电弧的特点和危害

     电弧是气体导电现象。在电网电压较高、开断电流较大的情况下（实验表明，当电压大于10～20V，通过电流大于80～100mA的条件下切断电路）就可能在触头间形成电弧（由绝缘气体或绝缘油受热分解出的气体游离产生的自由电子导电）。这时伴随有强光和高温（可达数千瓦时甚至上万千瓦时），切断电路就是要熄灭电弧，如果不能迅速熄灭电弧，将造成开关电器的损坏并将事故扩大。

一、电弧的特点

      电弧的组成电弧由阴极区、阳极区和弧柱区3部分组成，如图42所示。

图片

     阴极和阳极附近的区域分别称为阴极区和阳极区，在阴极和阳极间的明亮光柱称为弧柱。弧柱中心部位温度最高、电流密度最大，称为弧心。弧柱周围温度较低、亮度明显减弱的部分称为弧焰。二、电弧放电的主要特征（1）电弧温度很高。弧柱中心可达10000℃左右，电弧表面也会达到3000～4000℃。

（2）电弧是一种自持放电现象。极间的带电质点不断产生和消失，处于动平衡状态。

（3）电弧是一束游离的气体。在外力作用下能迅速移动、伸长、弯曲和变形。

三、电弧危害

 (1）电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间。

（2）电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。

（3）电弧在电动力、热力作用下能移动，易造成飞弧短路和伤人，使事故的危害扩大。

认知2 电弧的产生和熄灭

一、电弧的产生

   电弧的产生过程，实际上是气体介质在某些因素作用下，发生强烈游离，产生很多带电质点，由绝缘变为导通的过程。电弧能成为导电通道，是由于电弧的弧柱内存在大量的带电粒子，这些带电粒子的定向运动形成电弧。

   1.自由电子的产生

 触头开断的瞬间由阴极通过热电子发射或强电场发射产生少量的自由电子。触头刚分离时，触头间的接触压力和接触面积不断减小，接触电阻迅速增大，使接触处剧烈发热，局部高温使此处电子获得动能，就可能发射出来成为自由电子，这种现象称为热电子发射。另外，触头刚分离时，由于触头间的间隙很小，间隙形成很高的电场强度，当电场强度超过3×106V/m时，阴极触头表面的电子就可能在强电场力的作用下，被拉出金属表面成为自由电子，这种现象称为强电场发射。

2.碰撞游离形成电弧

从阴极表面发射出来的自由电子，在触头间电场力的作用下加速运动，不断与间隙中的中性气体质点（原子或分子）撞击，如果电场足够强，自由电子的动能足够大，碰撞时就能将中性原子外层轨道上的电子撞击出来，脱离原子核内正电荷吸引力的束缚，成为新的自由电子，失去自由电子的原子则带正电，称为正离子。此过程称碰撞游离。新的自由电子又在电场中加速积累动能，去碰撞另外的中性原子，产生新的游离，碰撞游离不断进行、不断加剧，带电质点成倍增加，如图43所示，此过程愈演愈烈，如雪崩似地进行着，发展成为“电子崩”，在极短促的时间内，大量的自由电子和正离子出现，在触头间隙形成了电弧。对于一种气体，能否产生电场游离主要取决于电子运动速度，也就是取决于电场强度、电子的平均自由行程及气体的性质。触头间电压越高，电场强度也越高，则气体容易被击穿。气体的压力越高，其

