电弧及其与电路的相互作用

第 一 节 概 述一 、 开 关 电 弧 当 开 关 电 器 开 断 电 路 时 ， 电 压 和 电 流 达 到 一 定 值 时 ， 触 头刚 刚 分 离 后 ， 触 头 之 间 就 会 产 生 强 烈 的 白 光 ， 称 为 电 弧 。二 、 电 弧 产 生 的 条 件 在 大 气 中 开 断 电 路 时 ， 只 要 电 压 超 过 12 -20V,被 开 断 的 电 流 超 过 0.25-1A， 在 触 头 间 隙 (也 称弧 隙 )中 就 会 产 生 电 弧 。三 、 电 弧 的 本 质 电 弧 的 实 质 是 一 种 气 体 放 电 现 象 。 也 是 一 种导 体 。 p 电 弧 是 强 功 率 的 放 电 现 象 ： 在 开 断 几 十 千 安 短 路 电 流 时 ，以 焦 耳 热 形 式 发 出 的 功 率 可 达 10,000kW。 电 弧 可 具 有 上万 摄 氏 度 或 更 高 的 温 度 及 强 辐 射 ， 在 电 弧 区 的 任 何 固 体 、液 体 或 气 体 在 电 弧 作 用 下 都 会 产 生 强 烈 的 物 理 及 化 学 变化 。 在 有 的 开 关 中 ， 电 弧 燃 烧 时 间 比 正 常 情 况 只 多 一 二十 毫 秒 ， 开 关 就 会 出 现 严 重 烧 损 甚 至 爆 炸 。p 电 弧 是 一 种 自 持 放 电 现 象 ： 不 用 很 高 的 电 压 就 能 维 持 相当 长 的 电 弧 稳 定 燃 烧 而 不 熄 灭 。 如 在 大 气 中 ， 每 厘 米 长电 弧 的 维 持 电 压 只 有 15V左 右 。 在 大 气 中 ， 在 100kV电 压下 开 断 仅 5A的 电 流 时 ， 电 弧 长 度 可 达 7m。 电 流 更 大 时 ，可 达 30m。 因 此 ， 单 纯 采 用 拉 长 电 弧 来 熄 灭 电 弧 的 方 法是 不 可 取 的 。四 、 电 弧 的 外 部 特 征 p 电 弧 是 等 离 子 体 ， 质 量 极 轻 、 极 容 易 改 变 形 状 ： 电 弧 区内 气 体 的 流 动 ， 包 括 自 然 对 流 以 及 外 界 甚 至 电 弧 电 流 本身 产 生 的 磁 场 都 会 使 电 弧 受 力 ， 改 变 形 状 ， 有 的 时 候 运动 速 度 可 达 每 秒 几 百 米 。 设 计 人 员 可 以 利 用 这 一 特 点 来快 速 熄 弧 并 预 防 电 弧 的 不 利 影 响 及 破 坏 作 用 。 p 利 用 电 弧 的 高 温 ： 金 属 焊 接 、 熔 炼 ；p 利 用 电 弧 的 强 光 ： 强 光 源 ；p 电 力 开 关 中 的 负 面 作 用 ： 电 弧 的 存 在 延 长 了 开 关 电 器 开断 故 障 电 路 的 时 间 ， 加 重 了 电 力 系 统 短 路 故 障 的 危 害 ；电 弧 产 生 的 高 温 ， 将 使 触 头 表 面 熔 化 和 蒸 化 ， 烧 坏 绝 缘材 料 。 对 充 油 电 气 设 备 还 可 能 引 起 着 火 、 爆 炸 等 危 险 ；由 于 电 弧 在 电 动 力 、 热 力 作 用 下 能 移 动 ， 很 容 易 造 成 飞弧 短 路 和 伤 人 ， 或 引 起 事 故 的 扩 大 。p 电 力 开 关 中 的 正 面 作 用 ： 充 分 利 用 电 弧 等 离 子 体 的 温 度控 制 ， 实 现 导 体 到 绝 缘 体 的 转 换 。五 、 电 弧 的 作 用 第 二 节 电 弧 的 产 生 和 描 述一 、 弧 光 放 电 及 其 特 点逐 渐 增 大 间 隙 电 压 ， 就 会 发 生 放 电 现 象 。 p 开 始 阶 段 ： 只 有 很 微 小 的 电 流 流 过 间 隙 和 电 路 ， 这 是 由 于 外 界 电离 因 素 的 作 用 ， 间 隙 中 存 在 少 量 的 带 电 粒 子 ， 因 此 ， 电 流 随 着 电压 的 升 高 而 有 所 增 加 。