时电和重燃高压电器的基本特性

研究和使用高压电器，特别是断路器，必须对开关设备在工作过程中，其触点产生电弧的性质有一个清楚的了解，以便掌握现代高压电器设备的结构特点，正确进行选择和使用。开关设备一般由导体、触点和绝缘介质组成。介质由绝缘状态变为导电状态，使得电流得以流通的现象，称为放电。在一定的光、热和电场作用下，介质中呈中性、不导电的质点将产生自由电子、正离子和负离子，从而形成游离状态。当介质达到一定游离的程度时，介质就会被击穿而产生电弧。

2.1.1 电弧产生和熄灭的物理过程

1.电弧的产生

电弧的产生和维持是触头间中性质点（分子和原子）被游离的结果。游离就是中性质点转化为带电质点。产生电弧的游离方式主要有以下四种。

（1）高电场发射。在开关触头分开的最初瞬间，由于触头间距离很小，电场强度很大。在高电场的作用下，阴极表面的电子就会被强拉出去，进入触头间隙成为自由电子。

（2）热电发射。当开关触头分断电流时，弧隙间的高温使触头阴极表面受热出现强烈的灼热点，金属内部不断地向外界发射自由电子。

（3）碰撞游离。当触头间隙存在足够大的电场强度时，其中的自由电子以相当大的动能向阳极运动，途中与中性质点碰撞，当电子的动能大于中性质点的游离能时，便产生碰撞游离，原中性质点被游离成正离子和自由电子。

（4）热游离。由于电弧的温度很高，在高温下电弧中的中性质点会产生剧烈运动，它们之间相互碰撞，又会游离出正离子和自由电子，从而进一步加强了电弧中的游离。

综上所述，开关电器触头间的电弧是由于阴极在强电场作用下发射自由电子，而该电子在触头外加电压作用下发生碰撞游离所形成的。在电弧高温作用下，阴极表面产生热发射，并在介质中发生热游离，使电弧得以维持和发展，这就是电弧产生的主要过程。

2.电弧的熄灭

在电弧中发生中性质点游离过程的同时，还存在着相反的过程，这就是使带电质点减少的去游离过程。如果去游离过程大于游离过程，电弧将越来越小，直至最后熄灭。因此，要想熄灭电弧，必须使触头间电弧中的去游离率大于游离率，也就是使离子消失的速度大于离子产生的速度。电弧熄灭的主要方式有以下几种。

（1）复合。复合是指正、负带电质点重新结合为中性质点。通常是在适当条件下，自由电子先附着在中性质点上形成负离子，运动速度大大减慢，然后再与正离子相复合。复合与电弧中的电场强度、电弧温度和电弧截面等因素有关。电弧中的电场强度越弱，电弧温度越低，电弧截面越小，带电质点的复合越强。

（2）扩散。扩散是指电弧中的带电质点向周围介质扩散开去，因而减少了弧柱中带电质点的数目。扩散也与电弧截面有关，电弧截面越小，离子扩散就越强。

2.1.2 灭弧的物理特性

交流电弧的基本特性有以下两点。

（1）伏安特性。交流电弧电流每半个周期要过零值一次，电流过零值时，电弧自行暂时熄灭，电流反向时电弧重燃，其伏安特性如图2.1.1所示。图中，UA为燃弧电压，UB为熄弧电压，熄弧电压低于燃弧电压。电弧自行过零瞬间，弧隙输入能量为零，电弧温度急剧下降，去游离速度大于游离速度，是熄灭电流电弧的有利时机。但电弧过零后是否重新燃烧，则取决于弧隙中去游离和游离的速度。

如果暂态恢复电压高于弧隙介质强度，将发生弧隙击穿，电弧将会重燃，电路开断失败，称为电击穿；如果暂态恢复电压低于弧隙介质强度，电弧就不会重燃，电路开断成功。如果输入能量大于散失能量，则弧隙游离过程将会胜过去游离过程，电弧就会重燃，称为热击穿；反之，如果散失能量大于输入能量，弧隙温度将继续下降，去游离过程将会胜过游离过程，弧隙将由导电状态向绝缘状态转变，电弧将会熄灭。

图2.1.1 交流电弧的伏安特性

交流电弧熄灭的关键在于造成强烈的去游离条件，使热游离不能维持，便不会发生热击穿；另一方面使弧隙介质强度始终高于暂态恢复电压，便不会发生电击穿，这样电弧电流自行过零后便不会重燃，断路器开断成功。

