交流低压开关的电弧熄灭机理及其灭弧栅设计方案

交流电弧电流每半周期要过零一次，在过零前后很短的时间内会出现“零休”，此时弧隙的输入能量为零或趋近于零，电弧的温度下降，弧隙将从导体逐渐变成介质，这给熄灭交流电弧创造了有利条件。交流开关电器的灭弧装置在这期间的主要任务是充分利用这个有利条件，用外能或自能强迫冷却电弧，使去游离大于游离作用，将电弧迅速熄灭，切断电路。

从每次电弧电流过零时刻开始，弧隙中都发生两个作用相反而又相互联系的过程，一个是弧隙中的介质强度恢复过程，另一个是弧隙上电压恢复过程。电弧熄灭与否取决于这两种恢复过程的速度。

1.弧隙介质强度恢复过程

弧隙的介质强度即弧隙的绝缘能力，也就是弧隙能承受的不致引起重燃的外加电压。

电弧电流过零时，弧隙有一定的介质强度，并随着弧隙温度的不断降低而继续上升，逐渐恢复到正常的绝缘状态。使弧隙能承受电压作用而不发生重燃的过程称为介质强度恢复过程。

（1）弧柱区介质强度恢复过程。电弧电流过零前，电弧处在炽热燃烧阶段，热游离很强，电弧电阻很小。当电流接近自然过零时，电流很小，弧隙输入能量减小，散失能量增加，弧隙温度逐渐降低，游离减弱，去游离增强，弧隙电阻增大，并达到很高的数值。当电流自然过零时，弧隙输入的能量为零，弧隙散失的能量进一步增加，使其温度继续下降，去游离继续加强，弧隙电阻继续上升并达到相当高的数值，为弧隙从导体状态转变为介质状态创造条件。实践表明，虽然电流过零时弧隙温度有很大程度的下降，但由于电流过零的速度很快，电弧热惯性的作用使热游离仍然存在，因此弧隙具有一定的电导性，被称为剩余电导。在弧隙两端电压的作用下，弧隙中仍有能量输入。如果此时加在弧隙上的电压足够高，使弧隙输入能量大于散失能量，则使弧隙温度升高，热游离又得到加强，弧隙电阻迅速减小，电弧重新剧烈燃烧，这就是电弧的重燃。这种重燃是由于输入弧隙的能量大于其散失能量而引起的，称为热击穿，此阶段称热击穿阶段。热击穿阶段的弧隙介质强度为弧隙在该阶段每一时刻所能承受的外加电压，在该电压作用下，弧隙输入能量等于散失能量。如果此时加在弧隙上的电压相当小甚至为零，则弧隙温度继续下降，弧隙电阻继续增大至无穷，此时热游离已基本停止，电弧熄灭，弧隙中的带电质点转变为中性介质。当加在弧隙上的电压超过此时弧隙所能承受的电压时，则会引起弧隙重新击穿，从而使电弧重燃。由此而引起的重燃称为电击穿，电流过零后的这一阶段称为电击穿阶段。

电弧重燃过程一般都要经过热击穿和电击穿两个阶段，两者有不同的特征。热击穿阶段的特征是：弧隙处于导通状态，具有一定数值的电阻，有剩余电流通过，弧隙仍得到能量。电击穿阶段的特征是：弧隙电阻值趋于无穷大，弧隙呈介电状态，但温度较高，弧隙的耐压强度比常温介质低得多，所以容易被击穿。

图2-3　电流过零后电荷沿短弧隙的分布

（2）近阴极区介质强度恢复过程。实验证明，在电弧电流过零后0.1～1μs时间内，阴极附近的介质强度突然升高，这种现象称为近阴极效应。图2-3所示的短弧隙分布，在电流过零前，左电极为正，右电极为负，弧隙间充满着电子和正离子。在电流过零后，弧隙电极的极性发生了变化，左变负，右变正，弧隙中电子运动方向随之改变。电子向正电极方向运动，而质量比电子大得多的正离子几乎未动。因此，在阴极附近形成了不导电的正电荷空间，阻碍阴极发射电子，出现了一定的介质强度。如果此时加在弧隙上的电压低于此时的介质强度，则弧隙中不再有电流流过，因而电弧不再产生。这个介质强度值为150～250V，称为起始介质强度（在冷电极的情况下，起始介质强度为250V，而在较热电极的情况下起始介质强度约为150V）。产生近阴极效应之后，介质强度的增长速度变慢，主要取决于电弧的冷却条件。

