电弧产生原理_电弧产生的原因

　　电弧产生现象原因及特点

　　在有触点电器中，触头接通和分断电流的过程中往往伴随着气体放电现象---电弧的产生及熄灭，电弧对电器具有一定的危害。

　　电弧属于气体放电的一种形式。气体放电分为自持放电与非自持放电两类，电弧属于气体自持放电中的弧光放电。试验证明，当在大气中开断或闭合电压超过10V、电流超过100MA的电路时，在触头间隙（或称弧隙）中会产生一团温度极高、亮度极强并能导电的气体，称为电弧。由于电弧的高温及强光，它可以广泛应用于焊接、熔炼、化学合成、强光源及空间技术等方面。对于有触点电器而言，由于电弧主要产生于触头断开电路时，高温将烧损触头及绝缘，严重情况下甚至引起相间短路、电器爆炸，酿成火灾，危及人员及设备的安全。所以从电器的角度来研究电弧，目的在于了解它的基本规律，找出相应的办法，让电弧在电器中尽快熄灭。

　　我们借助一定的仪器仔细观察电弧，可以发现，除两个极（触头）外，明显的分为3个区域，即近阴极区、近阳极区及弧柱区。

　　近阴极区的长度约等于电子的平均自由行程。在电场力的作用下正离子向阴极运动，造成此区域内聚集着大量的正离子而形成正的空间电荷层，使阴极附近形成高电场强度。正的空间电荷层形成阴极压降，其数值随阴极材料和气体介质的不同而有所变化，但变化不大，约在10－20V之间。

　　近阳极区的长度约等于近阴极区的几倍。在电场力的作用下自由电子向阳极运动，它们聚集在阳极附近而且不断被阳极吸收而形成电流。在此区域内聚集着大量的电子形成负的空间电荷层，产生阳极压降，其值也随阳极材料而异、但变化不大，稍小于阴极压降。由于近阳极区的长度比近阴极区的长，故其电场强度较小。

　　阴极压降与阳极压降的数值几乎与电流大小无关，在材料及介质确定后可以认为是常数。

　　弧柱区的长度几乎与电极间的距离相同。是电弧中温度最高、亮度最强的区域。因在自由状态下近似圆柱形，故称弧柱区。在此区中正、负电粒子数相同，称等离子区。由于不存在空间电荷，整个弧区的特性类似于一金属导体。每单位弧柱长度电压降相等。其电位梯度E。也为一常数，电位梯度与电极材料、电流大小、气体介质种类和气压等因素有关。

　　电弧按其外形分为长弧与短弧。长短之别一般取决于弧长与弧径之比。把弧长大大超过弧径的称为长弧。长弧的电压是近极压降（阴极压降与阳极压降）与弧柱压降之和。若弧长小于弧径，两极距离极短（如几毫米）的电弧称为短弧。此时两极的热作用强烈，近极区的过程起主要作用。电弧的压降以近极压降为主，几乎不随电流变化。

　　电弧还可按其电流的性质分为直流电弧和交流电弧。

　　电弧的形成原因

　　变压器及各种用电设备投入或者退出电网时，都有开关电器来完成。当其在大气中开断时，只要电源电压超过12～20V，被关断的电流超过0.25～1A，在触头间（简称弧隙）就会产生一团温度极高、发出强光、能导电的近似圆柱形的气体，此即为电弧。比如铜触头间的最小生弧电压为13V，最小生弧电流为0.43A，开断220V交流电路时产生电弧的最小电流为0.5A。

　　实际上开关电器在工作时，电路的电压和电流大都大于生弧电压和生弧电流。即开断电路时触头间隙中必然产生电弧这一现象。电弧的产生，一方面使电路仍旧保持导通状态，而延迟了电路的开断；另一方面电弧长久不熄还会烧损触头及附近的绝缘，严重时甚至引起开关电器的爆炸和火灾。建立于电弧理论基础上的各种开关电器的构造和工作原理，都和电弧有关，电弧在众多电气设备火灾事故中，作为一个很重要的点火源，已引起消防界的重视。因此，我们必须掌握电弧的产生和熄灭的原理，以便采取正确的措施，防范爆炸和火灾事故的发生。

　　电弧能够形成导电通道，是因为触头开始分离时，接触处的接触面积很小，电流密度很大，这就使触头金属材料强烈发热。它首先被融化形成液态金属桥，然后有一部分被汽化，变成金属蒸汽进去弧隙。阴极表面在高温作用下，也产生热电发射，向弧隙发射电子。同时，触头间隙开始很小，电场强度极大，阴极表面内部的电子会在强电场作用下被拉出来，送向弧隙，这叫场强发射。由于场强发射和热电发射在弧隙中形成的自由电子，又被强电场加速，向阳极运动，具有足够动能的电子与弧隙介质中性点产生碰撞游离。这种现象不断发生的结果，是触头间隙中的介质点大量游离，变成大量正、负带电质点，从而使弧隙击穿发弧。