（2）近阴极特性。电弧的另一个重要特性是在阴极附近很小的区域内有较大的介质强度。在交流电弧过零的瞬间，阴极附近在0.1～1μs的时间内，立即出现150～250V的介质强度。当触头两端外加交流电压小于150V时，电弧将会熄灭。

2.1.3 熄灭交流电弧的基本方法

弧隙间的电弧能否重燃，取决于电流过零时，介质强度恢复和弧隙电压恢复两者竞争的结果。如果加强弧隙的去游离或减小弧隙电压的恢复速度，就可以促使电弧熄灭。现代开关电器中广泛采用的灭弧方法有以下几种。

1.气体或液体吹弧

气体或液体吹弧既能加强对流散热、强烈冷却弧隙，又可部分取代原弧隙间已游离的气体或高温气体。吹弧越强烈，对流散热能力越强，弧隙温度降低得越快，弧隙间的带电质点扩散和复合越迅速，介质强度恢复就越快。

在断路器中，吹弧的方法有横吹和纵吹两种。吹弧介质（气体或油流）沿电弧方向的吹拂，使电弧冷却变细，最后熄灭的方法称为纵吹；横吹时，气流或油流的方向与触头运动方向是垂直的，把电弧拉长，增大电弧的表面积，所以冷却效果更好。有的断路器将纵吹和横吹两种方式结合使用，效果更佳。开关电器吹弧方式如图2.1.2所示。

2.多断口灭弧

高压断路器为了加速电弧熄灭，常将每相制成具有两个或多个串联的断口，使电弧被分割成若干段，如图2.1.3所示。这样，在相同的行程下，多断口的电弧比单断口拉得更长，并且电弧被拉长的速度更快，有利于弧隙介质强度的迅速恢复。此外，由于电源电压加在几个断口上，每个断口上施加的电压降低，即降低弧隙的恢复电压，也有助于熄弧。

图2.1.2 开关电器的吹弧方式

（a）纵吹；（b）横吹；（c）纵横吹

图2.1.3 开关电器的结构图

1—金属栅片；2—电弧；3—触头

110kV以上电压等级的断路器，一般可由相同型号的灭弧室（内有两个断口）串联组成，称为积木式或组合式结构的断路器。例如，用两个具有双断口的110kV的断路器串联，同时对地绝缘再增加一级，构成4个断口的220kV的断路器，这种情况在少油断路器中尤为常见。为使各断口处的电压分配尽可能地均匀，一般在灭弧室外侧（即断口处）并联一个足够大的电容。

3.真空灭弧

真空灭弧的基本原理是设法降低触头间气体的压力（降到133.3×10－4Pa以下），使灭弧室内气体十分稀薄，单位体积内的分子数目极少，则碰撞游离的数量大为减少，同时，弧隙对周围真空空间而言具有很高的离子浓度差，带电质点极易从弧隙中向外扩散，所以真空空间具有较高介质强度的恢复速度。一般在电流第一次过零时，电弧即可熄灭而不再重燃。在有电感的电路中，电弧的急剧熄灭会产生截流过电压，这是特别需要注意的。

4.特殊介质灭弧

六氟化硫（SF6）气体是一种人工合成气体。它具有强电负性，易俘获电子形成低活性的负离子，该负离子的运动速度要慢得多，使得去游离的几率增加。弧隙介质强度恢复过程极快，其灭弧能力相当于同等条件下空气的100倍。所以SF6的这一特性自被发现后，便迅速应用在电力工业中。

5.快速拉长电弧

快速拉长电弧，可使电弧的长度和表面积增大，有利于冷却电弧和带电质点的扩散，去游离作用增强，加快介质强度的恢复。断路器中常采用强力的分闸弹簧，就是为了提高触头的分离速度以快速拉长电弧。在低压开关中，这更是主要的灭弧手段。

6.特殊金属材料作为灭弧触头

采用熔点高、导热系数大、耐高温的金属材料作成灭弧触头，可减少游离过程中的金属蒸气，抑制游离作用。

7.并联电阻

在大容量高压断路器中，常采用弧隙并联电阻的方法来促进灭弧，并联电阻的作用为：①断路器触头两端并联小电阻可抑制电弧燃烧及自行熄弧后恢复电压的变化，有利于电弧的熄灭；②多断口断路器触头上并联大电阻可使断口之间电压分布均匀，充分发挥各断口作用。

8.其他措施

基于交流电弧熄灭的基本原理，还可以在开关电器灭弧过程中采用固体介质狭缝灭弧，以及加快断路器触头分离速度等众多措施。

在现代开关电器中，常常结合具体的开断电路特点将上述措施综合加以利用，可以达到迅速熄灭电弧的目的。