機(jī)車電器基礎(chǔ)知識(shí)-電器的電弧理論

電弧的產(chǎn)生和熄滅的過程一、電弧現(xiàn)象及特點(diǎn)電弧屬于氣體放電的一種形式。氣體放電分為自持放電與非自持放電兩類。電弧屬于氣體自持放電中的弧光放電。試驗(yàn)證明，當(dāng)在大氣中開斷或閉合電壓超過10V、電流超過0.5A的電路時(shí)，在觸頭間隙(或稱弧隙)中會(huì)產(chǎn)生一團(tuán)溫度極高、亮度極強(qiáng)并能導(dǎo)電的氣體，稱為電弧。由于電弧的高溫及強(qiáng)光，它可以廣泛應(yīng)用于焊接、熔煉、化學(xué)合成、強(qiáng)光源及空間技術(shù)等方面。對(duì)于有觸點(diǎn)電器而言，由于電弧主要產(chǎn)生于觸頭斷開電路時(shí)，高溫將燒損觸頭及絕緣，嚴(yán)重情況下甚至引起相間短路、電器爆炸，釀成火災(zāi)，危及人員及設(shè)備的安全。所以從電器的角度來研究電弧，目的在于了解它的基本規(guī)律，找出相應(yīng)的辦法，讓電弧在電器中盡快熄滅。我們借助一定的儀器仔細(xì)觀察電弧，可以發(fā)現(xiàn)，除兩個(gè)極(觸頭)外，明顯的分為3個(gè)區(qū)域，即近陰極區(qū)、近陽極區(qū)及弧柱區(qū)。如圖所示。圖2－1電弧三個(gè)區(qū)及電位降、電位梯度分布近陰極區(qū)的長度約等于電子的平均自由行程(小于10-6m)。在電場(chǎng)力的作用下正離子向陰極運(yùn)動(dòng)，造成此區(qū)域內(nèi)聚集著大量的正離子而形成正的空間電荷層，使陰極附近形成高電場(chǎng)強(qiáng)度(約為10-6～10-7V／m)。正的空間電荷層形成陰極壓降，其數(shù)值隨陰極材料和氣體介質(zhì)的不同而有所變化，但變化不大，約在10～20V之間。近陽極區(qū)的長度約等于近陰極區(qū)的幾倍。在電場(chǎng)力的作用下自由電子向陽極運(yùn)動(dòng)，它們聚集在陽極附近而且不斷被陽極吸收而形成電流。在此區(qū)域內(nèi)聚集著大量的電子形成負(fù)的空間電荷層，產(chǎn)生陽極壓降，其值也隨陽極材料而異、但變化不大，稍小于陰極壓降。由于近陽極區(qū)的長度比近陰極區(qū)的長，故其電場(chǎng)強(qiáng)度較小。陰極壓降與陽極壓降的數(shù)值幾乎與電流大小無關(guān)，在材料及介質(zhì)確定后可以認(rèn)為是常數(shù)。弧柱區(qū)的長度幾乎與電極間的距離相同。是電弧中溫度最高、亮度最強(qiáng)的區(qū)域。因在自由狀態(tài)下近似圓柱形，故稱弧柱區(qū)。在此區(qū)中正、負(fù)電粒子數(shù)相同，稱等離子區(qū)。由于不存在空間電荷，整個(gè)弧區(qū)的特性類似于一金屬導(dǎo)體。每單位弧柱長度電壓降相等。其電位梯度EL也為一常數(shù)，電位梯度與電極材料、電流大小、氣體介質(zhì)種類和氣壓等因素有關(guān)。電弧按其外形分為長弧與短弧。長短之別一般取決于弧長與弧徑之比。弧長大大超過弧徑的稱為長弧。長弧的特點(diǎn)是，電弧的過程主要決定于弧柱，電弧壓降的大小主要由弧柱壓降所決定。即長弧的電壓是近極壓降(陰極壓降與陽極壓降)與弧柱壓降之和。U＝U陰＋U陽＋U柱若弧長小于弧徑，兩極距離極短(如幾毫米)的電弧稱為短弧。此時(shí)兩極的熱作用強(qiáng)烈，近極區(qū)的過程起主要作用。電弧的壓降以近極壓降為主，幾乎不隨電流變化。電弧還可按其電流的性質(zhì)分為直流電弧和交流電弧。二、電弧的分類及特點(diǎn)當(dāng)觸頭開斷，在觸頭間隙中有電弧燃燒時(shí)，電路仍然導(dǎo)通。這說明此時(shí)觸頭間隙的氣體由絕緣狀態(tài)變成了導(dǎo)電狀態(tài)。氣體呈導(dǎo)電狀態(tài)的原因是由于原來的中性氣體分解為電子和離子，即氣體被游離，此過程稱為氣體的游離過程。氣體游離出來的電子和離子在電場(chǎng)作用下各朝對(duì)應(yīng)的極運(yùn)動(dòng)，便形成電流，從而造成觸頭雖然已開斷，但電路卻并未切斷。但當(dāng)電弧熄滅之后電路就不再導(dǎo)通了。這說明此時(shí)觸頭間隙的氣體恢復(fù)了介質(zhì)強(qiáng)度，又呈現(xiàn)絕緣狀態(tài)，即氣體已經(jīng)消除游離而恢復(fù)為中性。那么，氣體是怎么游離和消游離的呢？三、電弧產(chǎn)生的物理過程當(dāng)觸頭開斷電路，在間隙中產(chǎn)生電弧時(shí)，電路仍然是導(dǎo)通的。這就說明已分開觸頭間的氣體由絕緣狀態(tài)變成了導(dǎo)電狀態(tài)。那么，究竟有哪些物理過程在這個(gè)氣體由不導(dǎo)電的狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)過程中起作用了呢?下面就此進(jìn)行一些分析。金屬材料表面在某些情況下能發(fā)射出自由電子，這種現(xiàn)象叫表面發(fā)射。自由電子的產(chǎn)生是由于金屬內(nèi)的電子得到能量，克服內(nèi)部的吸引力而逸出金屬。一個(gè)電子逸出金屬所需能量叫逸出功，其單位用電子伏(eV)表示。不同金屬材料逸出功的大小不一樣。從物質(zhì)原子的結(jié)構(gòu)而言，是由原子核與若干電子構(gòu)成的。如果外界加到電子上的能量足夠大，能使電子克服原子核的吸引力作用而成為自由電子，這種現(xiàn)象稱為游離。游離所需的能量叫游離能。不同的物質(zhì)其游離能不同。

1、開斷電路時(shí)電弧產(chǎn)生的物理過程觸頭開斷電路時(shí)，產(chǎn)生電弧的原因主要有：

陰極熱發(fā)射電子陰極冷發(fā)射電子碰撞游離和熱游離1.陰極熱發(fā)射電子觸頭開斷過程中，觸頭間的接觸面積逐漸減小，接觸處的電阻越來越大，電流密度也逐漸增大，觸頭表面的溫度劇增，金屬內(nèi)由于熱運(yùn)動(dòng)急劇活躍的自由電子就克服內(nèi)部的吸力而從陰極表面發(fā)射出來，這種主要是由于熱作用所引起的發(fā)射稱為熱發(fā)射。溫度越低、逸出的功越大時(shí)，熱發(fā)射的電流密度越小。2.陰極冷發(fā)射電子

