交流電弧放電對高壓斷路器的影響

郭小燕 胡旭喆 朱伯濤

【摘要】文章中介紹了交流電弧的特點、電弧中自由電子的來源，分析了交流電弧熄滅的原理、條件和方法，最后闡述了交流電弧放電對高壓斷路器的危害，以及交流電弧可利用的一面。

【關鍵詞】交流電弧;高壓斷路器;電弧熄滅

引言

高壓斷路器在電力系統(tǒng)廣泛應用，高壓斷路器能夠接通和斷開回路、切除和隔離故障。它不僅可以切斷或閉合高壓電路中的空載電流和負荷電流，而且當系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過繼電保護裝置的作用，切斷過負荷電流和短路電流，它具有相當完善的滅弧結構和足夠的斷流能力，又稱高壓開關[1]。

電弧是指大多數載流子為原電子發(fā)射產生的電子的一種自持氣體放電[2]。

高壓斷路器內部電弧的形成過程：斷路器觸頭剛分離時突然解除接觸壓力，陰極表面立即出現高溫熾熱點，產生熱電子發(fā)射; 同時，由于觸頭的間隙很小，使得電壓強度很高，產生強電場發(fā)射，從陰極表面逸出的電子在強電場作用下，加速向陽極運動，發(fā)生碰撞游離，導致觸頭間隙中帶電質點急劇增加，溫度驟然升高，產生熱游離并且成為游離的的主要因素，此時，在外加電壓作用下，間隙被擊穿，形成電弧。

電弧由三部分組成[3]，包括陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)。電弧溫度很高，功率很強;電弧是一種自 持放電現象;電弧是一束游離的氣體;電弧是等離子體，質量極輕，極容易改變形狀。

1.交流電弧

1.1 交流電弧的特點

交流電路中產生的電弧叫交流電弧。其特點是電弧電壓和電弧電流的大小及相位都是隨時間作周期性變化，每一周期內有兩次過零值;電流過零時電弧自動熄滅，而后隨著電壓的增大電弧又重新點燃，即交流電弧的伏安特性;由于弧柱的受熱溫升或散熱降溫都有一定過程，跟不上快速變化的電流，電弧溫度的變化總是滯后于電流的變化，即電弧的熱慣性。

1.2 交流電弧中自由電子的主要來源

熱電子發(fā)射。當斷路器的動、靜觸頭分離時，觸頭間的接觸壓力及接觸面積逐漸縮小，接觸電阻增大，使接觸部位劇烈發(fā)熱，導致陰極表面溫度急劇升高而發(fā)射電子，形成熱電子發(fā)射。

強電場發(fā)射。分閘的瞬間，由于動、靜觸頭的距離很小，觸頭間的電場強度就非常大，使觸頭內部的電子在強電場作用下被拉出來，就形成強電場發(fā)射。

碰撞游離。從陰極表面發(fā)射出的電子在電場力的作用下高速向陽極運動，在運動過程中不斷地與中性質點（原子或分子）發(fā)生碰撞。當高速運動的電子積聚足夠大的動能時，就會從中性質點中打出一個或多個電子，使中性質點游離，這一過程稱為碰撞游離。

熱游離。弧柱中氣體分子在高溫作用下產生劇烈熱運動，動能很大的中性質點互相碰撞時，將被游離而形成電子和正離子，這種現象稱為熱游離。弧柱導電就是靠熱游離來維持的。

2.交流電弧的熄滅

2.1 弧隙介質強度和弧隙恢復電壓

弧隙介質能夠承受外加電壓作用而不致使弧隙擊穿的電壓稱為弧隙的介質強度。 當電弧電流過零時電弧熄滅，而弧隙的介質強度要恢復到正常狀態(tài)值還需一定的時間， 此恢復過程稱之為弧隙介質強度的恢復過程，以耐受的電壓Uj（t）表示。

電流過零前，弧隙電壓呈馬鞍形變化，電壓值很低，電源電壓的絕大部分降落在線路和負載阻抗上。電流過零時，弧隙電壓正處于馬鞍形的后峰值處。電流過零后，弧隙電壓從后峰值逐漸增長，一直恢復到電源電壓，這一過程中的弧隙電壓稱為恢復電壓，其電壓恢復過程以Uhf（t）表示。

