電弧的形成機制與滅弧原理研究

李維剛，鄭全新

（荊楚理工學院，湖北 荊門 448000）

1 電弧現(xiàn)象

電弧現(xiàn)象是電氣工程領(lǐng)域的基本問題，在電氣工程領(lǐng)域，經(jīng)常需要研究電弧的利用或抑制問題；因此，有必要對電弧現(xiàn)象進行介紹。通過實驗發(fā)現(xiàn)，電弧發(fā)生時會產(chǎn)生大量的熱量，發(fā)出強烈的弧光，且電弧在外力的作用下可漂移。把電弧分為陰極區(qū)域、陽極區(qū)域及弧柱區(qū)域分別加以說明。陰極區(qū)域：大量正離子在電場力作用下向陰極做加速運動，聚集到陰極附近，而形成由正離子組成的空間電荷區(qū)，電場強度較高。陽極區(qū)域：自由電子在電場力作用下向陽極聚集，不斷被陽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、負離子數(shù)相同，是等離子區(qū)。

有關(guān)研究人員通過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（流體力學、動力學和熱力學）和電磁學等相關(guān)理論。通過對電弧內(nèi)部特性進行研究和分析，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)部物理化學動態(tài)發(fā)展和變化過程。

2 電弧的性質(zhì)與產(chǎn)生條件

通過對交流電流、負載為阻性、觸頭分斷電流150 A電弧放電的動態(tài)變化規(guī)律進行研究發(fā)現(xiàn)，隨著觸頭斷開時間延長，電弧放電面積先增大，趨于穩(wěn)定后再減小；從電弧燃燒形態(tài)來看，電弧燃燒呈仿錘形；從電弧放電時電路的功率變化來看，隨著觸頭斷開時間延長，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；從電弧放電面積變化和電路功率變化時間先后看，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。在電場強度達到一定值時，弧光放電能持續(xù)進行，故弧光放電是一種自持放電形式。另外，電弧的溫度極高，以電氣工程實踐中應(yīng)用最為廣泛的電弧焊為例，焊接時電弧的溫度為6 000～8 000 ℃。電弧性質(zhì)總結(jié)：電弧是一種高溫、可電導、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：在開關(guān)電氣設(shè)備斷開的瞬間，如果觸頭兩極的電壓大于10 V，切斷電流大于80 mA時，會受到激發(fā)而產(chǎn)生電弧。

電氣工程實踐中使用的速斷開關(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，在普通開關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)上增設(shè)滅弧系統(tǒng)設(shè)計而成。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，電磁力能推動電弧做背離觸點方向運動，如果接觸器分斷電流較小（即電弧電流較小），電弧所受到的電磁場也較小。在燃弧過程中電弧運動非常微弱，即電弧存在停滯現(xiàn)象，開關(guān)電氣設(shè)備的觸頭會受到高溫威脅，嚴重影響電氣設(shè)備的使用壽命。另外，通過研究永磁體對電弧磁吹弧作用、電弧電流大小、燃弧時間的影響發(fā)現(xiàn)，電弧受到永磁體電磁力的磁吹弧作用較強，電弧會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，能有效減少燃弧時間。

3 電弧形成的物理機制

電氣設(shè)備中氣隙中的帶電粒子游離和去游離過程是電弧形成的物理機制，去游離過程中往往伴隨新游離的開始，去游離過程中釋放大量的熱和強烈的弧光，大量的熱又使熱游離過程得以延續(xù)，如此往復循環(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 場電子發(fā)射

由強電場力將電子從觸頭金屬電極拉出的過程稱為場電子發(fā)射，產(chǎn)生機理為：電氣開關(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，可使間隙的電場強度達到109V/m數(shù)量級。這一強電場將陰極觸頭表面的自由電子拉到極小的兩極電場氣隙中，使氣隙中充滿較多的自由電子，這種因強電場的形成，而使自由電子不斷從負極性電極激發(fā)到間隙的過程即為場電子發(fā)射。

