1.2.2 電弧的產生及滅弧方法

在自然環境中開斷電路時，如果被開斷電路的電流（電壓）超過某一數值（根據觸頭材料的不同其值約在0.25～1A、12～20V之間）時，則觸頭間隙中就會產生電弧。電弧實際上是觸頭間氣體在強電場作用下產生的氣體放電現象。所謂氣體放電，就是觸頭間隙中的氣體被游離產生大量的電子和離子，在強電場作用下，大量的帶電粒子做定向運動，于是絕緣的氣體就變成了導體。電流通過這個游離區時所消耗的電能轉換為熱能和光能，發出光和熱的效應，產生高溫并發出強光，使觸頭燒損，并使電路的切斷時間延長，甚至不能斷開，造成嚴重事故。

1.2.2.1 電弧的產生及其物理過程

電弧對電器的影響主要有以下幾個方面：

1）觸頭電路雖已斷開，但由于電弧的存在，使得要斷開的電路實際上并沒有斷開。

2）由于電弧的溫度很高，嚴重時可使觸頭熔化。

3）電弧向四周噴射，會使電器及其周圍物質損壞，甚至造成短路，引起火災。

所以，必須采取措施熄滅或減小電弧，為此首先要了解電弧的物理本質，即電弧產生的原因。電弧的產生主要經歷強電場放射、撞擊電離、熱電子發射和高溫游離4個物理過程，如圖1-3所示。

1.強電場放射

觸頭電路開始分離時，其間隙很小，電路電壓幾乎全部降落在觸頭間很小的間隙上，因此該處電場強度很高，可達幾億V/m，此強電場將觸頭陰極表面（與電源負極連接的觸頭）的自由電子拉出到氣隙中，使觸頭間隙氣體存在較多的電子，這種現象即所謂強電場放射。

2.撞擊電離

觸頭間隙中的自由電子在電場作用下，向正極加速運動，經過一定路程后獲得足夠的動能，它在前進途中撞擊氣體原子，該原子被分裂成電子和正離子。電子在向正極運動的過程中將撞擊其他原子，使觸頭間隙氣體中的電荷越來越多，這種現象稱為撞擊電離。觸頭間隙中的電場強度越強，電子在加速過程中所走的路程越長，它所獲得的能量就越大，故撞擊電離的電子就越多。

3.熱電子發射

撞擊電離產生的正離子向陰極運動，撞擊在陰極上會使陰極溫度逐漸升高，使陰極金屬中的電子動能增加，當陰極溫度達到一定程度時，一部分電子有足夠的動能從陰極表面逸出，再參與撞擊電離。由于高溫使電極發射電子的現象稱為熱電子發射。

4.高溫游離

當電弧間隙中氣體的溫度升高時，氣體分子熱運動速度加快。當電弧的溫度達到3000℃或更高時，氣體分子將發生強烈的不規則熱運動并造成相互碰撞，結果使中性分子游離成為電子和正離子。這種因高溫使分子撞擊所產生的游離稱為高溫游離。當電弧間隙中有金屬蒸氣時，高溫游離大大增加。

在觸頭電路分斷的過程中，以上4個過程引起電離原因的作用是不一致的。在觸頭剛開始分離時，首先是強電場放射，這是產生電弧的起因。當觸頭完全打開時，由于觸頭間距離增加，電場強度減弱，維持電弧存在主要靠熱電子發射、撞擊電離和高溫游離，而其中又以高溫游離作用最大。此外，伴隨著電離的進行，還存在著消電離作用。消電離是指正負帶電粒子的結合成為中性粒子的同時，又減弱了電離的過程。消電離過程可分為復合和擴散兩種。

當正離子和電子彼此接近時，由于異性電荷的吸力結合在一起，成為中性的氣體分子。另外，電子附在中性原子上成為負離子，負離子與正離子相遇就復合為中性分子。這種復合只有在帶電粒子的運動速度較低時才有可能發生。因此利用液體或氣體人工冷卻電弧，或將電弧擠入絕緣壁做成的窄縫里，迅速導出電弧內部的熱量，降低溫度，減小離子的運動速度，可以加速復合過程。

