試析電力開關中電弧的產生機理

唐玉龍

（云南電網有限責任公司昭通供電局，云南 昭通657000）

電力開關具有十分廣泛的應用范圍。在開關電器觸頭接通過程中開關觸頭與觸頭將發生電弧，生成電弧能量，帶來非常高的溫度，會損壞到電氣觸頭，當電弧持續過久，會使得電器損毀，繼而對人員安全造成危害。因此，掌握電弧產生的機理，分析滅弧舉措意義重大，可提高供電的可靠性［1］。

1 電力開關中電弧產生

電弧的產生受電源開關的供電方式影響，有效把控開關供電性能，可以減少電弧發生。

開關的供電方式如下：一類是分布式供電，另一類是集中式供電。由于集中式供電系統容易發生電弧，會造成電源故障，使得集中式供電系統發生崩潰，而分布式供電整體系統不會產生過于嚴重的電弧威脅。相比負載，分布式供電系統的供電單元更近，同時損耗少，安全性十分突出。所以，采取有效舉措可規避電弧造成的損害。

電路形式不同，電源開關會發生有差別的電弧，如，通常開關電源包括雙單端正激式、全橋式等，以上形式均會形成單向偏磁飽和，使得開關管遭受破壞，偶爾形成有差別的低壓，形成電弧。為此，采取脈寬調制是非常不錯的舉措。由于相比普通的電壓控制，中小功率的電源有著不同的特征，不會由于過流而毀壞開關管，有效保護了短路；環路穩定，易于補償；紋波小。

2 電力開關中電弧產生的機理

電弧產生機理是電力開關觸頭閉合短時釋放自由電子，但游離電子逐步碰撞，促使觸點與觸點生成導電性，釋放出電力，形成電弧。

2.1 電力開關觸頭瞬間釋放自由電子

人們能迅速操作設備開關，電弧發生概率小，而部分人對機器開關進行操作時，因為一些原因使得速度變慢，繼而發生電弧。開關觸頭開始分離過程中觸頭與觸頭之間的距離并不大，且觸頭與觸頭在電壓影響下形成1個電場，同時具有非常強的強度，為此，產生大量自由電子，促使電弧的形成。從相關實驗結果來看，當觸頭與觸頭電場強度達到一定規模時，使得開關失靈。此外，如果開關觸頭發生分離，它的電阻在接觸面積影響之下，形成非常多的熱量，繼而使得局部溫度在短時間內上升。此時電子因為高溫的影響而產生得越來越多，最終導致許多電子出現在觸頭與觸頭之間。

2.2 游離電子碰撞而引起電弧

如果電子被釋放出，它會在觸頭與觸頭之間進行徘徊，同時遭受非常高強度電場的影響，促使運行速度變快，為此，上述自由電子運轉時，往往會碰撞中性氣體屬性的空氣質點，產生摩擦作用。且正離子和自由電子接觸質點時，隨著時間的增長，速度不斷增大，最終導致質點數目不斷增多，對觸點實施包圍，最終把電子氣體轉變為具有較多能量的電弧，繼而釀成事故。

3 電力開關中滅弧的措施

結合實際合理有效的滅弧舉措如下。

3.1 運用結構改變熄弧

運用隔板，分隔開關設備，形成許多空間，以達到減少電弧發生情況。各種形式的柵片較大程度上影響到電場分布，其最大電場強度存在非常大的不同。柵片長度一樣，同時進行平行擺放，在動觸頭與柵片具有最為密集的等位線，在該區域內，電場強度達到最大值，同時該結果下的電場分布十分不均衡。把柵片變成各種長度，可讓等位線具有非常好的密集程度，讓電場分布均勻化。上述兩類結構并無明顯不同的最大電場強度值，位置有所改變，在動觸頭與十分靠近的柵片中間電場強度達到最大數值。如果柵片被豎直擺放，最大場強點被移至觸頭與觸頭中間，因為豎直擺放柵片，觸頭滅弧范圍內電場均勻化分布，受恢復電壓電場的影響，電弧具有最低的重燃率數值，能夠在最短的時間內燃?。?］。

自能式滅弧，即充分運用電弧能量，讓滅弧室構建一定的壓力，滿足氣吹熄弧需要，所以無需操作機構給予過大的壓縮功，使斷路器獲得非常突出的機械可靠性。為讓斷路器開斷大小電流獲得較高的性能和非常高的斷口電壓，人們給予的滅弧方式融合了熱膨脹和磁旋弧，它的工作原理為，當電流處于開斷狀態時，膨脹室中的電弧燃燒，一些電弧能量對四周氣體進行加熱，促使膨脹室中氣壓變得越來越大，如果動觸頭運動至噴口打開時，氣流流出，至膨脹室外部，將非常強大的氣吹施加給電弧，同時在電流過零過程中熄滅電弧。這種自能式斷路器在熄弧上無需太大操作功率，綜合體積不大，備受研發者的關注。