　　电子动能大于介质的游离能（即游离电位）时，碰撞游离才能发生，但当电子动能小于介质游离能时．中性质点只能激励。电子在弧隙电场中动能的大小，有电子速度决定，而电子平均速度与介质密度和电场强度有关。在开关电器触头间往往充以游离电位高的氢、六氟化硫等物质，来达到使电弧易于熄灭并难于重燃的目的。开关油作灭弧介质，因为它在电弧高温下，能分解出游离电位高的氢气，易于灭弧。

　　碰撞游离是电弧发生的主要原因，触头间的强电场，是电弧发生的必要条件，弧隙介质的热游离则是维持电弧燃烧的主要因素。发生电弧时，弧隙中电子、原子及分子互相碰撞，并不断交换能量，使弧隙中介质温度急剧增加，弧柱温度高达6000～7000℃，甚至10000℃以上。一般气体当温度大于7000～8000℃时，金属蒸汽温度大于3000～4000℃，热游离产生的电子，就足够形成导电通路，使电弧得以维持。

　　电弧产生原理图

　　电弧产生原理图也是一个简易高压发生器电路，使用一块固定频率脉宽调制电路TL494 产生方波信号控制MOS 管Q1，Q1 上的交变电流在通过串联的黑白电视机高压包T 的时候升压到2k~10kV，升压后经高压包次级串联的高压整流二极管半波整流，输出带直流分量的高频高压（或者说带高频纹波的直流高压也行，两者是一回事）。

　　电弧熄灭的方法

　　①拉灭弧法

　　在开关触头断开时，加速触头分离，将电弧迅速拉长，从而降低了开关触头之间的电场强度，或者说电弧不足以维持电弧的燃烧，而使电弧熄灭。

　　a.用气体吹动灭弧

　　利用任何一种较冷的绝缘介质的气流来纵吹电弧（气流方向与弧柱平行）或横吹电弧（气流方向与弧柱垂直），使电弧迅速扩散，加强冷却，从而达到灭弧的目的。

　　b.采用多断口灭弧

　　在高压断路器中，常制成每相有两个或更多个串联断口，可将电弧分割成多个小电弧段。其作用是：在相等的触头行程下，多断口比单断口的电弧拉长速度快，从而弧隙电阻迅速增加，增大了介质强度的恢复速度；同时，加在每个断口的电压减小，使弧隙的电压恢复速度降低，因而灭弧性能良好。

　　c.利用真空灭弧

　　真空具有较高的绝缘强度，将开关触头置于真空容器中，当电流过零时即能熄灭电弧。为防止产生过电压，应当不使触头分开时电流突变为零。宜在触头间产生少量金属蒸汽，形成电弧通道。当交流电流自然下降过零前后，这些金属蒸汽便在真空中迅速飞散而熄灭电弧。

　　d.将电弧分为多个串联的短弧

　　交流电弧，在电流过零的瞬间，新阴极附近在0.1us的时间内，立即出现大约150~250V的介质强度，称为新阴极效应。当触头两端外加交流电压小于150V时，则电弧将熄灭。将长弧切成几个短弧串联就是利用新阴极效应灭弧。一般是采用绝缘板夹着许多金属栅片组成灭弧栅，罩住开关触头的全行程。当开关触头分离时，长电弧在电动力和磁场力的作用下迅速移入灭弧栅，长电弧被灭弧片切割成一连串的短电弧，在电弧电流过零，电弧熄灭时，每两栅片间均立即出现150~250伏的介质强度，设有n个栅片，则灭弧栅片总的介质强度为n（150~250）V，若作用于触头间的电压小于该值时，不能维持电弧燃烧，电弧必然熄灭。也就是说，当所有栅片间的介质强度总和大于动、静头向外加电压，电弧就不再重燃。

　　e.利用有机固体介质的狭缝灭弧

　　狭缝灭弧装置，灭弧栅片电陶土或有机固体材料制成。当触头间产生电弧后，在磁吹线圈产生的磁场作用下，以电弧产生电动力，将电弧拉长进入灭弧栅片的狭缝中，电弧与栅片紧密接触，冷却电弧，加强去游离。同时有机固体介质在高温作用下分解而产生气体，压力增大，使电弧强烈冷却，最终熄灭

　　②冷却灭弧法

　　降低电弧的温度，使离子运动速度减慢，这样不但使热游离作用减弱，同时离子的复合作用也增强，有利于电弧的熄灭。温度愈低，复合作用就愈强烈，电弧愈易熄灭.