轉(zhuǎn)轍機接點電弧的產(chǎn)生及影響

梅積剛

(西安鐵路信號有限責(zé)任公司，西安 710100)

1 電弧的產(chǎn)生

在開斷電路中，閉合的接點在剛分離時，突然解除了接觸壓力，陰極表面立即出現(xiàn)高溫炙熱點，產(chǎn)生熱電子發(fā)射。由于此時接點的間隙很小，使得電場強度很高，產(chǎn)生強電場發(fā)射。從陰極表面逸出的電子在強電場作用下，加速向陽極運動，產(chǎn)生游離碰撞，導(dǎo)致接點間隙中帶電質(zhì)點急劇增加，溫度驟然升高，產(chǎn)生熱游離并且成為游離的主要因素，此時在外加電壓作用下，間隙被擊穿，形成開斷電弧。開斷電弧由等離子柱和它兩側(cè)的電位降區(qū)（陰極電位降區(qū)和陽極電位降區(qū)）及其過渡區(qū)組成，理想電弧及各區(qū)域電壓降分布（UAF陽極電位降，UKF陰極電位降，US弧柱電壓）如圖1 所示。

圖1 電弧Fig.1 Arc

在大氣中開斷電路時，只要電壓超過20 V，被開斷的電流超過1 A，在電氣接點間就會產(chǎn)生電弧。產(chǎn)生電弧的最小電流如果小于一定數(shù)值，則開斷時只能產(chǎn)生為時極短的弧光放電—通常稱為電火花。

2 轉(zhuǎn)轍機接點功能

轉(zhuǎn)轍機的接點系統(tǒng)主要起控制轉(zhuǎn)轍機動作和轉(zhuǎn)換到位后接通表示的功能。在轉(zhuǎn)轍機需要轉(zhuǎn)換時，通過部分接點的閉合接通轉(zhuǎn)轍機的動作電路；在轉(zhuǎn)轍機轉(zhuǎn)換到位后，接點斷開動作電路，通過另一部分接點的閉合，接通轉(zhuǎn)轍機的表示電路。在轉(zhuǎn)轍機的動作電路中，交流轉(zhuǎn)轍機的工作電壓為三相380 V，工作電流約1.5 A。在轉(zhuǎn)轍機斷開動作電路時，其電壓和電流滿足電弧產(chǎn)生的條件，因此在斷開動作電路的過程中，必然會產(chǎn)生電弧。在直流轉(zhuǎn)轍機的現(xiàn)場使用過程中，由于直流轉(zhuǎn)轍機的工作特性，負(fù)載越小，其工作電流越小，在道岔工務(wù)狀態(tài)良好時，部分轉(zhuǎn)轍機的工作電流約1 A，有的甚至更小，約0.6 ～1.0 A，因此目前直流轉(zhuǎn)轍機的電弧不明顯，影響也較小。

在指示轉(zhuǎn)轍機及道岔位置的表示電路中，閉合回路的供電電壓較低，電路中的電流也小，對閉合接點的接觸狀態(tài)及接觸電阻要求較高。轉(zhuǎn)轍機接點在閉合和開斷的過程中，均有一定的掃程。

3 交流電弧的特性

在交流電路中，電流每經(jīng)過半波后就過零并交換極性。當(dāng)電流流經(jīng)開斷電弧時，弧柱中的等離子體溫度隨電流瞬時值的變化在時間上之后某個相位角。

圖2 接點開距對滅弧的影響，表述了接點開距δ與時間t的關(guān)系。圖2 的a）為接點開距，若接點的斷開在t0時刻，電流波形如圖2 b）（電流t2過0 波形圖）所示，電流第一次過零是在t2時刻，接點開距達(dá)到δ2，它能耐住上升到恢復(fù)電壓瞬時值的瞬態(tài)電壓。當(dāng)電流波形如圖2 c）（電流t1過0 波形圖）所示時，電流第一次過零是在時刻t1，此時接點的開距δ1不夠大，以致于出現(xiàn)電弧重燃，一直持續(xù)到電流第二次改變極性的時刻t3為止。

為使電弧對接點材料和絕緣材料的燒損降低到最小限度，需力求將燃弧時間限制在電流半個周波內(nèi)。為了達(dá)到這個要求，動接點就必須加速動作，使接點在電弧電流過零時的開距足以耐住回復(fù)電壓。

圖2 接點開距對滅弧的影響Fig.2 Influence of contact interrupting on arc

4 電弧對接點的影響

在斷開轉(zhuǎn)轍機動作電路的過程中，由于電弧的產(chǎn)生，電流還可通過正在分離的接點之間的電弧繼續(xù)流通，降低開斷電路的電氣間隙，降低開斷電路的可靠性。同時，接點開斷時產(chǎn)生的高溫電弧，對動接點環(huán)產(chǎn)生電弧燒蝕，高溫電弧會熔解空氣中的混合物質(zhì)，在接點的表面產(chǎn)生附著物，影響接點關(guān)合電路的接通。

導(dǎo)電金屬在空氣中會形成氧化膜，而當(dāng)空氣被硫或氯或這些元素的化合物（例如SO2和H2S）污染時，在金屬表面也會形成硫化膜和氯化膜。除了氧化物、硫化物和氯化物外，由于接點材料與其他各種各樣的有機物發(fā)生反應(yīng)，接點上會沉積一層薄膜。