在觸頭剛剛分開發(fā)生熱發(fā)射的同時(shí)，由于觸頭之間的距離很小，線路電壓在這很小的間隙內(nèi)形成很高的電場(chǎng)，此電場(chǎng)將電子從陰極表面拉出，形成強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。在強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射中，并不需要熱功的參與，所以強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射也稱做冷發(fā)射。當(dāng)金屬的溫度越低、陰極表面電場(chǎng)越小時(shí)，電子發(fā)射的數(shù)量就越少。通常陰極電子的發(fā)射，同時(shí)包含了熱發(fā)射和冷發(fā)射的過程。只是不同的材料熱發(fā)射和冷發(fā)射的程度各不相同。3.碰撞游離

由于這兩種發(fā)射的作用，大量電子從陰極表面進(jìn)入弧隙。它們?cè)陔妶?chǎng)的作用下，獲得動(dòng)能而加速，隨著觸頭的分開不斷地撞擊氣體的原子或分子（中性粒子），當(dāng)此粒子具有的動(dòng)能大于中性粒子的游離能時(shí)，該中性粒子則分解為帶電荷的自由電子和正離子，這一現(xiàn)象叫作碰撞游離（或稱電場(chǎng)游離）。碰撞游離后出現(xiàn)的自由電子在電場(chǎng)作用下又可同其它中性粒子發(fā)生新的撞擊和游離，使得自由電子和正離子數(shù)累進(jìn)增加?；∠吨械闹行詺怏w就變?yōu)閷?dǎo)電的自由電子與正離子。在電場(chǎng)作用下，它們向陰極、陽極運(yùn)動(dòng)，電弧形成，電路并未斷開。若電子撞擊中性粒子不足以使其立即游離，但經(jīng)多次撞擊，中性粒子所獲得能量也使其發(fā)生了游離，這種過程稱為累積游離。在帶電粒子中，由于電子體小質(zhì)輕，自由行程長，容易加速而獲得能量，故其游離作用比正、負(fù)離子大得多。4.熱游離