在燃弧過程中，弧柱內的電子、正負離子要從濃度大、溫度高的地方擴散到周圍的冷介質中去，擴散出來的電子、離子互相結合又成為中性分子。因此降低弧柱周圍的溫度，或用人工方法減小電弧直徑，使電弧內部電子、離子的濃度增加，就可以增加擴散作用。

電離和消電離作用是同時存在的。當電離速度大于消電離速度時，電弧就發展；當電離與消電離速度相等時，電弧就穩定燃燒；當消電離速度大于電離速度時，電弧就要熄滅。因此，欲使電弧熄滅可以從兩方面著手：一方面是減弱電離作用，另一方面是增強消電離作用。實際上，作為減弱電離作用的措施同時也往往是增強消電離作用的途徑。為熄滅電弧，其基本方法有：①拉長電弧，以降低電場強度；②用電磁力使電弧在冷卻介質中運動，降低弧柱周圍的溫度；③將電弧擠入絕緣壁組成的窄縫中，以冷卻電??；④將電弧分成許多串聯的短弧，增加維持電弧所需的臨極電壓降的要求；⑤將電弧密封于高氣壓或真空的容器中。

1.2.2.2 電弧的熄滅及滅弧方法

觸頭在通斷過程中將產生電弧，電弧會燒損觸頭，造成其他故障。對于通斷大電流電路的電器，如接觸器、低壓斷路器等更為突出，因此要有較完善的滅弧裝置。對于小容量繼電器、主令電器等，由于觸頭通斷電流小，因此，有時不設專門的滅弧裝置。根據以上分析的原理，常用的滅弧裝置有橋式結構雙斷口滅弧、柵片滅弧、磁吹滅弧及過電壓和浪涌電壓抑制器等幾種。

1.橋式結構雙斷口滅弧

圖1-4是一種雙斷口觸頭，流過觸頭兩端的電流方向相反，將產生互相推斥的電動力。當觸頭打開時，在斷口中產生電弧。電弧電流在兩電弧之間產生圖中以“”表示的磁場，根據左手定則，電弧電流要受到一個指向外側的電動力F的作用，使電弧向外運動并拉長，使它迅速穿越冷卻介質而加快電弧冷卻并熄滅。此外，也具有將一個電弧分為兩個來削弱電弧的作用。這種滅弧方法效果較弱，故一般多用于小功率的電器中。但是，在配合柵片滅弧后，也可用于大功率的電器中。交流接觸器常采用這種滅弧方法。

2.柵片滅弧

柵片滅弧原理如圖1-5所示。

滅弧柵一般是由多片鍍銅薄鋼片（稱為柵片）和石棉絕緣板組成，它們安放在電器觸頭上方的滅弧室內，彼此之間互相絕緣，片間距離約為2～5mm。當觸頭分斷電路時，在觸頭之間產生電弧，電弧電流產生磁場，由于鋼片磁阻比空氣磁阻小得多，因此，電弧上方的磁通非常稀疏，而下方的磁通卻非常密集，這種上疏下密的磁場將電弧拉入滅弧罩中，當電弧進入滅弧柵后，被分割成數段串聯的短弧。這樣每兩片滅弧柵片可以看作一對電極，而每對電極間都有150～250V的絕緣強度，使整個滅弧柵的絕緣強度大大加強，而每個柵片間的電壓不足以達到電弧燃燒電壓，同時柵片吸收電弧熱量，使電弧迅速冷卻而很快熄滅。

當觸頭上所加的電壓是交流時，交流電產生的交流電弧要比直流電弧容易熄滅。因為交流電每個周期有兩次過零點，顯然電壓為零時電弧自然容易熄滅。另外，滅弧柵對交流電弧還有所謂“陰極效應”，更有利于電弧熄滅。所謂“陰極效應”，是當電弧電流過零后，間隙中的電子和正離子的運動方向要隨觸頭電極極性的改變而改變。由于正離子比電子質量大得多，因此在觸頭電極極性改變后（即原陽極變為新陰極，原陰極變為新陽極），原陽極附近的電子能很快地回頭向相反的方向運動（走向新陽極），而正離子幾乎還停留在原來的地方。這樣使得新陰極附近缺少電子而造成斷流區，從而使電弧熄滅。若要使電壓過零后，電弧重新燃燒，兩柵片間必須要有150～250V電壓。顯然滅弧柵總的重燃電壓所需值將大于電源電壓，則電弧自然熄滅后就很難重燃。因此，滅弧柵裝置常用作交流滅弧。