根據(jù)現(xiàn)有轉(zhuǎn)轍機接點所用材料，接點中主要元素形成的表面膜有以下幾種。

銅：在200 ℃以下的溫度范圍內(nèi)，暴露在空氣中的銅表面主要形成Cu2O 表面膜，厚度約在10 ～1000 nm，在200 ℃～400 ℃范圍內(nèi)，還會附加一層CuO。大于400 ℃時，完全轉(zhuǎn)化成CuO，這種表面膜電導(dǎo)率很小，不利于接點的接通。

鋁：暴露在空氣中的鋁會很快形成薄的AL2O膜，在常溫條件下增長緩慢，氧化膜能耐高溫，電氣絕緣強度好、機械強度都相當(dāng)高，在潮濕的空氣中，表面膜會加厚。

鎳：鎳在常溫的干燥空氣中，表面會形成極薄的機械性能牢固的表面膜，致使鎳僅受到H2S 的輕微侵蝕。

在開斷過程中，電弧的短時高溫，會促使表面膜的形成。而電弧的高溫在一定范圍內(nèi)，又能擊穿表面膜，起著清潔的作用。從弧根到接點的邊緣區(qū)，溫度會逐漸下降，因此金屬—氣體的各種化合物都會獲得穩(wěn)定區(qū)域，如這些區(qū)域相互重疊，就會形成很難分解的混合物或者產(chǎn)生化學(xué)特性完全不同的呈熔融玻璃狀的絕緣絡(luò)合物。因此接點表面的燒蝕及接點上產(chǎn)生的表面膜會影響電路的接通，在表示系統(tǒng)中的影響更大。

5 制約電弧的方法

閉合接點在分離的過程中形成的電弧，在接點開距達(dá)到“最小電弧長度”后，可通過磁場、人工氣流或液流使其弧根離開起弧點。從熔融橋最后斷裂到最小電弧長度形成的時間間隔為電弧的滯留時間，電弧的最小長度，與接點形狀和材質(zhì)、周圍介質(zhì)、吹弧磁場強弱以及氣流或液流吹弧效力等有關(guān)。因此制約電弧通常采用以下方法。

1）采用特殊金屬材料制作接點

電弧中的去游離強度很大程度上取決于接點材料。若采用熔點高，導(dǎo)熱系數(shù)好熱容量大的耐高溫金屬作為接點材料，可以減少熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸氣，抑制游離作用。同時，接點材料還要求有較高的抗電弧、抗熔焊能力。

2）利用滅弧介質(zhì)

電弧中的去游離強度很大程度上取決于電弧周圍介質(zhì)的特性。如介質(zhì)的傳熱能力、介電強度、熱游離溫度和熱容量。這些參數(shù)的數(shù)值越大，則去游離作用越強，電弧就越容易熄滅。常用的滅弧介質(zhì)有空氣、油（變壓器油或斷路器油），六氟化硫SF6、真空等介質(zhì)。

3）利用氣體或油吹動電弧

電弧在氣體或油流中被強烈地冷卻而使復(fù)合加強，吹弧也有利于帶電粒子的擴散，在空間允許的情況下，可制作不同結(jié)構(gòu)的滅弧室，使氣體或油產(chǎn)生較大的壓力吹向電弧，使電弧熄滅。

4）利用多斷口滅弧

將斷路器制作成多個串聯(lián)的斷口，把電弧分割成很多小電弧段，在相等的接點行程下，多斷口比單斷口的電弧更長，從而增大弧隙電阻，電弧被拉長的速度（即接點分離速度）也增加，加速弧隙電阻的增大；同時也增大介質(zhì)強度的恢復(fù)速度。

5）拉長電弧并增大接點的分離速度

迅速拉長電弧，可使弧隙的電場強度驟降，同時，弧隙的表面積突然增大，有利于電弧的冷卻和帶電質(zhì)點向周圍擴散，使熱游離作用減弱，加強離子的復(fù)合速度，從而加速電弧的熄滅。

6 減小電弧對轉(zhuǎn)轍機接點的影響的措施

針對轉(zhuǎn)轍機的應(yīng)用環(huán)境，轉(zhuǎn)轍機接點的結(jié)構(gòu)及機內(nèi)空間，可采用以下幾種方法來減小電弧對接點的影響。

改進接點材質(zhì)。基于接點接觸壓力和接點機械壽命的要求，既有轉(zhuǎn)轍機的靜接點采用鈹青銅材質(zhì)，動接點采用鋁青銅材質(zhì)。為減小電弧對接點的影響，動接點可采用導(dǎo)電性好、熔點高、導(dǎo)熱系數(shù)好、熱容量大的耐高溫金屬作為接點材料，如銅鎢合金或鈹鈷銅合金。

在轉(zhuǎn)轍機接點系統(tǒng)中，提高驅(qū)動動接點轉(zhuǎn)換的彈簧的拉力，使動接點更快速地與靜接點分離，動、靜接點的開距迅速變大，使電弧的燃燒時間縮短，以減輕電弧對接點的影響。

改變接點的局部結(jié)構(gòu)，減小電弧對接點電路的影響。針對轉(zhuǎn)轍機接點的斷開和接通均具有一定掃程的特點，改進接點的局部結(jié)構(gòu)，使開斷動作電路產(chǎn)生的電弧的影響區(qū)不參與表示電路的接通。