隨著電弧的形成，在電弧燃燒時(shí)，弧隙中氣體溫度很高，氣體中的中性原子或分子由于熱運(yùn)動(dòng)而發(fā)生互相撞擊，其結(jié)果也造成游離，這就是熱游離。熱游離實(shí)質(zhì)上也是碰撞游離，只不過發(fā)生碰撞的原因是高溫引起而不是電場(chǎng)引起的。所以溫度越低，熱游離愈弱；相反溫度愈高，熱游離愈強(qiáng)。中性粒子熱游離的程度與溫度的高低、氣壓的大小、物質(zhì)的游離能大小有關(guān)。在高溫狀況下，金屬材料容易發(fā)生氣化，金屬蒸氣的游離能比氣體的小的多。當(dāng)氣體中混有金屬蒸氣時(shí)，游離程度更加迅速。由上可見，電弧的產(chǎn)生，第一是由于熱的作用，發(fā)生熱發(fā)射和熱游離；第二是由于電場(chǎng)的作用，發(fā)生冷發(fā)射和碰撞游離，在氣隙間出現(xiàn)大量電子流，使氣體由絕緣體變成導(dǎo)體。應(yīng)該注意的是，在整個(gè)過程中幾種物理作用并不是截然分開的，而是交叉進(jìn)行或同時(shí)存在的。電弧煅燒期間，起主要作用的是熱游離。因而，使電弧迅速冷卻是熄滅電弧的主要方法。從能量的角度來說，電弧燃燒時(shí)要從電源不斷向電弧內(nèi)部輸入能量，而這個(gè)能量又不斷轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀〉臒崃客ㄟ^傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射三種方式散失。設(shè)輸入弧隙的功率為Ph(W)，電弧散失功率為Ps(W)，則當(dāng)Ph＝Ps時(shí)，電弧電流不變，穩(wěn)定燃燒；當(dāng)Ph>Ps時(shí)，電弧電流變大，電弧越燃越烈；當(dāng)Ph<Ps時(shí)，電弧電流變小，電弧逐漸熄滅。四、電弧熄滅的物理過程當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)是處在熱動(dòng)平衡狀態(tài)，此時(shí)不可能有電子和離子的積累。這說明電弧中氣體游離現(xiàn)象的同時(shí)還存在一個(gè)相反的過程，我們稱之為消游離。消游離就是正、負(fù)帶電粒子中和而變成中性粒子的過程。消游離的方式分兩類：復(fù)合和擴(kuò)散。1．復(fù)合帶異性電荷的粒子相遇后相互作用中和而變成中性粒子稱為復(fù)合。復(fù)合按其地點(diǎn)可分為：(1)表面復(fù)合：帶正、負(fù)電荷的粒子附在金屬或絕緣材料表面上，相互吸引而中和電荷，變成中性粒子。(2)空間復(fù)合：帶正、負(fù)電荷的粒子在放電間隙中相互吸引而中和電荷，變成中性粒子。自由電子與正離子相遇，相互吸引而中和電荷而變成中性粒子，稱為直接復(fù)合。由于自由電子的運(yùn)動(dòng)速度比正離子大得多，所以直接復(fù)合的機(jī)率很小。往往自由電子粘合在中性粒子上，再與正離子相遇而復(fù)合，中和電荷形成兩個(gè)中性粒子。這種過程稱間接復(fù)合。因?yàn)檎?、?fù)離子的運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)，間接復(fù)合的機(jī)率大，約為直接復(fù)合的上千倍。帶電粒子從電弧區(qū)轉(zhuǎn)移到周圍介質(zhì)中去的現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。、電弧是一個(gè)電子和離子高度密集的空間，同時(shí)其中溫度很高。它和氣體分子一樣，有均勻地分布在容積中的傾向，這樣電子便從弧隙中向四周擴(kuò)散，擴(kuò)散出來的電子（或離子）因冷卻互相結(jié)合而成為中性分子，這種過程的進(jìn)行不在電弧的內(nèi)部，而在電弧的表面空間進(jìn)行。擴(kuò)散的方向一般為從高溫、高濃度區(qū)向低溫、低濃度區(qū)。擴(kuò)散使電弧中的帶電粒子減小。擴(kuò)散出來的帶電粒子因冷卻很容易相互結(jié)合，中和電荷而形成中性粒子。擴(kuò)散速度與電弧內(nèi)外濃度差、溫度差成正比。電弧直徑愈小，弧區(qū)中帶電粒子濃度愈大；電弧與周圍介質(zhì)溫差愈大，擴(kuò)散速度均愈大。因此，加速電弧的冷卻是提高擴(kuò)散作用的有效方法。2．?dāng)U散綜上所述，電弧中存在著游離和消游離兩方面的作用。當(dāng)游離作用占優(yōu)勢(shì)時(shí)電弧就會(huì)產(chǎn)生和擴(kuò)大；當(dāng)消游離作用占優(yōu)勢(shì)時(shí)，電弧就趨于熄滅；當(dāng)游離作用和消游離作用處于均衡狀態(tài)時(shí)，則弧隙中保持一定數(shù)量的電子流而處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。游離與消游離作用與許多物理因素有關(guān)，如電場(chǎng)強(qiáng)度、溫度、濃度、氣體壓力等。那么，我們可以根據(jù)這些物理因素的變化影響情況，找出一些切實(shí)可行的方法，減小游離，增加消游離，使觸頭斷開電路時(shí)產(chǎn)生的電弧盡快地熄滅。交流電弧的燃燒和熄滅一、交流電弧的伏安特性交流電弧與直流電弧有所不同，交流電流的瞬時(shí)值隨時(shí)間變化，每周期內(nèi)有兩次過零點(diǎn)。電流經(jīng)過零點(diǎn)時(shí)，弧隙的輸入能量等于零，電弧溫度下降，電弧自然熄滅。而后隨著電壓和電流的變化，電弧重新燃燒。因此，交流電弧的燃燒，實(shí)際上就是電弧的點(diǎn)燃、熄滅周而復(fù)始的過程。這個(gè)特點(diǎn)也反映在它的伏安特性中。圖2－6為交流電弧在一周內(nèi)的伏安特性。圖中箭頭方向表示了電流變化和方向。從O點(diǎn)開始，因電弧還未產(chǎn)生，所以隨著電壓的增加只有小量的由陰極發(fā)射產(chǎn)生的電流。到A點(diǎn)時(shí)電弧點(diǎn)燃，再隨著電流的增大，電弧電阻減小，電弧壓降也下降，直到B點(diǎn)，此時(shí)弧電流達(dá)到峰值。在B點(diǎn)后隨著電流的減小，弧電阻增加，電弧壓降上升。變化到C點(diǎn)時(shí)，電弧電流趨近于零，電壓達(dá)到熄弧電壓，電弧熄滅。當(dāng)電流過零點(diǎn)后，在第三象限重復(fù)上述規(guī)律。圖2－6交流電弧的伏安特性用“能量平衡原理”分析解釋交流電弧的伏安特性曲線：1）暫時(shí)不考慮負(fù)載的影響。(1)OA段：ih由0上升的零休期間，弧柱變冷、變細(xì)，Rh增大，因此uh（=ihRh）以很陡斜率上升；(2)靠近A點(diǎn)與AB段：ih增大，Ph也增大，弧柱變熱變粗，uh隨ih的增長再下降，其最高點(diǎn)A點(diǎn)的電壓稱為燃弧尖峰Urh。(3)BC段：ih到最大值（B點(diǎn)）后減小，uh沿BC曲線上升，因弧柱存在熱慣性，Rh會(huì)比ih增大情況下同一ih時(shí)的數(shù)值為小，故曲線BC比AB低。C點(diǎn)電壓為熄弧尖峰Uxh。(4)CO段：ih減小，Ph也減小，Rh逐漸上升。當(dāng)ih下降速度比Rh上升速度要大于某一數(shù)值時(shí)，uh又開始隨ih減小而下降。ih趨近于零，Uh也趨近于零。(5)對(duì)應(yīng)上圖的電弧電壓uh隨時(shí)間t變化的波形為馬鞍形。（2）電感性負(fù)載下，交流電弧的熄滅過程：ih落后電源電壓u約90°。當(dāng)ih過零時(shí)，電弧熄滅，u約為幅值。因Rh迅速增大，電路相當(dāng)于完全開斷，uh將以很快的速度（比電阻性負(fù)載快得多）超過u的幅值，故urh出現(xiàn)較早，弧熄中通過較大負(fù)載電流的時(shí)間也提前。顯然，由于交流電弧自身所具有的不斷變化值，它的伏安特性都是動(dòng)特性。由于熱慣性作用，弧電流絕對(duì)值從小到大的特性曲線與弧電流絕對(duì)值從大變小的特性曲線不重合，這種現(xiàn)象稱為“弧滯”。按照交流電弧的上述特性，交流電弧電流通過零點(diǎn)時(shí)，由于電源停止供給電弧能量，熱游離迅速下降，為電弧的最終熄滅創(chuàng)造了最有利的條件，此時(shí)只要采取一定的消游離措施，使少量的剩余離子復(fù)合，就能防止電弧在下半周重燃，使電弧最終熄滅。因此，交流電弧比直流電弧容易熄滅。我們通常把利用電弧電流自然過零的特點(diǎn)進(jìn)行的熄弧稱為零點(diǎn)熄弧原理。(3)在開斷同一電流時(shí)，電阻性負(fù)載電路中的電弧比電感性負(fù)載電路中的電弧容易熄滅的原因：一是：“電壓比較”的結(jié)果。在ih過零前的一段時(shí)間內(nèi)，Ph<Ps，弧柱是變冷、變細(xì)的。如ih過零后加在弧熄上的電壓緩慢上升，則在較長時(shí)間內(nèi)電弧的Ph<Ps，弧柱將變冷、變細(xì)，Rh將更加增大，也使urh更加增高。如urh的增高大于u的幅值，Rh將不再迅速下降，因此電弧將不再重燃。二是：“零休期時(shí)間”的長短對(duì)電弧的熄滅影響很大，時(shí)間越長，弧柱會(huì)越細(xì)越冷，甚至?xí)В娀∠缫苍饺菀?。由于電阻性?fù)載的零休期時(shí)間比電感性負(fù)載的零休期時(shí)間長，故熄滅電弧越容易。交流電弧過零熄滅后，由于弧電流值下降至零，弧隙溫度迅速下降，促進(jìn)了消游離作用，使弧隙由原來的導(dǎo)電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣介質(zhì)狀態(tài)，此過程稱為介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程。這是促使電弧熄滅的因素。這個(gè)過程的快慢與許多因素有關(guān)，例如溫度、散熱情況、空間位置等。在靠近兩極的區(qū)域，由于金屬材料的傳熱性好，所以此區(qū)域的溫度要比弧柱區(qū)的溫度低，故此處的介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)要比弧柱區(qū)快。1．介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程近陰極效應(yīng)對(duì)介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程也是一個(gè)影響因素。電流過零后，兩電極改變極性，原來的陰極改變?yōu)樾碌年枠O，而原來的陽極改變?yōu)樾碌年帢O。電場(chǎng)方向的改變，弧隙中剩余電子和離子的運(yùn)動(dòng)方向也應(yīng)隨之改變。但是由于電子的質(zhì)量遠(yuǎn)比正離子質(zhì)量小得多，因而電子的運(yùn)動(dòng)方向改變要遠(yuǎn)比正離子靈敏得多，形成電子很快向新陽極運(yùn)動(dòng)，而正離子在此瞬間幾乎停止在原地，來不及向新陰極運(yùn)動(dòng)。新的陰極此時(shí)還不能形成強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射電子與熱發(fā)射。圖2－7近陰極效應(yīng)

