第十三章电弧及灭弧装置 在有触点电器中,触头接通和分断电流的过程中往往伴随着气体放电现象 电弧的产生及熄灭。电弧对电器具有一定的危害。本章通过对电弧现象的介绍, 分析其产生和熄灭的过程,从而找出并介绍在电器常用的灭弧方法及装置,以解 决电弧在电器中的影响。 第一节电弧的物理基础 电弧现象及特点 电弧属于气体放电的一种形式。气体放电分为自持放电与非自持放电两类, 电弧属于气体自持放电中的弧光放电。试验证明,当在大气中开断或闭合电压超 过10V、电流超过0.5A的电路时,在触头间隙(或称弧隙)中会产生一团温度 极高、亮度极强并能导电的气体,称为电弧。由于电弧的高温及强光,它可以广 泛应用于焊接、熔炼、化学合成、强光源及空间技术等方面。对于有触点电器而 言,由于电弧主要产生于触头断开电路时,高温将烧损触头及绝缘,严重情况下 甚至引起相间短路、电器爆炸,酿成火灾,危及人员及设备的安全。所以从电器 的角度来研究电弧,目的在于了解它的基本规律,找出相应的办法,让电弧在电 器中尽快熄灭。 我们借助一定的仪器仔细观察电弧,可以发现,除两个极(触头)外,明显 的分为3个区域,即近阴极区、近阳极区及弧柱区。如图13-1所示 图13-1电弧3个区及电位降、电位梯度分布
第十三章 电弧及灭弧装置 在有触点电器中，触头接通和分断电流的过程中往往伴随着气体放电现象一 电弧的产生及熄灭。电弧对电器具有一定的危害。本章通过对电弧现象的介绍， 分析其产生和熄灭的过程，从而找出并介绍在电器常用的灭弧方法及装置，以解 决电弧在电器中的影响。 第一节 电弧的物理基础 一、电弧现象及特点 电弧属于气体放电的一种形式。气体放电分为自持放电与非自持放电两类， 电弧属于气体自持放电中的弧光放电。试验证明，当在大气中开断或闭合电压超 过 10V、电流超过 0.5A 的电路时，在触头间隙（或称弧隙）中会产生一团温度 极高、亮度极强并能导电的气体，称为电弧。由于电弧的高温及强光，它可以广 泛应用于焊接、熔炼、化学合成、强光源及空间技术等方面。对于有触点电器而 言，由于电弧主要产生于触头断开电路时，高温将烧损触头及绝缘，严重情况下 甚至引起相间短路、电器爆炸，酿成火灾，危及人员及设备的安全。所以从电器 的角度来研究电弧，目的在于了解它的基本规律，找出相应的办法，让电弧在电 器中尽快熄灭。 我们借助一定的仪器仔细观察电弧，可以发现，除两个极（触头）外，明显 的分为 3 个区域，即近阴极区、近阳极区及弧柱区。如图 13—1 所示。 图 13—1 电弧 3 个区及电位降、电位梯度分布
近阴极区的长度约等于电子的平均自由行程(小于10-6m)。在电场力的作 用下正离子向阴极运动,造成此区域内聚集着大量的正离子而形成正的空间电荷 层,使阴极附近形成高电场强度(约为10°~107T/m)。正的空间电荷层形成阴 极压降,其数值随阴极材料和气体介质的不同而有所变化,但变化不大,约在 0-20V之间 近阳极区的长度约等于近阴极区的几倍。在电场力的作用下自由电子向阳极 运动,它们聚集在阳极附近而且不断被阳极吸收而形成电流。在此区域内聚集着 大量的电子形成负的空间电荷层,产生阳极压降,其值也随阳极材料而异、但变 化不大,稍小于阴极压降。由于近阳极区的长度比近阴极区的长,故其电场强度 较小 阴极压降与阳极压降的数值几乎与电流大小无关,在材料及介质确定后可以 认为是常数。 弧柱区的长度几乎与电极间的距离相同。是电弧中温度最高、亮度最强的区 域。因在自由状态下近似圆柱形,故称弧柱区。在此区中正、负电粒子数相同, 称等离子区。由于不存在空间电荷,整个弧区的特性类似于一金属导体。每单位 弧柱长度电压降相等。其电位梯度E。也为一常数,电位梯度与电极材料、电流 大小、气体介质种类和气压等因素有关 电弧按其外形分为长弧与短弧。长短之别一般取决于弧长与弧径之比。把弧 长大大超过弧径的称为长弧。长弧的电压是近极压降(阴极压降与阳极压降)与 弧柱压降之和。若弧长小于弧径,两极距离极短(如几毫米)的电弧称为短弧。 此时两极的热作用强烈,近极区的过程起主要作用。电弧的压降以近极压降为主, 几乎不随电流变化。 电弧还可按其电流的性质分为直流电弧和交流电弧。 二、开断电路时电弧产生的物理过程 当触头开断电路,在间隙中产生电弧时,电路仍然是导通的。这就说明已分 开触头间的气体由绝缘状态变成了导电状态。那么,究竟有哪些物理过程在这个 气体由不导电状态的变成导电状态过程中起作用了呢?下面就此进行一些分析。 1.碰撞游离 带电粒子(自由电子、正离子和负离子)在电场力中获得动能而加速,当这
