滅弧

電弧是氣體放電的一種形式。氣體放電分為自持放電與非自持放電兩類，電弧屬於氣體自持放電中的弧光放電。試驗證明，當在大氣中開斷或閉合電壓超過10V、電流超過0.5A的電路時，在觸頭間隙（或稱弧隙）中會產生一團溫度極高、亮度極強並能導電的氣體，稱為電弧。由於電弧的高溫及強光，它可以廣泛應用於焊接、熔煉、化學合成、強光源及空間技術等方面。對於有觸點電器而言，由於電弧主要產生於觸頭斷開電路時，高溫將燒損觸頭及絕緣，嚴重情況下甚至引起相間短路、電器爆炸，從而釀成火災、危及人員及設備的安全。

若藉助一定的儀器仔細觀察電弧，可以發現，除兩個極（觸頭）外，明顯地分為三個區域，即近陰極區、近陽極區及弧柱區，如下圖所示。

近陰極區的長度約等於電子的平均自由行程（小於10m）。在電場力的作用下正離子向陰極運動，造成此區域內聚集著大量的正離子而形成正的空間電荷層，使陰極附近形成高電場強度（約為10~10V/m）。正的空間電荷層形成陰極壓降，其數值隨陰極材料和氣體介質的不同而有所變化，但變化不大，約在10～20V之間。

近陽極區的長度約等於近陰極區的幾倍。在電場力的作用下自由電子向陽極運動，它們聚集在陽極附近且不斷被陽極吸收而形成電流。在此區域內聚集著大量的電子形成負的空間電荷層，產生陽極壓降，其值也隨陽極材料而異，但變化不大，稍小於陰極壓降。由於近陽極區的長度比近陰極區的長，故其電場強度較小。

陰極壓降與陽極壓降的數值幾乎與電流大小無關，在材料及介質確定后可以認為是常數。

弧柱區的長度幾乎與兩電極間的距離相同。是電弧中溫度最高、亮度最強的區域。因在自由狀態下近似圓柱形，故稱弧柱區。在此區中正、負電粒子數相同，稱等離子區。由於不存在空間電荷，整個弧區的特性類似於一金屬導體。每單位弧柱長度電壓降相等。其電位梯度臣也為一常數，電位梯度與電極材料、電流大小、氣體介質種類和氣壓等因素有關。

觸頭開斷電路時，產生電弧的原因主要有陰極熱發射電子、陰極冷發射電子、碰撞遊離和熱遊離等。

電弧拉長以後，電弧電壓將會增大，從而改變電弧的伏安特性。在直流電弧中，其靜伏安特性上移，電弧可以熄滅；在交流電弧中，由於燃弧電壓的提高，電弧重燃困難。

電弧的拉長可以沿電弧的軸向（縱向）拉長，也可以沿垂直於電弧軸向（橫向）拉長，如下圖所示。

根據縫的寬度與電弧直徑之比可分為窄縫與寬縫。縫的寬度小於電弧直徑的稱窄縫，大於電弧直徑的稱寬縫。根據縫的軸線與電弧軸線間的相對位置關係可分為縱縫與橫縫。縫的軸線和電弧軸線相平行地稱為縱縫，兩者相垂直的則稱為橫縫。

油冷滅弧是將電弧置於液體介質（一般為變壓器油）中，電弧將油氣化、分解而形成油氣。油氣中主要成分是氫，在油中以氣泡的形式包圍電弧。氫氣具有很高的導熱係數，這就使電弧的熱量容易散發。另外，由於存在著溫度差，所以氣泡產生運動，又進一步加強了電弧的冷卻。若要再提高其滅弧效果，可在油箱中加設一定機構，使電弧定向發生運動，這就是油吹滅弧。由於油中的滅弧能力比大氣中滅弧能力強得多，所以這種方法一般用於高壓電器中，如油開關。