（a）電弧過零前帶電粒子狀況；

（b）電弧過零后瞬間帶電粒子狀況。

因此，在新的陰極附近就存在一層沒有電子而只有正離子的空間，相當(dāng)于形成了一薄層絕緣介質(zhì)，如圖2－7(b)所示。從電路的角度來看，必需加一定的電壓才能將此絕緣薄層擊穿，電弧才會(huì)重燃，弧隙重新導(dǎo)電。這個(gè)擊穿電壓值稱為弧隙的起始介質(zhì)強(qiáng)度，起始介質(zhì)強(qiáng)度在電流過零后1微秒內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)。這種在交流電弧電流過零后弧隙幾乎立即出現(xiàn)一定的介質(zhì)強(qiáng)度的現(xiàn)象，稱為交流電弧的近陰極效應(yīng)。圖2－7近陰極效應(yīng)

（a）電弧過零前帶電粒子狀況；

（b）電弧過零后瞬間帶電粒子狀況。

實(shí)驗(yàn)證明：近陰極效應(yīng)所產(chǎn)生的起始介質(zhì)強(qiáng)度與電極材料、溫度，特別是所通過的電流有關(guān)。其數(shù)值在40～250V之間。電流越大，其值越低。近陰極效應(yīng)是交流短弧熄弧的主要因素，是低壓交流電器的主要熄弧方法。(1)當(dāng)弧柱溫度在3000～4000℃以上時(shí)，電弧重燃的物理本質(zhì)是電弧的Ph>Ps，弧柱被加熱使電弧重燃，稱為熱擊穿。在臨界狀態(tài)，且Rz保持不變的情況下，弧柱上上的電壓就代表了弧柱此時(shí)的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度ujf。由此得熱擊穿階段弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度為：(2)當(dāng)弧柱溫度在3000～4000℃以下，熱電離作用已基本上停止，Rz→∞，無電弧。若此時(shí)外加電壓，將產(chǎn)生電場(chǎng)。如電場(chǎng)強(qiáng)度足夠高，則可能產(chǎn)生間隙擊穿而使電弧重燃，即電擊穿。電流過零后的這一階段稱為電擊穿階段。弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過程對(duì)熄滅交流長弧具有重要意義，是所有高壓電器和部分低壓電器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。1.弧柱區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)過程：綜上所述，在電流過零后的熄弧過程中，電弧的熄滅基本上要經(jīng)過兩個(gè)階段：熱擊穿階段和電擊穿階段。前者弧隙具有一定的電阻，流過一定的電流；后者弧隙電阻趨于無窮大，但因介質(zhì)溫度高，擊穿比較容易。通常把弧隙間介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)隨時(shí)間變化的關(guān)系稱做弧隙介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度特性。此特性可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)出并用圖形表示，如圖2－8所示。圖中的OA段與近陰極效應(yīng)產(chǎn)生的起始介質(zhì)強(qiáng)度有關(guān)，AB段與電弧熄滅的方法和裝置有關(guān)。滅弧裝置效果越好，圖中的α角就越大，說明介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度愈高。圖2－8介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)特性在交流電路中，電流過零電弧熄滅后，觸頭兩端電壓從熄弧電壓恢復(fù)到電源電壓的過程稱電壓恢復(fù)過程。這個(gè)過程根據(jù)線路參數(shù)情況的不同形成較為復(fù)雜的情況。因?yàn)樵趯?shí)際中，觸頭兩端電壓不是從熄弧電壓立即恢復(fù)到電源電壓，而是要經(jīng)過一段過程，而且這個(gè)過程會(huì)呈現(xiàn)振蕩或非振蕩現(xiàn)象。2．弧隙電壓恢復(fù)過程例如圖2－9(a)所示，為一非振蕩恢復(fù)過程，而圖2－9(b)為一振蕩恢復(fù)過程。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因是：觸頭所接的線路中總是存在著電感和電阻，線路中的導(dǎo)線對(duì)地之間、發(fā)電機(jī)的繞組之間都存在著電容。這樣，由于電阻、電感和電容的作用，就可能產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。由于電壓恢復(fù)過程是使電弧重燃的因素，很顯然，周期振蕩電壓恢復(fù)過程中有較高的電壓峰值，對(duì)電弧不再重燃是十分不利的，所以也是應(yīng)該盡量避免的。我們把恢復(fù)過程中的電壓稱為恢復(fù)電壓。從圖2－9中可以看出，恢復(fù)電壓可由兩部分組成：穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量。穩(wěn)態(tài)分量一般稱工頻恢復(fù)電壓；暫態(tài)分量則根據(jù)線路負(fù)載情況不同呈較復(fù)雜情況。在交流電弧開斷過程中，對(duì)于不同性質(zhì)的負(fù)載，觸頭上電壓變化過程不同。從觸頭的結(jié)構(gòu)型式來說，由于雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)時(shí)恢復(fù)電壓是作用在兩個(gè)斷口上，使每個(gè)斷口的電壓值比一個(gè)斷口時(shí)的要低，所以電弧容易熄滅。二、交流電弧熄滅的條件交流電弧過零后弧隙間介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)和電壓的恢復(fù)是兩個(gè)對(duì)立的過程。因?yàn)榻橘|(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程主要是弧隙內(nèi)部帶電粒子不斷減少的過程，而電壓恢復(fù)過程則相反，它使弧隙中的氣體產(chǎn)生新的游離而使帶電粒子不斷增加。那么可以簡(jiǎn)單地確定交流電弧熄滅條件為：交流電弧電流過零后，如果弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)的速度超過了弧隙電壓恢復(fù)的速度，則電弧熄滅。反之，電弧重燃。圖2－10交流電弧熄滅的條件

