電弧

電弧簡介

　　電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，電流通過某些絕緣介質(zhì)（例如空氣）所產(chǎn)生的瞬間火花。電弧是一種自持氣體導(dǎo)電（電離氣體中的電傳導(dǎo)），其大多數(shù)載流子為一次電子發(fā)射所產(chǎn)生的電子［1］ 。觸頭金屬表面因一次電子發(fā)射（熱離子發(fā)射、場致發(fā)射或光電發(fā)射）導(dǎo)致電子逸出，間隙中氣體原子或分子會(huì)因電離（碰撞電離、光電離和熱電離）而產(chǎn)生電子和離子。另外，電子或離子轟擊發(fā)射表面又會(huì)引起二次電子發(fā)射。當(dāng)間隙中離子濃度足夠大時(shí)，間隙被電擊穿而發(fā)生電?。?］ 。

電弧百科

　　電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，電流通過某些絕緣介質(zhì)（例如空氣）所產(chǎn)生的瞬間火花。電弧是一種自持氣體導(dǎo)電（電離氣體中的電傳導(dǎo)），其大多數(shù)載流子為一次電子發(fā)射所產(chǎn)生的電子［1］ 。觸頭金屬表面因一次電子發(fā)射（熱離子發(fā)射、場致發(fā)射或光電發(fā)射）導(dǎo)致電子逸出，間隙中氣體原子或分子會(huì)因電離（碰撞電離、光電離和熱電離）而產(chǎn)生電子和離子。另外，電子或離子轟擊發(fā)射表面又會(huì)引起二次電子發(fā)射。當(dāng)間隙中離子濃度足夠大時(shí)，間隙被電擊穿而發(fā)生電?。?］ 。

　　開關(guān)電器的基本功能就是能夠在所要求的短時(shí)間內(nèi)分合電路，即起所謂開關(guān)的作用，機(jī)械式開關(guān)設(shè)備是用觸頭來開斷電路電流的，在大氣中開斷電路時(shí)，只要電壓超過12—20V，被開斷的電流超過0.25—1A，在觸頭間隙（也稱弧隙）中通常產(chǎn)生一團(tuán)溫度極高、發(fā)出強(qiáng)光且能夠?qū)щ姷慕茍A柱形的氣體，這就是電弧［2］ 。一直到電弧熄滅，觸頭間隙成為絕緣介質(zhì)后，電流才被開斷。發(fā)生在開關(guān)設(shè)備中的電弧簡稱為開關(guān)電弧。這種開關(guān)電弧現(xiàn)象，也即電弧燃燒和熄滅過程是開關(guān)電器最重要的內(nèi)容。開關(guān)電弧是等離子體的一種形式，屬低溫等離子體。開關(guān)電器中電弧的熄滅就是要積極地利用電弧等離子體的溫度控制來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于高電壓大電流電路來說、只有產(chǎn)生電弧、才能實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧等離子體的溫度控制。對(duì)于開關(guān)電器而言，希望它反有如下特件［3］ ；（1）電導(dǎo)率的變化范圍盡可能大，即要在導(dǎo)體與完全絕緣體之間變化；（2）電導(dǎo)率的變化速度盡可能快。前一項(xiàng)特性在本質(zhì)上決定于等離子體的材料，因此，引進(jìn)新的滅弧介質(zhì)是取得技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。后一項(xiàng)特性雖然也在較大程度上決定于等離子體的材料，但更易于受到等離子體控制方法的影響，作為開關(guān)電器核心部分的滅弧室的作用正在于對(duì)電弧等離子體的控制，加速其電導(dǎo)率的變化。

　　電弧放電

　　電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，也是一種等離子體。等離子體是與固體、液體、氣體并列的物質(zhì)第四態(tài)。以50000K為界，等離子體可分為高溫等離子體和低溫等離子體兩大類，電弧屬于后者。實(shí)際上，宇宙中約90%的物質(zhì)都是等離子體。等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)

