。

3.碰撞游离

从阴极表面发射出来的电子，在电场力的作用下向阳极作加速运动，并不断与中性质点碰撞，如果电场足够强，电子所受的电场力足够大，且两次碰撞间的自由行程足够大，电子积累的能量足够多，则发生碰撞时就可能使中性质点发生游离，产生新的自由电子和正离子，这种现象称为碰撞游离。新产生的自由电子在电场中作加速运动又可能与中性质点发生碰撞而产生碰撞游离。结果使触头间充满大量自由电子和正离子，使触头间电阻很小，在外加电压作用下，带电粒子作定向运动形成电流，使介质击穿而形成电弧。

4.热游离

处于高温下的中性质点由于高温而产生强烈的热运动。相互碰撞而发生的游离称为热游离。其作用为维持电弧的燃烧。一般气体发生热游离的温度为9000～10000℃，而金属蒸气为4000～5000℃。因为电弧中总有一些金属蒸气，而弧柱温度在5000℃以上，所以，热游离足以维持电弧的燃烧。

电弧的形成过程实际上是一个连续的过程。最初，由阴极借强电场和热电子发射提供起始自由电子，然后由于碰撞游离导致介质击穿而产生电弧，最后靠热游离来维持。

1.3.3 电弧的熄灭

在开关电器的触头间，绝缘介质通过游离产生了电弧。然而在游离的同时，还存在着一种与游离相反的过程，即在电弧中，介质因游离而产生大量带电粒子的同时，还会发生带电粒子消失的相反过程，称为去游离。若游离作用大于去游离作用，则电弧电流增大，电弧燃烧更加强烈；若游离作用等于去游离作用，则电弧电流不变，电弧稳定燃烧；若游离作用小于去游离作用，则电弧电流减小，电弧最终熄灭。所以，要熄灭电弧，必须采取措施加强去游离作用而削弱游离作用。去游离的方式主要有以下几种。

1.复合

复合是异号带电粒子相互吸引而中和成中性质点的现象。在电弧中，电子的运动速度远大于正离子，所以电子与正离子直接复合的可能性很小，复合是借助于中性质点进行的，即电子在运动过程中，先附着在中性质点上，形成负离子，然后质量和运动速度大致相等的正、负离子复合成中性质点。既然复合过程只有在离子运动的相对速度不大时才有可能，若利用液体或气体吹弧，或将电弧挤入绝缘冷壁做成的狭缝中，都能迅速冷却电弧，减小离子的运动速度，加强复合作用，此外增加气体压力，使气体密度增加，也是加强复合作用的措施。

2.扩散

扩散是弧柱内带电粒子逸出弧柱以外进入周围介质的一种现象。扩散是由于带电粒子不规则的运行，以及电弧内带电粒子的密度大于电弧外带电粒子，电弧中的温度远高于周围介质的温度造成的。电弧和周围介质温差越大，以及带电粒子密度差越大，扩散作用就越强。在高压断路器中，常采用气体吹弧，带走大量带电粒子，以加强扩散作用，扩散出来的正、负离子，因冷却而加强复合，成为中性质点。

1.3.4 影响去游离的因素

1.电弧温度

电弧是由热游离维持的，降低电弧温度就可以减弱热游离，减少新的带电质点的产生。同时也减小了带电质点的运动速度，加强了复合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动电弧，或使电弧与固体介质表面接触等，都可以降低电弧的温度。

2.介质的特性

电弧燃烧时所在介质的特性在很大程度上决定了电弧中去游离的强度，这些特性包括导热系数、热容量、热游离温度、介电强度等。若这些参数值越大，则去游离过程就越强，电弧就越容易熄灭。

3.气体介质的压力

气体介质的压力对电弧去游离的影响很大。因为气体的压力越大，电弧中质点的浓度就越大，质点间的距离就越小，复合作用越强，电弧就越容易熄灭。在高度的真空中，由于发生碰撞的概率减小，抑制了碰撞游离，而扩散作用却很强。因此，真空是很好的灭弧介质。

4.触头材料

触头材料也影响去游离的过程。当触头采用熔点高、导热能力强和热容量大的耐高温金属时，减少了热电子的发射和电弧中的金属蒸气，有利于电弧熄灭。

1.3.5 电弧的熄灭

1.直流电弧的熄灭方法

在稳定燃烧着的直流电弧中，游离质点数是不变的，因而电弧电流为常数。要使电弧熄灭，必须使电弧电压大于电源电压与电路的负载电阻电压降之差。其物理意义是，当电源电压不足以维持稳态电弧电压及电路负载电阻电压降时，将引起电弧电流的减小，于是电弧开始不稳定燃烧，电流将继续减小直到零，电弧即自行熄灭。在直流电路中，负载电流越大，触头断开时产生的电弧越不容易熄灭。

在直流电路中，总存在电感，当断开直流电路时，由于电流的迅速减小，必然要在电路中产生自感电动势。此电动势加到电源电压上，会引起操作过电压，过电压值的大小取决于电感的大小和电流的变化率。电弧的去游离越强，则电流的变化率越大，操作过电压值也越高。因此，断开直流电路用的开关电器，不宜采用灭弧能力特别强的灭弧装置。

直流电弧熄灭的方法常有：①增大回路电阻；②将长电弧分割为多个短电弧；③增大电弧长度；④使电弧与耐弧度绝缘材料紧密接触。

2.交流电弧的熄灭方法

在交流电路中，电流的瞬时值不断地随时间变化，因此电弧的特性应是动态特性，并且交流电流每半个周期经过一次零值。电流过零时，电弧自动熄灭。如果电弧是稳定燃烧的，则电弧电流过零熄灭后，在另半周期又会重新燃烧。

