转辙机接点电弧的产生及影响

梅积刚

(西安铁路信号有限责任公司，西安 710100)

1 电弧的产生

在开断电路中，闭合的接点在刚分离时，突然解除了接触压力，阴极表面立即出现高温炙热点，产生热电子发射。由于此时接点的间隙很小，使得电场强度很高，产生强电场发射。从阴极表面逸出的电子在强电场作用下，加速向阳极运动，产生游离碰撞，导致接点间隙中带电质点急剧增加，温度骤然升高，产生热游离并且成为游离的主要因素，此时在外加电压作用下，间隙被击穿，形成开断电弧。开断电弧由等离子柱和它两侧的电位降区（阴极电位降区和阳极电位降区）及其过渡区组成，理想电弧及各区域电压降分布（UAF阳极电位降，UKF阴极电位降，US弧柱电压）如图1 所示。

图1 电弧Fig.1 Arc

在大气中开断电路时，只要电压超过20 V，被开断的电流超过1 A，在电气接点间就会产生电弧。产生电弧的最小电流如果小于一定数值，则开断时只能产生为时极短的弧光放电—通常称为电火花。

2 转辙机接点功能

转辙机的接点系统主要起控制转辙机动作和转换到位后接通表示的功能。在转辙机需要转换时，通过部分接点的闭合接通转辙机的动作电路；在转辙机转换到位后，接点断开动作电路，通过另一部分接点的闭合，接通转辙机的表示电路。在转辙机的动作电路中，交流转辙机的工作电压为三相380 V，工作电流约1.5 A。在转辙机断开动作电路时，其电压和电流满足电弧产生的条件，因此在断开动作电路的过程中，必然会产生电弧。在直流转辙机的现场使用过程中，由于直流转辙机的工作特性，负载越小，其工作电流越小，在道岔工务状态良好时，部分转辙机的工作电流约1 A，有的甚至更小，约0.6 ～1.0 A，因此目前直流转辙机的电弧不明显，影响也较小。

在指示转辙机及道岔位置的表示电路中，闭合回路的供电电压较低，电路中的电流也小，对闭合接点的接触状态及接触电阻要求较高。转辙机接点在闭合和开断的过程中，均有一定的扫程。

3 交流电弧的特性

在交流电路中，电流每经过半波后就过零并交换极性。当电流流经开断电弧时，弧柱中的等离子体温度随电流瞬时值的变化在时间上之后某个相位角。

图2 接点开距对灭弧的影响，表述了接点开距δ与时间t的关系。图2 的a）为接点开距，若接点的断开在t0时刻，电流波形如图2 b）（电流t2过0 波形图）所示，电流第一次过零是在t2时刻，接点开距达到δ2，它能耐住上升到恢复电压瞬时值的瞬态电压。当电流波形如图2 c）（电流t1过0 波形图）所示时，电流第一次过零是在时刻t1，此时接点的开距δ1不够大，以致于出现电弧重燃，一直持续到电流第二次改变极性的时刻t3为止。

为使电弧对接点材料和绝缘材料的烧损降低到最小限度，需力求将燃弧时间限制在电流半个周波内。为了达到这个要求，动接点就必须加速动作，使接点在电弧电流过零时的开距足以耐住回复电压。

图2 接点开距对灭弧的影响Fig.2 Influence of contact interrupting on arc

4 电弧对接点的影响

在断开转辙机动作电路的过程中，由于电弧的产生，电流还可通过正在分离的接点之间的电弧继续流通，降低开断电路的电气间隙，降低开断电路的可靠性。同时，接点开断时产生的高温电弧，对动接点环产生电弧烧蚀，高温电弧会熔解空气中的混合物质，在接点的表面产生附着物，影响接点关合电路的接通。

导电金属在空气中会形成氧化膜，而当空气被硫或氯或这些元素的化合物（例如SO2和H2S）污染时，在金属表面也会形成硫化膜和氯化膜。除了氧化物、硫化物和氯化物外，由于接点材料与其他各种各样的有机物发生反应，接点上会沉积一层薄膜。