近阴极区的长度约等于电子的平均自由行程（小于 m 6 10− ）。在电场力的作 用下正离子向阴极运动，造成此区域内聚集着大量的正离子而形成正的空间电荷 层，使阴极附近形成高电场强度（约为 10 ~ 10 V / m 6 7 ）。正的空间电荷层形成阴 极压降，其数值随阴极材料和气体介质的不同而有所变化，但变化不大，约在 10－20V 之间。 近阳极区的长度约等于近阴极区的几倍。在电场力的作用下自由电子向阳极 运动，它们聚集在阳极附近而且不断被阳极吸收而形成电流。在此区域内聚集着 大量的电子形成负的空间电荷层，产生阳极压降，其值也随阳极材料而异、但变 化不大，稍小于阴极压降。由于近阳极区的长度比近阴极区的长，故其电场强度 较小。 阴极压降与阳极压降的数值几乎与电流大小无关，在材料及介质确定后可以 认为是常数。 弧柱区的长度几乎与电极间的距离相同。是电弧中温度最高、亮度最强的区 域。因在自由状态下近似圆柱形，故称弧柱区。在此区中正、负电粒子数相同， 称等离子区。由于不存在空间电荷，整个弧区的特性类似于一金属导体。每单位 弧柱长度电压降相等。其电位梯度 E。也为一常数，电位梯度与电极材料、电流 大小、气体介质种类和气压等因素有关。 电弧按其外形分为长弧与短弧。长短之别一般取决于弧长与弧径之比。把弧 长大大超过弧径的称为长弧。长弧的电压是近极压降（阴极压降与阳极压降）与 弧柱压降之和。若弧长小于弧径，两极距离极短（如几毫米）的电弧称为短弧。 此时两极的热作用强烈，近极区的过程起主要作用。电弧的压降以近极压降为主， 几乎不随电流变化。 电弧还可按其电流的性质分为直流电弧和交流电弧。 二、开断电路时电弧产生的物理过程 当触头开断电路，在间隙中产生电弧时，电路仍然是导通的。这就说明已分 开触头间的气体由绝缘状态变成了导电状态。那么，究竟有哪些物理过程在这个 气体由不导电状态的变成导电状态过程中起作用了呢？下面就此进行一些分析。 1．碰撞游离 带电粒子（自由电子、正离子和负离子）在电场力中获得动能而加速，当这
一粒子在运动过程中碰撞到气体的原子或分子(中性粒子)且此粒子具有的动能 大于中性粒子的游离能时,该中性粒子则分解为带电荷的自由电子和正离子。这 现象叫作碰撞游离(或称电场游离)。碰撞游离后出现的自由电子在电场作用 下又可同其他中性离子发生新的碰撞,使得自由电子和正离子数累进增加。在电 场力作用下,电子定向运动,则形成电流。若带电粒子撞击中性粒子不足以使其 立即游离,但经多次撞击,中性粒子所获得能量也使其发生了游离,这种过程称 为累积游离。在带电粒子中,由于电子体小质轻,自由行程长,容易加速而获得 能量,故其游离作用比正、负离子大得多。 2.热游离 在高温时(3000~4000K以上),中性粒子由于高速热运动相互碰撞而生的 游离,叫做热游离。热游离的实质也是碰撞游离,只不过发生碰撞的原因是髙温 引起的热运动,而不是电场引起的。中性粒子热游离的程度与温度的高低、气压 的大小、物质的游离能大小有关。在高温状况下,金属材料容易发生气化,金属 蒸气的游离能比气体的小的多。当气体中混有金属蒸气时,在同一温度下,比纯 气体时游离程度要大的多,也可以说,其导电率较大 金属材料表面在某些情况下能发射出自由电子,这种现象叫表面发射。自由 电子的产生是由于金属内的电子得到能量,克服内部的吸引力而逸出金属。一个 电子逸出金属所需能量叫逸出功,其单位用电子伏(eⅣ)表示。不同金属材料 逸出功的大小不一样。金属材料的表面发射根据其原因可分为以下几种。 1.热发射 当金属的温度升高到一定值时,其表面的电子能获得足够的动能以克服内部 的吸引力从 金属表面逸出成为自由电子。这种主要是由于热作用而引起的发射称为金属 表面的热发射电子。 2.强电场发射 当金属表面存在较高的电场强度(大于108V/m)时,可将电子从金属表面 拉出,形成强电场发射电子。因为场发射在常温下即可发生,故又称冷发射。强 电场发射的电流密度与温度。逸出功、金属表面的场强大小有关。 此外,还有由于光或射线照射金属表面引起电子从金属表面追出的现象称为
