交流电路中电弧的开断方法探析

图4-30示出一个典型的交流电路，一个交流电源通过电缆与负载连接在一起，当开关S闭合时，电流即可流通。如果要分析开关分合引起的电路中电压电流的变化过程可参考相关文献，在此仅采用图4-31所示的分析结果。分析中认为电路是感性的，即电路中电流滞后于系统电压。图中示出当开关的触头打开时形成了电弧，电弧持续燃烧直至第一个电流过零点，如果电弧在第一个电流过零点熄灭，触头上的电压则迅速上升，可以在几个毫秒内达到线电压值然后继续升高，这个出现在触头上的电压叫做暂态恢复电压（Transient Recovery Voltage，TRV）。暂态恢复电压及其上升率都取决于电路中的电感以及杂散电容值。

对于电路开断来说电弧在电流过零点的物理过程是十分重要的。每秒交流电路的电流方向转换2f次，f为频率。这样对于一个50Hz的电路电流每秒过零100次。当需要断开电路时触头分开，触头间形成的电弧使得电路中电流继续得以流通，直到遇到一个电流零点，在电流过零时刻输入电弧的能量也为零，此时电弧以及阴极和阳极的能量损失超过能量输入，这就给弧隙一个机会使之由电的良导体转变为电的绝缘体，从而阻止电流的继续流动，这样电路就开断了。所有的交流开关设备都依靠电弧的熄灭来开断电路，使电流停止流通，因此了解触头间电弧熄灭的物理过程对开关的设计者来说是十分重要的。

图4-30 一个典型的交流电路

图4-31 交流电路的开断过程，图中示出触头上电压极性的变化

Slepian是第一个用“竞争”理论解释电弧熄灭的物理过程的，这个理论描述了触头间隙中存在两个相互竞争的电压过程：第一个是电路的暂态恢复电压，在电流过零后它施加在触头间隙上，暂态恢复电压仅仅与电路中的电感、电阻和电容有关；第二个是触头间隙中的介质恢复强度，它用需要多高的电压能将其击穿使电弧重燃来表示，因此叫做重燃电压，重燃电压随时间的增加而增大，它仅仅与触头间隙的相关参数有关，如电流过零前的电弧电流大小、触头间隙长度、触头材料、灭弧室设计参数和气体介质种类，它与电路参数无关。

如果施加在弧隙上的暂态恢复电压曲线一直低于重燃电压曲线，那么就不会产生介质击穿和电弧重燃。图4-32示出了两种电流下的介质恢复强度曲线，即重燃电压曲线。如图4-33所示，整个介质恢复强度曲线（重燃电压曲线）有四个明显的区域：

区域1：发生在1μs以内的瞬时介质恢复；

区域2：随后进入介质恢复强度的平台期；

区域3：再后进入持续几十到几百微秒的介质恢复强度稳定增长的过程；

区域4：最后达到了“冷态”触头间隙的最高耐压强度。

这个恢复过程发生在如下三个阶段中：

第一阶段：在电流过零时等离子体有一个快速调整过程，阴极上的电子发射停止。

第二阶段：电弧弧柱冷却，电离气体进入复合过程。

第三阶段：整个灭弧室进入长时间的冷却过程。

图4-32 Cu，Ag和W触头的介质恢复强度曲线（重燃电压曲线） 触头开距2mm，在一个交流电流半波燃弧后测得

a）电弧电流40A b）电弧电流300A(www.xing528.com)

第一阶段（介质强度的瞬时恢复）

图4-34示出了第一阶段的物理过程，在电流零区触头上电压反向，原阴极变成了新阴极，因此其电子发射停止，如果在新阴极上没有电子发射，那么电极间等离子体就进行重新排布：在暂态恢复电压的作用下，由于电子的质量比离子小得多，电子立即被新阴极排斥开，而离子的惯性很大，相对于电子来说可认为是原地不动，这样就在新阴极附近形成了一个只有正电荷的空间电荷区，叫做离子鞘层；而原来的电弧弧柱区仍然必须保持电中性，即n_e=n_i，也就是说原弧柱区仍然有电子和离子，而且电子密度与离子密度相等。实验证明这个离子鞘层可以承受300V电压，因此当触头上施加电压低于300V时，所有的电压都由鞘层来承担，等离子体区不承担任何电压；如果施加电压超过300V，那么鞘层仍然承担300V电压，而超出300V的部分由等离子体区来承担，如图4-35所示。在阴极附近形成的鞘层区很薄，其厚度不到30μm，因此鞘层内电场很强，高达10⁷V/m。

