電弧的形成機(jī)制與滅弧原理研究

李維剛，鄭全新

（荊楚理工學(xué)院，湖北 荊門(mén) 448000）

1 電弧現(xiàn)象

電弧現(xiàn)象是電氣工程領(lǐng)域的基本問(wèn)題，在電氣工程領(lǐng)域，經(jīng)常需要研究電弧的利用或抑制問(wèn)題；因此，有必要對(duì)電弧現(xiàn)象進(jìn)行介紹。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電弧發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，發(fā)出強(qiáng)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(qū)域、陽(yáng)極區(qū)域及弧柱區(qū)域分別加以說(shuō)明。陰極區(qū)域：大量正離子在電場(chǎng)力作用下向陰極做加速運(yùn)動(dòng)，聚集到陰極附近，而形成由正離子組成的空間電荷區(qū)，電場(chǎng)強(qiáng)度較高。陽(yáng)極區(qū)域：自由電子在電場(chǎng)力作用下向陽(yáng)極聚集，不斷被陽(yáng)極吸收并由此形成電流；在此區(qū)域，聚集的大量電子形成了負(fù)空間電荷區(qū)。電弧中的高溫高亮度區(qū)域在通常狀態(tài)呈圓柱形，故稱弧柱；弧柱區(qū)域正、負(fù)離子數(shù)相同，是等離子區(qū)。

有關(guān)研究人員通過(guò)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(nèi)部理化特性兩種方式[1]。外部電氣特性將電弧看作系統(tǒng)電路的一部分；內(nèi)部理化特性應(yīng)用物理學(xué)（流體力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)）和電磁學(xué)等相關(guān)理論。通過(guò)對(duì)電弧內(nèi)部特性進(jìn)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(nèi)部物理化學(xué)動(dòng)態(tài)發(fā)展和變化過(guò)程。

2 電弧的性質(zhì)與產(chǎn)生條件

通過(guò)對(duì)交流電流、負(fù)載為阻性、觸頭分?jǐn)嚯娏?50 A電弧放電的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，隨著觸頭斷開(kāi)時(shí)間延長(zhǎng)，電弧放電面積先增大，趨于穩(wěn)定后再減?。粡碾娀∪紵螒B(tài)來(lái)看，電弧燃燒呈仿錘形；從電弧放電時(shí)電路的功率變化來(lái)看，隨著觸頭斷開(kāi)時(shí)間延長(zhǎng)，電弧放電面積和電路功率變化呈正相關(guān)，即具有相同的趨勢(shì)；從電弧放電面積變化和電路功率變化時(shí)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(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，弧光放電能持續(xù)進(jìn)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(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛的電弧焊為例，焊接時(shí)電弧的溫度為6 000～8 000 ℃。電弧性質(zhì)總結(jié)：電弧是一種高溫、可電導(dǎo)、游離的氣體。根據(jù)大量研究發(fā)現(xiàn)，電弧產(chǎn)生的具體條件為：在開(kāi)關(guān)電氣設(shè)備斷開(kāi)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(shí)，會(huì)受到激發(fā)而產(chǎn)生電弧。

電氣工程實(shí)踐中使用的速斷開(kāi)關(guān)、斷路器等電氣設(shè)備是根據(jù)電弧的性質(zhì)及其產(chǎn)生基本條件，在普通開(kāi)關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)上增設(shè)滅弧系統(tǒng)設(shè)計(jì)而成。通常情況下，交流接觸器的U型觸頭電流回路能產(chǎn)生磁場(chǎng)，電磁力能推動(dòng)電弧做背離觸點(diǎn)方向運(yùn)動(dòng)，如果接觸器分?jǐn)嚯娏鬏^?。措娀‰娏鬏^?。?，電弧所受到的電磁場(chǎng)也較小。在燃弧過(guò)程中電弧運(yùn)動(dòng)非常微弱，即電弧存在停滯現(xiàn)象，開(kāi)關(guān)電氣設(shè)備的觸頭會(huì)受到高溫威脅，嚴(yán)重影響電氣設(shè)備的使用壽命。另外，通過(guò)研究永磁體對(duì)電弧磁吹弧作用、電弧電流大小、燃弧時(shí)間的影響發(fā)現(xiàn)，電弧受到永磁體電磁力的磁吹弧作用較強(qiáng)，電弧會(huì)因永磁體電磁力的作用迅速產(chǎn)生位移，弧柱區(qū)能得到較為充分的冷卻而發(fā)生游離現(xiàn)象，能有效減少燃弧時(shí)間。