p 绝 缘 阶 段 (b点 之 前 )： 电 流 基 本 保 持 不 变 。 外 界 电 离 作 用 所 产 生的 带 电 粒 子 基 本 一 定 ， 电 流 是 恒 定 值 ， 其 电 流 密 度 仅 10-19A/cm2数 量 级 ， 可 认 为 间 隙 是 绝 缘 的 。p 非 自 持 放 电 阶 段 （ bc） ： 在 外 界 电 离 因 素 和 较 高 电 场 作 用 下 ，间 隙 中 的 碰 撞 游 离 和 阴 极 表 面 的 电 子 发 射 使 自 由 电 子 增 加 ， 电 流随 着 电 压 升 高 而 较 快 地 增 大 。 若 除 去 外 界 电 离 因 素 ， 则 放 电 会 停止 ， 这 种 在 外 界 电 离 因 素 作 用 下 的 放 电 现 象 称 为 非 自 持 性 放 电 。 p 自 持 放 电 阶 段 （ c之 后 ） ： 间 隙 中 出 现 了 一 种 新 的 放 电 现 象 ， 电流 迅 速 增 加 到 较 大 的 数 值 ， 气 体 开 始 发 光 并 伴 随 有 声 响 。 即 使 除去 外 界 电 离 因 素 的 作 用 ， 间 隙 在 电 场 的 作 用 下 也 可 以 持 续 放 电 。u 若 电 场 比 较 均 匀 ， 则 到 达 c点 后 间 隙 将 被 击 穿 ， 此 时 的 电 压 就称 为 间 隙 的 击 穿 电 压 ， 当 电 源 功 率 足 够 大 时 ， 击 穿 将 直 接 发展 成 为 弧 光 放 电 ;（ 能 量 集 中 ， 电 流 密 度 大 ， 高 温 ， 强 光 ）u 在 电 场 比 较 均 匀 而 气 体 压 力 较 低 时 ， 气 体 间 隙 击 穿 后 将 首 先出 现 辉 光 放 电 ， 然 后 随 着 电 流 的 增 大 逐 步 过 渡 到 弧 光 放 电 ;u 在 极 不 均 匀 电 场 中 ， 当 气 体 压 力 较 高 且 回 路 电 阻 较 大 时 ， 先在 电 极 表 面 电 场 较 集 中 的 区 域 出 现 电 晕 放 电 ， 当 电 极 间 电 压增 大 到 一 定 值 后 ， 可 通 过 火 花 放 电 过 渡 到 弧 光 放 电 。 p 电 弧 通 常 可 以 分 为 三 个 区 域 :阴 极 区 、弧 柱 区 和 阳 极 区二 、 电 弧 的 组 成 部 分p 通 常 阴 极 区 的 电 位 降 为 l0V20V， 并 与触 头 材 料 等 有 关 。 阴 极 区 的 长 度 很 小 ，如 在 大 气 中 只 有 10-4cm左 右 ， 因 此 电 位梯 度 很 大 。p 阳 极 区 的 位 降 与 阴 极 区 的 位 降 相 近 ，长 度 稍 长 。p 弧 柱 长 度 大 ， 电 位 梯 度 一 般 不 过 几 十伏 上 下 ， 最 高 几 百 伏 ， 较 阴 极 电 位 梯度 小 得 多 。 p 从 电 弧 半 径 方 向 看 ， 电 弧 中 心 温 度 最 高 .弧 柱 周 围 发 光 较暗 的 区 域 称 为 弧 焰 ， 其 中 电 流 密 度 很 小 。 p 电 弧 中 的 电 流 从 微 观 上 看 是 电 子 及 正 离 子 在 电 场 作 用 下 移 动 的 结果 ， 其 中 电 子 的 移 动 构 成 电 流 的 主 要 部 分 。 阴 极 的 作 用 是 发 射 大量 电 子 ， 在 电 场 的 作 用 下 趋 向 阳 极 方 向 从 而 构 成 阴 极 区 的 电 流 。p 阴 极 表 面 电 子 发 射 只 形 成 阴 极 区 的 电 流 ， 弧 柱 部 分 导 电 需 要 在 弧柱 区 域 也 能 出 现 大 量 自 由 电 子 ， 这 就 需 要 使 弧 柱 区 的 气 体 原 子 游离 。 