电弧停滞时间的影响因素和优化方法

1.电弧停滞时间的定义与对电器开断性能的影响

低压开关电器在分断过程中，电弧在触头间呈现到电弧开始运动，需要一定的时间，这段时间称为电弧停滞时间t_i。从电弧电压波形来看，t_i是指从触头分断瞬间t₀到电弧电压波形突然上升的时刻t₁之间的时间间隔（见图4-48），即

t_i=t₁-t₀

图4-48 电弧停滞时间的定义

电弧停滞时间对低压电器性能有很大影响。首先低压电器触头的电寿命决定于触头的电弧侵蚀，主要是由开断时电弧的高温所造成的，所以当触头开断时，使电弧斑点迅速移动并离开触头转移到弧角上，即减小电弧停滞时间，将大大有利于提高触头的寿命，这一点对接触器来说尤其重要。电弧停滞时间t_i与触头间侵蚀量M的关系可由下式表示：

式中 k——与材料有关的常数，k=1.14×10^-8（银合金）。

若取t₀=0，则对银合金材料，t_i与M的关系见图4-49，图中计算值系由式（4-54）的计算结果，它与实验结果的变化趋势是一致的。

对低压限流断路器来说，由上一节的分析可知，降低电弧停滞时间可以使开断后电弧电压迅速增长，提高断路器的限流性能。

图4-49 电弧停滞时间与触头侵蚀量的关系

若把开断过程中电弧电压的波形简化成如图4-50所示，在电弧停滞时内让电弧电压取U_arc=40V不变，电弧开始运动后，电弧电压上升率为一常数β，电弧进入栅片后，电弧电压达到最大值U_arcm。保持β不变，改变电弧停滞时间t_i，当电源电压U_m=400V时，把图4-50所示的电弧电压波形代入式（4-52），用数值方法求解，可得不同电弧停滞时间t_i时，限流峰值i_lp，电弧能量和允通能量与电弧电压幅值U_arcm之间的关系，如图4-51a、b和c所示。

图4-50 简化的电弧电压波形

由图4-51可见，当β=常数，随着电弧停滞时间t_i的增加，限流峰值i_lp，电弧能量和允通能量都增加，同时这三个量也随着U_arc的增加而减小，可见减小电弧停滞时间t_i有利于增强断路器的限流性能。

2.电弧停滞现象的机理

图4-51 不同t_i时的限流性能

a）限流峰值与电弧电压幅值的关系 b）电弧能量与电弧电压幅值的关系 c）允通能量与电弧电压幅值的关系

触头间呈现电弧后，要使电弧运动，必须使电弧前进方向形成新的阴极和阳极斑点，以及为电弧从老的通道转移到新的通道创造条件。当触头斥开，首先使接触头电阻不断增大，然后接触处金属熔化形成金属桥，当金属桥被拉断形成电弧时，周围空气温度尚低，电弧主要靠金属蒸气的离子束支撑，这时电弧属金属相电弧，电弧弧柱直径较大，电弧不易运动，直到电弧拉长到极限长度时，在外磁场作用下，使周围气体穿插进入电弧内部，让电弧中心温度升高，电流向中心集中，电弧变细，同时电弧光谱中呈现强烈的气体分子谱线，这时电弧转变为气相电弧，电弧在电磁力作用下才能开始运动。

在触头断开过程中，对应于电弧停滞时间存在一个电弧开始运动的极限长度，若触头打开距离小于这一间隙，则电弧就停滞不动。这一气隙值几乎与触头开断速度无关，E.Belbel和L.Siffroi用能量平衡关系推导了这一间隙d近似值计算公式

式中 U_arc——电弧电压；

B——磁感应强度；

ρ_s——触头材料密度；

h——金属蒸汽的热焓；

R₁——理想气体常数；

γ——比热容比，是定压比热容c_P与定容比热容c_V之比，即γ=c_P/c_V。

利用光谱分析，可获得电弧温度沿弧柱径向分布如图4-52，图中下方曲线为电弧点燃后50μs的温度分布，上方曲线为350μs后电弧即将开始运动瞬间的温度分布，可见后者温度分布曲线梯度增大，而弧柱电导的分布也相同，这就意味着电弧即将开始运动瞬间，在电弧弧柱中心形成高导电区，即电弧直径收缩，作用在弧柱上的电磁驱动力就容易驱使电弧运动，电弧直径变细，是由于外界气体混入弧柱时电弧由金属相转变为气相电弧的结果。图4-52中上方曲线的弧柱中心区域温度较下方曲线高是由于电弧进一步发展使弧柱热游离加速的原因。