3.磁吹滅弧

磁吹滅弧方法是利用電弧在磁場中受力，將電弧拉長，并使電弧在冷卻的滅弧罩窄縫隙中運動，產生強烈的消電離作用，從而將電弧熄滅。其原理如圖1-6所示。

圖1-6中，導磁體（鐵心）2固定于導磁夾片a和b之間，在它上面繞有線圈（磁吹線圈）1，線圈可做成與觸頭電路串聯，當主電流I通過線圈1產生磁通Φ時，根據右手螺旋定則可知，該磁通從導磁體2通過導磁夾片b、兩夾片間隙到達夾片a，在觸頭間隙中形成磁場。

圖中，“×”符號表示Φ方向為進入紙面。當觸頭打開時在觸頭間隙中產生電弧，電弧自身也產生一個磁場，該磁場在電弧上側，方向為從紙面出來，用“⊙”符號表示，它與線圈產生的磁場方向相反。而在電弧下側，電弧磁場方向進入紙面，用“”符號表示，它與線圈的磁場方向相同。這樣，兩側的合成磁通就不相等，下側大于上側，因此，產生強烈的電磁力將電弧向上側推動，并使電弧急速進入滅弧罩，電弧被拉長并受到冷卻而很快熄滅。滅弧罩多用陶瓷或石棉做成。這種滅弧方法的優點是，當觸頭中電流方向改變時，由于外磁場的方向也跟著改變，而電弧受力的方向不變，滅弧吹力的大小在設計時可以控制，可使吹力最大，滅弧效果好。

此外，由于這種滅弧裝置是利用電弧電流本身滅弧，因而電弧電流越大，吹弧能力也越強，廣泛應用于直流滅弧裝置中（如直流接觸器中）。但對于線圈與觸頭串聯的形式，其吹力與電流二次方成正比，當電流減小時，吹力成二次方減小，會使滅弧效果減弱。對于并聯線圈的磁吹裝置，可以做到由外加固定電源供電而使線圈的磁通穩定不變，因而吹力大小只受觸頭電流大小的影響。但要注意線圈的極性和觸頭的極性，如果將兩者的極性接反，則使電弧吹向內側，反而會燒壞電器。

4.過電壓和浪涌電壓抑制器

帶有線圈的開關電器的觸頭在切斷具有電感負載的電路時，由于電流由某一穩定值突然降為零，電流的變化率di/dt很大，就會在觸頭間隙產生較高的過電壓，此電壓超過270～300V時，就會在觸頭間隙產生火花放電現象?；鸹ǚ烹娕c電弧不同之處是，火花放電的電壓高，電流小，而且是在局部范圍產生不穩定的火花放電?；鸹ǚ烹妼⑹褂|頭產生電灼傷以至縮短它的壽命。另外火花放電造成的高頻干擾信號將影響和干擾無線電通信及弱電控制系統的正常工作，為此需要消除由于過電壓引起的火花放電現象。常用的熄火花電路有以下兩種：

1）半導體二極管與線圈并聯的整流式抑制器，如圖1-7所示，在觸頭K閉合時，線圈電感L中流有穩定的電流。當觸頭突然打開時，由于二極管VD的存在，使電流不是從某一穩定值突然降為零，而是由電感L和二極管VD組成放電回路使電流逐漸降為零，即減小了電流的變化率di/dt，從而減小了電感L產生的過電壓。這樣使觸頭K的間隙不會產生火花放電，另外也使電感L的絕緣不會因過電壓而擊穿。

2）與觸頭并聯阻容電路的抑制器，如圖1-8所示，在觸頭突然打開時，線圈電感L的磁場能量就轉為電容的電場能量，此時表現為對電容的充電。因此觸頭突然打開時，線圈電感L的電流也是不立刻降為零，而是隨著電容逐漸充滿電荷而降為零，線圈就不會產生過電壓。