图片图43 碰撞游离示意图中

     自由电子的平均自由行程就越小，因而也就不容易产生电场游离。不同的气体要从其中性原子外层轨道撞击出自由电子，所需能量值是不同的。

3.热游离维持电弧

    触头间隙在发生了雪崩式碰撞游离后，形成电弧并产生高温。温度增高时，气体中粒子的运动速度也随着增大，就可能使原子外层轨道的电子脱离原子核内正电荷的束缚力（吸引力）成为自由电子，这种游离方式称为热游离。气体温度越高，粒子运动速度越大，原子热游离的可能性也越大，从而供给弧隙大量的电子和正离子，维持电弧稳定燃烧。一旦触头间隙形成电弧放电后，电弧的电阻很小，导电性很好，触头间隙的电压立刻降至最小，触头间隙的电场强度也大大降低，这时电场游离在间隙中作用不明显。另外，由于热平衡，电弧温度达到某一数值后不再上升，电导达到某一值后也不再上升，热游离将在一定强度下稳定下来，达到平衡状态。综上所述，由于热电子发射或强电场发射在触头间隙中产生少量的自由电子，这些自由电子与中性分子发生碰撞游离并产生大量的带电粒子，从而形成气体导电，即产生电弧，一旦电弧产生后，将由热游离作用来维持电弧燃烧。

二、断路器断开过程中电弧形成过程

断路器断开过程中电弧是这样形成的：触头刚分离时突然解除接触压力，阴极表面立即出现高温炽热点，产生热电子发射；同时，由于触头的间隙很小，使得电压强度很高，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，发生碰撞游离，导致触头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，形成电弧。

三、电弧的熄灭

电弧的熄灭过程实际上是气体介质由导通又变为截止的过程。电弧中发生游离的同时，还存在着相反的过程，即去游离。去游离使弧隙中正离子和自由电子减少。去游离的主要方式包括复合和扩散两种形式。

复合

复合是指异性带电质点相遇，正负电荷中和成为中性质点的现象。复合的方式是电子先附在中性质点上形成负离子，负离子的运动速度比较小，正负离子的复合就容易进行。目前广泛使用的SF6断路器就利用了SF6气体的强电负性来实现电弧的尽快熄灭。

2.扩散

扩散是指电弧中的自由电子和正离子散溢到电弧外面，并与周围未被游离的冷介质相混合的现象。扩散是由于带电粒子的无规则热运动，以及电弧内带电粒子的密度远大于弧柱外，电弧的温度远高于周围介质的温度造成的。电弧和周围介质的温度差越大，带电粒子的密度差越大，扩散作用就越强。

（1）温度扩散。由于电弧和周围介质间存在很大温差，使得电弧中的高温带电质点向温度低的周围介质中扩散，减少了电弧中的带电质点。

（2）浓度扩散。这是因为电弧和周围介质存在浓度差，带电质点就从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使电弧中的带电质点减少。

（3）利用吹弧扩散，在断路器中采用高速气体吹弧，带走电弧中的大量带电质点，以加强扩散作用。综上所述，当游离作用大于去游离作用时，电弧电流增加，电弧燃烧加强；当游离作用与去游离作用持平时，电弧维持稳定燃烧；当去游离作用大于游离作用时，弧隙中导电质点的数目减少，电导下降，电弧越来越弱，弧温下降，使热游离下降或停止，最终导致电弧熄灭。要使电弧熄灭，必须使去游离作用强于游离作用。

四、影响去游离的因素

（1）电弧温度。电弧是由热游离维持的，降低电弧温度就可以减弱热游离，减少新的带电质点的产生。同时，也减小了带电质点的运动速度，加强了复合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动电弧，或使电弧与固体介质表面接触等，都可以降低电弧的温度。

（2）介质的特性。电弧燃烧时所在介质的特性在很大程度上决定了电弧中去游离的强度，这些特性包括热导率、热容量、热游离温度、介电强度等。去游离过程越强，电弧就越容易熄灭。

（3）气体介质的压力。气体介质的压力对电弧去游离的影响很大。气体的压力越大，电弧中质点的浓度就越大，质点间的距离就越小，复合作用越强，电弧就越容易熄灭。在高度的真空中，由于发生碰撞的几率减小，抑制了碰撞游离，而扩散作用却很强。因此，真空是很好的灭弧介质。

（4）触头材料。触头材料也影响去游离的过程。当触头采用熔点高、导热能力强和热容量大的耐高温金属时，减少了热电子发射和电弧中的金属蒸气，有利于电弧熄灭。

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