在有觸點(diǎn)電器中，觸頭接通和分?jǐn)嚯娏鞯倪^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(duì)電器具有一定的危害。通過對(duì)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(yàn)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(shí)，在觸頭間隙（或稱弧隙）中會(huì)產(chǎn)生一團(tuán)溫度極高、亮度極強(qiáng)并能導(dǎo)電的氣體，稱為電弧。由于電弧的高溫及強(qiáng)光，它可以廣泛應(yīng)用于焊接、熔煉、化學(xué)合成、強(qiáng)光源及空間技術(shù)等方面。對(duì)于有觸點(diǎn)電器而言，由于電弧主要產(chǎn)生于觸頭斷開電路時(shí)，高溫將燒損觸頭及絕緣，嚴(yán)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(xì)觀察電弧，可以發(fā)現(xiàn)，除兩個(gè)極（觸頭）外，明顯地分為三個(gè)區(qū)域，即近陰極區(qū)、近陽(yáng)極區(qū)及弧柱區(qū)，如下圖所示。
近陰極區(qū)的長(zhǎng)度約等于電子的平均自由行程（小于10m）。在電場(chǎng)力的作用下陽(yáng)離子向陰極運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)強(qiáng)度（約為10~10V/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(yáng)極區(qū)的長(zhǎng)度約等于近陰極區(qū)的幾倍。在電場(chǎng)力的作用下自由電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，它們聚集在陽(yáng)極附近且不斷被陽(yáng)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(fù)的空間電荷層，產(chǎn)生陽(yáng)極壓降，其值也隨陽(yáng)極材料而異，但變化不大，稍小于陰極壓降。由于近陽(yáng)極區(qū)的長(zhǎng)度比近陰極區(qū)的長(zhǎng)，故其電場(chǎng)強(qiáng)度較小。
陰極壓降與陽(yáng)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(rèn)為是常數(shù)。
弧柱區(qū)的長(zhǎng)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(qiáng)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(fù)電粒子數(shù)相同，稱等離子區(qū)。由于不存在空間電荷，整個(gè)弧區(qū)的特性類似于一金屬導(dǎo)體。每單位弧柱長(zhǎng)度電壓降相等。其電勢(shì)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(shí)，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。
熄滅方法
拉長(zhǎng)電弧
電弧拉長(zhǎng)以后，電弧電壓將會(huì)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(zhǎng)可以沿電弧的軸向（縱向）拉長(zhǎng)，也可以沿垂直于電弧軸向（橫向）拉長(zhǎng)，如下圖所示。
滅弧罩
根據(jù)縫的寬度與電弧直徑之比可分為窄縫與寬縫。縫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(duì)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地稱為縱縫，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(yùn)動(dòng)，又進(jìn)一步加強(qiáng)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(jī)構(gòu)，使電弧定向發(fā)生運(yùn)動(dòng)，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(qiáng)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(shí)橫吹過強(qiáng)會(huì)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(dòng)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?yàn)?a href="/hebeideji/4218779411415424402.html">壓縮空氣的壓力與電弧本身無關(guān)，所以使用氣吹滅弧時(shí)要注意熄滅小電流電弧時(shí)容易引起過電壓。由于氣吹滅弧的滅弧能力較強(qiáng)，故一般運(yùn)用在高壓電器中，如韶山系列電力機(jī)車的空氣斷路器（主斷路器）。
柵片滅弧
橫向金屬柵片又稱去離子?xùn)牛玫氖嵌袒缁≡怼Ｋ褂么判圆牧系慕饘倨糜陔娀≈校瑢㈦娀》殖扇舾啥袒。媒涣麟娀〉慕?a href="/hebeideji/9002054041617218759.html">陰極效應(yīng)和直流電弧的近極壓降來達(dá)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(shí)，由于鐵片為磁性材料，所以柵片本身就具有一個(gè)把電弧拉入柵片的磁場(chǎng)力（當(dāng)電弧移近金屬柵的上沿時(shí)，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(gè)磁場(chǎng)力或外力作用剛進(jìn)入鐵片柵中時(shí)，由于磁阻較大，鐵片柵對(duì)電弧的吸力不大。為了減小電弧剛進(jìn)入鐵柵片時(shí)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(jìn)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(jìn)入鐵片柵中，磁阻減小，鐵片對(duì)電弧的拉力增大，足以使電弧進(jìn)入所有的鐵片柵中。電弧進(jìn)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(dòng)力使短弧繼續(xù)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。此時(shí)應(yīng)注意使短弧被拉回向觸頭方向運(yùn)動(dòng)的力，它會(huì)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(shí)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(jìn)行，它是依據(jù)零點(diǎn)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(yuǎn)大于觸頭間的距離。當(dāng)真空度為10-5mm汞柱時(shí)，電子的自由行程長(zhǎng)達(dá)43m。自由電子在弧隙中作定向運(yùn)動(dòng)時(shí)幾乎不會(huì)和氣體分子或原子相碰撞，不會(huì)產(chǎn)生碰撞游離。所以將觸頭置于真空中斷開時(shí)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(shí)，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(kuò)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?jǐn)嚯娏鞯哪芰Α?/p>
