如何选择适合的灭弧方式？

相关知识

一、开关的类型及电弧的产生与熄灭

1.开关的类型

工厂常用的高压电器有高压开关、电压互感器、电流互感器、高压熔断器和避雷器等。高压开关有高压隔离开关、高压断路器、高压负荷开关。高压开关用于控制高压供配电，工作电压有6 kV、10 kV、35 kV、110 kV 和220 kV。低压开关有闸刀开关、断路器等。高低压开关断开负荷时会在触头间产生电弧，特别是高压开关在拉闸时出现的强烈电弧，将引起相间短路，所以为了熄灭电弧，有些开关在结构上专门设计了灭弧装置，这使得开关在结构上比较复杂，价格较贵。

2.电弧的产生与熄灭

当开关分断电路时，如果触头间电压为10～20 V，电流为80～100 mA 时，触头间就会产生电弧，电弧的产生是一个必然现象。电弧燃烧时，其温度高达10 000 ℃，如不能及时熄灭，会使开关触头烧损，导致触头熔焊，还可能造成弧光短路，形成更严重的事故。所以，研究电弧的产生和熄灭规律，采取有效的灭弧措施，避免电弧的危害是非常必要的。

不带电的中性质点分离为带电的电子和正离子的现象称为游离。在开关切断电路时，触头间绝缘介质的中性质点被游离，被游离的带电质点即自由电子和正离子，在电场力作用下定向运动，形成一条导电通道，从而产生了电弧。电弧在断开的触头之间燃烧，使电路仍处于接通状态，延迟了电路的开断，只有当电弧熄灭后电路才算被断开。

1）电弧的产生与发展

在开关触头分开的过程中，动静触头间的接触压力与接触面积不断减少，使接触电阻迅速增大，导致接触处温度升高，使一部分自由电子由于热运动而逸出金属表面，形成了热电子发射。

在开关触头分断瞬间，由于触头间距很小，其间电压虽然仅有几百伏至几千伏，但电场强度却很大，在电场力作用下自由电子高速奔向阳极，便形成了强电场发射。

高速运动的自由电子与触头间的中性质点发生碰撞，当自由电子的动能足够大时，可使中性质点分离为自由电子和正离子，这种现象称为碰撞游离。新产生的自由电子又会碰撞其他中性质点，产生更多的自由电子和正离子。由于连续不断地碰撞游离，使触头间带电质点大量增加，结果使绝缘介质变成了导体，形成弧光放电。电场强度越大，气体压力越小，越容易发生碰撞游离。

随着触头开距的加大，失去了强电场发射电子的条件，但由于弧隙温度很高，使中性质点由于热运动而相互碰撞，产生新的带电粒子，发生热游离现象，从而使电弧继续燃烧。因此，电弧的产生过程是一个连续的过程。最初由热电子发射和强电场发射提供起始自由电子，然后由碰撞游离导致介质击穿产生电弧，最后靠热游离来维持。可见，强电场是产生电弧的必要条件，碰撞游离是产生电弧的主要原因，热游离是维持电弧的必要因素。

2）电弧的熄灭

在电弧中不但存在着中性质点的游离过程，而且还存在着带电质点不断消失的去游离过程。当游离速度大于去游离速度时，电弧加强；当游离速度与去游离速度相等时，电弧稳定燃烧；当游离速度小于去游离速度时，电弧减弱以致熄灭。因此，要促使电弧熄灭，就必须削弱电弧的游离作用，加强其去游离作用。去游离主要表现在复合与扩散两个方面。

复合是异号带电质点彼此中和为中性质点的现象，复合率与下列因素有关：带电质点浓度越大，复合概率越高；电弧温度越低，弧隙电场强度越小，带电质点运动速度就越慢，复合就越容易。

扩散是指带电质点逸出弧道的现象，扩散速度受下列因素影响：弧区与周围介质的温差越大，扩散越强烈；弧区与周围介质离子的浓度差越大，扩散就越强烈；电弧的表面积越大，扩散就越快。

上述带电质点的复合和扩散，都使电弧中的带电粒子减少，即去游离作用增强，最后导致电弧熄灭。

二、常用的灭弧方式及开关的触头

一切灭弧方法，都是人为地创造有助于去游离而不利于游离的条件，使电弧尽快熄灭。

1.开关电器常用的灭弧方法

1）速拉灭弧法

加快触头的分离速度，可迅速拉长电弧，使电弧中的电场强度骤降，从而削弱了碰撞游离、增强了带电质点的复合作用，加速电弧的熄灭。这种灭弧方法是开关电器中普遍采用的最基本的一种灭弧法，通常利用强力储能弹簧迅速释放能量，可使触头的分离速度达到4～5 m／s。

2）冷却灭弧法

降低电弧的温度，可削弱热游离，并增强带电质点的复合作用，有助于电弧的熄灭。这种灭弧方法在开关电器中应用也比较普遍。

3）吹弧灭弧法

利用外力（如气流、油流或电磁力）来吹动电弧，使电弧加速冷却，同时拉长电弧，迅速降低电弧中的电场强度，使带电质点的复合和扩散增强，从而加速电弧的熄灭。按吹弧方式来分，有横吹和纵吹两种，如图1－1所示。横吹较纵吹效果好，因为横吹能使电弧长度和表面积增大，更有利于电弧的冷却和使带电质点的扩散。按外力的性质来分，有气吹、油吹、电动力吹和磁吹等方式，如图1－2所示。

