电弧的形成机制与灭弧原理研究

李维刚，郑全新

（荆楚理工学院，湖北 荆门 448000）

1 电弧现象

电弧现象是电气工程领域的基本问题，在电气工程领域，经常需要研究电弧的利用或抑制问题；因此，有必要对电弧现象进行介绍。通过实验发现，电弧发生时会产生大量的热量，发出强烈的弧光，且电弧在外力的作用下可漂移。把电弧分为阴极区域、阳极区域及弧柱区域分别加以说明。阴极区域：大量正离子在电场力作用下向阴极做加速运动，聚集到阴极附近，而形成由正离子组成的空间电荷区，电场强度较高。阳极区域：自由电子在电场力作用下向阳极聚集，不断被阳极吸收并由此形成电流；在此区域，聚集的大量电子形成了负空间电荷区。电弧中的高温高亮度区域在通常状态呈圆柱形，故称弧柱；弧柱区域正、负离子数相同，是等离子区。

有关研究人员通过电弧热等离子体建模仿真研究，将电弧建模划分为外部电气特性和内部理化特性两种方式[1]。外部电气特性将电弧看作系统电路的一部分；内部理化特性应用物理学（流体力学、动力学和热力学）和电磁学等相关理论。通过对电弧内部特性进行研究和分析，从电弧流体的宏观属性和微观粒子属性两方面描述电弧的内部物理化学动态发展和变化过程。

2 电弧的性质与产生条件

通过对交流电流、负载为阻性、触头分断电流150 A电弧放电的动态变化规律进行研究发现，随着触头断开时间延长，电弧放电面积先增大，趋于稳定后再减小；从电弧燃烧形态来看，电弧燃烧呈仿锤形；从电弧放电时电路的功率变化来看，随着触头断开时间延长，电弧放电面积和电路功率变化呈正相关，即具有相同的趋势；从电弧放电面积变化和电路功率变化时间先后看，由于电弧的热滞后使电弧面积的变化滞后于电弧功率的变化[2]。

电弧的弧光放电与电晕放电、火花一样，是一种气体放电形式。在电场强度达到一定值时，弧光放电能持续进行，故弧光放电是一种自持放电形式。另外，电弧的温度极高，以电气工程实践中应用最为广泛的电弧焊为例，焊接时电弧的温度为6 000～8 000 ℃。电弧性质总结：电弧是一种高温、可电导、游离的气体。根据大量研究发现，电弧产生的具体条件为：在开关电气设备断开的瞬间，如果触头两极的电压大于10 V，切断电流大于80 mA时，会受到激发而产生电弧。

电气工程实践中使用的速断开关、断路器等电气设备是根据电弧的性质及其产生基本条件，在普通开关设备的基础上增设灭弧系统设计而成。通常情况下，交流接触器的U型触头电流回路能产生磁场，电磁力能推动电弧做背离触点方向运动，如果接触器分断电流较小（即电弧电流较小），电弧所受到的电磁场也较小。在燃弧过程中电弧运动非常微弱，即电弧存在停滞现象，开关电气设备的触头会受到高温威胁，严重影响电气设备的使用寿命。另外，通过研究永磁体对电弧磁吹弧作用、电弧电流大小、燃弧时间的影响发现，电弧受到永磁体电磁力的磁吹弧作用较强，电弧会因永磁体电磁力的作用迅速产生位移，弧柱区能得到较为充分的冷却而发生游离现象，能有效减少燃弧时间。

3 电弧形成的物理机制

电气设备中气隙中的带电粒子游离和去游离过程是电弧形成的物理机制，去游离过程中往往伴随新游离的开始，去游离过程中释放大量的热和强烈的弧光，大量的热又使热游离过程得以延续，如此往复循环，阴极表面的电子将获得足够的能量向外发射，产生了弧光放电现象。

3.1 场电子发射

由强电场力将电子从触头金属电极拉出的过程称为场电子发射，产生机理为：电气开关触头两极在初始分离的瞬间间隙非常小，电路中的电压降落在很小的间隙上，可使间隙的电场强度达到109V/m数量级。这一强电场将阴极触头表面的自由电子拉到极小的两极电场气隙中，使气隙中充满较多的自由电子，这种因强电场的形成，而使自由电子不断从负极性电极激发到间隙的过程即为场电子发射。

3.2 碰撞游离

开关电气设备触头两极间隙中的中性质点被游离过程称为碰撞游离，产生机理为：由场电子发射产生的大量自由电子，会在电场力的作用下加速向阳极运动，高速运动的自由电子与气隙中的中性质点碰撞会产生两种结果。第一种，如果自由电子的动能足够大，则气体分子中的束缚电子受到激发而游离，形成自由电子和正离子；第二种，如果自由电子的动能较小，自由电子将与间隙中的中性质点结合，形成负离子。因此，自由电子与中性质点碰撞会形成新的自由电子、正离子和负离子。新形成的自由电子同样向阳极做加速运动，使碰撞游离过程连续发生，触头电极间便充满了电子和正负离子。

