1.2.2 电弧的产生及灭弧方法

在自然环境中开断电路时，如果被开断电路的电流（电压）超过某一数值（根据触头材料的不同其值约在0.25～1A、12～20V之间）时，则触头间隙中就会产生电弧。电弧实际上是触头间气体在强电场作用下产生的气体放电现象。所谓气体放电，就是触头间隙中的气体被游离产生大量的电子和离子，在强电场作用下，大量的带电粒子做定向运动，于是绝缘的气体就变成了导体。电流通过这个游离区时所消耗的电能转换为热能和光能，发出光和热的效应，产生高温并发出强光，使触头烧损，并使电路的切断时间延长，甚至不能断开，造成严重事故。

1.2.2.1 电弧的产生及其物理过程

电弧对电器的影响主要有以下几个方面：

1）触头电路虽已断开，但由于电弧的存在，使得要断开的电路实际上并没有断开。

2）由于电弧的温度很高，严重时可使触头熔化。

3）电弧向四周喷射，会使电器及其周围物质损坏，甚至造成短路，引起火灾。

所以，必须采取措施熄灭或减小电弧，为此首先要了解电弧的物理本质，即电弧产生的原因。电弧的产生主要经历强电场放射、撞击电离、热电子发射和高温游离4个物理过程，如图1-3所示。

1.强电场放射

触头电路开始分离时，其间隙很小，电路电压几乎全部降落在触头间很小的间隙上，因此该处电场强度很高，可达几亿V/m，此强电场将触头阴极表面（与电源负极连接的触头）的自由电子拉出到气隙中，使触头间隙气体存在较多的电子，这种现象即所谓强电场放射。

2.撞击电离

触头间隙中的自由电子在电场作用下，向正极加速运动，经过一定路程后获得足够的动能，它在前进途中撞击气体原子，该原子被分裂成电子和正离子。电子在向正极运动的过程中将撞击其他原子，使触头间隙气体中的电荷越来越多，这种现象称为撞击电离。触头间隙中的电场强度越强，电子在加速过程中所走的路程越长，它所获得的能量就越大，故撞击电离的电子就越多。

3.热电子发射

撞击电离产生的正离子向阴极运动，撞击在阴极上会使阴极温度逐渐升高，使阴极金属中的电子动能增加，当阴极温度达到一定程度时，一部分电子有足够的动能从阴极表面逸出，再参与撞击电离。由于高温使电极发射电子的现象称为热电子发射。

4.高温游离

当电弧间隙中气体的温度升高时，气体分子热运动速度加快。当电弧的温度达到3000℃或更高时，气体分子将发生强烈的不规则热运动并造成相互碰撞，结果使中性分子游离成为电子和正离子。这种因高温使分子撞击所产生的游离称为高温游离。当电弧间隙中有金属蒸气时，高温游离大大增加。

在触头电路分断的过程中，以上4个过程引起电离原因的作用是不一致的。在触头刚开始分离时，首先是强电场放射，这是产生电弧的起因。当触头完全打开时，由于触头间距离增加，电场强度减弱，维持电弧存在主要靠热电子发射、撞击电离和高温游离，而其中又以高温游离作用最大。此外，伴随着电离的进行，还存在着消电离作用。消电离是指正负带电粒子的结合成为中性粒子的同时，又减弱了电离的过程。消电离过程可分为复合和扩散两种。

当正离子和电子彼此接近时，由于异性电荷的吸力结合在一起，成为中性的气体分子。另外，电子附在中性原子上成为负离子，负离子与正离子相遇就复合为中性分子。这种复合只有在带电粒子的运动速度较低时才有可能发生。因此利用液体或气体人工冷却电弧，或将电弧挤入绝缘壁做成的窄缝里，迅速导出电弧内部的热量，降低温度，减小离子的运动速度，可以加速复合过程。