3.2 碰撞游離

開關(guān)電氣設(shè)備觸頭兩極間隙中的中性質(zhì)點被游離過程稱為碰撞游離，產(chǎn)生機理為：由場電子發(fā)射產(chǎn)生的大量自由電子，會在電場力的作用下加速向陽極運動，高速運動的自由電子與氣隙中的中性質(zhì)點碰撞會產(chǎn)生兩種結(jié)果。第一種，如果自由電子的動能足夠大，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，如果自由電子的動能較小，自由電子將與間隙中的中性質(zhì)點結(jié)合，形成負離子。因此，自由電子與中性質(zhì)點碰撞會形成新的自由電子、正離子和負離子。新形成的自由電子同樣向陽極做加速運動，使碰撞游離過程連續(xù)發(fā)生，觸頭電極間便充滿了電子和正負離子。

3.3 熱電子發(fā)射

當觸頭金屬電極的溫度升高到一定值時，金屬電極表面電子獲得足夠的動能，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，形成機理為：因碰撞游離而產(chǎn)生的正離子在電場力作用下向觸頭電極的陰極做加速運動撞擊到陰極板上，使陰極溫度快速升高，陰極中電子動能增加，當溫度升高到一定程度時，部分電子獲得足夠的動能并從陰極表面逸出參與到碰撞游離過程。

3.4 熱游離

高溫狀態(tài)下，中性粒子由于高速不規(guī)則的熱運動相互碰撞，產(chǎn)生帶電離子的過程稱為熱游離。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)點的熱運動形成，機理為：電流通過弧隙（在開關(guān)電氣設(shè)備中，把動靜觸頭間電弧燃燒的間隙簡稱為弧隙）產(chǎn)生大量的熱，使電弧的中心溫度達到10 000 ℃以上，弧隙中的中性質(zhì)點的不規(guī)則熱運動加劇，劇烈運動的中性質(zhì)點會相互撞擊，產(chǎn)生電子或正離子的過程為熱游離。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

去游離是正負離子中和成為中性質(zhì)點或降低帶電質(zhì)點濃度的過程，包括復合和擴散兩種形式。

復合是正負離子中和成為中性質(zhì)點的過程。對復合作用有直接影響的是帶電粒子速度。減小電場強度、降低溫度均可以使帶電粒子速度減小，使復合更加容易。另外，帶電粒子的濃度增大，復合的幾率也會增加，復合的效果更顯著。

擴散是電弧中帶電質(zhì)點的熱運動而從弧柱區(qū)逸出，進入周圍介質(zhì)的過程。擴散作用與介質(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散、從高濃度向低濃度擴散。擴散使弧柱中帶電粒子濃度減少，溫度降低。因為介質(zhì)與電弧的溫差越大，擴散作用越強，所以冷卻是加速擴散作用最有效的途徑。

4 滅弧原理和方法

電氣開關(guān)分斷時為何容易形成電弧，是因為電氣觸頭間隙及其周圍介質(zhì)中存在可游離的帶電離子濃度過高。熄滅電弧原理：采取措施，讓去游離過程更易發(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。基于熄滅電弧的原理，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度，不存在電介質(zhì)，不可能發(fā)生碰撞游離過程，不支持電弧燃燒的原理制造。第二，電負性氣體滅弧。如常用的SF6斷路器，是利用SF6氣體為電介質(zhì)。因為SF6是一種電負性氣體，絕緣強度是空氣的3倍，電子復合能力很強，是空氣的100倍。第三，吹弧滅弧。利用外力拉長電弧，降低電場強度，同時使電弧冷卻加速。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。如鐵殼開關(guān)中加裝速斷彈簧，斷開電路時能迅速拉長電弧，使電場強度下降，游離過程減弱，去游離過程增強。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，還能有效降低觸頭及其間隙的溫升，使得游離過程難以發(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，減弱游離增強去游離，使電弧熄滅。

5 結(jié) 論

電弧問題是電氣工程的基本問題之一，電氣工程實踐中很多電氣設(shè)備如真空斷路器、SF6斷路器、油斷路器、接觸器、組合GIS開關(guān)以及負荷開關(guān)等都是為減小電弧產(chǎn)生或盡快熄滅電弧而研制的。認識電弧的性質(zhì)及其形成的物理機制，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)開關(guān)電氣設(shè)備觸頭間隙的溫度、場強、電離子濃度以及氣體壓力等物理因素，采取適當措施、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，對于研究開發(fā)新型開關(guān)電氣設(shè)備，延長開關(guān)電氣設(shè)備的使用壽命，提高電氣線路運行的可靠性，提高電路運行維護技術(shù)人員的檢修效率等均具有重要意義。