气 体 原 子 游 离 的 方 式 通 常 有 碰 撞 游 离 和 热 游 离 两 种 。p 碰 撞 游 离 ： 从 阴 极 表 面 发 射 出 的 电 子 在 电 场 力 的 作 用 下 高 速 向 阳极 运 动 ， 在 运 动 过 程 中 不 断 地 与 中 性 质 点 （ 原 子 或 分 子 ） 发 生 碰撞 。 当 高 速 运 动 的 电 子 积 聚 足 够 大 的 动 能 ， 超 过 原 子 游 离 能 Ai时 ，就 会 从 中 性 质 点 中 打 出 一 个 或 多 个 电 子 ， 使 中 性 质 点 游 离 ， 这 一过 程 称 为 碰 撞 游 离 (电 场 游 离 )。三 、 电 弧 弧 柱 的 游 离 过 程 + + v 2e H H e p 游 离 能 Ai通 常 用 游 离 电 位 Ui表 示 。 各 种 气 体 的 游 离 电 位 ：种 类 He F N H O C W Cu Ag电 位 /V 24.5 17.5 14.55 13.54 13.5 11.3 7.98 7.72 7.57p 可 见 ， 金 属 蒸 气 比 一 般 气 体 容 易 游 离 。 为 提 高 灭 弧 能 力 ， 应 减 少金 属 蒸 气 量 。p 在 大 气 间 隙 中 ， 电 位 梯 度 达 到 30kV / cm时 , 就 会 由 于 电 场 游 离 而导 致 击 穿 ， 但 在 燃 烧 的 电 弧 中 弧 柱 电 位 梯 度 很 小 ， 因 此 在 弧 柱 中电 场 游 离 就 微 乎 其 微 了 。p 热 游 离 ： 弧 柱 中 气 体 分 子 在 高 温 作 用 下 产 生 剧 烈 热 运 动 ， 动 能 很大 的 中 性 质 点 互 相 碰 撞 时 ， 将 被 游 离 而 形 成 电 子 和 正 离 子 ， 这 种现 象 称 为 热 游 离 。 弧 柱 导 电 就 是 靠 热 游 离 来 维 持 的 。 p 断 路 器 断 开 过 程 中 电 弧 是 这 样 形 成 的 ： 触 头 刚 分 离 时 突 然解 除 接 触 压 力 ， 阴 极 表 面 立 即 出 现 高 温 炽 热 点 ， 产 生 热 电子 发 射 ； 同 时 ， 由 于 触 头 的 间 隙 很 小 ， 使 得 电 场 强 度 很 高 ，产 生 强 电 场 发 射 。 从 阴 极 表 面 逸 出 的 电 子 在 强 电 场 作 用 下 ，加 速 向 阳 极 运 动 ， 发 生 碰 撞 游 离 ， 导 致 触 头 间 隙 中 带 电 质点 急 剧 增 加 ， 温 度 骤 然 升 高 ， 产 生 热 游 离 并 且 成 为 游 离 的的 主 要 因 素 ， 此 时 ， 在 外 加 电 压 作 用 下 ， 间 隙 被 击 穿 ， 形成 电 弧 。 p 与 可 逆 化 学 反 应 相 似 。 在 电 弧 中 一 方 面 由 于 热 游 离 使 得 正 离 子 与电 子 不 断 增 多 ， 同 时 也 存 在 去 游 离 的 作 用 ， 使 正 离 子 和 电 子 减 少 。去 游 离 包 括 复 合 和 扩 散 两 种 方 式 。p 复 合 ： 是 正 、 负 带 电 质 点 相 互 结 合 变 成 不 带 电 质 点 的 现 象 。 由 于弧 柱 中 电 子 的 运 动 速 度 很 快 ， 约 为 正 离 子 的 1000倍 ， 所 以 电 子 直接 与 正 离 子 复 合 的 几 率 很 小 。 一 般 情 况 下 ， 先 是 电 子 碰 撞 中 性 质点 时 ， 被 中 性 质 点 捕 获 变 成 负 离 子 ， 然 后 再 与 质 量 和 运 动 速 度 相当 的 正 离 子 互 相 吸 引 而 接 近 ， 交 换 电 荷 后 成 为 中 性 质 点 。 当 电弧 区 有 金 属 物 时 ， 可 以 吸 引 带 电 粒 子 使 金 属 带 电 ， 再 吸 引 相 反 电荷 的 粒 子 复 合 为 中 性 粒 子 。 