图1－2（a）是利用电弧各部分电流之间相互作用的电动力使电弧移动；图1－2（b）是利用导磁物体影响电弧电流的磁场分布，使电弧在电磁力作用下向磁性材料一边移动；图1－2（c）是利用电弧电流在磁吹线圈中产生的磁场与电弧电流之间产生的电磁力，使电弧沿熄弧角展开方向移动，产生吹弧效果。

图1－1　吹弧方式

（a）横吹；（b）纵吹

图1－2　外力吹弧法

（a）电动力吹弧；（b）磁力吹弧；（c）磁吹弧

4）狭缝（狭沟）灭弧法(www.xing528.com)

使电弧在固体介质的狭缝中运动，电弧与固体介质紧密接触，一方面加强了冷却与复合作用；另一方面电弧被拉长，弧径被压小，弧电阻增大，促使电弧迅速熄灭。如狭缝灭弧栅和填料式熔断器等，都属于这种灭弧结构。

5）长弧切短灭弧法

这种方法常用于低压交流开关中。如图1－3所示，触头间的电弧在电磁力作用下，进入与电弧垂直放置的、彼此绝缘的金属栅片内（由A 处移向B 处），将一个长弧切割成若干个短弧。在交流电路中，利用近阴极效应：当电流过零时所有短弧同时熄灭，在每一短弧的阴极附近立即出现150～250 V 的绝缘强度。由于各段短弧是串联的，所以短弧的数目越多，总的绝缘强度就越高，当总绝缘强度大于外加电压时，电弧就不再重燃。此外，金属栅片也有冷却电弧的作用。

6）多断口灭弧法

在开关的同一相内制成两个或多个断口，如图1－4所示。当断口增加时，相当于电弧长度与触头分离速度成倍提高，因而提高了开关的灭弧能力。这种方法多用在高压开关中。

除上述灭弧方法外，开关电器在设计制造时，还采取了限制电弧产生的措施。如：开关触头采用不易发射电子的金属材料制成；触头间采用绝缘油、六氟化硫气体、真空等绝缘和灭弧性能好的绝缘介质等。

图1－3　将长电弧切割成若干短电弧

（a）消弧栅侧视图；（b）消弧栅片切弧原理图
1—静触头；2—动触头；3—金属栅片；4—电弧

图1－4　一相多个断口灭弧示意图

（a）一个断口；（b）二个断口；（c）四个断口
1—静触头；2—动触头；3—电弧；4—触头桥；5—绝缘拉杆

7）利用真空灭弧

电弧是气体放电现象，如将触头置于绝对真空中，自然不会产生电弧。

实际上不可能得到绝对真空，在相对的真空中仍然有稀少的气体，所以还存在着产生电弧的条件，但是电弧不容易产生和持续。真空灭弧应用于高电压、大电流、操作频率高的交流接触器和断路器上。

2.开关的触头

开关是接通和切断电力回路的电器。开关中的触头是直接执行接通和切断的元件，为了保证开关工作的可靠，开关的触头必须满足下列要求：

（1）热稳定。触头在工作中因电流通过而发热，电流一定时触头的发热情况主要取决于触头的接触电阻。

在长时间工作中，接触电阻过大会造成触头过热，使触头迅速氧化。当电流一定时触头的发热情况主要决定于触头的接触电阻。铜触头的温度超过75℃后会迅速氧化，氧化铜是不良导体，它会使接触电阻显著增高，从而使触头的温度更高，这种恶性循环会导致触头接而不通。因此要求触头在长时间工作中，温度不超过长时最大容许值，即所谓正常状态的热稳定。

当电力回路中发生短路时，短路电流流经开关触头，由于短路电流很大，触头在短时间内温度迅速上升，如果接触电阻过大，触头会超过材料的短时最大容许温度，造成退火而失去弹性以致不能继续使用。因此又要求触头在短路电流通过时，温度不得超过短时最大容许值，即故障状态下的热稳定。

（2）动稳定。开关在工作时，因电流的电动力作用各载流导体之间均受力。当短路电流通过时，载流体承受的电动力很大，可能使开关自动分断，或者使触头分离。在分离的触头间会产生强大的电弧，电弧的高热使触头表面熔化，当短路故障被排除或短路电流消失时不因电动力而破坏。

（3）有足够的机械强度，能完成规定的通断次数。

（4）有较好的耐弧性，不被电弧过度损坏。

任务实施

开关电器常用的灭弧方式选择及触头的检查。

（1）说出开关电器常用的灭弧类型，将其填写在表1－1中。

表1－1　开关电器常用的灭弧类型

（2）低压交流开关触头的检查，并填写表1－2。

表1－2　低压交流开关触头的检查

评价总结

根据“低压交流开关触头的检查”操作，结合所填写的“开关电器常用的灭弧类型”表和收获体会进行评议，并填写表1－3成绩评议表。

表1－3　成绩评议表