开关电器是电力系统中的重要设备之一。在运行中，任一电路的投入和切除都要使用开关电器。而在开关电器切断电路时，当动、静触头间的电压高于10～20V、电流大于80～100mA时，就会在触头间产生电弧。尽管此时电路连接已被开断，但电流可继续通过电弧流动，这在短路时就使短路电流危害的时间延长，会对电力系统中的设备造成更大的损坏。同时，电弧的高温可能会烧坏开关触头，烧坏电气设备和导线电缆，还可能引起弧光短路，甚至引起火灾和爆炸事故。因此，研究电弧的产生和熄灭过程，对电气设备的设计制造和运行维护部门都有非常重要的意义。
1.电弧的产生
电弧的产生和维持是触头间中性质点（分子和原子）被游离的结果。游离就是中性质点转化为带电质点。产生电弧的游离方式主要有四种。
（1）高电场发射 在开关触头分开的最初瞬间，由于触头间距离很小，电场强度很大。在高电场的作用下，阴极表面的电子就会被强拉出去，进入触头间隙成为自由电子。这是在弧隙间最初产生电子的原因。
（2）热电发射 触头是由金属材料做成的，在常温下，金属内部就存在有大量运动着的自由电子。当开关触头分断电流时，弧隙间的高温使触头阴极表面受热出现强烈的炽热点，不断地向外发射自由电子，在电场力的作用下，向阳极作加速运动。
（3）碰撞游离 当触头间隙存在足够大的电场强度时，其中的自由电子以相当大的动能向阳极运动，途中与中性质点碰撞，当电子的动能大于中性质点的游离能时，便产生碰撞游离，原中性质点被游离成正离子和自由电子。新产生的自由电子和原来的自由电子一起向阳极作加速运动，继续产生碰撞游离，结果使触头间介质中的离子数越来越多，形成“雪崩”现象。当离子浓度足够大时，介质击穿而形成电弧。
（4）热游离 由于电弧的温度很高，在高温下电弧中的中性质点会产生剧烈运动，它们之间相互碰撞，又会游离出正离子和自由电子，从而进一步加强了电弧中的游离。触头越分开，电弧越大，热游离越显著。
综上所述，开关电器触头间的电弧是由于阴极在强电场作用下发射自由电子，而该电子在触头外加电压作用下发生碰撞游离所形成的。在电弧高温作用下，阴极表面产生热发射，并在介质中发生热游离，使电弧得以维持和发展。这就是电弧产生的主要过程。
2.电弧的熄灭
在电弧中发生游离过程的同时，还存在着相反的过程，这就是使带电质点减少的去游离过程。去游离主要有复合和扩散两种形式。
（1）复合 复合是指正、负带电质点重新结合为中性质点。实际上，由于电子的质量小，运动速度快，因此正离子与电子直接复合的概率很小。通常是在碰撞的适当条件下，自由电子先附着在中性质点上形成负离子，则运动速度大大减慢，然后再与正离子相复合。复合与电弧中的电场强度、温度及电弧截面等因素有关。电弧中的电场强度越弱，电弧温度越低，电弧截面越小，带电质点的复合越强。
（2）扩散 扩散是指电弧中的带电质点向周围介质扩散开去。扩散的主要原因是由于电弧与周围介质带电质点的温度不同和离子浓度不同而引起。由于弧柱是一个离子高度密集的空间，同时温度很高，密度很大，因此弧柱中的带电质点不断扩散到密度小、温度低的周围介质中，并在介质中发生再结合，因而减少了弧柱中的带电质点的数目。扩散也与电弧截面有关，电弧截面越小，离子扩散就越强。
如果游离过程与去游离过程处于动态平衡状态，电弧将稳定燃烧。如果去游离过程大于游离过程，电弧将越来越小，直至最后熄灭。因此，要想熄灭电弧，必须使触头间电弧中的去游离率大于游离率，即使离子消失的速度大于离子产生的速度。
3.交流电弧的特性与熄灭
（1）交流电弧的特性 交流电弧电流每半个周期要过零值一次。由于交流电弧变化很快，且弧柱具有很大的热惯性，所以交流电弧的伏安特性是动态特性，如图5-1a所示。电流过零时，电弧暂时熄灭，如果电弧是稳定燃烧的，则电弧电流过零熄灭后，在另半周会重新燃烧。交流电弧的这种伏安特性可解释如下：
在电弧电流过零前，由于电流减小，输入弧隙的能量也减少，弧隙温度下降，因此弧隙的游离程度下降，弧隙电阻增大，到电流接近零值时电弧熄灭。电弧电流过零以后，由于弧隙不断散发热量，其温度继续下降，弧隙电阻进一步增大，弧隙两端的电压随电流的增大以很大的斜率上升，如图5-1a中OA部分所示。当电流达到对应于A点的数值后，弧隙被击穿，电弧重燃，相应于A点的电压称为燃弧电压。此后，电压随电流的增大而减小，如图中AB部分。当电流达到最大值后又减小时，电弧电压随电流的减小而上升，因为热惯性，沿曲线BC上升，BC段低于AB段。当电流达到对应于C点的数值后，由于电流太小，不能维持电弧燃烧，电弧熄灭，相应于C点的电压称为熄弧电压。由于热惯性，熄弧电压总是低于燃弧电压。