电 弧 区 有 绝 缘 物 时 ， 带 电 粒 子 附 在 上面 也 可 促 进 复 合 。四 、 弧 柱 的 消 游 离 （ 去 游 离 ） 过 程 p 扩 散 ： 弧 柱 中 的 带 电 粒 子 ， 由 于 热 运 动 从 弧 柱 中 浓 度 较 高的 区 域 移 动 到 弧 柱 周 围 浓 度 较 低 的 区 域 的 现 象 叫 做 扩 散 . 扩 散 的 结 果 ， 使 弧 柱 中 的 带 电 粒 子 减 少 ， 因 此 对 弧 柱 而 言是 一 种 去 游 离 。 F在 断 路 器 中 采 用 高 速 气 体 吹 弧 ， 带 走 电 弧 中 的 大 量 带 电 质点 ， 以 加 强 扩 散 作 用 p 电 弧 温 度 ： 电 弧 是 由 热 游 离 维 持 的 ， 降 低 电 弧 温 度 就 可 以 减 弱 热 游 离 ， 减 少新 的 带 电 质 点 的 的 产 生 。 同 时 ， 也 减 小 了 带 电 质 点 的 运 动 速 度 ，加 强 了 复 合 作 用 。 通 过 快 速 拉 长 电 弧 ， 用 气 体 或 油 吹 动 电 弧 ， 或使 电 弧 与 固 体 介 质 表 面 接 触 等 ， 都 可 以 降 低 电 弧 的 温 度 。p 介 质 的 特 性 ： 电 弧 燃 烧 时 所 在 介 质 的 特 性 在 很 大 程 度 上 决 定 了 电 弧 中 去 游 离的 强 度 ， 这 些 特 性 包 括 ： 导 热 系 数 、 热 容 量 、 热 游 离 温 度 、 介 电强 度 等 。 若 这 些 参 数 值 大 ， 则 去 游 离 过 程 就 越 强 ， 电 弧 就 越 容 易熄 灭 。五 、 影 响 去 游 离 的 因 素 p 气 体 介 质 的 压 力 ： 气 体 的 压 力 越 大 (大 于 标 准 大 气 压 )， 电 弧 中 质 点 的 浓 度 就 越 大 ，质 点 间 的 距 离 就 越 小 ， 复 合 作 用 越 强 ， 电 弧 就 越 容 易 熄 灭 ; 在 高 度 的 真 空 中 ， 由 于 发 生 碰 撞 的 几 率 减 小 ， 抑 制 了 碰 撞 游 离 ，而 扩 散 作 用 却 很 强 。 因 此 ， 真 空 是 很 好 的 灭 弧 介 质 。p 触 头 材 料 ： 触 头 材 料 也 影 响 去 游 离 的 过 程 。 当 触 头 采 用 熔 点 高 、 导 热 能 力 强和 热 容 量 大 的 耐 高 温 金 属 时 ， 减 少 了 热 电 子 发 射 和 电 弧 中 的 金 属蒸 汽 ， 有 利 于 电 弧 熄 灭 。 u 当 游 离 去 游 离 电 弧 电 流 当 游 离 =去 游 离 电 弧 电 流 不 变 （ 稳 定 燃 烧 ） 当 游 离 去 游 离 电 弧 电 流 （ 熄 灭 ） UfUh a b ih第 三 节 直 流 电 弧一 、 直 流 电 弧 的 伏 安 特 性在 直 流 电 路 中 产 生 的 电 弧 称 为 直 流 电 弧 。表 示 直 流 电 弧 两 端 的 电 弧 电 压 Uh与 流 过 它的 电 弧 电 流 Ih 的 关 系 。 伏 安 特 性 曲 线 一 般可 由 实 验 法 求 得 。直 流 电 弧 在 一 定 长 度 下 稳 定 燃 烧 时所 测 得 的 伏 安 特 性 称 为 静 态 伏 安 待性 。1、 静 态 伏 安 特 性 状 态 均 匀 的 稳 定 电 弧 ： hh h hlU R i iq 截 面 积电 导 率小 电 流 范 围 ： Eh随 i增 加 而 下 降1h hE iq ( )T ( )T T i i hq i hi q T 大 电 流 范 围 ： Eh近 似 常 数 弧 长 p 直 流 电 弧 的 工 作 点二 、 直 流 电 弧 的 燃 烧 与 熄 灭t BA燃 弧 电 压 B熄 弧 电 压 直 径 由 两 条 曲 线 组 成 ， 一 条 曲 线 是 电 流 增 加 时 的 特 性 ， 另 一 条 属 于 电流 减 小 时 的 特 性 。 