氣吹滅弧是利用壓縮空氣來熄滅電弧的。壓縮空氣作用於電弧，可以很好地冷卻電弧、提高電弧區的壓力、很快帶走殘餘的遊離氣體，所以有較高的滅弧性能。按照氣流吹弧的方向，它可以分為橫吹和縱吹兩類。橫吹滅弧裝置的絕緣件結構複雜，電流小時橫吹過強會引起很高的過電壓，故已被淘汰。下圖表示了縱吹（徑向吹）的一種形式。壓縮空氣沿電弧徑向吹入，然後通過動觸頭的噴口、內孔向大氣排出，電弧的弧根能很快被吹離觸頭表面因而觸頭接觸表面不易燒損。因為壓縮空氣的壓力與電弧本身無關，所以使用氣吹滅弧時要注意熄滅小電流電弧時容易引起過電壓。由於氣吹滅弧的滅弧能力較強，故一般運用在高壓電器中，如韶山系列電力機車的空氣斷路器（主斷路器）。

橫向金屬柵片又稱去離子柵，它利用的是短弧滅弧原理。它使用磁性材料的金屬片置於電弧中，將電弧分成若干短弧，利用交流電弧的近陰極效應和直流電弧的近極壓降來達到熄滅電弧的目的。

橫向金屬柵片滅弧情況如下圖所示。柵片的材料一般採用鐵，當電弧靠近鐵柵片時，由於鐵片為磁性材料，所以柵片本身就具有一個把電弧拉入柵片的磁場力（當電弧移近金屬柵的上沿時，鐵柵片又具有把電弧拉回的特性，可防止電弧逸出柵外燒損其他物件）。當電弧被這個磁場力或外力作用剛進入鐵片柵中時，由於磁阻較大，鐵片柵對電弧的吸力不大。為了減小電弧剛進入鐵柵片時的空氣阻力，鐵柵片作成楔口並交叉裝配，如下圖（b）所示，即只讓電弧先進入一半鐵片柵中以增大最初接觸電弧的鐵片片距。隨著電弧繼續進入鐵片柵中，磁阻減小，鐵片對電弧的拉力增大，足以使電弧進入所有的鐵片柵中。電弧進入柵片後分成許多串聯短弧，電流迴路產生作用於各短弧上的電動力使短弧繼續發生運動。此時應注意使短弧被拉迴向觸頭方向運動的力，它會使電弧重燃並燒損觸頭。為了消除這種現象，可以採用凹形柵片和O形柵片。鐵柵片在使用時一般外表面要鍍上一層銅，以增大傳熱能力和防止鐵片生鏽。

真空滅弧是使觸頭電弧的產生和熄滅在真空中進行，它是依據零點熄弧原理，以真空為熄弧介質工作的。

在真空中氣體很稀薄，電子的自由行程遠大於觸頭間的距離。當真空度為10-5mm汞柱時，電子的自由行程長達43m。自由電子在弧隙中作定向運動時幾乎不會和氣體分子或原子相碰撞，不會產生碰撞遊離。所以將觸頭置於真空中斷開時產生的電弧是由於陰極發射電子和產生的金屬蒸氣被電離而形成的。當電弧電流接近零時，陰極發射的電子和金屬蒸氣減少，弧隙中殘留的金屬蒸氣和等離子體向周圍真空迅速擴散。這樣，弧隙可以在數微秒之內由導電狀態恢復到真空間隙的絕緣水平。因此，在真空中觸頭有很高的介質恢復速度、絕緣能力和分斷電流的能力。