图4-52 起弧后不同瞬间电弧温度沿弧柱径向分布图

3.影响电弧停滞时间的各种因素

影响电弧停滞时间的因素很多，其中主要的因素如下：

1）触头区域的磁场；

2）触头的开断速度；

3）触头材料；

4）灭弧室的结构与器壁材料；

5）触头形状和表面情况。(www.xing528.com)

从上面机理分析知磁场对电弧停滞现象有重要作用，所以这里首先介绍磁场对电弧停滞时间的影响。对银触头，在不同触头分断速度下，用实验方法获得的电弧停滞时间t_i与外加磁场磁通密度B的关系如图4-53所示，这里触头断开速度从2m/s变化到5m/s。从图上可见，电弧停滞时间随触头分断速度和磁通密度增加而减小。图4-54为银触头在停滞过程的光谱特性，触头分断速度皆为v=2m/s，但图4-54a的外加磁场B=0.2T，而图4-54b的外加磁场B=0，电弧电压波形画在图的左上角。从图4-54a中可见，待触头分离，随即可观察到氨离子光谱NII，和银离子光谱AgI，而图4-54b的光谱特性，在触头分离后，仅见到AgI光谱。对比两者，两者的触头开断速度相同，而前者有外加磁场。从得到两者的光谱特性的氮离子光谱情况来看，有外加磁场时电弧从金属相电弧变为气相电弧时间较短，并从左上角电弧电压波形可知，其电弧停滞时间短，而后者其电弧转变为气相电弧时间较长，因而电弧停滞时间也长。从以上分析可知，提高触头开断速度，增加吹弧磁场，有利于提高限流断路器的开断性能。

图4-53 电弧停滞时间t_i与外加磁场磁通密度B的关系

图4-54 银触头在停滞过程的光谱特性，触头分断速度v=2m/s

a）外加磁场B=0.2T b）外加磁场B=0

图4-55所示为对一个模型灭弧室，分别采用三种不同的触头材料，在预期电流为9.7kA时，试验得到的停滞时间t_i与触头分断速度的关系，从曲线上可看出，当分断速度v大于3m/s时，t_i随分断速度增加而迅速减小，并与触头材料有密切关系，但当v大于6m/s时，t_i随v的增加逐渐变缓并几乎与触头材料无关。

电弧停滞时间t_i与触头材料有密切关系，图4-56是不同触头材料当电弧I=5kA时在一个模型灭弧室中测得的电弧停滞时间对比，从图中结果可得出：熔点高的材料，t_i较熔点低的材料低；纯金属的t_i较非均质材料的低。根据多位学者研究，发现电弧运动与电弧阴极是否有良好的场致发射条件有关，而这种条件仅在固体表面存在，低熔点材料的触头表面有熔池，则新的阴极斑点只有跳过熔池才能生成，这给阴极斑点生成造成困难，另一方面对于低熔点材料，常会产生很强烈的等离子体会稳住电弧同样给斑点运动造成阻力。对于非均质材料的触头，电弧斑点产生于高熔点材料成分部分上，而低熔点材料成分则通过强烈气化把电弧围住而不易运动。从图4-56来看，铜（Cu）的熔点较镉（Cd）为高，所以铜的电弧停滞时间较短，而纯金属材料包括Cu、Ag、Ni、Cd的电弧停滞时间都较非均质材料Ag/Ni、Ag/Cd、Ag/CdO、Ag/C为低。图4-56中的剖面线部分表示多次试验的偏差，图4-55三种材料在分断速度小于6m/s时，Cu的停滞时间最短，其次是Ag，时间最长的是Ag/CdO，这也和图4-56中的结果一致。图4-57为目前低压电器中常用的几种银氧化物和银合金材料的电弧停滞时间和外加磁场的关系。

图4-55 三种不同触头材料电弧停滞时间与触头打开速度的关系

图4-56 电弧停滞时间与触头材料的关系

电弧停滞时间也与触头表面状态有关，电弧在粗糙的、擦干净的和多次经电弧烧过的表面运动，停滞时间较短；而在光滑的、氧化的和污染的表面运动，停滞时间较长。

电弧停滞时间还受灭弧室尺寸的影响。图4-58为当预期短路电流为10kA，触头分断速度为2.2m/s，不同灭弧室宽度e时（e=8mm、10mm、13mm、24mm）触头上的电弧电压波形。由图可以看出，随着宽度减小，灭弧压力增加，使电弧运动速度变慢，电弧停滞时间增长。

图4-57 不同触头材料的电弧停滞时间与外加磁场的关系

1—Ag/CdO90/10内氧化 2—Ag/CdO90/10粉末冶金 3—Ag/CdO85/15内氧 4—Ag/SrO₂90/10 5—Ag/ZnO92/8 6—Ag/Ni90/10 7—Ag/C95/5