后 一 条 曲 线 低 于 前 一 条 ， 这 是 由 于 电 极 和 弧 柱气 体 的 热 惯 性 所 致 。 交 流 电 弧 的 伏 安 特 性 与 电 流 的 数 值 、 电 弧 冷却 的 程 度 、 电 极 的 材 料 、 气 体 的 成 分 、 电 弧 的 长 度 以 及 电 流 的 频率 等 因 素 有 关 。动 态 伏 安 特 性 曲 线 ： 交 流 电 弧 的 电 流 变 化 速 度 很 快 ， 不 可 能建 立 稳 定 平 衡 状 态 ， 因 此 ， 其 伏 安 特 性 为 动 态 特 性 。 冷 却 对 电 弧 的 影 响 交 流 电 弧 熄 灭 过 程 主 要 有 以 下 三 种 :二 、 交 流 电 弧 的 熄 灭1)强 迫 熄 弧p在 这 种 情 况 下 ， 电 弧 电 压 Uh很 高 ， 电 源 电 压 不 能 维 持 ， 电弧 电 流 很 快 被 减 小 到 零 而 熄 灭 ， 这 种 灭 弧 过 程 与 直 流 电 弧熄 灭 情 况 相 同 。p填 充 石 英 砂 的 熔 断 器 在 开 断 交 流 短 路 电 流 时 ， 就 会 出 现 这种 强 迫 熄 弧 现 象 。 这 种 熔 断 器 熔 丝 很 长 ， 如 10kV石 英 砂 熔断 器 的 熔 丝 长 度 近 lm。 石 英 砂 有 很 强 的 散 热 能 力 ， 熔 丝 又很 细 ， 因 此 电 弧 电 压 较 高 ， 电 弧 电 流 不 能 维 持 而 急 剧 减 小导 致 熄 弧 。 与 直 流 熄 弧 情 况 相 同 ， 在 电 感 元 件 上 将 出 现 过电 压 。 2)截 流 开 断p在 一 定 条 件 下 ， 电 弧 特 别 是 小 电 流 的 电 弧 还 可 能 由 于 出 现不 稳 定 现 象 而 导 致 熄 灭 。p出 现 这 种 熄 弧 的 基 本 原 因 是 :包 含 电 弧 在 内 的 电 路 ， 在 一 定条 件 下 是 动 态 不 稳 定 系 统 ， 在 外 界 的 干 扰 下 ， 电 弧 燃 烧 不稳 定 ， 出 现 了 自 激 的 高 频 振 荡 ， 最 后 电 弧 电 流 降 到 零 导 致熄 弧 。p熄 弧 过 程 中 电 流 的 变 化 ：p通 常 ， 电 弧 中 振 荡 的 频 率 很 高 ， 可 达 几 百 千 赫 ， 在 频 率 响应 较 差 的 示 波 器 显 示 的 示 波 图 中 ， 电 流 的 波 形 如 右 图 ， 好像 电 流 被 突 然 截 断 一 般 ， 故 这 一 现 象 通 常 称 为 截 流 现 象 。截 流 前 电 流 值 称 为 截 流 值 。 p直 流 电 弧 也 存 在 截 流 。 sinmi I t chI0.01s 3)过 零 熄 弧p对 频 率 为 50Hz的 交 流 电 路 ， 电 流 每 秒 有 100次 零 值 ， 因 此不 管 开 关 熄 弧 能 力 如 何 差 ， 电 弧 电 压 如 何 低 ， 电 流 i都 要 过零 ， 电 弧 自 然 熄 灭 ， 至 少 是 暂 时 地 熄 灭 。 -自 然 过 零p这 时 对 交 流 电 弧 来 说 ， 不 是 电 弧 电 流 能 不 能 降 低 到 零 ， 而是 电 流 过 零 后 电 弧 间 隙 (简 称 弧 隙 )是 否 会 重 新 被 击 穿 而 复燃 的 问 题 。 如 电 流 过 零 后 ， 弧 隙 未 复 燃 ， 电 弧 就 最 后 熄 灭 ;反 之 ， 如 发 生 复 燃 ,则 电 弧 在 电 流 此 次 过 零 时 不 能 熄 灭 ， 至少 需 燃 烧 至 电 弧 电 流 下 次 过 零 时 再 熄 灭 。 