一粒子在运动过程中碰撞到气体的原子或分子（中性粒子）且此粒子具有的动能 大于中性粒子的游离能时，该中性粒子则分解为带电荷的自由电子和正离子。这 一现象叫作碰撞游离（或称电场游离）。碰撞游离后出现的自由电子在电场作用 下又可同其他中性离子发生新的碰撞，使得自由电子和正离子数累进增加。在电 场力作用下，电子定向运动，则形成电流。若带电粒子撞击中性粒子不足以使其 立即游离，但经多次撞击，中性粒子所获得能量也使其发生了游离，这种过程称 为累积游离。在带电粒子中，由于电子体小质轻，自由行程长，容易加速而获得 能量，故其游离作用比正、负离子大得多。 2．热游离 在高温时（3000～4000K 以上），中性粒子由于高速热运动相互碰撞而生的 游离，叫做热游离。热游离的实质也是碰撞游离，只不过发生碰撞的原因是高温 引起的热运动，而不是电场引起的。中性粒子热游离的程度与温度的高低、气压 的大小、物质的游离能大小有关。在高温状况下，金属材料容易发生气化，金属 蒸气的游离能比气体的小的多。当气体中混有金属蒸气时，在同一温度下，比纯 气体时游离程度要大的多，也可以说，其导电率较大。 金属材料表面在某些情况下能发射出自由电子，这种现象叫表面发射。自由 电子的产生是由于金属内的电子得到能量，克服内部的吸引力而逸出金属。一个 电子逸出金属所需能量叫逸出功，其单位用电子伏（ eV ）表示。不同金属材料 逸出功的大小不一样。金属材料的表面发射根据其原因可分为以下几种。 1．热发射 当金属的温度升高到一定值时，其表面的电子能获得足够的动能以克服内部 的吸引力从 金属表面逸出成为自由电子。这种主要是由于热作用而引起的发射称为金属 表面的热发射电子。 2．强电场发射 当金属表面存在较高的电场强度（大于 10 V / m 8 ）时，可将电子从金属表面 拉出，形成强电场发射电子。因为场发射在常温下即可发生，故又称冷发射。强 电场发射的电流密度与温度。逸出功、金属表面的场强大小有关。 此外，还有由于光或射线照射金属表面引起电子从金属表面追出的现象称为
光发射和由于高速的正离子撞击阴极、电子撞击阳极而形成的发射电子称为二次 发射两种形式 电器工作时,如果触头开断电路的电压和电流大于其生弧电压和生弧电流 (产生电弧的最小电压、电流值),就会产生电弧。触头间产生电弧的物理过程 如下: 触头刚开始分离时,接触面积逐渐减小,接触处的电阻越来越大,电流密度 也逐渐增大,触头表面的温度剧增。触头表面形成热发射电子。在触头刚刚分开 发生热发射的同时,由于触头之间的距离很小,线路电压在这很小的间隙内形成 很高的电场。阴极表面形成强电场发射电子。由于这两种发射的作用,大量电子 从阴极表面进人弧隙,它们在电场的作用下,随着触头的分开就会不断地撞击中 性气体分子,形成碰撞游离,产生自由电子与正离子。被游离的自由电子在电场 作用下又会发生新的撞击和游离。弧隙中的中性气体就变为导电的自由电子与正 离子。在电场作用下,它们向阴极、阳极运动,电弧形成,电路并未断开。随着 电弧形成产生的高温,弧隙间的热游离作用越来越强,气体中带电粒子越来越多, 电弧则完全形成了。应该注意的是,在整个过程中几种物理作用并不是截然分开 的,而是交叉进行或同时存在的 从能量的角度来说,电弧燃烧时要从电源不断向电弧内部输人能量,而这个 能量又不断转变为电弧的热量通过传导、对流及辐射3种方式散失。 设输人弧隙的功率为P(W),电弧散失功率为P(W),则 当P=P时,电弧电流不变,稳定燃烧; 当P〉P时,电弧电流变大,电弧越燃越烈; 当P〈P时,电弧电流变小,电弧逐渐熄灭。 、电弧熄灭的物理过程 当电弧稳定燃烧时是处在热动平衡状态,此时不可能有电子和离子的积累。 这说明电弧中气体游离现象的同时还存在一个相反的过程,我们称之为消游离 消游离就是正、负带电粒子中和而变成中性粒子的过程。消游离的方式分两类: 复合和扩散。 复合