近阴极效应在熄灭低压短弧中得到了广泛应用。在交流低压开关断开过程中，把电弧引入用钢片制成的灭弧栅中，将其分割成一串短弧，这样就出现了对应数目的阴极。当电流过零后，每个短弧阴极附近都立刻形成150～250V的介质强度，如其总和大于加在触头间的电压，即可将电弧熄灭。

近阴极效应对几万伏以上的高压断路器的灭弧不起多大作用，因为起始介质强度比加在弧隙上的高电压低得多。

2.弧隙电压恢复过程

交流电弧熄灭时，加在弧隙上的电压是从熄弧电压开始逐渐变化到电源电压，这个过程称为电压恢复过程。在电压恢复过程中，加在弧隙上的电压称为恢复电压。(www.xing528.com)

恢复电压由暂态恢复电压和工频恢复电压两部分组成。暂态恢复电压是电弧熄灭后出现在弧隙上的暂态电压，它可能是周期性的，也可能是非周期性的，如图2-4所示，主要是由电路参数（集中的或分布的电感、电容和电阻等）、电弧参数（电弧电压、剩余电导等）和工频恢复电压的大小所决定。工频恢复电压是暂态恢复电压消失后弧隙上出现的电压，即恢复电压的稳态值。

图2-4　恢复电压

（a）周期性的暂态恢复电压；（b）非周期性的暂态恢复电压1—暂态恢复电压；2—工频恢复电压

电压恢复过程仅在几十或几百微秒内完成，此期间正是决定电弧能否熄灭的关键时刻，因此加在弧隙上恢复电压的幅值和波形，对弧隙能否重燃具有很大的影响。如果恢复电压的幅值和上升速度大于介质强度的幅值和上升速度，则电弧重燃；反之，不再重燃。因此，能否熄灭交流电弧，不但与介质强度恢复过程有关，而且还和电压恢复过程有关。

3.交流电弧的熄灭条件

在交流电弧熄灭过程中，介质强度恢复过程和电压恢复过程是同时进行的，电弧能否熄灭取决于两个过程的发展速度。图2-5所示为几种典型的电弧熄灭与重燃的波形。

图2-5（a）表示在两个恢复过程中，弧隙中有剩余电流通过，但介质强度始终大于恢复电压，所以电弧熄灭。图2-5（b）表示在两个恢复过程中，弧隙中有较大的剩余电流，输入弧隙的能量大于弧隙散失的能量，热游离不断加强，弧隙的温度不断上升；并且由于热击穿，使电弧重燃，在热击穿阶段恢复电压较低。图2-5（c）表示弧隙中有剩余电流，在热击穿阶段弧隙中的介质强度大于恢复电压；但在剩余电流下降到零之后，弧隙上的恢复电压即大于介质强度，引起弧隙电击穿使电弧重燃。图2-5（d）表示弧隙中没有剩余电流，电弧电流过零后不存在热击穿阶段；但在恢复电压作用下，弧隙被电击穿使电弧重燃。

图2-5　电弧熄灭或重燃的波形

（a）电弧熄灭；（b）热击穿；（c）、（d）电击穿
Ujf—介质强度电压；Uhf—恢复电压；Uh—弧隙电压；is—剩余电流

通过上述对两个恢复过程的分析，得出交流电弧的熄灭条件，即交流电弧电流过零后，弧隙中的介质强度总是高于弧隙恢复电压。

现代开关电器中主要采用的灭弧方式有金属灭弧栅灭弧、绝缘灭弧栅灭弧、固体石英砂灭弧、固体产气灭弧、多断口灭弧、气体或油吹弧灭弧、真空灭弧等。