p弧 隙 是 否 复 燃 决 定 于 两 方 面 :一 是 弧 隙 的 介 质 强 度 ， 另 一 是加 在 弧 隙 上 的 电 压 ， 通 常 称 为 恢 复 电 压 。uh 弧 隙 介 质 能 够 承 受 外 加 电压 作 用 而 不 致 使 弧 隙 击 穿 的电 压 称 为 弧 隙 的 介 质 强 度 。当 电 弧 电 流 过 零 时 电 弧 熄 灭 ，而 弧 隙 的 介 质 强 度 要 恢 复 到正 常 状 态 值 还 需 一 定 的 时 间 ，此 恢 复 过 程 称 之 为 弧 隙 介 质强 度 的 恢 复 过 程 ， 以 耐 受 的电 压 U j（ t） 表 示 。 三 、 电 压 恢 复 过 程 与 介 质 强 度 恢 复 过 程1)介 质 强 度 恢 复 过 程 p电 流 过 流 前 ， 弧 隙 电 压 呈 马 鞍 形 变 化 ， 电 压 值 很 低 ， 电 源 电压 的 绝 大 部 分 降 落 在 线 路 和 负 载 阻 抗 上 。 电 流 过 零 时 ， 弧 隙电 压 正 处 于 马 鞍 形 的 后 峰 值 处 。 电 流 过 零 后 ， 弧 隙 电 压 从 后峰 值 逐 渐 增 长 ， 一 直 恢 复 到 电 源 电 压 ， 这 一 过 程 中 的 弧 隙 电压 称 为 恢 复 电 压 ， 其 电 压 恢 复 过 程 以 Uhf（ t） 表 示 。p电 压 恢 复 过 程 与 线 路 参 数 、 负 荷 性 质 等 有 关 。 受 线 路 参 数 等因 素 的 影 响 ， 电 压 恢 复 过 程 可 能 是 周 期 性 的 变 化 过 程 ， 也 可能 是 非 周 期 性 的 变 化 过 程 。2)电 压 恢 复 过 程 (c)电 感 电 路(a)电 阻 电 路(b)电 容 电 路 如 果 弧 隙 介 质 强 度 在 任 何 情况 下 都 高 于 弧 隙 恢 复 电 压 ，则 电 弧 熄 灭 ； 反 之 ， 如 果 弧隙 恢 复 电 压 高 于 弧 隙 介 质 强度 ， 弧 隙 就 被 击 穿 ， 电 弧 重燃 。 因 此 ， 交 流 电 弧 的 熄 灭条 件 为 ： Uj（ t） Uhf（ t） U j（ t） 弧 隙 介 质 强 度 ； Uhf（ t） 弧 隙 恢 复 电 压 。 3)熄 弧 条 件 一 、 提 高 触 头 的 分 闸 速 度二 、 采 用 多 断 口三 、 吹 弧 吹 弧 气 流 产 生 的 方 法 吹 弧 的 方 向四 、 短 弧 原 理 灭 弧五 、 利 用 固 体 介 质 的 狭 缝 狭 沟 灭 弧六 、 采 用 耐 高 温 金 属 材 料 制 作 触 头七 、 采 用 优 质 灭 弧 介 质第 五 节 熄 灭 电 弧 的 措 施 提 高 触 头 的 分 闸 速 度 熄 灭 交 流 电 弧 的 关 键 在 于 电 弧 电 流 过 零 后 ， 弧 隙 的 介 质 强度 的 恢 复 过 程 能 否 始 终 大 于 弧 隙 电 压 的 恢 复 过 程 。 迅 速 拉 长 电 弧 ， 有 利 于 迅 速 减 小 弧 柱 中 的 电 位 梯 度 ， 增 加电 弧 与 周 围 介 质 的 接 触 面 积 ， 加 强 冷 却 和 扩 散 作 用 ， 使 介 质 快速 恢 复 。 因 此 ， 现 代 高 压 开 关 中 都 采 取 了 迅 速 拉 长 电 弧 的 措 施灭 弧 ， 如 采 用 强 力 分 闸 弹 簧 ， 其 分 闸 速 度 已 达 16m/s以 上 。 采 用 多 断 口 每 一 相 有 两 个 或 多 个 断 口 相 串 联 。 在 熄 弧 时 ， 多 断 口 把 电弧 分 割 成 多 个 相 串 联 的 小 电 弧 段 。 多 断 口 使 电 弧 的 总 长 度 加长 ， 导 致 弧 隙 的 电 阻 增 加 ； 在 触 头 行 程 、 分 闸 速 度 相 同 的 情 况下 ， 电 弧 被 拉 长 的 速 度 成 倍 增 加 ， 使 弧 隙 电 阻 加 速 增 大 ， 提 高了 介 质 强 度 的 恢 复 速 度 ， 缩 短 了 灭 弧 时 间 。 