3 電弧形成的物理機(jī)制

電氣設(shè)備中氣隙中的帶電粒子游離和去游離過(guò)程是電弧形成的物理機(jī)制，去游離過(guò)程中往往伴隨新游離的開(kāi)始，去游離過(guò)程中釋放大量的熱和強(qiáng)烈的弧光，大量的熱又使熱游離過(guò)程得以延續(xù)，如此往復(fù)循環(huán)，陰極表面的電子將獲得足夠的能量向外發(fā)射，產(chǎn)生了弧光放電現(xiàn)象。

3.1 場(chǎng)電子發(fā)射

由強(qiáng)電場(chǎng)力將電子從觸頭金屬電極拉出的過(guò)程稱為場(chǎng)電子發(fā)射，產(chǎn)生機(jī)理為：電氣開(kāi)關(guān)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(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到109V/m數(shù)量級(jí)。這一強(qiáng)電場(chǎng)將陰極觸頭表面的自由電子拉到極小的兩極電場(chǎng)氣隙中，使氣隙中充滿較多的自由電子，這種因強(qiáng)電場(chǎng)的形成，而使自由電子不斷從負(fù)極性電極激發(fā)到間隙的過(guò)程即為場(chǎng)電子發(fā)射。

3.2 碰撞游離

開(kāi)關(guān)電氣設(shè)備觸頭兩極間隙中的中性質(zhì)點(diǎn)被游離過(guò)程稱為碰撞游離，產(chǎn)生機(jī)理為：由場(chǎng)電子發(fā)射產(chǎn)生的大量自由電子，會(huì)在電場(chǎng)力的作用下加速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，高速運(yùn)動(dòng)的自由電子與氣隙中的中性質(zhì)點(diǎn)碰撞會(huì)產(chǎn)生兩種結(jié)果。第一種，如果自由電子的動(dòng)能足夠大，則氣體分子中的束縛電子受到激發(fā)而游離，形成自由電子和正離子；第二種，如果自由電子的動(dòng)能較小，自由電子將與間隙中的中性質(zhì)點(diǎn)結(jié)合，形成負(fù)離子。因此，自由電子與中性質(zhì)點(diǎn)碰撞會(huì)形成新的自由電子、正離子和負(fù)離子。新形成的自由電子同樣向陽(yáng)極做加速運(yùn)動(dòng)，使碰撞游離過(guò)程連續(xù)發(fā)生，觸頭電極間便充滿了電子和正負(fù)離子。

3.3 熱電子發(fā)射

當(dāng)觸頭金屬電極的溫度升高到一定值時(shí)，金屬電極表面電子獲得足夠的動(dòng)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(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射，形成機(jī)理為：因碰撞游離而產(chǎn)生的正離子在電場(chǎng)力作用下向觸頭電極的陰極做加速運(yùn)動(dòng)撞擊到陰極板上，使陰極溫度快速升高，陰極中電子動(dòng)能增加，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，部分電子獲得足夠的動(dòng)能并從陰極表面逸出參與到碰撞游離過(guò)程。

3.4 熱游離

高溫狀態(tài)下，中性粒子由于高速不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)相互碰撞，產(chǎn)生帶電離子的過(guò)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(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)形成，機(jī)理為：電流通過(guò)弧隙（在開(kāi)關(guān)電氣設(shè)備中，把動(dòng)靜觸頭間電弧燃燒的間隙簡(jiǎn)稱為弧隙）產(chǎn)生大量的熱，使電弧的中心溫度達(dá)到10 000 ℃以上，弧隙中的中性質(zhì)點(diǎn)的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)加劇，劇烈運(yùn)動(dòng)的中性質(zhì)點(diǎn)會(huì)相互撞擊，產(chǎn)生電子或正離子的過(guò)程為熱游離。根據(jù)大量研究發(fā)現(xiàn)，非金屬氣體分子發(fā)生熱游離需要的能量大于金屬原子發(fā)生熱游離需要的能量。一般氣體分子發(fā)生熱游離溫度為9 000 ～10 000 ℃，金屬原子發(fā)生熱游離的溫度為4 000 ～5 000 ℃。開(kāi)關(guān)電氣設(shè)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(fā)生。

