試析電力開(kāi)關(guān)中電弧的產(chǎn)生機(jī)理

唐玉龍

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昭通供電局，云南 昭通657000）

電力開(kāi)關(guān)具有十分廣泛的應(yīng)用范圍。在開(kāi)關(guān)電器觸頭接通過(guò)程中開(kāi)關(guān)觸頭與觸頭將發(fā)生電弧，生成電弧能量，帶來(lái)非常高的溫度，會(huì)損壞到電氣觸頭，當(dāng)電弧持續(xù)過(guò)久，會(huì)使得電器損毀，繼而對(duì)人員安全造成危害。因此，掌握電弧產(chǎn)生的機(jī)理，分析滅弧舉措意義重大，可提高供電的可靠性［1］。

1 電力開(kāi)關(guān)中電弧產(chǎn)生

電弧的產(chǎn)生受電源開(kāi)關(guān)的供電方式影響，有效把控開(kāi)關(guān)供電性能，可以減少電弧發(fā)生。

開(kāi)關(guān)的供電方式如下：一類是分布式供電，另一類是集中式供電。由于集中式供電系統(tǒng)容易發(fā)生電弧，會(huì)造成電源故障，使得集中式供電系統(tǒng)發(fā)生崩潰，而分布式供電整體系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)于嚴(yán)重的電弧威脅。相比負(fù)載，分布式供電系統(tǒng)的供電單元更近，同時(shí)損耗少，安全性十分突出。所以，采取有效舉措可規(guī)避電弧造成的損害。

電路形式不同，電源開(kāi)關(guān)會(huì)發(fā)生有差別的電弧，如，通常開(kāi)關(guān)電源包括雙單端正激式、全橋式等，以上形式均會(huì)形成單向偏磁飽和，使得開(kāi)關(guān)管遭受破壞，偶爾形成有差別的低壓，形成電弧。為此，采取脈寬調(diào)制是非常不錯(cuò)的舉措。由于相比普通的電壓控制，中小功率的電源有著不同的特征，不會(huì)由于過(guò)流而毀壞開(kāi)關(guān)管，有效保護(hù)了短路；環(huán)路穩(wěn)定，易于補(bǔ)償；紋波小。

2 電力開(kāi)關(guān)中電弧產(chǎn)生的機(jī)理

電弧產(chǎn)生機(jī)理是電力開(kāi)關(guān)觸頭閉合短時(shí)釋放自由電子，但游離電子逐步碰撞，促使觸點(diǎn)與觸點(diǎn)生成導(dǎo)電性，釋放出電力，形成電弧。

2.1 電力開(kāi)關(guān)觸頭瞬間釋放自由電子

人們能迅速操作設(shè)備開(kāi)關(guān)，電弧發(fā)生概率小，而部分人對(duì)機(jī)器開(kāi)關(guān)進(jìn)行操作時(shí)，因?yàn)橐恍┰蚴沟盟俣茸兟^而發(fā)生電弧。開(kāi)關(guān)觸頭開(kāi)始分離過(guò)程中觸頭與觸頭之間的距離并不大，且觸頭與觸頭在電壓影響下形成1個(gè)電場(chǎng)，同時(shí)具有非常強(qiáng)的強(qiáng)度，為此，產(chǎn)生大量自由電子，促使電弧的形成。從相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)觸頭與觸頭電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，使得開(kāi)關(guān)失靈。此外，如果開(kāi)關(guān)觸頭發(fā)生分離，它的電阻在接觸面積影響之下，形成非常多的熱量，繼而使得局部溫度在短時(shí)間內(nèi)上升。此時(shí)電子因?yàn)楦邷氐挠绊懚a(chǎn)生得越來(lái)越多，最終導(dǎo)致許多電子出現(xiàn)在觸頭與觸頭之間。

2.2 游離電子碰撞而引起電弧

如果電子被釋放出，它會(huì)在觸頭與觸頭之間進(jìn)行徘徊，同時(shí)遭受非常高強(qiáng)度電場(chǎng)的影響，促使運(yùn)行速度變快，為此，上述自由電子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，往往會(huì)碰撞中性氣體屬性的空氣質(zhì)點(diǎn)，產(chǎn)生摩擦作用。且正離子和自由電子接觸質(zhì)點(diǎn)時(shí)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，速度不斷增大，最終導(dǎo)致質(zhì)點(diǎn)數(shù)目不斷增多，對(duì)觸點(diǎn)實(shí)施包圍，最終把電子氣體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂休^多能量的電弧，繼而釀成事故。