光发射和由于高速的正离子撞击阴极、电子撞击阳极而形成的发射电子称为二次 发射两种形式。 电器工作时，如果触头开断电路的电压和电流大于其生弧电压和生弧电流 （产生电弧的最小电压、电流值），就会产生电弧。触头间产生电弧的物理过程 如下： 触头刚开始分离时，接触面积逐渐减小，接触处的电阻越来越大，电流密度 也逐渐增大，触头表面的温度剧增。触头表面形成热发射电子。在触头刚刚分开 发生热发射的同时，由于触头之间的距离很小，线路电压在这很小的间隙内形成 很高的电场。阴极表面形成强电场发射电子。由于这两种发射的作用，大量电子 从阴极表面进人弧隙，它们在电场的作用下，随着触头的分开就会不断地撞击中 性气体分子，形成碰撞游离，产生自由电子与正离子。被游离的自由电子在电场 作用下又会发生新的撞击和游离。弧隙中的中性气体就变为导电的自由电子与正 离子。在电场作用下，它们向阴极、阳极运动，电弧形成，电路并未断开。随着 电弧形成产生的高温，弧隙间的热游离作用越来越强，气体中带电粒子越来越多， 电弧则完全形成了。应该注意的是，在整个过程中几种物理作用并不是截然分开 的，而是交叉进行或同时存在的。 从能量的角度来说，电弧燃烧时要从电源不断向电弧内部输人能量，而这个 能量又不断转变为电弧的热量通过传导、对流及辐射 3 种方式散失。 设输人弧隙的功率为 P (W ) h ，电弧散失功率为 P (W) s ，则 当 Ph = PS 时，电弧电流不变，稳定燃烧； 当 Ph Ps 时，电弧电流变大，电弧越燃越烈； 当 Ph PS 时，电弧电流变小，电弧逐渐熄灭。 三、电弧熄灭的物理过程 当电弧稳定燃烧时是处在热动平衡状态，此时不可能有电子和离子的积累。 这说明电弧中气体游离现象的同时还存在一个相反的过程，我们称之为消游离。 消游离就是正、负带电粒子中和而变成中性粒子的过程。消游离的方式分两类： 复合和扩散。 1．复合
带异性电荷的粒子相遇后相互作用中和而变成中性粒子称为复合。复合按其 地点可分为: (1)表面复合:带正、负电荷的粒子附在金属或绝缘材料表面上,相互吸 引而中和电荷,变成中性粒子。 (2)空间复合:带正、负电荷的粒子在放电间隙中相互吸引而中和电荷, 变成中性粒子。自由电子与正离子相遇,相互吸引而中和电荷而变成中性粒子, 称为直接复合。由于自由电子的运动速度比正离子大得多,所以直接复合的机率 很小。往往自由电子粘合在中性粒子上,再与正离子相遇而复合,中和电荷形成 两个中性粒子。这种过程称间接复合。因为正、负离子的运动速度相当,间接复 合的机率大,约为直接复合的上千倍。自由电子粘合在中性粒子上形成负离子的 强弱与气体的种类和纯净度有关。氟原子及其化合物SF6分子与自由电子的粘合 作用很强,所以称为负电性气体。SF6的复合能力很强,是比较理想的消游离和 绝缘介质。现已应用在高压断路器中 显而易见,带电粒子运动速度是直接影响复合作用大小的重要因素。降低温 度、减小电场强度可使粒子运动速度减小,易于复合。此外,带电粒子浓度增大 时,复合机会增多,复合作用也可以加强。在电弧电流不变的条件下,设法缩小 电弧直径,则粒子浓度可增大。 复合过程总是伴随着能量的释放。释放出来的能量成为加热电极、绝缘物及 气体的热源,同时也向四周散发。 2.扩散 带电粒子从电弧区转移到周围介质中去的现象称为扩散。扩散的方向一般为 从高温、高浓度区向低温、低浓度区。扩散使电弧中的带电粒子减小。扩散出来 的带电粒子因冷却很容易相互结合,中和电荷而形成中性粒子。扩散速度与电弧 内外浓度差、温度差成正比。电弧直径愈小,弧区中带电粒子浓度愈大;电弧与 周围介质温差愈大,扩散速度愈大。因此,加速电弧的冷却是提高扩散作用的有 效方法。 综上所述,电弧中存在着游离和消游离两方面的作用。当游离作用占优势时 电弧就会产生和扩大,当消游离作用占优势时,电弧就趋于熄灭。游离与消游离 作用与许多物理因素有关,如电场强度、温度、浓度、气体压力等。那么,我们