在燃弧过程中，弧柱内的电子、正负离子要从浓度大、温度高的地方扩散到周围的冷介质中去，扩散出来的电子、离子互相结合又成为中性分子。因此降低弧柱周围的温度，或用人工方法减小电弧直径，使电弧内部电子、离子的浓度增加，就可以增加扩散作用。

电离和消电离作用是同时存在的。当电离速度大于消电离速度时，电弧就发展；当电离与消电离速度相等时，电弧就稳定燃烧；当消电离速度大于电离速度时，电弧就要熄灭。因此，欲使电弧熄灭可以从两方面着手：一方面是减弱电离作用，另一方面是增强消电离作用。实际上，作为减弱电离作用的措施同时也往往是增强消电离作用的途径。为熄灭电弧，其基本方法有：①拉长电弧，以降低电场强度；②用电磁力使电弧在冷却介质中运动，降低弧柱周围的温度；③将电弧挤入绝缘壁组成的窄缝中，以冷却电弧；④将电弧分成许多串联的短弧，增加维持电弧所需的临极电压降的要求；⑤将电弧密封于高气压或真空的容器中。

1.2.2.2 电弧的熄灭及灭弧方法

触头在通断过程中将产生电弧，电弧会烧损触头，造成其他故障。对于通断大电流电路的电器，如接触器、低压断路器等更为突出，因此要有较完善的灭弧装置。对于小容量继电器、主令电器等，由于触头通断电流小，因此，有时不设专门的灭弧装置。根据以上分析的原理，常用的灭弧装置有桥式结构双断口灭弧、栅片灭弧、磁吹灭弧及过电压和浪涌电压抑制器等几种。

1.桥式结构双断口灭弧

图1-4是一种双断口触头，流过触头两端的电流方向相反，将产生互相推斥的电动力。当触头打开时，在断口中产生电弧。电弧电流在两电弧之间产生图中以“”表示的磁场，根据左手定则，电弧电流要受到一个指向外侧的电动力F的作用，使电弧向外运动并拉长，使它迅速穿越冷却介质而加快电弧冷却并熄灭。此外，也具有将一个电弧分为两个来削弱电弧的作用。这种灭弧方法效果较弱，故一般多用于小功率的电器中。但是，在配合栅片灭弧后，也可用于大功率的电器中。交流接触器常采用这种灭弧方法。

2.栅片灭弧

栅片灭弧原理如图1-5所示。

灭弧栅一般是由多片镀铜薄钢片（称为栅片）和石棉绝缘板组成，它们安放在电器触头上方的灭弧室内，彼此之间互相绝缘，片间距离约为2～5mm。当触头分断电路时，在触头之间产生电弧，电弧电流产生磁场，由于钢片磁阻比空气磁阻小得多，因此，电弧上方的磁通非常稀疏，而下方的磁通却非常密集，这种上疏下密的磁场将电弧拉入灭弧罩中，当电弧进入灭弧栅后，被分割成数段串联的短弧。这样每两片灭弧栅片可以看作一对电极，而每对电极间都有150～250V的绝缘强度，使整个灭弧栅的绝缘强度大大加强，而每个栅片间的电压不足以达到电弧燃烧电压，同时栅片吸收电弧热量，使电弧迅速冷却而很快熄灭。

当触头上所加的电压是交流时，交流电产生的交流电弧要比直流电弧容易熄灭。因为交流电每个周期有两次过零点，显然电压为零时电弧自然容易熄灭。另外，灭弧栅对交流电弧还有所谓“阴极效应”，更有利于电弧熄灭。所谓“阴极效应”，是当电弧电流过零后，间隙中的电子和正离子的运动方向要随触头电极极性的改变而改变。由于正离子比电子质量大得多，因此在触头电极极性改变后（即原阳极变为新阴极，原阴极变为新阳极），原阳极附近的电子能很快地回头向相反的方向运动（走向新阳极），而正离子几乎还停留在原来的地方。这样使得新阴极附近缺少电子而造成断流区，从而使电弧熄灭。若要使电压过零后，电弧重新燃烧，两栅片间必须要有150～250V电压。显然灭弧栅总的重燃电压所需值将大于电源电压，则电弧自然熄灭后就很难重燃。因此，灭弧栅装置常用作交流灭弧。

