第1章　緒論

1.1 電弧的定義

電弧是氣體放電的一種形式。在正常狀態(tài)下，氣體有良好的電氣絕緣性能，但當(dāng)氣體間隙兩端電場(chǎng)足夠大時(shí)，電流就會(huì)流過(guò)氣體，這種現(xiàn)象稱為氣體放電[1]，氣體放電又分為非自持放電和自持放電。電流流過(guò)氣體的前提是存在向電極遷移的運(yùn)動(dòng)載流子，一般當(dāng)電極上或氣體間隙中的這些運(yùn)動(dòng)載流子由外部補(bǔ)充時(shí)，就稱為非自持放電[2]。當(dāng)氣體間隙兩端的電位差足夠大時(shí)，電流將迅速增大到較大數(shù)值（還受電路電阻和電源功率的限制），氣體開(kāi)始發(fā)光，氣體間隙的兩個(gè)電極開(kāi)始變得熾熱，并在氣體放電時(shí)發(fā)出聲響，這種性質(zhì)上的轉(zhuǎn)變稱為氣體間隙的擊穿，其所需的電位差稱為擊穿電壓。此時(shí)由于電場(chǎng)的支持，在氣體間隙中可不斷補(bǔ)充新的載流子，放電不會(huì)停止，故稱為自持放電。自持放電包括黑暗放電、輝光放電、電暈放電、火花放電、電弧放電等多種形式。電弧是自持放電的一種形式，它可以由自持放電的其他放電形式轉(zhuǎn)變而成，因此電弧可以認(rèn)為是導(dǎo)體之間的氣體在電場(chǎng)作用下被貫穿性擊穿導(dǎo)致的一種發(fā)光放電現(xiàn)象，是氣體放電的最終表現(xiàn)方式。與其他放電形式相比，電弧放電的特點(diǎn)是電流密度更大[3]。

在具體電路中，當(dāng)兩個(gè)帶電導(dǎo)體將接觸或者開(kāi)始分離時(shí)，只要兩者之間電壓達(dá)到12～20V、電流達(dá)到0.25～1A，在兩個(gè)帶電導(dǎo)體間隙內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生電弧[4]。在實(shí)際工作生活中，很多場(chǎng)合會(huì)產(chǎn)生電弧，例如，在正常工作的電路里，當(dāng)機(jī)械開(kāi)關(guān)開(kāi)通或者關(guān)斷時(shí)，從插座上插拔插頭時(shí)，等等。一般情況下，電弧是有害的，電弧產(chǎn)生的高溫會(huì)使觸頭表面產(chǎn)生燒損、熔焊從而影響觸頭壽命，電弧電流中包含大量高次諧波分量，會(huì)對(duì)一些敏感用電設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生干擾，但是合理地利用電弧可以造福于人們。比如，電弧具有強(qiáng)光和很高的熱力學(xué)溫度，電弧中心溫度可以達(dá)到5000～15 000℃[5]，通過(guò)有效控制并利用電弧發(fā)光發(fā)熱的特點(diǎn)，人們已將電弧應(yīng)用在照明、噴涂、焊接、切割、熔煉等多個(gè)工業(yè)場(chǎng)合[4]。在開(kāi)關(guān)電器設(shè)備中，利用電弧可以防止產(chǎn)生過(guò)高的過(guò)電壓和限制故障電流。在混合式固態(tài)斷路器中，還可以利用機(jī)械觸點(diǎn)之間電弧產(chǎn)生的電壓實(shí)現(xiàn)電流向其他固態(tài)開(kāi)關(guān)支路的快速轉(zhuǎn)移。

根據(jù)文獻(xiàn)記載，人類對(duì)電弧的研究最早可追溯到1803年俄國(guó)科學(xué)家彼得羅夫發(fā)現(xiàn)電弧，但是在發(fā)現(xiàn)電弧后的100年里關(guān)于電弧的研究成果并不多。此后，電弧理論隨著整流裝置、電焊、電冶金及開(kāi)斷電器的不斷發(fā)展而完善。針對(duì)不同場(chǎng)合，人們對(duì)電弧的研究關(guān)注點(diǎn)不同，例如，研究如何有效利用電弧，研究如何減小電弧產(chǎn)生的危害，等等。到目前為止，針對(duì)電弧理論及其相關(guān)研究已經(jīng)產(chǎn)生了大量的研究成果。