带异性电荷的粒子相遇后相互作用中和而变成中性粒子称为复合。复合按其 地点可分为： （1）表面复合：带正、负电荷的粒子附在金属或绝缘材料表面上，相互吸 引而中和电荷，变成中性粒子。 （2）空间复合：带正、负电荷的粒子在放电间隙中相互吸引而中和电荷， 变成中性粒子。自由电子与正离子相遇，相互吸引而中和电荷而变成中性粒子， 称为直接复合。由于自由电子的运动速度比正离子大得多，所以直接复合的机率 很小。往往自由电子粘合在中性粒子上，再与正离子相遇而复合，中和电荷形成 两个中性粒子。这种过程称间接复合。因为正、负离子的运动速度相当，间接复 合的机率大，约为直接复合的上千倍。自由电子粘合在中性粒子上形成负离子的 强弱与气体的种类和纯净度有关。氟原子及其化合物 SF6 分子与自由电子的粘合 作用很强，所以称为负电性气体。SF6 的复合能力很强，是比较理想的消游离和 绝缘介质。现已应用在高压断路器中。 显而易见，带电粒子运动速度是直接影响复合作用大小的重要因素。降低温 度、减小电场强度可使粒子运动速度减小，易于复合。此外，带电粒子浓度增大 时，复合机会增多，复合作用也可以加强。在电弧电流不变的条件下，设法缩小 电弧直径，则粒子浓度可增大。 复合过程总是伴随着能量的释放。释放出来的能量成为加热电极、绝缘物及 气体的热源，同时也向四周散发。 2．扩散 带电粒子从电弧区转移到周围介质中去的现象称为扩散。扩散的方向一般为 从高温、高浓度区向低温、低浓度区。扩散使电弧中的带电粒子减小。扩散出来 的带电粒子因冷却很容易相互结合，中和电荷而形成中性粒子。扩散速度与电弧 内外浓度差、温度差成正比。电弧直径愈小，弧区中带电粒子浓度愈大；电弧与 周围介质温差愈大，扩散速度愈大。因此，加速电弧的冷却是提高扩散作用的有 效方法。 综上所述，电弧中存在着游离和消游离两方面的作用。当游离作用占优势时 电弧就会产生和扩大，当消游离作用占优势时，电弧就趋于熄灭。游离与消游离 作用与许多物理因素有关，如电场强度、温度、浓度、气体压力等。那么，我们
可以根据这些物理因素的变化影响情况,找出一些切实可行的方法,减小游离, 增加消游离,使触头断开电路时产生的电弧尽快地熄灭。 第二节直流电弧及其熄灭 一、直流电弧的伏安特性 电弧的伏安特性说明电弧电压与电流的关系,是电弧重要特性之一。它实质 上是反映电弧内的物理过程。直流电弧是指产生电弧的电路电源为直流。直流电 弧的伏安特性可用实验方法求得 如图13—2中电路图所示,在两极中有一稳定燃烧的电弧。我们若是通过调 节可变电阻R的值非常缓慢地调节回路电流→0,在这个过程中分别测量 电弧电流Ⅰ和电弧电压U,可绘出其伏安特性,如图13-2中曲线1。此伏 安特性称为直流电弧的静伏安特性(简称静特性)。静特性是指在电弧稳定燃烧 0条件下,电弧不受热惯性影响时,电弧电流与电弧压降的关系。从静特 性曲线1中可以得出,当电弧电流lm上升时,电弧电压UD下降,这是和一般 金属导体不同的。其原因是因为随着电流的增大,电弧内的游离作用加强,离子 浓度增加,导电性越好,其对外所显示的电阻值愈小。 UpH Un2 图13-2直流电弧及其伏安特性 若调节。变电阻R来调节回路电流,让回路电流以一定速度增加>0或 减少(0,则可得曲线3和2。这时所得的伏安特性称直流电弧的动伏安特性 d
可以根据这些物理因素的变化影响情况，找出一些切实可行的方法，减小游离， 增加消游离，使触头断开电路时产生的电弧尽快地熄灭。 第二节 直流电弧及其熄灭 一、直流电弧的伏安特性 电弧的伏安特性说明电弧电压与电流的关系，是电弧重要特性之一。它实质 上是反映电弧内的物理过程。直流电弧是指产生电弧的电路电源为直流。直流电 弧的伏安特性可用实验方法求得。 如图 13—2 中电路图所示，在两极中有一稳定燃烧的电弧。我们若是通过调 节可变电阻 R 的值非常缓慢地调节回路电流 → 0 t i d d ，在这个过程中分别测量 电弧电流 DH I 和电弧电压 UDH ，可绘出其伏安特性，如图 13—2 中曲线 1。