采 用 多 断 口 时 ， 加 在 每 一 断 口 上 的 电 压 成 倍 减 少 ， 降 低 了弧 隙 的 恢 复 电 压 ， 亦 有 利 于 熄 灭 电 弧 。 在 要 求 将 电 弧 拉 到 同 样的 长 度 时 ， 采 用 多 断 口 结 构 成 倍 减 小 了 触 头 行 程 ， 也 就 减 小 了开 关 电 器 的 尺 寸 。 如 所 示 ： 采 用 多 断 口 吹 弧 吹 弧 气 流 产 生 法 .（ 1） 用 新 鲜 而 且 低 温 的 介 质 吹 拂 电 弧 时 ， 可 以 将 带 电 质 点 吹 到 弧隙 以 外 ， 加 强 了 扩 散 ， 由 于 电 弧 被 拉 长 变 细 ， 使 弧 隙 的 电 导 下降 。 吹 弧 还 使 电 弧 的 温 度 下 降 ， 热 游 离 减 弱 ， 复 合 加 快 。 按 吹弧 气 流 的 产 生 方 法 和 吹 弧 方 向 的 不 同 ， 吹 弧 可 分 为 以 下 几 种 。 1. 吹 弧 气 流 产 生 的 方 法 有 ： （ 1） 用 油 气 吹 弧 用 油 气 作 吹 弧 介 质 的 断 路 器 称 为 油 断 路 器 。 在 这 种 断 路 器中 ， 有 用 专 用 材 料 制 成 的 灭 弧 室 ， 其 中 充 满 了 绝 缘 油 。 当 断 路器 触 头 分 离 产 生 电 弧 后 ， 电 弧 的 高 温 使 一 部 分 绝 缘 油 迅 速 分 解为 氢 气 、 乙 炔 、 甲 烷 、 乙 烷 、 二 氧 化 碳 等 气 体 ， 其 中 氢 的 灭 弧能 力 是 空 气 的 7.5倍 。 这 些 油 气 体 在 灭 弧 室 中 积 蓄 能 量 ， 一 旦 打开 吹 口 ， 即 形 成 高 压 气 流 吹 弧 。 吹 弧 吹 弧 气 流 产 生 法 .（ 2） （ 2） 用 压 缩 空 气 或 六 氟 化 硫 气 体 吹 弧 将 20个 左 右 大 气 压 的 压 缩 空 气 或 5个 大 气 压 左 右 的 六 氟 化硫 气 体 （ SF6） 先 储 存 在 专 门 的 储 气 罐 中 ， 断 路 器 分 闸 时 产 生电 弧 ， 随 后 打 开 喷 口 ， 用 具 有 一 定 压 力 的 气 体 吹 弧 。 （ 3） 产 气 管 吹 弧 产 气 管 由 纤 维 、 塑 料 等 有 机 固 体 材 料 制 成 ， 电 弧 燃 烧 时 与管 的 内 壁 紧 密 接 触 ， 在 高 温 作 用 下 ， 一 部 分 管 壁 材 料 迅 速 分 解为 氢 气 、 二 氧 化 碳 等 ， 这 些 气 体 在 管 内 受 热 膨 胀 ， 增 高 压 力 ，向 管 的 端 部 形 成 吹 弧 。 吹 弧 吹 弧 方 向 法 （ 1） 2. 按 吹 弧 的 方 向 分 为 ： （ 1） 纵 吹 吹 弧 的 介 质 （ 气 流 或 油 流 ） 沿 电 弧 方 向 的 吹 拂 称 为 纵 吹 ，纵 吹 能 增 强 弧 柱 中 的 带 电 质 点 向 外 扩 散 ， 使 新 鲜 介 质 更 好 地 与炽 热 电 弧 接 触 ， 加 强 电 弧 的 冷 却 ， 有 利 于 迅 速 灭 弧 。 （ 2） 横 吹 横 吹 时 气 流 或 油 流 的 方 向 与 触 头 运 动 方 向 是 垂 直 的 ， 或 者说 与 电 弧 轴 线 方 向 垂 直 。 横 吹 不 但 能 加 强 冷 却 和 增 强 扩 散 ， 还能 将 电 弧 迅 速 吹 弯 吹 长 。 有 介 质 灭 弧 栅 的 横 吹 灭 弧 室 ， 栅 片 能更 充 分 地 冷 却 和 吸 附 电 弧 ， 加 强 去 游 离 。 在 相 同 的 工 作 条 件 下 ，横 吹 比 纵 吹 效 果 要 好 。 