3.磁吹灭弧

磁吹灭弧方法是利用电弧在磁场中受力，将电弧拉长，并使电弧在冷却的灭弧罩窄缝隙中运动，产生强烈的消电离作用，从而将电弧熄灭。其原理如图1-6所示。

图1-6中，导磁体（铁心）2固定于导磁夹片a和b之间，在它上面绕有线圈（磁吹线圈）1，线圈可做成与触头电路串联，当主电流I通过线圈1产生磁通Φ时，根据右手螺旋定则可知，该磁通从导磁体2通过导磁夹片b、两夹片间隙到达夹片a，在触头间隙中形成磁场。

图中，“×”符号表示Φ方向为进入纸面。当触头打开时在触头间隙中产生电弧，电弧自身也产生一个磁场，该磁场在电弧上侧，方向为从纸面出来，用“⊙”符号表示，它与线圈产生的磁场方向相反。而在电弧下侧，电弧磁场方向进入纸面，用“”符号表示，它与线圈的磁场方向相同。这样，两侧的合成磁通就不相等，下侧大于上侧，因此，产生强烈的电磁力将电弧向上侧推动，并使电弧急速进入灭弧罩，电弧被拉长并受到冷却而很快熄灭。灭弧罩多用陶瓷或石棉做成。这种灭弧方法的优点是，当触头中电流方向改变时，由于外磁场的方向也跟着改变，而电弧受力的方向不变，灭弧吹力的大小在设计时可以控制，可使吹力最大，灭弧效果好。

此外，由于这种灭弧装置是利用电弧电流本身灭弧，因而电弧电流越大，吹弧能力也越强，广泛应用于直流灭弧装置中（如直流接触器中）。但对于线圈与触头串联的形式，其吹力与电流二次方成正比，当电流减小时，吹力成二次方减小，会使灭弧效果减弱。对于并联线圈的磁吹装置，可以做到由外加固定电源供电而使线圈的磁通稳定不变，因而吹力大小只受触头电流大小的影响。但要注意线圈的极性和触头的极性，如果将两者的极性接反，则使电弧吹向内侧，反而会烧坏电器。

4.过电压和浪涌电压抑制器

带有线圈的开关电器的触头在切断具有电感负载的电路时，由于电流由某一稳定值突然降为零，电流的变化率di/dt很大，就会在触头间隙产生较高的过电压，此电压超过270～300V时，就会在触头间隙产生火花放电现象。火花放电与电弧不同之处是，火花放电的电压高，电流小，而且是在局部范围产生不稳定的火花放电。火花放电将使触头产生电灼伤以至缩短它的寿命。另外火花放电造成的高频干扰信号将影响和干扰无线电通信及弱电控制系统的正常工作，为此需要消除由于过电压引起的火花放电现象。常用的熄火花电路有以下两种：

1）半导体二极管与线圈并联的整流式抑制器，如图1-7所示，在触头K闭合时，线圈电感L中流有稳定的电流。当触头突然打开时，由于二极管VD的存在，使电流不是从某一稳定值突然降为零，而是由电感L和二极管VD组成放电回路使电流逐渐降为零，即减小了电流的变化率di/dt，从而减小了电感L产生的过电压。这样使触头K的间隙不会产生火花放电，另外也使电感L的绝缘不会因过电压而击穿。

2）与触头并联阻容电路的抑制器，如图1-8所示，在触头突然打开时，线圈电感L的磁场能量就转为电容的电场能量，此时表现为对电容的充电。因此触头突然打开时，线圈电感L的电流也是不立刻降为零，而是随着电容逐渐充满电荷而降为零，线圈就不会产生过电压。