如果电流按正弦波形变化，根据伏安特性，可得到如图5-1b所示的电弧电流、电压波形。由图可见，只有在电流靠近零点时电弧电压升高，其余大部分区域电弧电压是平坦的。
图5-1 交流电弧的伏安特性及电弧电流、电压波形
a）伏安特性 b）电流、电压波形
（2）交流电弧的熄灭 交流电弧过零暂时熄灭后，弧隙中同时存在着两个对立的过程：一个是弧隙介质强度的恢复过程，即弧隙的绝缘能力由熄弧后的较低值逐渐向正常值恢复的过程，主要取决于灭弧介质和灭弧装置的结构；另一个是弧隙电压的恢复过程，即弧隙电压从不大的熄弧电压经电磁振荡逐渐恢复到电源电压的过程，主要取决于电路参数和负荷性质。交流电弧过零后是否重燃，取决于这两个过程变化速度的相对快慢。(www.xing528.com)
电弧电流过零后，如果弧隙电压的恢复速度高于弧隙介质强度的恢复速度，电弧将会重燃，电路开断失败。相反，如果弧隙介质强度的恢复速度高于弧隙电压的恢复速度，电弧就不会重燃，电路开断成功。
4.开关电器中常用的灭弧方法
（1）速拉灭弧法 迅速拉长电弧，可使弧隙的电场强度骤降，离子的复合迅速增强，从而加速电弧的熄灭。因此，在高压开关中需装设强有力的断路弹簧，以便提高开关电器的分闸速度。这是开关电器中普遍采用的最基本的灭弧方法。
（2）冷却灭弧法 降低电弧的温度，可使电弧中的热游离减弱，正负离子的复合增强，从而有助于电弧的熄灭。
（3）吹弧灭弧法 利用气体（空气、
或在高温下固体材料分解出的气体等）或绝缘油吹动电弧，使电弧拉长、冷却，加强弧隙内的去游离作用，从而加速电弧的熄灭。按吹动气流的方向分，有横吹和纵吹两种方式，如图5-2所示。横吹主要是把电弧拉长，使电弧表面积增大并加强冷却；纵吹主要是使电弧冷却变细，最后熄灭。按外力的性质分，有气吹、油吹、电动力吹和磁吹等方式。
（4）长弧切短灭弧法 图5-3为低压开关电器中广泛采用的金属灭弧栅装置。栅片由铁磁材料制成（一般是一个有缺口的钢片），利用电弧电流产生的磁场与铁磁材料间产生的相互作用力，使触头间的电弧被快速吸引到栅片内，将长弧分割成许多串联短弧。在电弧电流过零、电弧熄灭时，由于近阴极效应，在每个短弧的阴极附近均立刻出现150～250V的介质强度，因此整个电弧上的压降将近似地增加了若干倍。若作用于触头间的电压小于电弧上总的电压降，则电弧不能维持燃烧而迅速熄灭。
图5-2 吹弧方式
a）横吹 b）纵吹
1—电弧 2—触头
图5-3 钢灭弧栅对电弧的作用
1—金属栅片 2—电弧 3—触头
（5）粗弧分细灭弧法 将粗大的电弧分成若干并行的细小电弧，使电弧与周围介质的接触面积增大，改善电弧的散热条件，降低电弧的温度，从而使电弧中离子的复合和扩散都得到增强，使电弧加速熄灭。
（6）狭缝灭弧法 在低压开关电器中，也广泛采用狭缝灭弧装置。如图5-4所示，灭弧栅片由陶土或有机固体材料等制成。当触头间产生电弧时，在磁吹线圈产生的磁场作用下，对电弧产生电动力，将电弧拉长进入灭弧栅片的狭缝中，电弧与栅片紧密接触，有机固体介质在高温作用下分解而产生气体，使电弧强烈冷却，从而使电弧中的去游离加强，最终使电弧熄灭。
（7）采用多断口灭弧 在高压断路器中，为加速电弧的熄灭，常制成每相有两个或多个断口串联，这可使每一断口上的电压降低，并能加快电弧拉长的速度，使弧隙电阻迅速增加，从而增大介质强度的恢复速度，使电弧易于熄灭。
（8）采用新型介质灭弧 电弧中的去游离强度，在很大程度上取决于电弧周围介质的特性。利用灭弧性能强的新型介质（如
、真空等）可有效加强去游离作用，促进电弧的熄灭。
气体具有良好的绝缘性能和灭弧性能，它的绝缘强度约为空气的3倍，灭弧能力比空气强100倍，用
气体来灭弧可提高开关的断流容量，缩短灭弧时间。真空具有较高的绝缘强度，由于真空间隙内的气体稀薄，分子的自由行程大，发生碰撞的概率很小，使电弧难以产生和维持。
在现代的开关电器中，常常是根据具体情况，综合利用以上几种灭弧方法来达到迅速熄灭电弧的目的。
图5-4 狭缝灭弧原理
1—绝缘栅片 2—电弧 3—触头
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