3.2 運用滅弧介質滅弧

滅弧介質滅弧也被稱之為吹弧，將油或氣體用作滅弧介質，在滅弧室環境中，對已形成的電弧實施吹動處理，采用弧區之外比較新鮮且溫度十分低的介質，達到吹滅電弧的效果，會發揮必要的熄滅電弧的功能。首先，使用此種方法，可吹散電弧中許多正負離子，把其吹至開關觸頭間隙外部，且于觸頭與觸頭中生成具有較高絕緣性能的新鮮介質；其次，它可以短時間降低觸頭與觸頭之間的溫度，避免觸頭與觸頭之間不斷進行熱游離，顯著增強了觸頭與觸頭的介質強度，使吹散的離子有效接觸冷介質，促使復合流程的推進。

開關電源中預防電弧的手段有：

（1）進行防潮處理。電子元件外部處于潮濕環境中，會沾上一層水膜，如果水膜厚度接近某一數值時，將形成電解質膜，這種物質是化學腐蝕所需要的，該電解質中存有鹽分，嚴重腐蝕金屬外部，所以需進行防潮，搞好防鹽霧工作。

（2）進行密封處理。處于大氣環境中的元件，禁止使用凹陷結構，避免積水而造成腐蝕。濕熱環境的存在，為霉菌的生存及繁殖提供了良好的條件，霉菌將有機物作為養料，把水分吸附進來，形成有機酸，繼而會對絕緣層構成腐蝕，導致電路發生短路情況。所以，不得使用易霉制品，如麻、棉等一些物品。如果所處地區比較潮濕，一定要予以三防設計。

（3）真空滅弧。相比普通油介質與一般氣體，真空具有非常強的絕緣強度，如果真空度趨于10－2～10－4Pa時，它的擊穿電場強度在100 kV／mm以上，盡管真空電弧的構成包括三個部分，如等離子區、陽極區與陰極區。而其通過觸頭電極自身蒸發的金屬蒸氣予以保持，相比四周密度與溫度，真空電弧柱的帶電質點非常高，會生成突出的對流，使得熾熱帶電質點在較短時間內擴散至四周，達到維持電弧的效果。

（4）SF6滅弧。SF6是一種鹵素化合物氣體，沒有顏色，不能燃燒，具備非常強大的滅弧功能。通過其實施滅弧，相比空氣分解溫度，SF6具有較低的分解溫度，不但依賴氣流壓力梯度產生的等熵冷卻作用，更重要的是借助了SF6氣體自身獨特的熱化學性。相比空氣分解，需要更高的分解能量，所以，其在分解過程中吸收到了非常多的能量，對弧柱施加比較強大的冷卻作用，SF6與其分解而形成的鹵族原子與分子強有力地吸附到電弧內的電子，產生負離子，相比電子的質量，負離子要大出許多，受電場作用影響，相比電子移動速度，負離子比較小，所以，在電場運動過程中極易和正離子復合，生成中性分子。應當提出的是，SF6氣體是一種受到束縛的溫室氣體。

3.3 盡可能運用多斷口開關

在選取電壓高或電流大的開關時，最好使各項具有許多開斷口，當發生電弧，多斷口的存在增加了電弧總的長度，所以，使得觸點與觸點的電導率變低。且存在的多個斷口，縮短了各斷口的行程，有效分離出開關觸頭，也可在非常短的時間內進行閉合，降低了電弧發生概率，即便是發生電弧，由于能量輸出非常少，介質強度可以在非常短的時間內趨于恢復狀態，馬上熄滅。

3.4 運用近陰極效應

低壓開關當中普遍使用滅弧柵裝置，由鐵磁材質制成的金屬片，短弧柵格觸頭與觸頭發生電弧后，在電弧電流形成的磁場內，鐵磁材質的柵片形成電磁力，將電弧弧柱引入柵片內，把長弧化割為成串的短?。?］。設立n個數目的柵片，那么滅弧柵整體起始介質強度是150 V～250 V，添加到觸頭與觸頭之間的電壓數值比上述數值要小，也就是可有效地滅弧。柵片被制成缺口狀，以預防電弧弧柱進入柵片產生過大的阻力，迅速燃弧。

3.5 運用固體介質的狹縫熄弧

該方法一般能夠應用在低壓開關，于狹縫當中，可利用絕緣性能非常突出的滅弧罩來達到滅弧作用，其中，該滅弧罩的構成為石棉或水泥。在開關觸頭與觸頭生成電弧，磁吹裝置便會發生作用，形成磁場，電弧在磁場影響之下，被置入滅弧罩當中，滅弧罩中的狹縫是非常小的，可以達到拉長電弧的效果，迫使作用下，電弧接觸滅弧片，冷卻電弧，導致電弧被熄滅。

4 結束語

在當前發展中，配置開關的設備被應用到諸多工程建設中。現階段許多工程項目因為操作欠缺，而釀成部分安全事故，損壞了部分機械設備，甚至給人們生命健康構成危害。上述狀況的發生，與電弧的產生有著直接的聯系。不同領域的設備監管人員，務必對機械設備開關保持高度認知，使所員工均了解電弧危害，讓他們樹立強烈的電弧防范意識，規避施工危險，營造安全的良好環境。