图4-58 电弧停滞时间与灭弧室器壁宽度的关系

电弧停滞时间t_i与灭弧室器壁材料性质有关，产气材料的器壁会在电弧高温作用下产生气体，冷却电弧并使电弧直径变细，从而使电弧停滞时间变小，图4-59为在相同试验条件下，器壁材料分别采用三聚氰胺和酚醛树脂时的电弧弧柱沿径向温度分布，其中三聚氰胺为一种强烈产气材料，温度分布曲线的中心温度高而温度变化梯度大，也即由于产生氢气使电弧冷却而变细，因而用三聚氰胺作器壁材料的电弧停滞时间较用酚醛树脂的减少近40%。

图4-59 三聚氰胺和酚醛树脂的电弧弧柱沿径向的温度分布

4.电弧从触头到弧角的转移

当电弧弧柱由金属相转变为气相电弧，电弧弧柱开始运动，但有的低压电器，电弧要通过弧角或弧道才能进入栅片，这样电弧在动静触头上的弧根或电弧斑点必须转移到弧角或弧道后电弧才能运动，这就要求电弧弧根要从触头台阶上移动到弧角上，或通过间隙跳到跑弧道上，这种情况，电弧停滞时间应该包括电弧从触头转移到弧角或跑弧道的转移时间。R.Michal等人研究了电弧弧根转移的问题，电极的阴极和阳极弧根有不同的转移方式，阳极弧根有跳跃通过阻挡物的能力，所以阳极弧根遇到台阶或间隙时，能一跃而下或一跃而过，而阴极弧根的运动是连续的，它只能沿着阻挡物表面而连续移动，图4-60所示电弧在不同极性的台阶处运动的情况，当台阶在阳极和阴极时，弧的运动有不同的性态。图4-60a的台阶在阳极，当电弧通过阳极台阶时，能一跃而过，而图4-60b的台阶在阴极，电弧的弧根总是在电极表面连续运动，在遇到台阶时，它爬到台阶垂直部分，沿面而下，再继续前进。

为了验证电弧转移的特性，取一微型限流断路器为研究对象，在单频振荡回路做开断实验，预期电流为3kA，用二维光纤阵列电弧摄像系统记录电弧运动过程，如图4-61所示，36根光纤排列在灭弧室侧面，用电弧光的强度表示电弧运动位置。图4-61a和b分别为动静触头为阳极和阴极时电弧的运动图像，由图可见，在起弧阶段两者并无大的区别，但电弧从动触头转移到跑弧道的情况就不一样，由于电弧阳极弧根可以跳跃运动，当动触头为阳极时，电弧在0.8ms时就从动触头转移到跑弧道上，而当动触头为阴极时，由于阴极弧根运动的连续性，阴极弧根粘滞在动触头末端，直至1.0ms时，触头完全打开，电弧才能从动触头转移到跑弧道上。图4-62为动触头分别为阳极和阴极时电弧电压波形的对比，明显看出，由于转移过程的不同，动触头为阴极时电弧停滞时间明显长于动触头为阳极时的停滞时间，前者停滞时间为0.93ms，而后者延长至0.75ms。

图4-60 电弧在不同极性的台阶处的运动

a）阳极有台阶 b）阴极有台阶

电弧从触头上的转移和触头形状有关，在一模型断路器上，用三种不同的形状（见图4-63）的动触头进行实验，它们分别具有矩形a、菱形b、圆形c三种台阶，静触头为一平板，测得电弧停滞时间如图4-63所示，对于a结构的触头，动触头为阴极时电弧停滞时间较长，对于另一种b结构触头，当动触头为阴极或为阳极时电弧停滞时间相差不大。而对于另一种触头是半圆形结构，动触头为阳极时电弧停滞时间最短，动触头为阴极时电弧停滞时间较长。从实验结果看：菱形结构停滞时间最短，这是由于它的几何形状有迫使弧根走向菱角尖的趋向；具有圆形台阶的结构，若作为阴极，电弧弧根在边缘的引诱下会跑向反方向，促使电弧沿边缘做来回运动，延长了停滞时间；作为阳极，由于圆形边缘提供了电弧快速跳跃的良好条件，所以停滞时间最短。

图4-61 动触头分别为阳极与阴极时的电弧运动图像

a）阳极有台阶 b）阴极有台阶

图4-62 动触头分别为阳极和阴极时的电弧电压波形

图4-63 台阶几何形状对电弧停滞时间的影响

Ⅰ—动触头为阴极 Ⅱ—动触头为阳极