3.3 热电子发射

当触头金属电极的温度升高到一定值时，金属电极表面电子获得足够的动能，足以克服原子核的吸引力而从金属电极表面逸出，成为自由电子。这种由于电极高温而使金属电极表面逸出电子的现象称为热电子发射，形成机理为：因碰撞游离而产生的正离子在电场力作用下向触头电极的阴极做加速运动撞击到阴极板上，使阴极温度快速升高，阴极中电子动能增加，当温度升高到一定程度时，部分电子获得足够的动能并从阴极表面逸出参与到碰撞游离过程。

3.4 热游离

高温状态下，中性粒子由于高速不规则的热运动相互碰撞，产生带电离子的过程称为热游离。热游离是碰撞游离的另一种形式，其碰撞游离是由中性质点的热运动形成，机理为：电流通过弧隙（在开关电气设备中，把动静触头间电弧燃烧的间隙简称为弧隙）产生大量的热，使电弧的中心温度达到10 000 ℃以上，弧隙中的中性质点的不规则热运动加剧，剧烈运动的中性质点会相互撞击，产生电子或正离子的过程为热游离。根据大量研究发现，非金属气体分子发生热游离需要的能量大于金属原子发生热游离需要的能量。一般气体分子发生热游离温度为9 000 ～10 000 ℃，金属原子发生热游离的温度为4 000 ～5 000 ℃。开关电气设备触头的电极一般为金属，存在一定的金属原子，电弧中心温度总高于4 000 ℃，足以支持热游离不断发生。

3.5 去游离

去游离是正负离子中和成为中性质点或降低带电质点浓度的过程，包括复合和扩散两种形式。

复合是正负离子中和成为中性质点的过程。对复合作用有直接影响的是带电粒子速度。减小电场强度、降低温度均可以使带电粒子速度减小，使复合更加容易。另外，带电粒子的浓度增大，复合的几率也会增加，复合的效果更显著。

扩散是电弧中带电质点的热运动而从弧柱区逸出，进入周围介质的过程。扩散作用与介质、电弧温差、离子浓度差呈正相关，通常从高温处向低温处扩散、从高浓度向低浓度扩散。扩散使弧柱中带电粒子浓度减少，温度降低。因为介质与电弧的温差越大，扩散作用越强，所以冷却是加速扩散作用最有效的途径。

4 灭弧原理和方法

电气开关分断时为何容易形成电弧，是因为电气触头间隙及其周围介质中存在可游离的带电离子浓度过高。熄灭电弧原理：采取措施，让去游离过程更易发生，降低电气触头间隙及其周围介质可游离带电离子的浓度，即去游离速度大于等于游离速度。基于熄灭电弧的原理，电气设备研制中常用的灭弧措施有以下几种。第一，真空灭弧。如真空断路器，就是利用真空的高绝缘强度，不存在电介质，不可能发生碰撞游离过程，不支持电弧燃烧的原理制造。第二，电负性气体灭弧。如常用的SF6断路器，是利用SF6气体为电介质。因为SF6是一种电负性气体，绝缘强度是空气的3倍，电子复合能力很强，是空气的100倍。第三，吹弧灭弧。利用外力拉长电弧，降低电场强度，同时使电弧冷却加速。常用的吹弧方法有横吹、纵吹、磁吹、气吹以及油吹等。第四，速断灭弧。如铁壳开关中加装速断弹簧，断开电路时能迅速拉长电弧，使电场强度下降，游离过程减弱，去游离过程增强。第五，冷却灭弧。如油断路器以绝缘油为电介质，不仅能减弱触头间的电场，还能有效降低触头及其间隙的温升，使得游离过程难以发生。第六，狭沟灭弧。如石英砂熔断器，在熔管中填充石英砂，电弧与石英砂形成的狭沟接触迅速冷却进而熄灭。第七，短弧灭弧。原理是采用金属栅片将电弧分隔成若干串联的短弧，减弱游离增强去游离，使电弧熄灭。

5 结 论

电弧问题是电气工程的基本问题之一，电气工程实践中很多电气设备如真空断路器、SF6断路器、油断路器、接触器、组合GIS开关以及负荷开关等都是为减小电弧产生或尽快熄灭电弧而研制的。认识电弧的性质及其形成的物理机制，掌握电气灭弧的原理，制定电气设备常用的灭弧措施，根据开关电气设备触头间隙的温度、场强、电离子浓度以及气体压力等物理因素，采取适当措施、减小游离、增加去游离，避免电弧产生或使产生的电弧尽快熄灭，对于研究开发新型开关电气设备，延长开关电气设备的使用寿命，提高电气线路运行的可靠性，提高电路运行维护技术人员的检修效率等均具有重要意义。