（a）重燃；（b）熄滅。在實(shí)際中，由于介質(zhì)恢復(fù)過程與電壓恢復(fù)過程是相互聯(lián)系又相互影響的，所以情況較為復(fù)雜。如果恢復(fù)電壓上升得快，弧隙游離加強(qiáng)，使得介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度減慢。如果介質(zhì)強(qiáng)度增長的速度快，它又對(duì)恢復(fù)電壓上升起阻尼作用。因此，在交流電弧熄滅過程中有兩個(gè)方面的因素要加以考慮：(1)交流電弧電流過零是最有利的滅弧時(shí)機(jī)。這時(shí)輸入弧隙的功率趨近于零，如電弧散失的功率大于此時(shí)由電源輸入的功率，電弧就會(huì)熄滅。如果熄弧措施太強(qiáng)，使電弧電流提前強(qiáng)制過零，這時(shí)交流電弧的熄滅與直流電弧相同，會(huì)造成熄弧困難。(2)對(duì)交流電弧的電路參數(shù)而言，電源電壓越高，恢復(fù)電壓峰值也愈高，熄弧困難。電弧熄滅前電路的電流越大，電弧功率越大，熄弧越困難。電路中電感比例越大，熄弧越困難。為了使交流電弧過零點(diǎn)后不再重燃，總的來講可減小恢復(fù)電壓增長速度和增加介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度。增加介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度，在實(shí)際運(yùn)用中效果較顯著的方法主要就是通過金屬柵片將電弧分割成許多短弧，這樣每一個(gè)短弧相當(dāng)于處在一對(duì)電極之中，電流過零后，就產(chǎn)生近陰極效應(yīng)。此時(shí)起始介質(zhì)強(qiáng)度之和比一對(duì)極下產(chǎn)生的擴(kuò)大了許多倍。當(dāng)外界加在電弧兩端的電壓小于此值時(shí)，電弧在過零后就不再重燃。對(duì)于減小恢復(fù)電壓增長速度，抑制電弧重燃，一般采用的方法為在弧隙兩端并聯(lián)一電阻rm，如圖2－11所示。在弧電流經(jīng)過零點(diǎn)前后幾十微秒內(nèi)，iDH≈0，所以可近似認(rèn)為RDH≈∞。此時(shí)i分成向電容C充電的電流i1和流經(jīng)rm的電流i2。由于rm分流了i2，使電容C的充電時(shí)間加長，即a、b兩端電壓的增長速度變慢，因此就抑制了燃弧因素。從熄滅電弧的角度出發(fā)，分流電阻rm的值越小越好，但rm值過小，在正常情況下?lián)p耗過大。所以希望rm在正常工作時(shí)其阻值很大，i2≈0；而在觸頭斷開電路時(shí)，要求rm值很小。為此，一般用非線性電阻較好。韶山系列電力機(jī)車所用的TDZlA型主斷路器就是利用這種原理，在其主觸頭上并聯(lián)有非線性電阻，來抑制恢復(fù)電壓的增長速度，促使其電弧的熄滅。圖2－11并聯(lián)電阻滅弧原理氣體放電的物理過程一、氣體放電的物理過程氣體放電:是指氣體由絕緣狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)，使電流通過的現(xiàn)象。氣體放電的前提：氣體游離化。（一）激勵(lì)與游離：激勵(lì)：也叫激發(fā)，是指原子吸收能量后，使電子由低能量軌道跳向能量較高的軌道的過程(激勵(lì)后原子仍是中性原子，但原子的能量提高了)。此狀態(tài)只存在10-9～10-8秒。游離：游離是指原子吸收足夠大的能量后，電子被激發(fā)到自由態(tài)而離開原子軌道形成自由電子，使原來的中性原子或分子(統(tǒng)稱中性粒子或中性質(zhì)子)變成一個(gè)帶正電荷的粒子(正離子)的過程。1、表面發(fā)射：指由金屬表面發(fā)射電子的現(xiàn)象；它包括了熱發(fā)射、高電場(chǎng)發(fā)射、光發(fā)射和二次發(fā)射。①熱發(fā)射：在2000～2500K范圍內(nèi)，金屬表面自由電子獲得足夠的動(dòng)能，超越金屬表面晶格電場(chǎng)造成的勢(shì)壘而逸出的現(xiàn)象。②高電壓發(fā)射：也叫場(chǎng)致發(fā)射，是常溫下當(dāng)金屬表面的電場(chǎng)強(qiáng)度>106(v/cm)時(shí)，自由電子逸出金屬的現(xiàn)象。③光發(fā)射：光線(紅外線、紫外線及其他射線)照在金屬表面，引起電子從表面逸出的現(xiàn)象。④二次發(fā)射：是指正離子高速撞擊陰極或電子高速撞擊陽極，引起金屬表面發(fā)射電子的現(xiàn)象。主要考慮陰極表面的二次發(fā)射。二、氣體游離方式２、空間游離：是指電極間氣體受外力影響，其分子及原子分裂成自由電子和正離子的現(xiàn)象?？臻g游離的方式有光游離、電場(chǎng)游離和熱游離；它們可能同時(shí)存在。①光游離：中性粒子受光照作用，當(dāng)光子能量大于原子或分子的游離能時(shí)，發(fā)生的游離。光游離作用的大小，與光頻成正比。②電場(chǎng)游離：也叫碰撞游離。是帶電粒子(由光游離或表面發(fā)射所產(chǎn)生)在電場(chǎng)的作用下被加速后，如其動(dòng)能大于游離能，那么，當(dāng)其與中性粒子發(fā)生碰撞時(shí)，此動(dòng)能就可以被傳遞給中性粒子的外層電子，使它脫離原子核的引力范圍成為自由電子。負(fù)離子：是因電子吸附在中性粒子上形成的帶負(fù)電荷的離子。負(fù)電性氣體：對(duì)電子的粘合作用特強(qiáng)的氣體，多為氟原子及其化合物。③熱游離：當(dāng)氣體溫度在3000—4000K以上時(shí)，氣體粒子因高速熱運(yùn)動(dòng)而互相碰撞所產(chǎn)生的游離。１、去游離：也叫消游離；是指游離氣體中的帶電粒子離開游離區(qū)域，或帶電粒子失去電荷變成中性粒子的現(xiàn)象。２、去游離方式：包括復(fù)合與擴(kuò)散。①復(fù)合：兩個(gè)帶異性電荷的粒子相遇后，相互作用引起電荷消失，形成中性粒子的現(xiàn)象。②擴(kuò)散：弧柱中的帶電粒子，由于熱運(yùn)動(dòng)，從弧柱中濃度高的區(qū)域移到濃度低的區(qū)域的現(xiàn)象。三、去游離方式四、氣體放電１、氣體放電的幾個(gè)階段：①非自持放電階段：是指當(dāng)外界因素去除后，放電無法維持的階段，即圖中的ＯC段。OA段：電場(chǎng)強(qiáng)度較小，帶電粒子僅由宇宙射線、χ射線等產(chǎn)生，屬漫游狀態(tài)，當(dāng)U↑時(shí)，到達(dá)陰極的帶電粒子成比例增加；AC段：電壓較高，間隙電場(chǎng)強(qiáng)度較大，I繼續(xù)增加，可產(chǎn)生電場(chǎng)電離，并出現(xiàn)二次發(fā)射；因去掉外加電離因素后，放電停止，故稱之為非自持放電階段。②自持放電階段：圖中的CF段定義：是指當(dāng)外界因素去除后，放電能夠維持的階段，即圖中的CF段。自持放電的條件：發(fā)生了間隙擊穿(放電電流雪崩般增加，即放電突變的現(xiàn)象)。間隙擊穿電壓主要決定于氣體壓力Ｐ和電極間距離Ｌ的乘積。舉例：將BF段分為BD區(qū)和EF區(qū)。其中，C點(diǎn)附近的BD區(qū)的特征：通常是常溫，電流密度小，陰極壓降高（幾百伏），呈輝光，稱為輝光放電區(qū)。電流Ｉ＝0.1Ａ左右，無明顯發(fā)熱。帶電粒子產(chǎn)生的主要原因是陰極的二次電子發(fā)射和陰極區(qū)的碰撞電離。維持輝光放電的重要條件是陰極的低溫。EF區(qū)：在外加電壓作用下，由陰極壓降區(qū)連續(xù)提供電子流，在弧柱區(qū)產(chǎn)生高溫?zé)犭婋x，最后由電子進(jìn)入陽極區(qū)而被陽極所吸收。游離方式有熱游離與光游離；形式：電??；特征：溫度極高（6000k以上），電流密度很大（幾千安/平方厘米），陰極壓降很?。◣资?。電弧熄滅的方法及裝置一、概述通過前面的一系列理論分析，我們可以找出加速電弧熄滅的很多方法，例如：拉長電弧、降低溫度、將長弧變?yōu)槎袒?、將電弧放置于特殊介質(zhì)中，增大電弧周圍氣體介質(zhì)的壓力等。為了減少電弧對(duì)觸頭的燒損和限制電弧擴(kuò)展的空間，通常要將這些方法加以應(yīng)用，為此而采用的裝置稱為滅弧裝置。一個(gè)滅弧裝置可以采用某一種方法進(jìn)行熄弧。但在大多數(shù)情況下，則是綜合采用幾種方法，以增加滅弧效果。例如拉長和冷卻電弧往往是一起運(yùn)用的。電弧拉長以后，電弧電壓就增大，改變了電弧的伏安特性。在直流電弧中，其靜伏安特性上移，電弧可以熄滅。在交流電弧中，由于燃弧電壓的提高，電弧重燃困難。電弧的拉長可以沿電弧的軸向(縱向)拉長，也可以沿垂直于電弧軸向(橫向)拉長，如圖2－12所示。一、拉長電弧圖2－12拉長電弧1．機(jī)械力拉長電弧沿軸向拉長的情況是很多的，電器觸頭分?jǐn)噙^程實(shí)際上就是將電弧不斷地拉長。刀開關(guān)中閘刀的拉開也拉長電弧，電焊過程中將焊鉗提高可使電弧拉長并熄滅。2．回路電動(dòng)力拉長載流導(dǎo)體之間會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)力，如果把電弧看作為一根軟導(dǎo)體，那么受到電動(dòng)力它就會(huì)發(fā)生變形，即拉長。如圖2－13所示，在一對(duì)橋式雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)型式的觸頭斷開時(shí)，電弧受回路電動(dòng)力F的作用被橫向拉長，也就是圖2－12中受F2作用力的情況。橫向拉長時(shí)電弧與周圍介質(zhì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而加強(qiáng)了冷卻，這樣就加速了電弧的熄滅。有時(shí)為了使磁場(chǎng)集中，在觸頭上添加磁性片6，以增大吹弧力，如圖2－13（b）所示。圖2－13觸頭回路電動(dòng)力吹弧