2.2 交流電弧熄滅的條件

交流電弧過零后弧隙間介質強度的恢復和電壓的恢復是兩個對立的過程。因為介質強度恢復過程主要是弧隙內部帶電粒子不斷減少的過程，而電壓恢復過程恰相反，它使弧隙中的氣體產生新的游離而使帶電粒子不斷增加。那么可以簡單地確定交流電弧熄滅條件為：交流電弧電流過零后，如果弧隙介質強度恢復的速度超過了弧隙電壓恢復的速度，則電弧熄滅;反之，電弧重燃。

2.3 交流電弧的熄滅方法

提高觸頭的分閘速度。 迅速拉長電弧， 有利于迅速減小弧柱中的電位梯度，增加電弧與周圍介質的接觸面積，加強冷卻和擴散的作用。

采用多斷口。在熄弧時，多斷口把電弧分割成多個相串聯的小電弧段。多斷口使電弧的總長度加長，導致弧隙的電阻增加;在觸頭行程、分閘速度相同的情況下，電弧被拉長的速度成倍增加，使弧隙電阻加速增大，提高了介質強度的恢復速度，縮短了滅弧時間。采用多斷口時，加在每一斷口上的電壓成倍減少，降低了弧隙的恢復電壓，有利于熄滅電弧。

吹弧。用新鮮而且低溫的介質吹弧時，可以將帶電質點吹到弧隙以外，加強擴散，并代之以絕緣性能高的新鮮介質，同時，由于電弧被拉長變細，使弧隙的電導下降。吹弧還使電弧的溫度下降，熱游離減弱，復合加快。

短弧原理滅弧。在交流電路中，當電流自然過零時，所有短弧幾乎同時熄滅，而每個短弧都在新陰極附近產生150～250V的起始介質強度。在直流電路中，每一短弧的陰極區(qū)有8～11V電壓降。如果所有串聯短弧陰極區(qū)的起始介質強度或陰極區(qū)的電壓降的總和永遠大于觸頭間的外施電壓，電弧就不再重燃而熄滅。

利用固體介質的狹縫狹溝滅弧。觸頭間產生電弧后，在磁吹裝置產生的磁場作用下，將電弧吹入滅弧片構成的狹縫中，把電弧迅速拉長的同時，使電弧與滅弧片的內壁緊密接觸，對電弧的表面進行冷卻和吸附，產生強烈的去游離。

用耐高溫金屬材料制作觸頭。觸頭材料對電弧中的去游離也有一定影響，用熔點高、導熱系數和熱容量大的耐高溫金屬制作觸頭，可以減少熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸汽，從而減弱了游離過程，有利于熄滅電弧。

用優(yōu)質滅弧介質。滅弧介質的特性，如導熱系數、電強度、熱游離溫度、熱容量等， 對電弧的游離程度具有很大影響，這些參數值越大，去游離作用就越強。

3.交流電弧的危害

電弧的存在延長了高壓斷路器開斷故障電路的時間。

電弧產生的高溫將使斷路器的觸頭表面熔化和蒸化，燒壞絕緣材料，對充油斷路器還可能引起著火、爆炸等危險。

電弧在電動力、熱力作用下能移動，易造成飛弧短路和傷人，使事故擴大。

電弧雖然對電力設備不同形式的危害，但是，也存在可以利用的一面，在采用自能式滅弧室的斷路器中，就利用了電弧燃燒時產生的能量對壓氣缸進行建壓，然后利用有壓力的氣體再進行吹弧和滅弧。

4.結語

交流電弧是高壓斷路器在操作過程客觀存在的，采用更加有效的方法降低交流電弧對高壓斷路器的危害，將會大大減少高壓斷路器的故障率，提高設備的運行可靠性。

參考文獻

[1]河北省電力公司組編.變電檢修現場技術問答[M].北京：中國電力出版社，2013.

[2]上海超高壓輸變電公司.變電設備檢修[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]國家電網公司人力資源部.變電檢修[M].北京：中國電力出版社，2010.

作者簡介：胡旭喆（1974—），男，工程師，主要從事電氣設備檢修工作。