真空電弧按其電流的大小可分為擴散弧和收縮弧兩種。擴散弧的電流較小（幾百至幾千安培），此時電弧分裂為許多並聯的支弧。每～支弧有自己的陰極斑點和弧柱，陰極斑點互相排斥且均勻分佈在陰極上。在電磁場的作用下陰極斑點不斷地沿左旋方向運動，觸頭表面的平均溫度較低且分佈均勻。陽極此時不存在陽極斑點，陰極斑點既發射電子又產生金屬蒸氣。當電流接近於零值時，最終只剩下一個斑點，電流過零時，電弧自行熄滅。當擴散弧的電流增加到足夠大時，陰極斑點相互聚成一團，運動速度很小甚至不再運動：陰極表面不但產生大量的金屬蒸氣，而且有一部分金屬直接以顆粒或液滴的形式向弧隙噴射。陽極此時也出現熾熱的陽極斑點且蒸發和噴射一定數量的金屬，觸頭的電磨損迅速增加。當真空滅弧裝置中出現收縮弧后，就不能再開斷電路。電弧由擴散弧轉變為收縮弧的電流，也就是該真空滅弧裝置的極限開斷電流，它隨觸頭材料和直徑大小的不同而不同。

在開斷交流電路時，當被開斷的電流減小到某一數值時，擴散弧會發生被稱為截流的電流突然被截斷的現象。這樣，在開斷感性負載電流時，弧隙上將產生很高的過電壓，這是使用真空滅弧裝置應注意的問題。

真空滅弧室的基本結構如圖上圖所示。外殼4是用玻璃、陶瓷或微晶玻璃等無機絕緣材料做成的，呈圓筒形狀，兩端用金屬蓋板封接組成一個密封容器。外殼內部有一對觸頭5，其中靜觸頭固定在靜導電桿1的端頭，動觸頭固定在動導電桿7的端頭。動導電桿通過波紋管6和金屬蓋板的中心孔伸出真空滅弧室外。動導電桿在中部與波裂管的一個埠焊在一起。波紋管的另一個埠與金屬蓋板焊接。波紋管是一種彈性元件，側壁呈波浪狀的金屬管，它可以縱向伸縮。由於在動導電桿和金屬蓋板之間引入了一個波紋管，真空滅弧室的外殼就被完全密封，動導電桿可以前後移動，但不會破壞外殼的密封性。真空滅弧室內部的氣壓應低於10Pa，一般為10Pa左右，因而動觸頭和靜觸頭始終是處在高真空狀態下。在觸頭和波紋管周圍都設有屏蔽罩，觸頭周圍的屏蔽罩3稱做主屏蔽罩由瓷柱2支撐，波紋管周圍的屏蔽罩稱做輔助屏蔽罩或波紋管屏蔽罩。

如果真空開關接入如下圖所示的電路，當操動機構使動導電桿向上運動時，動觸頭和靜觸頭就會閉合，電源與負載接通，電流就流過負載。反之，動導電桿作反方向向下運動時，動觸頭就會分離，在剛分離的瞬間，觸頭之間將立刻產生真空電弧，真空電弧是依靠觸頭上蒸發出來的金屬蒸汽來維持的，直到工頻交流電流接近零時，金屬蒸汽將接近停止蒸發，同時加上真空電弧的等離子體很快向四周擴散，電弧就被熄滅，觸頭間隙很快地變為絕緣體，於是電流就被分斷。

真空滅弧室按用途可以分為斷路器用、負荷開關用、接觸器用和特殊用途等分類。斷路器用的真空滅弧室要求具有開斷短路電流的能力，用於電路和電氣設備的過載和短路保護，一般不經常操作，短路電流的開斷次數可達30~100次。

負荷開關用的真空滅弧室只要求開斷負荷電流，即開斷額定工作電流。它常與熔斷器配套組合，由熔斷器作短路保護。在負載情況下的開斷次數為200～300次。

接觸器用的真空滅弧室要求在一定負荷電流下能作頻繁操作，它的操作次數可達到50萬次到100萬次，甚至更多。也常和熔斷器串聯配套使用。

特殊用的真空滅弧室是指在特定條件下運行的真空滅弧室。例如，托克馬克（Tokmak）設備上用的真空開關，它要求真空滅弧室既具有開斷接近短路電流的能力，同時又能作頻繁的操作。這些要求無疑是十分苛刻的，但對真空滅弧室來說，經過嚴密的設計也能滿意地達到預期的目標。其它如開斷高壓直流用的真空滅弧室、觸發點火用的真空滅弧室和切斷高頻電流用的真空滅弧室等等。