吹 弧 吹 弧 方 向 法 （ 2） 吹 弧 吹 弧 方 向 法 （ 3） （ 3） 纵 横 吹 横 吹 灭 弧 室 在 开 断 小 电 流时 因 室 内 压 力 太 小 ， 开 断 性 能较 差 。 为 了 改 善 开 断 小 电 流 时的 灭 弧 性 能 ， 可 将 纵 吹 和 横 吹结 合 起 来 。 在 大 电 流 时 主 要 靠横 吹 ， 小 电 流 时 主 要 靠 纵 吹 ，这 就 是 纵 横 吹 灭 弧 室 。 短 弧 原 理 灭 弧 灭 弧 装 置 是 一 个 金 属 栅 灭 弧 罩 ， 利 用 将 电 弧 分 为 多 个串 联 的 短 弧 的 方 法 来 灭 弧 。 由 于 受 到 电 磁 力 的 作 用 ， 电 弧 从 金属 栅 片 的 缺 口 处 被 引 入 金 属 栅 片 内 ， 一 束 长 弧 就 被 多 个 金 属 片分 割 成 多 个 串 联 的 短 弧 。 如 果 所 有 串 联 短 弧 阴 极 区 的 起 始 介 质强 度或 阴 极 区 的 电 压 降 的总 和 永 远 大 于 触 头 间的 外 施 电 压 ， 电 弧 就不 再 重 燃 而 熄 灭 。 采用 缺 口 铁 质 栅 片 ， 是为 了 减 少 电 弧 进 入 栅片 的 阻 力 ， 缩 短 燃 弧 时 间 。 参 见 P121 图 6-12 利 用 固 体 介 质 的 狭 缝 狭 沟 灭 弧 灭 弧 装 置 的 灭 弧 片 是 由 石 棉 水 泥 或 陶 土 制 成 的 。 触头 间 产 生 电 弧 后 ， 在 磁 吹 装 置 产 生 的 磁 场 作 用 下 ， 将 电 弧 吹入 由 灭 弧 片 构 成 的 狭 缝 中 ， 把 电 弧 迅 速 拉 长 的 同 时 ， 使 电 弧与 灭 弧 片 内 壁 紧 密 接 触 ， 对 电 弧 的 表 面 进 行 冷 却 和 吸 附 ， 产生 强 烈 的 去 游 离 。 石 英 砂 熔 断 器 中 的 熔 丝 熔 断 时 ， 在 石 英 砂 的 狭 沟 中产 生 电 弧 。 由 于 受 到 石 英 砂 的 冷 却 和 表 面 吸 附 作 用 ， 使 电 弧迅 速 熄 灭 。 同 时 ， 熔 丝 气 化 时 产 生 的 金 属 蒸 汽 渗 入 石 英 砂 中遇 冷 而 迅 速 凝 结 ， 大 大 减 少 了 弧 隙 中 的 金 属 蒸 汽 ， 使 得 电 弧容 易 熄 灭 。 利 用 固 体 介 质 的 狭 缝 狭 沟 灭 弧 用 耐 高 温 金 属 材 料 作 触 头 、 优 质 灭 弧 介 质 触 头 材 料 对 电 弧 中 的 去 游 离 也 有 一 定 影 响 ， 用 熔 点 高 、导 热 系 数 和 热 容 量 大 的 耐 高 温 金 属 制 作 触 头 ， 可 以 减 少 热 电子 发 射 和 电 弧 中 的 金 属 蒸 汽 ， 从 而 减 弱 了 游 离 过 程 ， 有 利 于熄 灭 电 弧 。 灭 弧 介 质 的 特 性 ， 如 导 热 系 数 、 电 强 度 、 热 游 离 温 度 、热 容 量 等 ， 对 电 弧 的 游 离 程 度 具 有 很 大 影 响 ， 这 些 参 数 值 越大 ， 去 游 离 作 用 就 越 强 。 在 高 压 开 关 中 ， 广 泛 采 用 压 缩 空 气 、六 氟 化 硫 （ SF6） 气 体 、 真 空 等 作 为 灭 弧 介 质 。 F电 弧 的 本 质 及 外 部 特 征 F电 弧 是 如 何 产 生 的 ？ 影 响 去 游 离 的 因 素 F直 流 电 弧 的 伏 安 特 性 F直 流 电 弧 的 熄 灭 条 件 及 影 响 熄 弧 的 因 素 F直 流 电 弧 的 开 断 参 数 F交 流 电 弧 的 特 性 F交 流 电 弧 的 熄 弧 方 式 及 熄 弧 条 件 F熄 灭 电 弧 的 措 施小 结 4.4.2 交 流 电 弧 对 电 路 的 影 响 4.5 电 弧 的 黑 盒 模 型教 材 中 下 述 内 容 为 选 学 ：