此伏 安特性称为直流电弧的静伏安特性（简称静特性）。静特性是指在电弧稳定燃烧 = 0 t i d d 条件下，电弧不受热惯性影响时，电弧电流与电弧压降的关系。从静特 性曲线 1 中可以得出，当电弧电流 DH I 上升时，电弧电压 U DH 下降，这是和一般 金属导体不同的。其原因是因为随着电流的增大，电弧内的游离作用加强，离子 浓度增加，导电性越好，其对外所显示的电阻值愈小。 图 13—2 直流电弧及其伏安特性 若调节。变电阻 R 来调节回路电流，让回路电流以一定速度增加 0 t i d d 或 减少 0 t i d d ，则可得曲线 3 和 2。这时所得的伏安特性称直流电弧的动伏安特性
(简称动特性)。动特性是指在电弧不稳定燃烧条件下,电弧电流变化快,其热 惯性对电弧有影响时,电弧电流与电弧压降的关系。根据电流变化速度不一样 动特性曲线有许多条。从图13-2中可得出,伏安特性曲线1、2、3并不重合, 而且是电流增加过程的伏安特性3位于静伏安特性1之上方,电流减小过程的伏 安特性2位于静伏安特性1的下方。其原因是因为当回路电流以一定速度变化时, 电弧内部有保持原来热状态(游离和消游离状态)的热惯性作用,致使电弧内部 状态的变化总是滞后于回路电流的变化。当回路电流变化速度愈高时,这种热惯 性作用就愈明显。电弧的电阻也就不同于相应点应有的电阻值,电弧的压降同样 就和相应点的压降不同。 在图13-2中,静特性曲线1与纵轴交点的电压值称为燃弧电压,用Uf表 示。所谓燃弧电压,就是产生电弧所必须的最低电压,电压低于此值,就不足以 点燃电弧。伏安特性曲线2与电压轴交点的电压值称为熄弧电压,用U;表示 所谓熄弧电压,就是指熄灭电弧的最高电压,电压高于此值,电弧将不能熄灭。 熄弧电压总是小于燃弧电压的,其原因是燃弧前弧隙中介质强度高,即游离程度 小,要形成电弧就必须具有较高的电压。燃弧电压应比维持电弧所需的最低电压 要髙。电弧在燃烧过程中游离程度髙,介质强度低,维持其燃烧的最低电压就低, 而熄弧电压应比这个电压还要低,所以熄弧电压U总是小于燃弧电压Ur 电弧的静伏安特性与弧长有关。在其他条件相同时,弧长L愈长,静伏安特 性愈向上移,如图13-2中曲线4所示。其原因如下:在同一电流情况下,电弧 单位长度的电阻值不变,电弧拉长后的总电阻增加,因而电弧的电压就增大了 由于静伏安特性向上平移,燃弧电压和熄弧电压也都要増加。从这个角度来说, 拉长电弧,可以加速电弧的熄灭。 直流电弧的熄灭 设有如图13-3(a)所示典型的直流电弧电路上为电源电势上和R分别为 电路中和电弧串联的电感和电阻。根据克希荷夫第二定律,可写出电压平衡方程 式 E=Vu +ir+L (13-1) d
（简称动特性）。动特性是指在电弧不稳定燃烧条件下，电弧电流变化快，其热 惯性对电弧有影响时，电弧电流与电弧压降的关系。根据电流变化速度不一样， 动特性曲线有许多条。从图 13—2 中可得出，伏安特性曲线 1、2、3 并不重合， 而且是电流增加过程的伏安特性 3 位于静伏安特性 1 之上方，电流减小过程的伏 安特性 2 位于静伏安特性1 的下方。其原因是因为当回路电流以一定速度变化时， 电弧内部有保持原来热状态（游离和消游离状态）的热惯性作用，致使电弧内部 状态的变化总是滞后于回路电流的变化。当回路电流变化速度愈高时，这种热惯 性作用就愈明显。电弧的电阻也就不同于相应点应有的电阻值，电弧的压降同样 就和相应点的压降不同。 在图 13—2 中，静特性曲线 1 与纵轴交点的电压值称为燃弧电压，用 Uf 表 示。所谓燃弧电压，就是产生电弧所必须的最低电压，电压低于此值，就不足以 点燃电弧。伏安特性曲线 2 与电压轴交点的电压值称为熄弧电压，用 U；表示。 所谓熄弧电压，就是指熄灭电弧的最高电压，电压高于此值，电弧将不能熄灭。 熄弧电压总是小于燃弧电压的，其原因是燃弧前弧隙中介质强度高，即游离程度 小，要形成电弧就必须具有较高的电压。燃弧电压应比维持电弧所需的最低电压 要高。