真空滅弧室按不同的觸頭結構，可分為平板形觸頭結構、產生橫向磁場的觸頭結構、產生縱向磁場的觸頭結構、縱橫磁場相結合的觸頭結構（又稱作杯狀觸頭結構）和其它特殊型式的觸頭結構等。

真空滅弧室按絕緣外殼材料不同可分作，玻璃外殼真空滅弧室（絕緣外殼用玻璃製成）、陶瓷外殼真空滅弧室（絕緣外殼用陶瓷製成）和微晶玻璃外殼真空滅弧室（絕緣外殼用微晶玻璃製成）。

滅弧罩是讓電弧與固體介質相接觸以降低電弧溫度，從而加速電弧熄滅的比較常用的裝置。滅弧罩的結構形式多種多樣，但其基本構成單元為“縫”。我們將滅弧罩壁與壁之間構成的間隙稱作“縫”。根據縫的數量可分為單縫和多縫。根據縫的寬度與電弧直徑之比可分為窄

滅弧裝置是開關的重要組成部分，尤其是對斷路器、熔斷器等顯得更加重要。

開關的滅弧方式很多，主要有：

1.採用壓縮彈簧，使開關高速斷開。

2.利用空氣或某些氣體吹弧，使電弧迅速冷卻和拉長。

3.使電弧與固定介質接觸，使電弧拉長並迅速冷卻，如絕緣滅弧柵就屬於這種。

4.將電弧分成若干段，以利熄弧，如金屬弧柵等。

5.將觸頭置於絕緣油中，使電弧迅速冷卻。

如果開關不能正常滅弧，將導致開關損壞，進而使電氣裝置發生更大的故障。滅弧系統故障的主要原因如下所述：

1.滅弧罩受潮

滅弧罩通常由石棉水泥板或纖維板製成，容易受潮。受潮以後，絕緣性能降低，電弧不能被拉長。同時，電弧燃燒時，在電弧高溫作用下使滅弧罩內水分汽化，造成滅弧罩上部空間壓力增大，阻止了電弧進入滅弧罩，延長滅弧時間。對於這種故障比較易於判斷。正常時，電弧噴射範圍很大，並且聽到軟弱無力的“卜、卜'’聲；若發生觸頭燒毛嚴重、有滅弧罩燒焦等現象，就說明滅弧罩已經受潮。這時，只要將滅弧罩烘乾即可。

2.滅弧罩炭化 滅弧罩在高溫作用下，其表面被燒焦，形成一種炭質的導電橋，對滅弧很不利，應及時處理。處理的方法可用細銼輕輕銼掉，但不能增加粗糙度，因為毛糙的表面會增大電弧的阻力。

3.磁吹線圈短路為了將電弧引入滅弧罩中，一些開關採用磁吹線圈。這種線圈一般採用空氣絕緣，不另外增加絕緣材料。如果線圈受到碰撞變形、導電灰塵積聚太多，就會出現線圈短路或匝間短路，使線圈不能工作，降低了開關的滅弧性能。

4.滅弧柵片損壞 金屬滅弧柵片脫落、鏽蝕將使電弧不能順利拉入柵片中，影響滅弧效果，因此應及時修補。滅弧柵片外表看似銅質，其實絕大部分是鋼質的，僅表面鍍了一層銅。損壞的柵片可用普通白鐵片代替。

5.滅弧觸頭的故障 滅弧觸頭起招引電弧的作用，是保護主觸頭的。它的基本工作程序是：先於工作觸頭閉合，後於工作觸頭打開。如果磨損嚴重或裝配不合理，將失去其作用，因此，應定期檢查調整。