（a）常用觸頭回路電動(dòng)力吹?。唬╞）增磁型觸頭回路電動(dòng)力吹弧

1－觸頭橋；2－動(dòng)觸頭；3－電??；4－靜觸頭；5－靜觸頭座

6－磁性片。因利用回路本身滅弧的電動(dòng)力不夠大，電弧拉長和運(yùn)動(dòng)的速度都較小，所以這種方法一般僅用于小容量的電器中。開斷大電流時(shí)，為了有較大的電動(dòng)力而專門設(shè)置了一個(gè)產(chǎn)生磁場(chǎng)的吹弧線圈，這種利用磁場(chǎng)力使電弧運(yùn)動(dòng)而熄滅的方法稱為磁吹滅弧。如圖2－14所示。由于這個(gè)磁場(chǎng)力比較大，其拉長電弧的效果也較好，如圖2－12中F3所示的情況。圖2－14磁吹滅弧裝置示意圖

1－磁吹鐵心；2－導(dǎo)弧角；3－滅弧罩；4－磁吹線圈；

5－鐵夾板；6－靜觸頭；7－動(dòng)觸頭；8－絕緣套。磁吹線圈4是接在引出線和靜觸頭6之間，通過絕緣套與磁吹鐵芯絕緣，導(dǎo)弧角2和靜觸頭6固裝在一起。磁吹線圈4中的磁吹鐵芯1兩端各裝有一片導(dǎo)磁夾板5，磁夾板5同時(shí)夾于滅弧室兩側(cè)，用來加強(qiáng)弧區(qū)磁場(chǎng)。設(shè)在滅弧室中的動(dòng)靜觸頭就處在磁板之間。當(dāng)觸頭分開有電弧燃燒時(shí)，磁吹線圈和電弧本身均在電弧周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。由圖可見，在弧柱下方一側(cè)，磁吹線圈的磁通和電弧的磁通是相疊加的，而在弧柱上方一側(cè)，兩磁通是相削弱的，因此就產(chǎn)生磁吹力。電弧在磁吹力的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，電弧被拉長，電弧的根部離開靜觸頭而移到導(dǎo)弧角2上，進(jìn)一步拉長電弧，使電弧迅速熄滅。導(dǎo)弧角2是根據(jù)回路電動(dòng)力原理設(shè)置的，用來引導(dǎo)電弧很快離開觸頭且按一定方向運(yùn)動(dòng)，以保護(hù)觸頭接觸面免受電弧的燒傷。由于磁吹線圈與電路的連接方式不同而形成串激線圈和并激線圈之分。上述所介紹的這種磁吹線圈和觸頭相串聯(lián)的激磁方法稱為串激法。它的優(yōu)點(diǎn)是：電流流向改變但磁吹力方向不變，即磁吹方向不隨電流極性的改變而改變。具有這種磁吹的電器稱為“無極性電器”。同時(shí)因?yàn)槭谴?，通過磁吹線圈的電流與弧電流相同，因此弧電流越大則滅弧效力就越強(qiáng)；反之弧電流小時(shí)，滅弧效力就弱。所以串激法適用于切斷大電流的電器中。在熄滅直流電弧時(shí)，外加磁場(chǎng)除了串激法外，還有并激法和它激法。它們的工作原理相同。并激法的磁吹線圈不是和負(fù)載回路串聯(lián)，而是直接跨接在電源上。它的優(yōu)點(diǎn)是，可產(chǎn)生一個(gè)與回路電流無關(guān)的恒定磁場(chǎng)。這樣，在一定的恒定磁場(chǎng)下，不論開斷大電流或小電流，都可使電弧很快熄滅。但是由此產(chǎn)生的缺點(diǎn)是使電器的接線帶有極性，即當(dāng)觸頭上電流反向時(shí)，必須同時(shí)改變并激線圈的極性，否則磁吹力就會(huì)反向，所以使用中不太方便。所謂它激法，就是用永久磁鐵來代替并激法的磁吹線圈，它的磁吹特性和并激法相似。不同點(diǎn)是無需線圈和電源，因而結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單。滅弧罩是讓電弧與固體介質(zhì)相接觸，降低電弧溫度，從而加速電弧熄滅的比較常用的裝置。其結(jié)構(gòu)型式是多種多樣的，但其基本構(gòu)成單元為“縫”。我們將滅弧罩壁與壁之間構(gòu)成的間隙稱作“縫”。根據(jù)縫的數(shù)量可分為單縫和多縫。根據(jù)縫的寬度與電弧直徑之比可分為窄縫與寬縫?？p的寬度小于電弧直徑的稱窄縫，反之，大于電弧直徑的稱寬縫。根據(jù)縫的軸線與電弧軸線間的相對(duì)位置關(guān)系可分為縱縫與橫縫?？p的軸線和電弧軸線相平行的稱為縱縫，兩者相垂直的則稱為橫縫。二、滅弧罩圖2－15所示為一縱向窄縫的滅弧情況，當(dāng)電弧受力被拉入窄縫后，電弧與縫壁能緊密接觸。在繼續(xù)受力情況下，電弧在移動(dòng)過程中能不斷改變與縫壁接觸的部位，因而冷卻效果好，對(duì)熄弧有利。但是在頻繁開斷電流時(shí)，縫內(nèi)殘余的游離氣體不易排出，這對(duì)熄弧不利。所以此種形式適用于操作頻率不高的場(chǎng)合。1．縱縫滅弧罩圖2－15縱向窄縫式滅弧罩圖2－16所示為一縱向?qū)捒p的滅弧情況，寬縫滅弧罩的特點(diǎn)與窄縫的正好相反，冷卻效果差，但排出殘余游離氣體的性能好。圖2－16中所示情況是將一寬縫中又設(shè)置了若干絕緣隔板，這樣就形成了縱向多縫。電弧進(jìn)入滅弧罩后，被隔板分成兩個(gè)直徑較原來小的電弧，并和縫壁接觸而冷卻，冷卻效果加強(qiáng)，熄弧性能提高。此外，由于縫較寬，熄弧后殘存的游離氣體容易排出，所以這種結(jié)構(gòu)型式適用于較頻繁開斷的場(chǎng)合。圖2－16縱向?qū)捒p式滅弧罩圖2－17所示為縱向曲縫式滅弧罩的滅弧情況?？v向曲縫式又稱迷宮式，它的縫壁制成凹凸相間的齒狀，上下齒相互錯(cuò)開。同時(shí)，在電弧進(jìn)入處齒長較短，愈往深處，齒長愈長。當(dāng)電弧受到外力作用從下向上進(jìn)入滅弧罩的過程中，它不僅與縫壁接觸面積越來越大，而且長度也愈來愈長。這就加強(qiáng)了冷卻作用，具有很強(qiáng)的滅弧能力。但是，也正因?yàn)榭p隙愈往深處愈小，電弧在縫內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力愈來愈大。所以，這種結(jié)構(gòu)的滅弧罩，一定要配合以較大的讓電弧運(yùn)動(dòng)的力。否則，其滅弧效果反而不好。圖2－17縱向曲縫式滅弧罩為了加強(qiáng)冷卻效果，橫縫滅弧罩往往以多縫的結(jié)構(gòu)型式使用，也就是稱為橫向絕緣柵片，如圖2－18所示。當(dāng)電弧進(jìn)入滅弧罩后，受到絕緣柵片的阻擋，電弧在外力作用下便發(fā)生彎曲，從而拉長了電弧，并加強(qiáng)了冷卻。為了分析電弧與絕緣柵片接觸時(shí)的情況，以圖2－19來放大說明：設(shè)磁通方向?yàn)榇怪毕蚶?，電弧AB、BC和CD段所受的電動(dòng)力都使電弧壓向絕緣棚片頂部，而DE段所受的電動(dòng)力使電弧拉長，CD段和EF段相互作用產(chǎn)生斥力。這樣一些力的作用，使電弧拉長并與縫壁接觸面增大而且緊密，所以能收到比較好的滅弧效果。2．橫縫滅弧罩圖2－18橫向絕緣柵片式滅弧罩