电弧在燃烧过程中游离程度高，介质强度低，维持其燃烧的最低电压就低， 而熄弧电压应比这个电压还要低，所以熄弧电压 U 总是小于燃弧电压 Ur。 电弧的静伏安特性与弧长有关。在其他条件相同时，弧长 L 愈长，静伏安特 性愈向上移，如图 13—2 中曲线 4 所示。其原因如下：在同一电流情况下，电弧 单位长度的电阻值不变，电弧拉长后的总电阻增加，因而电弧的电压就增大了。 由于静伏安特性向上平移，燃弧电压和熄弧电压也都要增加。从这个角度来说， 拉长电弧，可以加速电弧的熄灭。 二、直流电弧的熄灭 设有如图 13—3（a）所示典型的直流电弧电路上为电源电势上和 R 分别为 电路中和电弧串联的电感和电阻。根据克希荷夫第二定律，可写出电压平衡方程 式 t i DH d d E =V + iR + L (13—1)
图13—3开断电感电路的直流电弧及其熄灭 (a)直流电弧:(b)直流电弧的熄灭 由于电弧的电阻呈非线性的特点,以采用图解法为便。将式(13-1)中各 项的伏安特性表示在同一坐标系中,以便分析其相互间的关系。如图13-3(b) 所示,曲线2为电弧的静伏安特性,直线1为E一iR。从图中可以得出;直线 与曲线二相交于AJ两点,其对应的电流值为i4与ig 个直流由电弧能够稳守燃烧的条件是有稳定燃烧点,即=0。那么,要 想使直流电弧熄灭,就应该做到消除稳定燃烧点,且(。从图形来看就应该 是曲线2即与直线1没有交点且曲线2位于直线1的上方。要想达到这个目的, 图形上的变化可有很多种,但结合实际来考虑,将曲线2向上平移至3的作法 最为可行。从其代表的物理意义上来讲,就是将电弧拉长。所以拉长电弧对熄灭 直流是最常用的方法,而且拉长的方式也有多种 还有一种方法也能使直流电弧熄灭,那就是在电弧两端并联电阻,如图13 4所示。从图形上看,由于i=b+ik,使得电弧两端的伏安特性发生了变化, 满足了直流电弧熄灭的条件,电弧将熄灭。这种方法有一定的缺陷,那就是电弧 虽熄灭了,但电路并未断开。所以要利用这种方法,还必须安装附加开关以分断 并联电阻电路。 三、断开感性电路的过电压 为了减小电弧对触头及电器的烧损,通常希望熄弧时间越短越好。但是在断 开感性电路时,若熄弧时间过短,电感中将产生很大的自感电势,也就是L的
图 13—3 开断电感电路的直流电弧及其熄灭 (a)直流电弧；(b)直流电弧的熄灭 由于电弧的电阻呈非线性的特点，以采用图解法为便。将式（13—1）中各 项的伏安特性表示在同一坐标系中，以便分析其相互间的关系。如图 13—3（b） 所示，曲线 2 为电弧的静伏安特性，直线 1 为 E—iR。从图中可以得出；直线 1 与曲线二相交于 AJ 两点，其对应的电流值为 A i 与 B i 。 一个直流由电弧能够稳守燃烧的条件是有稳定燃烧点，即 = 0 t i d d 。那么，要 想使直流电弧熄灭，就应该做到消除稳定燃烧点，且 0 t i d d 。从图形来看就应该 是曲线 2 即与直线 1 没有交点且曲线 2 位于直线 1 的上方。要想达到这个目的， 图形上的变化可有很多种，但结合实际来考虑，将曲线 2 向上平移至 3 的作法 最为可行。从其代表的物理意义上来讲，就是将电弧拉长。所以拉长电弧对熄灭 直流是最常用的方法，而且拉长的方式也有多种。 还有一种方法也能使直流电弧熄灭，那就是在电弧两端并联电阻，如图 13 —4 所示。从图形上看，由于 h Rb i = i + i ，使得电弧两端的伏安特性发生了变化， 满足了直流电弧熄灭的条件，电弧将熄灭。这种方法有一定的缺陷，那就是电弧 虽熄灭了，但电路并未断开。所以要利用这种方法，还必须安装附加开关以分断 并联电阻电路。 三、断开感性电路的过电压 为了减小电弧对触头及电器的烧损，通常希望熄弧时间越短越好。但是在断 开感性电路时，若熄弧时间过短，电感中将产生很大的自感电势，也就是 t i d d L 的