3 電力開(kāi)關(guān)中滅弧的措施

結(jié)合實(shí)際合理有效的滅弧舉措如下。

3.1 運(yùn)用結(jié)構(gòu)改變熄弧

運(yùn)用隔板，分隔開(kāi)關(guān)設(shè)備，形成許多空間，以達(dá)到減少電弧發(fā)生情況。各種形式的柵片較大程度上影響到電場(chǎng)分布，其最大電場(chǎng)強(qiáng)度存在非常大的不同。柵片長(zhǎng)度一樣，同時(shí)進(jìn)行平行擺放，在動(dòng)觸頭與柵片具有最為密集的等位線，在該區(qū)域內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值，同時(shí)該結(jié)果下的電場(chǎng)分布十分不均衡。把柵片變成各種長(zhǎng)度，可讓等位線具有非常好的密集程度，讓電場(chǎng)分布均勻化。上述兩類結(jié)構(gòu)并無(wú)明顯不同的最大電場(chǎng)強(qiáng)度值，位置有所改變，在動(dòng)觸頭與十分靠近的柵片中間電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大數(shù)值。如果柵片被豎直擺放，最大場(chǎng)強(qiáng)點(diǎn)被移至觸頭與觸頭中間，因?yàn)樨Q直擺放柵片，觸頭滅弧范圍內(nèi)電場(chǎng)均勻化分布，受恢復(fù)電壓電場(chǎng)的影響，電弧具有最低的重燃率數(shù)值，能夠在最短的時(shí)間內(nèi)燃?。?］。

自能式滅弧，即充分運(yùn)用電弧能量，讓滅弧室構(gòu)建一定的壓力，滿足氣吹熄弧需要，所以無(wú)需操作機(jī)構(gòu)給予過(guò)大的壓縮功，使斷路器獲得非常突出的機(jī)械可靠性。為讓斷路器開(kāi)斷大小電流獲得較高的性能和非常高的斷口電壓，人們給予的滅弧方式融合了熱膨脹和磁旋弧，它的工作原理為，當(dāng)電流處于開(kāi)斷狀態(tài)時(shí)，膨脹室中的電弧燃燒，一些電弧能量對(duì)四周氣體進(jìn)行加熱，促使膨脹室中氣壓變得越來(lái)越大，如果動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)至噴口打開(kāi)時(shí)，氣流流出，至膨脹室外部，將非常強(qiáng)大的氣吹施加給電弧，同時(shí)在電流過(guò)零過(guò)程中熄滅電弧。這種自能式斷路器在熄弧上無(wú)需太大操作功率，綜合體積不大，備受研發(fā)者的關(guān)注。

3.2 運(yùn)用滅弧介質(zhì)滅弧

滅弧介質(zhì)滅弧也被稱之為吹弧，將油或氣體用作滅弧介質(zhì)，在滅弧室環(huán)境中，對(duì)已形成的電弧實(shí)施吹動(dòng)處理，采用弧區(qū)之外比較新鮮且溫度十分低的介質(zhì)，達(dá)到吹滅電弧的效果，會(huì)發(fā)揮必要的熄滅電弧的功能。首先，使用此種方法，可吹散電弧中許多正負(fù)離子，把其吹至開(kāi)關(guān)觸頭間隙外部，且于觸頭與觸頭中生成具有較高絕緣性能的新鮮介質(zhì)；其次，它可以短時(shí)間降低觸頭與觸頭之間的溫度，避免觸頭與觸頭之間不斷進(jìn)行熱游離，顯著增強(qiáng)了觸頭與觸頭的介質(zhì)強(qiáng)度，使吹散的離子有效接觸冷介質(zhì)，促使復(fù)合流程的推進(jìn)。

開(kāi)關(guān)電源中預(yù)防電弧的手段有：

（1）進(jìn)行防潮處理。電子元件外部處于潮濕環(huán)境中，會(huì)沾上一層水膜，如果水膜厚度接近某一數(shù)值時(shí)，將形成電解質(zhì)膜，這種物質(zhì)是化學(xué)腐蝕所需要的，該電解質(zhì)中存有鹽分，嚴(yán)重腐蝕金屬外部，所以需進(jìn)行防潮，搞好防鹽霧工作。

（2）進(jìn)行密封處理。處于大氣環(huán)境中的元件，禁止使用凹陷結(jié)構(gòu)，避免積水而造成腐蝕。濕熱環(huán)境的存在，為霉菌的生存及繁殖提供了良好的條件，霉菌將有機(jī)物作為養(yǎng)料，把水分吸附進(jìn)來(lái)，形成有機(jī)酸，繼而會(huì)對(duì)絕緣層構(gòu)成腐蝕，導(dǎo)致電路發(fā)生短路情況。所以，不得使用易霉制品，如麻、棉等一些物品。如果所處地區(qū)比較潮濕，一定要予以三防設(shè)計(jì)。

（3）真空滅弧。相比普通油介質(zhì)與一般氣體，真空具有非常強(qiáng)的絕緣強(qiáng)度，如果真空度趨于10－2～10－4Pa時(shí)，它的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度在100 kV／mm以上，盡管真空電弧的構(gòu)成包括三個(gè)部分，如等離子區(qū)、陽(yáng)極區(qū)與陰極區(qū)。而其通過(guò)觸頭電極自身蒸發(fā)的金屬蒸氣予以保持，相比四周密度與溫度，真空電弧柱的帶電質(zhì)點(diǎn)非常高，會(huì)生成突出的對(duì)流，使得熾熱帶電質(zhì)點(diǎn)在較短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散至四周，達(dá)到維持電弧的效果。