真空電弧按其電流的大小可分為擴(kuò)散弧和收縮弧兩種。擴(kuò)散弧的電流較小（幾百至幾千安培），此時(shí)電弧分裂為許多并聯(lián)的支弧。每～支弧有自己的陰極斑點(diǎn)和弧柱，陰極斑點(diǎn)互相排斥且均勻分布在陰極上。在電磁場(chǎng)的作用下陰極斑點(diǎn)不斷地沿左旋方向運(yùn)動(dòng)，觸頭表面的平均溫度較低且分布均勻。陽(yáng)極此時(shí)不存在陽(yáng)極斑點(diǎn)，陰極斑點(diǎn)既發(fā)射電子又產(chǎn)生金屬蒸氣。當(dāng)電流接近于零值時(shí)，最終只剩下一個(gè)斑點(diǎn)，電流過零時(shí)，電弧自行熄滅。當(dāng)擴(kuò)散弧的電流增加到足夠大時(shí)，陰極斑點(diǎn)相互聚成一團(tuán)，運(yùn)動(dòng)速度很小甚至不再運(yùn)動(dòng)：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粒或液滴的形式向弧隙噴射。陽(yáng)極此時(shí)也出現(xiàn)熾熱的陽(yáng)極斑點(diǎn)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(kuò)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(shí)，當(dāng)被開斷的電流減小到某一數(shù)值時(shí)，擴(kuò)散弧會(huì)發(fā)生被稱為截流的電流突然被截?cái)嗟默F(xiàn)象。這樣，在開斷感性負(fù)載電流時(shí)，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。
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、陶瓷或微晶等無機(jī)化合物絕緣材料做成的，呈圓筒形狀，兩端用金屬蓋板封接組成一個(gè)密封容器。外殼內(nèi)部有一對(duì)觸頭5，其中靜觸頭固定在靜導(dǎo)電桿1的端頭，動(dòng)觸頭固定在動(dòng)導(dǎo)電桿7的端頭。動(dòng)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(dòng)導(dǎo)電桿在中部與波裂管的一個(gè)端口焊在一起。波紋管的另一個(gè)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(dòng)導(dǎo)電桿和金屬蓋板之間引入了一個(gè)波紋管，真空滅弧室的外殼就被完全密封，動(dòng)導(dǎo)電桿可以前后移動(dòng)，但不會(huì)破壞外殼的密封性。真空滅弧室內(nèi)部的氣壓應(yīng)低于10Pa，一般為10Pa左右，因而動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)使動(dòng)導(dǎo)電桿向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)觸頭和靜觸頭就會(huì)閉合，電源與負(fù)載接通，電流就流過負(fù)載。反之，動(dòng)導(dǎo)電桿作反方向向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)觸頭就會(huì)分離，在剛分離的瞬間，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(shí)，金屬蒸汽將接近停止蒸發(fā)，同時(shí)加上真空電弧的等離子體很快向四周擴(kuò)散，電弧就被熄滅，觸頭間隙很快地變?yōu)?a href="/hebeideji/7197298036690173984.html">絕緣體，于是電流就被分?jǐn)唷?/p>
真空滅弧室按用途可以分為斷路器用、負(fù)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(hù)，一般不經(jīng)常操作，短路電流的開斷次數(shù)可達(dá)30~100次。
負(fù)荷開關(guān)用的真空滅弧室只要求開斷負(fù)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(hù)。在負(fù)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(fù)荷電流下能作頻繁操作，它的操作次數(shù)可達(dá)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(yùn)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(shí)又能作頻繁的操作。這些要求無疑是十分苛刻的，但對(duì)真空滅弧室來說，經(jīng)過嚴(yán)密的設(shè)計(jì)也能滿意地達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。其它如開斷高壓直流用的真空滅弧室、觸發(fā)點(diǎn)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(chǎng)的觸頭結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)的觸頭結(jié)構(gòu)、縱橫磁場(chǎng)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）和微晶外殼真空滅弧室（絕緣外殼用微晶玻璃制成）。
故障原理處理
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(duì)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：
1.采用壓縮彈簧，使開關(guān)高速斷開。
2.利用空氣或某些氣體吹弧，使電弧迅速冷卻和拉長(zhǎng)。
3.使電弧與固定介質(zhì)接觸，使電弧拉長(zhǎng)并迅速冷卻，如絕緣滅弧柵就屬于這種。
4.將電弧分成若干段，以利熄弧，如金屬弧柵等。
5.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(jìn)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密度板制成，容易受潮。受潮以后，絕緣性能降低，電弧不能被拉長(zhǎng)。同時(shí)，電弧燃燒時(shí)，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(jìn)入滅弧罩，延長(zhǎng)滅弧時(shí)間。對(duì)于這種故障比較易于判斷。正常時(shí)，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(yán)重、有滅弧罩燒焦等現(xiàn)象，就說明滅弧罩已經(jīng)受潮。這時(shí)，只要將滅弧罩烘干即可。
2.滅弧罩碳化 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(duì)滅弧很不利，應(yīng)及時(shí)處理。處理的方法可用細(xì)輕輕銼掉，但不能增加粗糙度，因?yàn)槊诘谋砻鏁?huì)增大電弧的阻力。
3.磁吹電感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(huì)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.滅弧柵片損壞 金屬滅弧柵片脫落、銹蝕將使電弧不能順利拉入柵片中，影響滅弧效果，因此應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)。滅弧柵片外表看似銅質(zhì)，其實(shí)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鍍鋅鐵片代替。
5.滅弧觸頭的故障 滅弧觸頭起招引電弧的作用，是保護(hù)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(yán)重或裝配不合理，將失去其作用，因此，應(yīng)定期檢查調(diào)整。
參考資料 >