值很大。其数值常比电源电压大好多倍,通常称之为过电压。为了区别于大气过 uk=f(in) -(h+s) 图13-4电弧并联电阻嗲路及其伏安特性 电压,称之为内部过电压(或操作过电压)。过电压产生后,一方面可能将电气 设备的绝缘击穿,引起破坏性故障;另一方面,可能击穿弧隙,使电弧重燃。为 此必须加以防止和限制。 断开感性电路产生过电压的根本原因,在于贮存在电感中的磁场能量要在非 常短暂的时间内释放出来并消耗掉。如果能将磁场能量逐渐地消耗在电阻上,就 可以控制此时的过电压。 L·R L·R L·R D本 (b) 图13-5减小直流电弧熄灭时过电压的方法 (a)并联电阻法:(b)并联RC支路法:(c)并联整流二极管法
值很大。其数值常比电源电压大好多倍，通常称之为过电压。为了区别于大气过 图 13—4 电弧并联电阻嗲路及其伏安特性 电压，称之为内部过电压（或操作过电压）。过电压产生后，一方面可能将电气 设备的绝缘击穿，引起破坏性故障；另一方面，可能击穿弧隙，使电弧重燃。为 此必须加以防止和限制。 断开感性电路产生过电压的根本原因，在于贮存在电感中的磁场能量要在非 常短暂的时间内释放出来并消耗掉。如果能将磁场能量逐渐地消耗在电阻上，就 可以控制此时的过电压。 图 13—5 减小直流电弧熄灭时过电压的方法 (a)并联电阻法；(b)并联 RC 支路法；(c)并联整流二极管法
以上几种方法均能将电感中的磁场能量逐渐地消耗在电阻上或者延长电路 电流变化的时间,起到抑制过电压的作用。图13-5(a)中所表示的方法其缺 点是在正常工作时,附加电阻有功率损耗。图13-5(b)中的情况在正常工作 时电容充电达到电源电势,在附加电阻上没有功率消耗。图13-5(c)所示情 况在正常工作时二极管的反向电流很小,其上的功率损耗亦很小 第三节交流电弧及其熄灭 、电弧的伏安特性 交流电弧与直流电弧有所不同,交流电流的瞬时值随时间变化,每周期内有 两次过零点。电流经过零点时,弧隙的输人能量等于零,电弧温度下降,电弧自 然熄灭。而后随着电压和电流的变化,电弧重新燃烧。因此,交流电弧的燃烧, 实际上就是电弧的点燃、熄灭周而复始的过程。这个特点也反映在它的伏安特性 中 图13-6为交流电弧在一周内的伏安特性。图中箭头方向表示了电流变化和 方向。从O点开始,因电弧还未产生,所以随着电压的增加只有小量的由阴极 发射产生的电流。到A点时电弧点燃,再随着电流的增大,电弧电阻减小,电 弧压降也下降,直到B点,此时弧电流达到峰值。在B点后随着电流的减小, 弧电阻增加,电弧压降上升。变化到C点时,电弧电流趋近于零,电压达到熄 弧电压,电弧熄灭。当电流过零点后,在第三象限重复上述规律。显然,由于热 惯性作用,电弧电阻的变化总是滞后于电流的变化,因此,交流电弧的伏安特性 为动特性。 图13-6交流电弧的伏安特性
以上几种方法均能将电感中的磁场能量逐渐地消耗在电阻上或者延长电路 电流变化的时间，起到抑制过电压的作用。图 13—5（a）中所表示的方法其缺 点是在正常工作时，附加电阻有功率损耗。图 13－5（b）中的情况在正常工作 时电容充电达到电源电势，在附加电阻上没有功率消耗。图 13—5（c）所示情 况在正常工作时二极管的反向电流很小，其上的功率损耗亦很小。 第三节 交流电弧及其熄灭 一、电弧的伏安特性 交流电弧与直流电弧有所不同，交流电流的瞬时值随时间变化，每周期内有 两次过零点。电流经过零点时，弧隙的输人能量等于零，电弧温度下降，电弧自 然熄灭。而后随着电压和电流的变化，电弧重新燃烧。因此，交流电弧的燃烧， 实际上就是电弧的点燃、熄灭周而复始的过程。这个特点也反映在它的伏安特性 中。 图 13—6 为交流电弧在一周内的伏安特性。图中箭头方向表示了电流变化和 方向。从 O 点开始，因电弧还未产生，所以随着电压的增加只有小量的由阴极 发射产生的电流。到 A 点时电弧点燃，再随着电流的增大，电弧电阻减小，电 弧压降也下降，直到 B 点，此时弧电流达到峰值。在 B 点后随着电流的减小， 弧电阻增加，电弧压降上升。变化到 C 点时，电弧电流趋近于零，电压达到熄 弧电压，电弧熄灭。当电流过零点后，在第三象限重复上述规律。显然，由于热 惯性作用，电弧电阻的变化总是滞后于电流的变化，因此，交流电弧的伏安特性 为动特性。 图 13—6 交流电弧的伏安特性