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态特性。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。

经过对图1-1的分析，可见交流电弧在交流电流过零时将自动熄灭，但在下半周期随着电压的增高，电弧又重燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就此熄灭。

3.交流电弧的熄灭条件

交流电弧是否重燃取决于弧隙内介质强度和加在弧隙上的电压。在交流电弧中，电流自然过零时，电弧中有两个相联系的过程同时存在，即电压恢复过程和介质强度恢复过程。一方面弧隙介质强度随去游离的加强而逐渐恢复；另一方面，加于弧隙的电压将按一定规律由熄弧电压恢复到电源电压，使游离作用加强。因此，电流过零后，如果弧隙介质强度的恢复速度大于弧隙电压的恢复速度时，弧隙就不会再次被击穿，否则电弧将重燃。

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介质强度。当电弧电流过零时电弧熄灭，而弧隙的介质强度要恢复到正常状态值还需一定的时间，此恢复过程称之为弧隙介质强度的恢复过程，以耐受的电压u_j（t）表示。

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。电流过零时，弧隙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，这一过程中的弧隙电压称为恢复电压，其电压恢复过程以u_h（t）表示。恢复电压与介质强度曲线如图1-2所示。

如果弧隙介质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强度，弧隙就被击穿，电弧重燃。因此，交流电弧的熄灭条件为

式中 u_j（t）——弧隙介质强度；

u_h（t）——弧隙恢复电压。

1.3.6 熄灭交流电弧的基本方法

高压断路器中利用各种预先设计好的灭弧室，使气体或油在电弧高温下产生巨大压力，并利用喷口形成强烈吹弧。即起到对流换热、加强冷却弧隙的作用，又起到部分取代原弧隙中游离气体或高温气体的作用。电弧被拉长、冷却后变细，复合加强，同时吹弧也有利于扩散，最终使电弧熄灭。

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。在灭弧室的设计时，常采用以下措施提高灭弧能力。

1.采用灭弧能力强的灭弧介质

灭弧介质的特性，如导热系数、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。在高压开关设备中，广泛采用变压器油、压缩空气、SF₆气体、真空等作为灭弧介质。变压器油在电弧高温的作用下，分解出大量氢气和油蒸汽，氢气的绝缘和灭弧能力是空气的7.5倍。压缩空气分子密度大，质点的自由行程小，不易发生游离。SF₆气体具有良好的负电性，氟原子吸附电子能力很强，能迅速捕捉自由电子形成负离子，对复合有利。气体压力低于133.3×10^-4Pa的真空介质，气体稀薄，弧隙中的自由电子和中性质点都很少，碰撞游离的可能性大大减少，而且弧柱内与弧柱外带电粒子的浓度差和温差都很大，有利于扩散；其绝缘能力比变压器油、1个大气压下的SF₆和空气都大。

2.利用气体或油吹弧

用新鲜而且低温的介质吹弧时，可以将带电质点吹到弧隙以外，加强了扩散，由于电弧被拉长变细，使弧隙的电导率下降。吹弧还使电弧的温度下降，热游离减弱，复合加快。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。可按吹弧气流的产生方法和吹弧方向的不同进行分类。其中，吹弧气流产生的方法有：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，其中氢气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SF₆气体吹弧。将20个大气压强左右的压缩空气或5个大气压强左右的SF₆气体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，电弧燃烧时与产气管的内壁紧密接触，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，这些气体在产气管内受热膨胀，增加压力，向产气管的端部形成吹弧。

吹弧的方向分为纵吹与横吹两种方式。吹弧的介质（气流或油流）沿电弧方向的吹拂称为纵吹，纵吹能增强弧柱中的带电质点向外扩散，使新鲜介质更好地与炽热电弧接触，加强电弧的冷却，有利于迅速灭弧。横吹时气流或油流的方向与触头运动方向是垂直的，或者说与电弧轴线方向是垂直的。横吹不但能加强冷却和增强扩散，还能将电弧迅速吹弯吹长。有介质灭弧栅的横吹灭弧室，栅片能更充分地冷却和吸附电弧，加强去游离。横吹灭弧室在开断小电流时因室内压力太小，开断性能较差。为了改善开断小电流时的灭弧性能，一般断路器将纵吹和横吹结合起来。在大电流时主要靠横吹，小电流时主要靠纵吹，这就是纵、横吹灭弧室。

3.采用特殊的金属材料作灭弧介质

触头材料对电弧中的去游离也有一定影响，采用铜、钨合金和银、钨合金等熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属制作触头，有较高的抗电弧、抗熔焊能力，可以减少热电子发射和金属蒸气，从而减弱了游离过程，有利于熄灭电弧。

4.提高断路器触头的分离速度

迅速拉长电弧，可使弧隙的电场强度骤降，同时使电弧的表面积突然增大，增加电弧与周围介质的接触面积，有利于电弧的冷却及带电质点的扩散和复合，从而加速电弧的熄灭。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。

5.将长电弧分割成短电弧

将灭弧装置设计一个金属栅灭弧罩，利用将电弧分为多个串联的短弧的方法来灭弧。由于受到电磁力的作用，电弧从金属栅片的缺口处被引入金属栅片内，一束长弧就被多个金属片分割成多个串联的短弧。如果所有串联短弧阴极区的起始介质强度或阴极区的电压降的总和永远大于触头间的外施电压，电弧就不再重燃而熄灭。

6.利用固体介质的狭缝或狭沟灭弧

电弧与固体介质紧密接触时，固体介质在电弧高温的作用下分解而产生气体，狭缝或狭沟中的气体因受热膨胀而压力增大，同时由于附着在固体介质表面的带电质点强烈复合和固体介质对电弧的冷却，使去游离作用显著增强。