　　等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)開關(guān)電弧是電弧等離子體的一種。開關(guān)電弧的主要外部特征有［2］ ：（1）電弧是強(qiáng)功率的放電現(xiàn)象 在開斷幾十千安短路電流時(shí)，以焦耳熱形式發(fā)出的功率可達(dá)l0000kW。與此有關(guān)，電弧可具有上萬攝氏度或更高的溫度及強(qiáng)輻射，在電弧區(qū)的任何固體、液體或氣體在電弧作用下都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的物理及化學(xué)變化。在有的開關(guān)中．電弧燃燒時(shí)間比正常情況只多一二十毫秒，開關(guān)就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)龘p甚至爆炸。在用滅弧能力很弱的隔離開關(guān)開斷負(fù)荷電路時(shí)（屬于誤操作），電弧能使操作者大面積燒傷。（2）電弧是一種自持放電現(xiàn)象 不用很高的電壓就能維持相當(dāng)長的電弧穩(wěn)定燃燒而不熄滅。如在大氣中，每厘米長電弧的維持電壓只有15V左右。在大氣中，在100kV電壓下開斷僅5A的電流時(shí)，電弧長度可達(dá)7m。電流更大時(shí)，可達(dá)30m。因此，單純采用拉長電弧來熄滅電弧的方法是不可取的。（3）電弧是等離子體，質(zhì)量極輕、極容易改變形狀 電弧區(qū)內(nèi)氣體的流動(dòng)，包括自然對(duì)流以及外界甚至電弧電流本身產(chǎn)生的磁場都會(huì)使電弧受力，改變形狀，有的時(shí)候運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)每秒幾百米。設(shè)計(jì)人員可以利用這一特點(diǎn)來快速熄弧并預(yù)防電弧的不利影響及破壞作用。兩個(gè)電極在一定電壓下由氣態(tài)帶電粒子，如電子或離子，維持導(dǎo)電的現(xiàn)象。激發(fā)試樣產(chǎn)生光譜。電弧放電主要發(fā)射原子譜線，是發(fā)射光譜分析常用的激發(fā)光源。通常分為直流電弧放電和交流電弧放電兩種。氣體放電中最強(qiáng)烈的一種自持放電。當(dāng)電源提供較大功率的電能時(shí)，若極間電壓不高（約幾十伏），兩極間氣體或金屬蒸氣中可持續(xù)通過較強(qiáng)的電流（幾安至幾十安），并發(fā)出強(qiáng)烈的光輝，產(chǎn)生高溫（幾千至上萬度），這就是電弧放電。電弧是一種常見的熱等離子體（見等離子體應(yīng)用）。電弧放電最顯著的外觀特征是明亮的弧光柱和電極斑點(diǎn)。電弧的重要特點(diǎn)是電流增大時(shí)，極間電壓下降，弧柱電位梯度也低，每厘米長電弧電壓降通常不過幾百伏，有時(shí)在1伏以下?；≈碾娏髅芏群芨?，每平方厘米可達(dá)幾千安，極斑上的電流密度更高。電弧放電可分為 3個(gè)區(qū)域：陰極區(qū)、弧柱和陽極區(qū)。其導(dǎo)電的機(jī)理是：陰極依靠場致電子發(fā)射和熱電子發(fā)射效應(yīng)發(fā)射電子；弧柱依靠其中粒子熱運(yùn)動(dòng)相互碰撞產(chǎn)生自由電子及正離子，呈現(xiàn)導(dǎo)電性，這種電離過程稱為熱電離；陽極起收集電子等作用，對(duì)電弧過程影響常較小。在弧柱中，與熱電離作用相反，電子與正離子會(huì)因復(fù)合而成為中性粒子或擴(kuò)散到弧柱外，這一現(xiàn)象稱為去電離。在穩(wěn)定電弧放電中，電離速度與去電離速度相同，形成電離平衡。此時(shí)弧柱中的平衡狀態(tài)可用薩哈公式描述。能量平衡是描述電弧放電現(xiàn)象的又一重要定律。能量的產(chǎn)生是電弧的焦耳熱，能量的發(fā)散則通過輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)三種途徑。改變散熱條件可使電弧參數(shù)改變，并影響放電的穩(wěn)定性。電弧通?？煞譃殚L弧和短弧兩類。長弧中弧柱起重要作用。短弧長度在幾毫米以下，陰極區(qū)和陽極區(qū)起主要作用。根據(jù)電弧所處的介質(zhì)不同又分為氣中電弧和真空電弧兩種。液體（油或水）中的電弧實(shí)際在氣泡中放電，也屬于氣中電弧。真空電弧實(shí)際是在稀薄的電極材料蒸氣中放電。這二種電弧的特性有較大差別。電弧是一束高溫電離氣體， 在外力作用下， 如氣流，外界磁場甚至電弧本身產(chǎn)生的磁場作用下會(huì)迅速移動(dòng)（每秒可達(dá)幾百米），拉長、卷曲形成十分復(fù)雜的形狀。電弧在電極上的孳生點(diǎn)也會(huì)快速移動(dòng)或跳動(dòng)。在電力系統(tǒng)中，開關(guān)分?jǐn)嚯娐窌r(shí)會(huì)出現(xiàn)電弧放電。由于電弧弧柱的電位梯度小，如大氣中幾百安以上電弧電位梯度只有15伏/厘米左右。在大氣中開關(guān)分?jǐn)?00千伏5安電路時(shí)，電弧長度超過7米。電流再大，電弧長度可達(dá)30米。因此要求高壓開關(guān)能夠迅速地在很小的封閉容器內(nèi)使電弧熄滅，為此，專門設(shè)計(jì)出各種各樣的滅弧室。滅弧室的基本類型有：①采用六氟化硫、真空和油等介質(zhì)；②采用氣吹、磁吹等方式快速從電弧中導(dǎo)出能量；③迅速拉長電弧等。直流電弧要比交流電弧難以熄滅。電弧放電可用于焊接、冶煉、照明、噴涂等。這些場合主要是利用電弧的高溫、高能量密度、易控制等特點(diǎn)。在這些應(yīng)用中，都需使電弧穩(wěn)定放電。目前的電子產(chǎn)品，如等離子電視、等離子顯示器其顯示原理也是依賴電弧放電。電弧不單單只是對(duì)人有壞處，某些大型舞臺(tái)的燈光師利用電弧放電原理而制造成七彩斑斕的電弧花，以滿足人們對(duì)于電弧的稀奇。電弧具有超強(qiáng)的電力，能瞬間使心臟停跳，所以，利用電弧而工作的人們需要小心。