1－滅弧罩；2－電弧。圖2－19電弧在橫向絕緣柵片滅弧罩中的放大圖油冷滅弧是將電弧置于液體介質(zhì)(一般為變壓器油)中，電弧將油汽化、分解而形成油氣。油氣中主要成分是氫，在油中以氣泡的形式包圍電弧。氫氣具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)，這就使電弧的熱量容易散發(fā)。另外，由于存在著溫度差，所以氣泡產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，又進(jìn)一步加強(qiáng)了電弧的冷卻。若再要提高其滅弧效果，可在油箱中加設(shè)一定機(jī)構(gòu)，使電弧定向發(fā)生運(yùn)動(dòng)，這就是油吹滅弧。由于電弧在油中滅弧能力比大氣中拉長電弧大得多，所以這種方法一般用于高壓電器中，如油開關(guān)。3、油冷滅弧裝置4、氣吹滅弧裝置氣吹滅弧是利用壓縮空氣來熄滅電弧的。壓縮空氣作用于電弧，可以很好地冷卻電弧、提高電弧區(qū)的壓力、很快帶走殘余的游離氣體，所以有較高的滅弧性能。按照氣流吹弧的方向，它可以分為橫吹和縱吹兩類。橫吹滅弧裝置的絕緣件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電流小時(shí)橫吹過強(qiáng)會(huì)引起很高的過電壓，故已被淘汰。由于氣吹滅弧的滅弧能力較強(qiáng)，故一般運(yùn)用在高壓電器中，例如韶山系列機(jī)車的空氣斷路器（主斷路器）。圖2－20氣吹滅弧裝置

1－動(dòng)觸頭；2－滅弧室瓷罩；3－靜觸頭；4－壓縮空氣；5－電弧。橫向金屬柵片又稱去離子?xùn)?，它利用的是短弧滅弧原理。用磁性材料的金屬片置于電弧中，將電弧分成若干短弧，利用交流電弧的近陰極效應(yīng)和直流電弧的近極壓降來達(dá)到熄滅電弧的目的。橫向金屬柵片滅弧情況如圖2－21所示。柵片的材料一般采用鐵。當(dāng)電弧靠近鐵柵片時(shí)，由于鐵片為磁性材料，所以柵片本身就具有一個(gè)把電弧拉入柵片的磁場(chǎng)力（當(dāng)電弧移近金屬柵的上沿時(shí)，鐵柵片又具有把電弧拉回的特性，可防止電弧逸出柵外，燒損它物）。5、橫向金屬柵片滅弧圖2－21橫向金屬柵片滅弧罩結(jié)構(gòu)、原理示意圖

（a）電弧在橫向金屬柵中狀況；

（b）橫向金屬柵對(duì)電弧的作用；

（c）橫向金屬柵滅弧原理。

1－入柵片前的電??；2－金屬柵；3－入柵片后的電弧。當(dāng)電弧被這個(gè)磁場(chǎng)力或外力作用剛進(jìn)入鐵片柵中時(shí)，由于磁阻較大，鐵片柵對(duì)電弧的吸力不大。為了減小電弧剛進(jìn)入鐵柵片時(shí)的空氣阻力，鐵柵片作成楔口并交叉裝配，如圖2－21(b)所示，即只讓電弧先進(jìn)入一半鐵片柵中以增大最初接觸電弧的鐵片片距。隨著電弧繼續(xù)進(jìn)入鐵片柵中，磁阻減小，鐵片對(duì)電弧的拉力增大，足以使電弧進(jìn)入所有的鐵片柵中。電弧進(jìn)入柵片后分成許多串聯(lián)短弧，電流回路產(chǎn)生作用于各短弧上的電動(dòng)力使短弧繼續(xù)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。此時(shí)應(yīng)注意短弧被拉回向觸頭方向運(yùn)動(dòng)的力，它會(huì)使電弧重燃并燒損觸頭。為了消除這種現(xiàn)象，可以采用凹形柵片和O形柵片。鐵柵片在使用時(shí)一般外表面要鍍上一層銅，以增大傳熱能力和防止鐵片生銹。圖2－21橫向金屬柵片滅弧罩結(jié)構(gòu)、原理示意圖