只要触头间隙不致太小，第一阶段的物理过程就与触头开距无关。然而第一阶段的物理过程与触头特性关系非常密切，如触头材料的熔点和沸点、热扩散率、功函数、电离电位以及电流过零前的dI/dt值等，在这些因素中，只要能够减少电子发射，就能增加熄灭电弧的成功率。

图4-33 介质恢复特性的四个区域示意图

图4-34 在电流过零后极间等离子体进入了快速的调整过程，在新阴极上鞘层开始发展

第二阶段（电弧等离子体的消散和电击穿）

图4-35 触头间隙中的电压分布（阴极鞘层的厚度被故意放大以清楚显示）

紧接着第一阶段，触头间隙中的介质恢复强度有一个相对缓慢的增长。这是由于触头的温度相对弧隙低，因此对触头有一个轴向热量输入。弧隙中的气体温度因而缓慢降低，气体密度增加，离子密度减小，阴极鞘层的厚度也增加。

触头周围的气体在经过短时间的冷却以及阴极鞘层有一定范围的扩展后，等离子体电导率开始逐渐降低，图4-36给出了电流为5A和30A的电弧等离子体电导率下降的例子。图中示出弧柱等离子体中部的温度已经冷却到一个临界温度，由萨哈公式（Saha’s equation）可以得到在此温度下的热电离已经可以忽略不计。在空气中一个大气压下这个临界温度在2000～3000K左右。当气体温度低于此临界温度时，暂态恢复电压是作用在整个触头间隙中，即整个电压均匀地分布在触头间隙中，击穿电压只与触头间隙长度和气体压力（或气体数密度n）有关，气体压力与气体温度成反比。

图4-36 测量得到的空气电弧自由恢复阶段的暂态温度分布和电导率的自然下降过程

a）测量得到的空气电弧自由恢复阶段的暂态温度分布 b）空气电弧电导率的自然下降过程，电弧稳定在0.5cm直径的管中，电流从12～36A①电弧电流5A情况：最上面的曲线为稳态时的温度分布，下面的曲线依次为20、30、50、80、105、155、200、300、500、750μs后的温度分布；②电弧电流30A情况：最上面的曲线为稳态时的温度分布，下面的曲线依次为20、50、75、100、150、200、300、500、700、750和1000μs后的温度分布。

弧柱等离子体的冷却时间与灭弧室的设计关系很大，例如它与触头间隙有关，触头间隙越短，气体的冷却速度就会越快，因为相对“冷”的触头表面就像一个散热器，触头间隙短时向触头的轴向热量输入的效率就会更高。实验证明对于一个小电流电弧（＜30A），最佳的触头间隙为0.5mm左右。弧柱等离子体的冷却时间还与背景气体的电离电位以及气体中是否夹杂其它成分如残余金属蒸气等有关。一些灭弧室还采用冷却栅片如去离子栅来增强冷却作用。在高压断路器中电弧的冷却变得尤为重要，因为高压断路器的暂态恢复电压可以在电流过零后几微秒就超过300V。如果在电流过零后电流已停止流动的情况下触头间隙出现了击穿，暂态恢复电压又施加在触头间隙上，这种现象称作电击穿。

鞘层上300V左右的电压降会在阴极附近形成一个很强的电场，这个电场强到可以通过场致发射向弧隙中提供电子。如果暂态恢复电压超过300V，那么其余的电压就会降落到正在消散过程中的等离子体上，如图4-35所示。在一般情况下，新阴极上场致发射出的电子能够被加在等离子体上的电压降加速，使得电弧弧柱重新被加热，这个过程叫做热击穿。热击穿可以维持一定的弧后电流，而弧后电流又可使弧柱再度被加热。热击穿并不像电击穿那样是由两个电压曲线的竞争决定的，它完全是由输入电弧的功率与电弧损失的功率来决定的。输入电弧的功率由电源电压、电路阻抗以及不断变化的电弧电导率（见图4-36）所决定。电弧损失的功率由背景气体的性质、触头开距和灭弧室设计参数等因素决定。对于电路中使用的电压超过300V的绝大多数大电流开断装置，其设计都应对电流过零后的残余电弧等离子体的消散进行优化。