第1章　緒論

1.1 電弧的定義

電弧是氣體放電的一種形式。在正常狀態下，氣體有良好的電氣絕緣性能，但當氣體間隙兩端電場足夠大時，電流就會流過氣體，這種現象稱為氣體放電[1]，氣體放電又分為非自持放電和自持放電。電流流過氣體的前提是存在向電極遷移的運動載流子，一般當電極上或氣體間隙中的這些運動載流子由外部補充時，就稱為非自持放電[2]。當氣體間隙兩端的電位差足夠大時，電流將迅速增大到較大數值（還受電路電阻和電源功率的限制），氣體開始發光，氣體間隙的兩個電極開始變得熾熱，并在氣體放電時發出聲響，這種性質上的轉變稱為氣體間隙的擊穿，其所需的電位差稱為擊穿電壓。此時由于電場的支持，在氣體間隙中可不斷補充新的載流子，放電不會停止，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變而成，因此電弧可以認為是導體之間的氣體在電場作用下被貫穿性擊穿導致的一種發光放電現象，是氣體放電的最終表現方式。與其他放電形式相比，電弧放電的特點是電流密度更大[3]。

在具體電路中，當兩個帶電導體將接觸或者開始分離時，只要兩者之間電壓達到12～20V、電流達到0.25～1A，在兩個帶電導體間隙內就會產生電弧[4]。在實際工作生活中，很多場合會產生電弧，例如，在正常工作的電路里，當機械開關開通或者關斷時，從插座上插拔插頭時，等等。一般情況下，電弧是有害的，電弧產生的高溫會使觸頭表面產生燒損、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，會對一些敏感用電設備的運行產生干擾，但是合理地利用電弧可以造福于人們。比如，電弧具有強光和很高的熱力學溫度，電弧中心溫度可以達到5000～15 000℃[5]，通過有效控制并利用電弧發光發熱的特點，人們已將電弧應用在照明、噴涂、焊接、切割、熔煉等多個工業場合[4]。在開關電器設備中，利用電弧可以防止產生過高的過電壓和限制故障電流。在混合式固態斷路器中，還可以利用機械觸點之間電弧產生的電壓實現電流向其他固態開關支路的快速轉移。

根據文獻記載，人類對電弧的研究最早可追溯到1803年俄國科學家彼得羅夫發現電弧，但是在發現電弧后的100年里關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、電冶金及開斷電器的不斷發展而完善。針對不同場合，人們對電弧的研究關注點不同，例如，研究如何有效利用電弧，研究如何減小電弧產生的危害，等等。到目前為止，針對電弧理論及其相關研究已經產生了大量的研究成果。