（a）電弧在橫向金屬柵中狀況；

（b）橫向金屬柵對(duì)電弧的作用；

（c）橫向金屬柵滅弧原理。

1－入柵片前的電??；2－金屬柵；3－入柵片后的電弧。橫向金屬柵片滅弧裝置主要用于交流電器，因?yàn)樗蓪⑵鹗冀橘|(zhì)強(qiáng)度成倍的增長。對(duì)于直流電弧而言，因無近陰極效應(yīng)，只能靠成倍提高極旁壓降來進(jìn)行滅弧。由于極旁壓降值較小，要想達(dá)到較好的滅弧效果，金屬柵片的數(shù)量太大，會(huì)造成滅弧裝置體積龐大。所以直流電器中很少采用。真空滅弧是使觸頭電弧的產(chǎn)生和熄滅在真空中進(jìn)行，它是依據(jù)零點(diǎn)熄弧原理，以真空為熄弧介質(zhì)工作的。在真空中氣體很稀薄，電子的自由行程遠(yuǎn)大于觸頭間的距離。當(dāng)真空度為10－5mm汞柱時(shí)，電子的自由行程達(dá)43m。自由電子在弧隙中作定向運(yùn)動(dòng)時(shí)幾乎不會(huì)和氣體分子或原子相碰撞，不會(huì)產(chǎn)生碰撞游離。所以將觸頭置于真空中斷開時(shí)產(chǎn)生的電弧則是由于陰極發(fā)射電子和產(chǎn)生的金屬蒸氣被電離而形成的。當(dāng)電弧電流接近零時(shí)，陰極發(fā)射的電子和金屬蒸氣減少，弧隙中殘留的金屬蒸氣和等離子體向周圍真空迅速擴(kuò)散。這樣，弧隙可以在數(shù)微秒之內(nèi)由導(dǎo)電狀態(tài)恢復(fù)到真空間隙的絕緣水平。因此，在真空中觸頭有很高的介質(zhì)恢復(fù)速度、絕緣能力和分?jǐn)嚯娏鞯哪芰Α?、真空滅弧裝置當(dāng)擴(kuò)散弧的電流增加到足夠大時(shí)，陰極斑點(diǎn)相互聚成一團(tuán)，運(yùn)動(dòng)速度很小甚至不再運(yùn)動(dòng)。陰極表面不但產(chǎn)生大量的金屬蒸氣，而且有一部分金屬直接以顆?；蛞旱蔚男问较蚧∠秶娚?。陽極此時(shí)也出現(xiàn)熾熱的陽極斑點(diǎn)且蒸發(fā)和噴射一定數(shù)量的金屬，觸頭的電磨損迅速增加。當(dāng)真空滅弧裝置中出現(xiàn)收縮弧后，就不能再開斷電路。電弧由擴(kuò)散弧轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s弧的電流，也就是該真空滅弧裝置的極限開斷電流，它隨觸頭材料和直徑大小而不同。在開斷交流電路時(shí)，當(dāng)被開斷的電流減小到某一數(shù)值時(shí)，擴(kuò)散弧會(huì)發(fā)生電流突然被截?cái)嗟默F(xiàn)象，稱之為截流。這樣，在開斷感性負(fù)載電流時(shí)，弧隙上將產(chǎn)生很高的過電壓，這是使用真空滅弧裝置應(yīng)注意的問題。直流電弧的燃燒和熄滅一、直流電弧的伏安特性直流電弧是指產(chǎn)生電弧的電路電源為直流。當(dāng)直流電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，電路仍是導(dǎo)通的，因而電弧中有電弧電流，電弧兩端有電弧壓降。電弧的伏安特性就是指電弧電壓與電弧電流之間的關(guān)系曲線，它實(shí)質(zhì)上是反映電弧內(nèi)的物理過程，是電弧重要特性之一。由于影響電弧伏安特性的因素很多，通常可用實(shí)驗(yàn)方法求得。如圖2－2中電路圖所示，在兩極中有一穩(wěn)定燃燒的電弧。我們?nèi)羰峭ㄟ^調(diào)節(jié)可變電阻R的值非常緩慢地調(diào)節(jié)回路電流()，在這個(gè)過程中分別測(cè)量電弧電流和電弧兩端電壓，可繪出其伏安特性，如圖2－2中曲線1。此伏安特性稱為直流電弧的靜伏安特性(簡(jiǎn)稱靜特性)。靜特性是指在電弧穩(wěn)定燃燒()條件下，電弧不受熱慣性影響時(shí)，電弧電流與電弧壓降的關(guān)系。從曲線1可見，觸頭在開斷直流電路時(shí)所產(chǎn)生的電弧，相當(dāng)于在電路中串入一個(gè)非線性電阻，當(dāng)電弧電流增加時(shí)，電弧電壓減少。這和我們熟知的普通電路的情況相反。在普通電路中，當(dāng)電流增加時(shí)，電阻上的電壓也增加，這是因?yàn)殡娐分械碾娮柚挡蛔兊木壒?。圖2－2直流電弧及其伏安特性但在弧隙中，電弧電阻是隨著電弧電流而變化。隨著電流的增大，電弧內(nèi)的游離作用越來越激烈，離子濃度越來越大，導(dǎo)電性越好，其對(duì)外所呈現(xiàn)的電阻值愈小，從而維持電弧穩(wěn)定燃燒所需的電壓也相應(yīng)減??；反之，當(dāng)電弧電流減少時(shí)，維持電弧穩(wěn)定燃燒所需的電壓相應(yīng)增大。若調(diào)節(jié)可變電阻R來調(diào)節(jié)回路電流，讓回路電流以一定速度增加()或減少()，則可得曲線3和2。這時(shí)所得的伏安特性稱直流電弧的動(dòng)伏安特性(簡(jiǎn)稱動(dòng)特性)。動(dòng)特性是指在電弧不穩(wěn)定燃燒條件下，電弧電流變化快，其熱慣性對(duì)電弧有影響時(shí)，電弧電流與電弧壓降的關(guān)系。從圖2－2中可得出，伏安特性曲線1、2、3并不重合，而且電流增加過程的伏安特性3位于靜伏安特性1之上方，電流減小過程的伏安特性2位于靜伏安特性1的下方。其原因是因?yàn)楫?dāng)回路電流以一定速度變化時(shí)，電弧內(nèi)部有保持原來熱狀態(tài)(游離和消游離狀態(tài))的熱慣性作用，致使電弧內(nèi)部狀態(tài)的變化總是滯后于回路電流的變化。圖2－2直流電弧及其伏安特性當(dāng)回路電流變化速度愈大時(shí)，這種熱慣性作用就愈明顯。