3.5 去游離

去游離是正負(fù)離子中和成為中性質(zhì)點(diǎn)或降低帶電質(zhì)點(diǎn)濃度的過(guò)程，包括復(fù)合和擴(kuò)散兩種形式。

復(fù)合是正負(fù)離子中和成為中性質(zhì)點(diǎn)的過(guò)程。對(duì)復(fù)合作用有直接影響的是帶電粒子速度。減小電場(chǎng)強(qiáng)度、降低溫度均可以使帶電粒子速度減小，使復(fù)合更加容易。另外，帶電粒子的濃度增大，復(fù)合的幾率也會(huì)增加，復(fù)合的效果更顯著。

擴(kuò)散是電弧中帶電質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)而從弧柱區(qū)逸出，進(jìn)入周圍介質(zhì)的過(guò)程。擴(kuò)散作用與介質(zhì)、電弧溫差、離子濃度差呈正相關(guān)，通常從高溫處向低溫處擴(kuò)散、從高濃度向低濃度擴(kuò)散。擴(kuò)散使弧柱中帶電粒子濃度減少，溫度降低。因?yàn)榻橘|(zhì)與電弧的溫差越大，擴(kuò)散作用越強(qiáng)，所以冷卻是加速擴(kuò)散作用最有效的途徑。

4 滅弧原理和方法

電氣開(kāi)關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)為何容易形成電弧，是因?yàn)殡姎庥|頭間隙及其周圍介質(zhì)中存在可游離的帶電離子濃度過(guò)高。熄滅電弧原理：采取措施，讓去游離過(guò)程更易發(fā)生，降低電氣觸頭間隙及其周圍介質(zhì)可游離帶電離子的濃度，即去游離速度大于等于游離速度?；谙珉娀〉脑?，電氣設(shè)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(qiáng)度，不存在電介質(zhì)，不可能發(fā)生碰撞游離過(guò)程，不支持電弧燃燒的原理制造。第二，電負(fù)性氣體滅弧。如常用的SF6斷路器，是利用SF6氣體為電介質(zhì)。因?yàn)镾F6是一種電負(fù)性氣體，絕緣強(qiáng)度是空氣的3倍，電子復(fù)合能力很強(qiáng)，是空氣的100倍。第三，吹弧滅弧。利用外力拉長(zhǎng)電弧，降低電場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)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(kāi)關(guān)中加裝速斷彈簧，斷開(kāi)電路時(shí)能迅速拉長(zhǎng)電弧，使電場(chǎng)強(qiáng)度下降，游離過(guò)程減弱，去游離過(guò)程增強(qiáng)。第五，冷卻滅弧。如油斷路器以絕緣油為電介質(zhì)，不僅能減弱觸頭間的電場(chǎng)，還能有效降低觸頭及其間隙的溫升，使得游離過(guò)程難以發(fā)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(jìn)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(lián)的短弧，減弱游離增強(qiáng)去游離，使電弧熄滅。

5 結(jié) 論

電弧問(wèn)題是電氣工程的基本問(wèn)題之一，電氣工程實(shí)踐中很多電氣設(shè)備如真空斷路器、SF6斷路器、油斷路器、接觸器、組合GIS開(kāi)關(guān)以及負(fù)荷開(kāi)關(guān)等都是為減小電弧產(chǎn)生或盡快熄滅電弧而研制的。認(rèn)識(shí)電弧的性質(zhì)及其形成的物理機(jī)制，掌握電氣滅弧的原理，制定電氣設(shè)備常用的滅弧措施，根據(jù)開(kāi)關(guān)電氣設(shè)備觸頭間隙的溫度、場(chǎng)強(qiáng)、電離子濃度以及氣體壓力等物理因素，采取適當(dāng)措施、減小游離、增加去游離，避免電弧產(chǎn)生或使產(chǎn)生的電弧盡快熄滅，對(duì)于研究開(kāi)發(fā)新型開(kāi)關(guān)電氣設(shè)備，延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)電氣設(shè)備的使用壽命，提高電氣線路運(yùn)行的可靠性，提高電路運(yùn)行維護(hù)技術(shù)人員的檢修效率等均具有重要意義。