（4）SF6滅弧。SF6是一種鹵素化合物氣體，沒(méi)有顏色，不能燃燒，具備非常強(qiáng)大的滅弧功能。通過(guò)其實(shí)施滅弧，相比空氣分解溫度，SF6具有較低的分解溫度，不但依賴氣流壓力梯度產(chǎn)生的等熵冷卻作用，更重要的是借助了SF6氣體自身獨(dú)特的熱化學(xué)性。相比空氣分解，需要更高的分解能量，所以，其在分解過(guò)程中吸收到了非常多的能量，對(duì)弧柱施加比較強(qiáng)大的冷卻作用，SF6與其分解而形成的鹵族原子與分子強(qiáng)有力地吸附到電弧內(nèi)的電子，產(chǎn)生負(fù)離子，相比電子的質(zhì)量，負(fù)離子要大出許多，受電場(chǎng)作用影響，相比電子移動(dòng)速度，負(fù)離子比較小，所以，在電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中極易和正離子復(fù)合，生成中性分子。應(yīng)當(dāng)提出的是，SF6氣體是一種受到束縛的溫室氣體。

3.3 盡可能運(yùn)用多斷口開(kāi)關(guān)

在選取電壓高或電流大的開(kāi)關(guān)時(shí)，最好使各項(xiàng)具有許多開(kāi)斷口，當(dāng)發(fā)生電弧，多斷口的存在增加了電弧總的長(zhǎng)度，所以，使得觸點(diǎn)與觸點(diǎn)的電導(dǎo)率變低。且存在的多個(gè)斷口，縮短了各斷口的行程，有效分離出開(kāi)關(guān)觸頭，也可在非常短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行閉合，降低了電弧發(fā)生概率，即便是發(fā)生電弧，由于能量輸出非常少，介質(zhì)強(qiáng)度可以在非常短的時(shí)間內(nèi)趨于恢復(fù)狀態(tài)，馬上熄滅。

3.4 運(yùn)用近陰極效應(yīng)

低壓開(kāi)關(guān)當(dāng)中普遍使用滅弧柵裝置，由鐵磁材質(zhì)制成的金屬片，短弧柵格觸頭與觸頭發(fā)生電弧后，在電弧電流形成的磁場(chǎng)內(nèi)，鐵磁材質(zhì)的柵片形成電磁力，將電弧弧柱引入柵片內(nèi)，把長(zhǎng)弧化割為成串的短?。?］。設(shè)立n個(gè)數(shù)目的柵片，那么滅弧柵整體起始介質(zhì)強(qiáng)度是150 V～250 V，添加到觸頭與觸頭之間的電壓數(shù)值比上述數(shù)值要小，也就是可有效地滅弧。柵片被制成缺口狀，以預(yù)防電弧弧柱進(jìn)入柵片產(chǎn)生過(guò)大的阻力，迅速燃弧。

3.5 運(yùn)用固體介質(zhì)的狹縫熄弧

該方法一般能夠應(yīng)用在低壓開(kāi)關(guān)，于狹縫當(dāng)中，可利用絕緣性能非常突出的滅弧罩來(lái)達(dá)到滅弧作用，其中，該滅弧罩的構(gòu)成為石棉或水泥。在開(kāi)關(guān)觸頭與觸頭生成電弧，磁吹裝置便會(huì)發(fā)生作用，形成磁場(chǎng)，電弧在磁場(chǎng)影響之下，被置入滅弧罩當(dāng)中，滅弧罩中的狹縫是非常小的，可以達(dá)到拉長(zhǎng)電弧的效果，迫使作用下，電弧接觸滅弧片，冷卻電弧，導(dǎo)致電弧被熄滅。

4 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前發(fā)展中，配置開(kāi)關(guān)的設(shè)備被應(yīng)用到諸多工程建設(shè)中?，F(xiàn)階段許多工程項(xiàng)目因?yàn)椴僮髑啡保劤刹糠职踩鹿?，損壞了部分機(jī)械設(shè)備，甚至給人們生命健康構(gòu)成危害。上述狀況的發(fā)生，與電弧的產(chǎn)生有著直接的聯(lián)系。不同領(lǐng)域的設(shè)備監(jiān)管人員，務(wù)必對(duì)機(jī)械設(shè)備開(kāi)關(guān)保持高度認(rèn)知，使所員工均了解電弧危害，讓他們樹(shù)立強(qiáng)烈的電弧防范意識(shí)，規(guī)避施工危險(xiǎn)，營(yíng)造安全的良好環(huán)境。