根据现有转辙机接点所用材料，接点中主要元素形成的表面膜有以下几种。

铜：在200 ℃以下的温度范围内，暴露在空气中的铜表面主要形成Cu2O 表面膜，厚度约在10 ～1000 nm，在200 ℃～400 ℃范围内，还会附加一层CuO。大于400 ℃时，完全转化成CuO，这种表面膜电导率很小，不利于接点的接通。

铝：暴露在空气中的铝会很快形成薄的AL2O膜，在常温条件下增长缓慢，氧化膜能耐高温，电气绝缘强度好、机械强度都相当高，在潮湿的空气中，表面膜会加厚。

镍：镍在常温的干燥空气中，表面会形成极薄的机械性能牢固的表面膜，致使镍仅受到H2S 的轻微侵蚀。

在开断过程中，电弧的短时高温，会促使表面膜的形成。而电弧的高温在一定范围内，又能击穿表面膜，起着清洁的作用。从弧根到接点的边缘区，温度会逐渐下降，因此金属—气体的各种化合物都会获得稳定区域，如这些区域相互重叠，就会形成很难分解的混合物或者产生化学特性完全不同的呈熔融玻璃状的绝缘络合物。因此接点表面的烧蚀及接点上产生的表面膜会影响电路的接通，在表示系统中的影响更大。

5 制约电弧的方法

闭合接点在分离的过程中形成的电弧，在接点开距达到“最小电弧长度”后，可通过磁场、人工气流或液流使其弧根离开起弧点。从熔融桥最后断裂到最小电弧长度形成的时间间隔为电弧的滞留时间，电弧的最小长度，与接点形状和材质、周围介质、吹弧磁场强弱以及气流或液流吹弧效力等有关。因此制约电弧通常采用以下方法。

1）采用特殊金属材料制作接点

电弧中的去游离强度很大程度上取决于接点材料。若采用熔点高，导热系数好热容量大的耐高温金属作为接点材料，可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸气，抑制游离作用。同时，接点材料还要求有较高的抗电弧、抗熔焊能力。

2）利用灭弧介质

电弧中的去游离强度很大程度上取决于电弧周围介质的特性。如介质的传热能力、介电强度、热游离温度和热容量。这些参数的数值越大，则去游离作用越强，电弧就越容易熄灭。常用的灭弧介质有空气、油（变压器油或断路器油），六氟化硫SF6、真空等介质。

3）利用气体或油吹动电弧

电弧在气体或油流中被强烈地冷却而使复合加强，吹弧也有利于带电粒子的扩散，在空间允许的情况下，可制作不同结构的灭弧室，使气体或油产生较大的压力吹向电弧，使电弧熄灭。

4）利用多断口灭弧

将断路器制作成多个串联的断口，把电弧分割成很多小电弧段，在相等的接点行程下，多断口比单断口的电弧更长，从而增大弧隙电阻，电弧被拉长的速度（即接点分离速度）也增加，加速弧隙电阻的增大；同时也增大介质强度的恢复速度。

5）拉长电弧并增大接点的分离速度

迅速拉长电弧，可使弧隙的电场强度骤降，同时，弧隙的表面积突然增大，有利于电弧的冷却和带电质点向周围扩散，使热游离作用减弱，加强离子的复合速度，从而加速电弧的熄灭。

6 减小电弧对转辙机接点的影响的措施

针对转辙机的应用环境，转辙机接点的结构及机内空间，可采用以下几种方法来减小电弧对接点的影响。

改进接点材质。基于接点接触压力和接点机械寿命的要求，既有转辙机的静接点采用铍青铜材质，动接点采用铝青铜材质。为减小电弧对接点的影响，动接点可采用导电性好、熔点高、导热系数好、热容量大的耐高温金属作为接点材料，如铜钨合金或铍钴铜合金。

在转辙机接点系统中，提高驱动动接点转换的弹簧的拉力，使动接点更快速地与静接点分离，动、静接点的开距迅速变大，使电弧的燃烧时间缩短，以减轻电弧对接点的影响。

改变接点的局部结构，减小电弧对接点电路的影响。针对转辙机接点的断开和接通均具有一定扫程的特点，改进接点的局部结构，使开断动作电路产生的电弧的影响区不参与表示电路的接通。