　　電弧的組成部分

　　電弧通常分為三個(gè)區(qū)域：陰極區(qū)、弧柱區(qū)、陽極區(qū)［5］

　　電弧的組成部分

　　陰極和陰極區(qū)電弧中的電流從微觀上看是電子及正離子在電場作用下移動(dòng)的結(jié)果，其中電子的移動(dòng)構(gòu)成電流的主要部分。陰極的作用是發(fā)射大量電子，在電場的作用下趨向陽極方向從而構(gòu)成陰極區(qū)的電流。電弧的陰極區(qū)對(duì)電弧的發(fā)生和物理過程具有重要的意義，形成電弧放電的大部分電子是在陰極區(qū)產(chǎn)生或由陰極本身發(fā)射的。電弧放電時(shí)，實(shí)際上并不是整個(gè)陰極全部參加放電過程，陰極表面的放電只集中在幾個(gè)很小的區(qū)域，這個(gè)小區(qū)域稱為陰極斑點(diǎn)，它是一個(gè)非常集中，面積很小的光亮區(qū)域，其電流密度很大．是電弧放電中強(qiáng)大電子流的來源。陰極發(fā)射電子的機(jī)制有兩種：熱發(fā)射和場致發(fā)射。

　　弧柱陰極表面電于發(fā)射只形成陰極區(qū)的電流，弧柱部分導(dǎo)電需要在弧柱區(qū)域也能出現(xiàn)大量自由電子，這就需要使弧柱區(qū)的氣體原子游離。氣體原子游離的方式通常有電場游離和熱游離兩種。與可逆化學(xué)反應(yīng)相似。在電弧中一方面由于熱游離使得正離子與電子不斷增多。同時(shí)也存在去游離的作用，使正離子和電子減少。去游離包括復(fù)合和擴(kuò)散兩種方式?；≈奶匦院臀锢磉^程對(duì)電弧起著重要的作用。開關(guān)電弧中主要研究的就是弧柱的特性。

　　陽極和陽極區(qū)可把陽極分為被動(dòng)型和主動(dòng)型兩種。在被動(dòng)型中。陽極只起收集電子的作用。在主動(dòng)型中，陽極不但收集電子而且產(chǎn)生金屬蒸氣，因而也可以向弧柱提供帶電粒子。陽極表面也存在陽極斑點(diǎn)。上述三個(gè)區(qū)域?qū)﹄娀〉淖饔靡螂娀〉那闆r不同而不同。對(duì)于長度只有幾個(gè)毫米的電弧。電弧電壓主要由陰極區(qū)壓降和陽極區(qū)壓降組成，其中的物理過程對(duì)電弧起主要作用。這種電弧稱為短弧。而對(duì)于長度較大的電弧，弧柱則起主要作用，陰極、陽極的過程不起主要作用甚至可以忽略，這種電弧稱為長弧。在開關(guān)中的電弧一般屬于長弧。

　　電弧發(fā)生的條件

　　1、電路開斷時(shí)電弧的發(fā)生［6］ 在觸頭開始分離時(shí)．作用在它們之間的接觸壓力將減少，接觸面積也縮小，接觸電阻和觸頭中放出的熱量就增加。熱量集中在很小的體積中，金屬被加熱到高溫而熔化。在觸頭之間形成液態(tài)金屬橋，最后金屬橋被拉開，在觸頭之間形成過渡的或穩(wěn)定的電弧。如果放電是穩(wěn)定的，就是所謂的開斷電弧。放電穩(wěn)定性與很多因素有關(guān)，如在開斷的的電流、觸頭電路的特性、觸頭分離的速度等。為了使電弧點(diǎn)燃，某一最低電流值是必需的。2、觸頭閉合時(shí)電弧的發(fā)生3、真空和氣體間隙的擊穿4、從輝光放電到電弧放電的轉(zhuǎn)變5、從火花放電到電弧放電的轉(zhuǎn)變。

　　如何避免電弧的產(chǎn)生

　　要消除電弧，只能從電弧產(chǎn)生的原因方面去想辦法。

　　我們來看巴申曲線：

　　曲線中的擊穿電壓Ujc存在最小值Ujc.min，并且從Ujc.min的左側(cè)和右側(cè)開始，隨著pl（壓強(qiáng)與弧隙寬度的乘積）變小或者變大，擊穿電壓Ujc會(huì)變大。

　　因此在工程上，我們?cè)陂_關(guān)觸頭所在的空間中采取抽真空，或者加入高壓的SF6氣體，都能有效地抑制電弧。

　　看下圖的真空滅弧室和真空斷路器：

　　在看下圖的GIS復(fù)合開關(guān)：

　　除此之外，用電力電子的方法來消除電弧，也是很常用的方法。例如晶閘管及其控制電路：

　　不過，電弧有的時(shí)候也并非沒用。我們甚至還可以利用電弧的某種效應(yīng)來抑制電弧，這就是低壓電器中的近陰極效應(yīng)。

　　上圖中，原本左邊是陽極，右邊是陰極。我們看到，電弧中的正離子從陽極出發(fā)射向陰極，并在陰極附近產(chǎn)生一定程度的堆積。

　　再看下圖：當(dāng)交流電流方向換向后，左側(cè)的陽極變成新陰極，但陽離子相對(duì)電子來說其體積大質(zhì)量大跑不快，仍然滯留在新陰極附近，使得新陰極發(fā)射電子的功能受阻。這種效應(yīng)叫做近陰極效應(yīng)。

　　近陰極效應(yīng)能有效地阻止短弧電弧的重燃，對(duì)電弧電流起到限流作用，因此是低壓開關(guān)電器中廣泛使用的熄弧方法。

　　總之，如何抑制電弧和熄滅電弧，是很有知識(shí)含量和技術(shù)含量的，是一項(xiàng)非常綜合的技術(shù)范疇，值得我們?nèi)ヌ接懞脱芯俊?/p>